（动力机械及工程专业论文）柴油机拆装多媒体cai课件设计与开发.pdf

大连理工大学硕士论文 摘要 随着多媒体技术、计算机技术运用到教育领域并产生第一部多媒体 课件以来，优秀的多媒体课件便层出不穷，这对辅助教学产生了极大的 影响，被称为教育界的第四次革命。但由于受到计算机技术、认知学、 教育学发展的制约，多媒体c a i 课件的实现技术仍大大落后于c a i 理论的 发展，在高等教学方面主要表现在专业基础课和专业课教学的多媒体c a i 课件数量和质量明显不如基础课程。 随着制造工业和柴油机技术的不断发展，柴油机的结构有了较大的 变化，这对我校柴油机拆装实习课教学带来了很大的压力，教学改革势 在必行。柴油机拆装实习多媒体c a i 课件的制作被我校列为2 0 0 3 年教学改 革项目。 本文主要研究柴油机拆装多媒体c a i 课件的设计与开发技术。在深入 了解多媒体c a i 课件的特点、制作理论、制作原则和开发技术、开发流程 的基础上，结合柴油机拆装实习课程的教学特点、目标和要求，对柴油 机拆装多媒体c a i 课件进行系统设计；运用3 dm a x 、f l a s h 、w o r d 、 p h o t o s h o p 等软件采集和制作文本、声音、图形图像、二维、三维动画和 视频等多媒体素材，建立了柴油机零件结构的三维模型库，制作了模拟 柴油机工作过程、工作原理和曲柄连杆机构的拆卸和装配过程的二维、 三维动画；运用a u t h o r w a r e 7 o 的功能，实现了交互控制多媒体视频的播 放，开发出交互性强、富有表现力的柴油机拆装实习多媒体c a i 课件，最 终可使学习者了解和掌握现代车用柴油机的结构、原理、工作过程与拆 装、维护理论知识。 本文为专业实践课多媒体c a i 课件的设计和开发投石问路，亦可供开 发基础课多媒体c a i 课件的设计人员进行参考。 关键词：柴油机，拆装，多媒体c a l 课件，设计，开发 柴油机拆装多媒体课件c a i 设计与开发 d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o fm u l t i m e d i ac a i i nd i e s e l e n g i n e s t r u c t u r ep r a c t i c e a b s t r a c t a f t e rt h ea p p e a r a n c 6o ft h ef i r s tm u l t i m e d i ac o u r s e w a r eb ya p p l y i n gm u l t i m e d i a t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t oe d u c a t i o nd o m a i n ，e x c e l l e n tm u l t i m e d i ac a i c o u r s e w a r ee m e r g e si ne n d l e s s l ya n da f f e c t st h ea s s i s t a n tt e a c h i n gs e r i o u s l y t h e r e f o r e ，i t i sc a l l e de d u c a t i o nd o m a i n sf o r t hr e v o l u t i o n h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c et e c h n o l o g yo f m u l t i m e d i ac a ic o u r s e w a r ei ss t i l l g e t t i n gb e h i n dt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ac a i t h e o r y , r e s t r i c t e db yc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o g n i z es u b j e c ta n de d u c a t i o n sd e v e l o p m e n t ， a n di t sm a i np e r f o r m a r l c e i n h i 吐e d u c t i o na s p e c t i st h a tt h em u l t i m e d i ac a i c o u r s e w a r c sq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fs p e c i a l t ye l e m e n t sc o u r s e sa n ds p e c i a l t yc o u r s e s t e a c h i n gi sn o t s og o o da st h a to f e l e m e n t sc o u r s e si ne v i d e n c e w i t ht h eg r a d u a ld e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dd i e s e lt e c h n o l o g y , t h e d i e s e ls t r u c t u r eh a s c h a n g e d a l o t ，w h i c hh a sb r o u g h ts 缸o n gp r e s s u r e t ot h ed i e s e le n g i n e s t r u c t u r e p r a c t i c e t h u si t sn e c e s s a r y t oi n n o v a t e ，a n do u rc o l l e g ec o n s i d e r st h em a k i n go f t h ed i e s e ls t r u c t u r ep r a c t i c em u l t i m e d i ac a ic o u r s e w 8 t ea sa ne d u c a t i o n a li n n o v a t i o n s u b j e c ti n 2 0 0 3 t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fm u l t i m e d i ac a i c o u r s e w a r ei nd i e s e le n g i n es t r u c t u r ep r a c t i c e t h ea u t h o r , u n d e r s t a n d i n gt h em u l t i m e d i a c a ic o u r s e w a z e sc h a r a c t e r i s t i c s ，w o r k i n gt h e o r y , w o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y , d e v e l o p m e n tf l o w , c o m p l e t e st h es y s t e m i cd e s i g no f d i e s e le n g i n es t r u c t u r e p r a c t i c em u l t i m e d i ac a i c o u i 湛e w a r ec o m b i n i n gt h et e a c h i n gf e a t u r e s ，a i ma n dr e q u e s to f d i e s e le n g i n es t r u c t u r ep r a c t i c ec o u r s e s ；a n dt h e nc o l l e c t sa n dm a k e sm u l t i m e d i a m a t e r i a l s s u c ha st e x t s ，s o u n d ，f i g u r ei m a g e s ，2 dc a r t o o n s ，3 dc a r t o o n s ，v i d e oa n ds oo n ，w i t ht h e t o o l sl i k e3 dm a x ，f l a s h ，w o r d ，p h o t o s h o p ，a n db u i l d s3 dm o d e lb a s eo ft h ed i e s e l e n g i n e sc o m p o n e n t ss o a st om a k et h e2 da n d3 dc a r t o o n st h a tc o u l ds i m u l a t et h e w o r k i n gp r o c e s sa n dp r i n c i p l eo f d i e s e le n g i n ea n dt h et e a r d o w na n da s s e m b l yp r o c e s so f c r a n kg u i d e a f t e rt h ea b o v ew o r k ，t h ea u t h o rc o m p l e t e st h ep l a y i n go ft h ea l t e m a t e c o m r o l t e dm u l t i m e d i av i d e oa n dd e v e l o p st h em u l t i m e d i ac a ic o l j i s e w a r ew i t hb e t t e r m u t u a lf u n c t i o na n de x p r e s s i v ef o r c ef o re n g i n es t r u c t u r ep r a c t i c eb yu s i n ga u t h o r w a r e u s i n g t h i sc a is y s t e m ，s t u d e n t sc a nu n d e r s t a n dt h es t r u c t u r e ，t h e o r ya n dw o r kp r o c e s so f t h ed i e s e l ，a l s o i n c l u d i n gs o m ee n g i n et e a r i n go p e na n d i n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e k n o w l e d g e t h i s p a p e r d o e ss o m ep r e p a r a t i o nw o r kf o rt h e d e s i g n i n g a n d d e v e l o p m e n to f i i 大连理工大学硕士论文 s p e c i a l t yp r a c t i c ec o u r s e sm u l t i m e d i ac a ie o u r s e w a r e ，a n di t c a l lb eu s e da sar e f e r e n c e f o rm u l t i m e d i ac a i d e s i g n e r k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，s t r u c t u r ep r a c t i c e ，m u l t i m e d i ac a i e o u r s e w a r e ，d e s i g n ， d e v e l o p m e n t i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名： 大连理工大学硕士论文 i 绪论 1 1 课题研究的背景 自1 9 5 9 年美国i b m 公司研制成功世界上第一个计算机辅助教学系统，从而宣告 人类开始进入计算机教育应用时代以来，计算机辅助教学( c o m p u t e ra i d e d i n s t u c t i o n ) 即c a i 这一新学科就迅速在辅助教学的广阔领域内发挥了巨大作用。在 一些西方国家，c a i 系统课件已经在学校、家庭中广泛使用，并收到了良好的效果。 在我国，虽然起步较晚，但发展很快。自8 0 年代起，以北京大学、清华大学、中国 科技大学为代表的一些实力雄厚的高等学府都把c a i 的发展作为重点研究课题，相继 成立专门的c a i 研究机构。目前，c a i 已经从认识阶段发展到大丽积使用阶段，成为 素质教育下课堂教学不可缺少的辅助教学手段，也是各个院校教学改革的重要内容。 随着计算机的普及和多媒体技术的迅猛发展，涌现出许多商品化的多媒体教学软 件及优秀教师编制的教学课件，其中不乏精品之作，给教学带来了极大的方便。然而， 受到计算机技术、认知学、教育学发展的制约，c a i 课件的实现技术仍大大落后于c a i 理论的发展，c a i 课件的普及仍存在一定的难度，在高等教学方面主要表现在专业基 础课和专业课辅助教学的多媒体课件数量极少。究其原因主要是熟悉计算机软件制作 的专业人员缺乏对其它专业课相关知识的深刻理解，因而无法胜任此类课件的制作开 发工作；而熟悉本专业的专业教师又对计算机编程、课件制作不熟练，只能使用一些 简单易操作的软件进行开发，致使教学课件流于“电子翻页器”的模式，功能单一， 极大地影响了c a i 功能的发挥。所以，各大院校c a i 研究机构均将此列为开发的重点， 各专业教研室也将此列为教学改革的一项重要内容。 随着制造工业和柴油机技术的不断发展，柴油机的结构有了较大的变化，柴油 机拆装实习课作为内燃机专业的- - i 3 主干专业实践课程，在教学内容和教学手段上 也应作相应的改革，其理论和实践相连接的实习课程更应与技术发展相衔接。目前， 我校内燃机专业课教学的实践环节有两个：认识实习和生产实习。认识实习即柴油机 拆装实习是以柴油机构造理论和拆装工艺为主要内容，是学生全面了解柴油机结构、 原理及其拆卸、装配方法的课程，是学好其它专业课的基础。但是在目前的教学中， 存在着教学方法单一、教学设备落后的问题。只凭老师在黑板上书写、口头传授，并 辅以挂图、幻灯片及录像等，很难讲清柴油机复杂的结构、装配关系和运动关系，学 生也无法想象出其内在的结构及其相对运动关系。在动手操作中，也是按重复老师示 范的拆装顺序和方法来进行，学生看到的也只是一个个单独的零件和机件组装的顺 序，无法认识到柴油机的各个系统组成及其复杂的运动关系、工作原理。由此可见， 1 柴油机拆装多媒体课件c a i 设计与开发 在柴油机拆装实习课教学中急需计算机辅助教学。 本课题正是基于这样的环境，被我校列为2 0 0 3 年教学改革项哥。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 c a i 在国外是从五十年代开始的，七十年代以后得到迅速的发展，先后出现的著 名计算机辅助教学系统有p l a t o 、s c h o l a r ：w h y 、s o p h i e 、b u g g y 等，其中规模最大 的是美国依里诺依大学从六十年代开始研制的p l a t o 。到1 9 8 6 年，已有1 5 0 门学科 的约7 0 0 0 学时的课件，全年能提供约一千万人学时的教学能力。 我国的c a i 研究起步于八十年代，第一个c a i 系统为华东师范大学现代教育技术 研究所研制的微机辅助b a s i c 教学系统，以后西安交大、华中工学院、北大、清华等 高等院校和有关研究所相继开始了c a i 的研究开发工作，把理论研究推进到软件的开 发和推广应用，七五计划中国家投资数百万进行教学软件的研制，取得了许多优秀成 果。我国的c a i 研究己从实验阶段走向应用阶段。 近几年，由于计算机软硬件新技术的发展，c a i 的开发变得相对更加容易，无论 是课件的开发还是课件开发工具的开发都十分方便，在此基础上，已经开始了 i c a i ( 智能c a i ) 的研究，智能c a i 的最大特点是能自动生成各种问题和练习：根据学 生水平自动选择与调整学习内容与进度等等；m c a i ( 多媒体c a i ) 也是c a i 研究的一个 方向，多媒体c a i 的最大特点是将文本、图形、图像、声音以及动画等技术综合应用， 达到图文并茂、生动形象的效果：随着计算机网络的普及，远程教育、移动教育已成 为c a i 发展的一个方向，通过网络连接，可以很方便的进行教学，从而达到足不出户 就能进行教学和学习的目的。 我校的c a i 的发展也有了长足的进步，在个别专业上也取得了不小的成绩，如 1 9 9 9 年化工学院研制的智能多媒体仪器分析c a i 系统课件、有机化学实验多媒体辅 助教学等获得全国高等院校c a i 课件评比二等获。2 0 0 2 年，机械学院工程画教研室 组织召开了全国高等院校c a i 教学研讨会，他们研制的画法几何教学软件获得多个奖 项。 在内燃机专业方面，c a i 教学也有一定的研究，如华东师范大学叶淑贞老师在 2 0 0 0 年用f l a s h 研制出“发动机构造与原理一一多媒体c a i ”软件，浙江大学冯雷老 师2 0 0 1 年用p o w e r p o i n t 研制出“汽车拖拉机学c a i 系统”，华东师范大学2 0 0 0 年硕 士毕业生徐红芹研制出三维动画“汽车离合器”辅助教学软件等等，但大多数是内燃 机某一机构或某一部件的辅助教学软件，没有系统地描述内燃机的运动规律、工作过 程和工作原理，演示结构和装配过程，因此运用二、三维动图生动形象描述抽象的概 念、原理和结构将是其发展趋势。 2 大连理工大学硕士论文 1 3 本课题主要研究的内容及意义 本课题主要研究的内容包括以下几个方面： 1 。依据多媒体c a i 课件的特点、制作理论、原则对柴油机拆装多媒体c a i 课件进 行系统分析和总体结构设计。 。2 运用m i c r o s o f t w o r d 、f l a s h 、3 dm a x 、p h o t o s h i p 及a u t h o r w a r e 等软件开发 柴油机拆装多媒体c a i 课件。 ( 1 ) 选择课件运行环境 ( 2 ) 课件脚本的编写本课件采用非线性的超媒体结构，先确定柴油机拆装实 习课c a i 课件的总统框架结构，制作出文字脚本及制作脚本。 ( 3 ) 素材的收集和制作包括c a i 软件中的文字输入、图形图像、动画制作和视 频资料的采集和制作。 ( 4 ) 系统的编辑利用a u t h o r w a r e 对各多媒体素材进行整合编辑，编制多媒体c a i 课件。 ( 5 ) 打包发行将c a i 软件打包为“e x e ”文件，以便可以在w i n d o w s 下直接运行。 本课题的重点工作是在运用f l a s h 、3 dm a x 等软件制作充分展示柴油机各零、部 件的结构及模拟其工作过程等所需的图形图像、动画素材；充分运用a u t h o r w a r e 提 供的交互性好、导航系统丰富、程序控制能力强并镌编辑多种多媒体素材的功能制作 出结构合理、界面美观、功能繁多的柴油机拆装多媒体c a i 课件。 由于构成柴油机的部件很多，在短时间内无法完成整个课件的制作，本课题只完 成课件的框架和曲柄连杆机构部分，其余部分有待其它同学完成。 虽然，曲柄连杆机构的三维动画只是解决了柴油机教学中的一个小问题。但是 以此举一反三，也可解决其它部件的三维视图和动画问题，由于国内外对柴油机拆装 三维动画教学的研究较少，所以本课题的研究同时又具有更广泛的意义。 本软件的完成，对专业实践课程的计算机辅助教学，也起到投石问路的作用。 该软件的设计方法可以推广到内燃机专业的其它课程和其它专业实践课程的计算机 辅助教学软件的开发，从而为专业实践课程的计算机辅助教学软件的开发打下坚实基 础。 3 柴油机拆装多媒体课件c a i 设计与开发 2 多媒体c a i 课件综述 2 1 计算机辅助教学c a i 2 1 1 计算机辅助教学的概念 计算机辅助教学( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c ti o n ) ，即以数字方式将表现学科 教学内容和教学过程的图、文、声、像、动画以及活动影象等信息通过计算机系统存 储、加工、传输和呈现。用户可通过人机交互方式使用，以便辅助教师教和学生学， 它是计算机辅助教育( c o m p u t e rb a s e de d u c a t i o n 简称c b e ) 中的一个重要分支，是计 算机技术在教育领域中开拓出的新的应用技术学科，它体现了一种全新的教育思想， 也被称为教育史上的第四次革命。 c a i 的发展是信息革命在教育领域中的反映，也是信息社会对教育的新要求。在 我们刚刚跨入的二十一世纪，它已成为衡量一个学校，一个国家教育水平的重要标志。 2 1 2c a i 形成及发展趋势 计算机的诞生和发展为计算机辅助教学产生奠定了物质基础。人类试图将计算机 应用到教育领域是从2 0 世纪6 0 年代开始的，到今天已经有4 0 多年的历史了。根据 其发展的特点，我们可以将其发展分为西个阶段： 1 形成阶段( 1 9 5 8 1 9 6 5 ) 1 9 5 8 年，美国i b m 公司的沃斯顿研究中心设计出的世界上第一个计算机辅助教 学系统，即把一台i b m 6 5 0 计算机连接到一台电传打字机上向小学生教授二进制算术， 并根据学生的要求产生练习题，这标志着人类开始进入计算机辅助教学的应用时代。 1 9 6 1 年，该公司又研制了包括心理学、统计学和德语阅读等内容的计算机辅助教学 系统。1 9 6 3 年，斯坦福大学开始利用计算机讲授逻辑学导论，以后又延伸到程序设 计、俄语、德语等课程。 2 成长阶段( 1 9 6 5 1 9 7 5 ) 这个时期，计算机辅助教学迅速发展，并形成了- f 独特的学科，除了数学、物 理等学科外，医学、语言学、经济学等高等教育领域也开展了计算机辅助教学。这时， 教学系统作为一种软件产品出现市场，并且出现了计算机教程公司，专门研制和生产 各种教学课件及教学管理软件。 3 完善阶段( 1 9 7 5 一1 9 8 0 ) 这一时期，计算机辅助教学进入快速发展时期，它具有两个明显的特点：一是大 型的计算机辅助教学系统进一步完善，二是微型计算机的出现使计算机辅助教学有了 4 大连理工大学硕士论文 突破性进展。 4 成熟阶段( 1 9 8 0 至今) 这一时期，计算机技术的高速发展和先进教育理论的出现，使得计算机辅助教学 真正开始成熟起来，并具备媒体化、网络化、智能化等特点，特别是多媒体技术同网 络技术相结合，使得基于i n t e r n e t 的教学应用得到了迅猛的发展，远程教育就是一 个很好的证明，虚拟教室、虚拟图书馆、虚拟校园等已经走进我们的生活。不久的未 来，基于移动数据通信技术与互联网结合而产生在移动互联网技术之上所开展的移动 教育，将真正地实现教学在任何时间、任何地点都可进行的情景。 2 1 3c a i 课件的特点 多媒体课件与传统的教学手段相比具有独特的特点。传统教学手段主要借助三尺 讲台，老师用语言和板书再加上简单的道具向学生传授知识，而多媒体课件基本上改 变了这种模式，具备许多新的特点，具体如下： 1 多媒体课件可以创造出虚拟的现实世界，使情景教学成为现实，彻底改变了传 统教学中粉笔黑板的单一、呆板的表现形式，有利于提高学生学习兴趣和学习效率。 2 多媒体c a i 课件具有化繁为简、化难为易、化远为近、化大为小、化快为慢等 丰富多彩的表现形式。 3 多媒体c a i 课件利用先进和声像压缩技术，可以在极短的时间内存储、传播、 提出或呈现大量的图、文、声、像并茂的教学信息。 4 课件教学能减少重复性劳动。 5 c a i 课件可以作为资料共享。 但它也有一些不足之处，一是淡化了学生逻辑思维、抽象思维的训练，二是课件 是按预制的程序制作的，不能回答学生随意提出的问题，更无法替代老师形态的暗示 作用。 2 2 多媒体c a i 课件 2 2 1 多媒体课件的概念及其分类 媒体，是表示传输、存储信息的载体，如报纸、广播、电视等。根据人类对信息 的感知途径来观察媒体，常分为视觉媒体、听觉媒体和触觉媒体。其中视觉媒体是最 重要的一类，约占人类从外部获取信息总量的8 0 。听觉媒体和触觉媒体各占1 0 。多 媒体是指利用计算机或其它电子手段传递的文本、图形、图像、动画、音频和视频信 息的组合。多媒体技术的涵义和范围极其广泛，且随着社会技术的发展而更加丰富。 多媒体c a i 是一种用计算机多媒体技术进行辅助教学的教学方式。它以多媒体计 5 柴油机拆装多媒体课件c a i 设计与开发 算机为媒介，通过多媒体计算机与学生之间的交互作用达到教学目的。课件就是实现 和支持特定课程的计算机辅助教学软件及配套钓教学资料。多媒体c a i 课件是一种利 用多媒体技术设计并开发的c a i 教学软件。从实现技术上讲，多媒体c a i 课件是用多媒 体技术交互式综合处理文、图、声、像等信息以表现教学内容的一种多媒体软件。从 课件内容上讲，是以教学理论和学习理论为指导，运用系统论的方法，针对教学目标 和教学对象的特点，合理地选取、设计教学信息媒体并进行有机组合，从丽形成优化 的教学结构的一种教学系统。 多媒体c a i 的种类很多，其分类也有多神方法。 。 按软件适用机型分：大、中型机的c a i 系统，小型机和微型机的c a i 系统等。 按系统的体系结构方式分：中央处理型，局域网络型和单机型。 按c a i 程序结构分：结构型，生成型和智能型。 按教学模式分：辅助教学型，辅助自学型，教学演示型，习题软件型和虚拟仿真 型。 2 2 2c a i 教学软件设计的理论基础 自1 9 5 9 年美国i b m 公司研制成功第一个c a i 系统，从而宣告人类开始进入计算 机教育时代以来，从1 9 5 9 年至今计算机辅助教育的理论基础经历了三次大的演变。 第一次( 6 0 年代初至7 0 年代末) 是以行为主义学习理论为基础。这是计算机教育 应用的初级阶段，以美国心理学家叠戴克、斯金纳为代表的行为主义学派把学生当作 一个“黑箱”，认为学习是一种可以观察到的行为变化。他们把观察分析的重点放在 学习的输出，关心如何获得令人满意的输出。而输出是输入刺激的一种反应，因此学 习过程是一种刺激一一反应的过程，传播者的任务是安排刺激、观察学生反应，对令 人满意的反应予以强化鼓励，对令人不满意的予以补救或否定来纠正其反应。因此早 期的c a i 课件都是基于框面的、小步骤的分支程序设计的，多年来一直是c a i 课件开 发的主要模式并沿用至今。 第二次( 7 0 年代末至8 0 代末) 是以认知主义学习理论为基础，这是计算机教育应 用的发展阶段。以瑞士心理学家皮亚杰和美国心理学家布鲁纳为代表的认知学派，强 调学习是学生的心理发展过程，认为刺激之所以会产生反应，是由于学生内部有一个 复杂的处理过程，把其知识结构进行重新组织，形成新的知识结构。布鲁纳等重于研 究学习内容及过程，主张让学生操作各种材料，在操作中去发现与其原有知识相辅相 成的新知识，从而改进旧知识结构，形成更科学的新知识结构。在认知学习理论的指 导下，c a i 课件设计中，人们开始注意学习者的心理过程，开始研究、强调学习者的 一0 理特征与认知规律。 6 大连理工大学硕士论文 第三次( 9 0 年代至今) 是以建构主义学习理论为基础。它强调以学生为中e l , ，它 不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象变为信息加工的主体、知识 意义的主动建构者，而且要求教师由知识的传授者、灌输者变为学生建构意义的帮助 者、促进者，这个阶段被认为是c a i 理论发展的成熟阶段。 2 2 3c a i 课件制作原则 围绕建构主义学习理论，运用c a i 构建协作式的学习环境，在c a i 课件的设计制 作上还应遵循以下原则： i 开放性原则 c a i 课件的开放性原则，一方面体现在c a i 课件的可再编辑，教师在课前极短时 间内就能依据自己的教学需要和当前教学的实际对课件进行编辑，根据需要决定对课 件所包含的各种素材( 文字、声音、图像、动画) 的取舍，可以随时更改播放顺序和速 度等。另一方面根据建构主义学习理论，学习者的学习经验和知识结构不尽相同，课 件在设计制作上应有多个起点和多条学习路径，以便更有利于学习者从多层次，多渠 道进入学习活动 2 意义建构原则 建构主义强调建构学习环境对学习者认知结构形成与发展的重要作用。在基于建 构主义学习理论所构建的学习环境中，学生是认知的主体，是意义的主动建构者。因 而，整个学习过程的最终目的是完成学习者对知识的意义建构。在这样的环境中，教 学是从如何创设有利于学习者意义建构的情境开始，整个教学过程都是以“意义建构” 为中心去设计和实施。 3 可操作性原则 利用多媒体技术制作的c a i 课件的目的是应用于课堂教学，优化教学结构，提高 教学质量c a i 课件的使用主体是教师，但由于教师个人信息素养的差异，c a i 课件能 不能灵活地、方便地操作一直是制约其推广的因素之一。因此，在c a i 课件的设计制 作时应对课件的可操作性、人机交互性给予充分的考虑，使操作者进退自如，画面能 适时切入切出，使学生的思维与课件运用的进程保持同步，避免了学生思维的停顿和 注意力的分散，从而确保教学目标的顺利完成。 4 实用性原则 c a i 课件可以使许多抽象和难以理解的知识内容变得生动、有趣、直观、形象， 在课堂教学中收到事半功倍的效果。因此，在课件的制作上要力求简捷实用，在界面 的设计上力求简洁明快，不必要的修饰和信息尽可能不要出现在屏幕上。因为界面作 为与学生信息交流的窗口，屏幕上信息量多与少，分布结构的繁与简，对学生注意力 7 柴油机拆装多媒体课件c a i 设计与开发 的集中与否，注意力延迟时间的长短，往往产生很大的影响。因此，在c a i 课件界面 的设计中，应尽可能地避免因片面追求界面美观而把界面设计得色彩缤纷，忽视其实 用性，分散了学生的注意力，降低了学生的学习效率和学习质量。 5 启发创新原则 建构主义学习理论认为，学习过程就是建立自己的认识和理解的过程，教师在 这一过程中所提供的学习资源的性质非常重要。如果c a i 课传只是用来验证知识的结 论，则只能增加学习者对知识的理解和记忆，而不能启迪和培养学生的创新意识和创 新精神，所以，c a i 课件在设计和制作上都要从创新的角度出发，围绕以教师为主导， 以学生为主体来进行。通过c a i 课件提供的生动、直观的材料激发学生的联想，唤醒 学习者长期记忆中的有关知识、经验或表象，去同化新知识，从中培养学习者的创新 意识。因而，c a i 课件在内容的选择上，形式的设计上，还应遵循启发创新原则。 2 2 4c a i 课件制作流程 无论是大中型的多媒体课件，还是小型的课件，其制作流程是基本一致的，当 确定了课件的主题以后。均应按照结构设计、收集素材、课件整合、测试发布的流程 进行制作如图3 1 所示。 删试不台格 确系脚素系测交 【定 k统 本 材统试付 隧 设制采整检 使 计作集 厶 查用口 j f 图3 1 课件设计开发流程 f i g 3 1c o u r s e w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t 1 确定选题 其目的就是要搞清楚课件设计规范。课件设计首先要了解使用课件的对象，包 括他们的年龄、身份、受教育的程度；其次是了解课件的运行环境，这样才能确定课 件的内容及要实现的功能。 2 系统设计 8 大连理工大学硕士论文 多媒体课件的系统设计就是根据确定的选题提出其逻辑模型，它分为总体设计和 详细设计。总体设计决定系统的模块结构，其内容包括课件的模块数量、模块的功能。 通常采用模块基本结构有：线性结构、分支结构、网状结构、混合结构；模块的基本 功能有交互、导航和程序控制。详细设计则是具体考虑每一个模块内部采用什么算法， 即课件采用何种技术实现总体设计的目标。其主要内容包括界面的设计、多媒体素材 的使用、控制程序的编写等。 3 素材采集与制作 多媒体课件中主要有文本、图像、动画、声音、视频等媒体信息，制作多媒体 课件时采集素材是一项比较繁琐的工作，也是制作课件的关键。采集制作素材时一定 要细心，把课件中需要的素材全部收集起来，并加以精心地挑选，恰当地处理。这样， 才能使课件增色添彩。 4 课件的系统整合 课件的系统整合是依据课件的制作脚本，把各种相关的素材按照一定的结构、 组织形式整合到一起。这项工作主要由软件来完成，如f l a s h 、p o w e r p o i n t 、 a u t h o r w a r e 、d r e a m w e a v e r 等，课件整合一定要注重科学性和艺术性的结合，既要突 出课件的基本功能，又要展示出课件的美感，从而激发学习的兴趣。 5 课件发布 当完成多媒体课件制作之后，在发布之前，一定要对课件进行全面的测试。这是 因为在开发课件的过程中，特别是开发大型课件的过程中难免会存在一些疏漏，甚至 是逻辑错误，因此，完成课件的制作任务之后，一定要对课件的每一个结构分支进行 测试，随时纠正存在的错误，并将课件在不同的电脑、不同的系统中进行测试，确保 课件能够正确的运行。通过了所有测试之后，才能将课件打包发行，应用到实际教学 当中。 柴油机拆装多媒体课件c i 设计与开发 3 三维动画技术的研究 随着计算机图形学和硬件技术的高速发展，人们已经可以用计算机生成高质量的 图像，计算机动画不仅可以应用于商业广告、电视片头、电影电视特技、动画片、游 艺场所，还可用于教育和科研。本课题研究的一个重要内容就是运用平面动画和三维 动面生动形象地演示柴油机工作原理、工作过程以及难以理解的抽象概念。因此，有 必要对计算机动画技术做一个全面的了解，以便在分析的基础上采取一种比较合理、 恰当的计算机动画技术。 3 1 计算机动画技术 一、计算机动画的定义 简单地讲，计算机动画是指用绘制程序生成一系列的景物画蘧，其中当前帧画面 是对前一帧的部分修改。动画是运动中的艺术，运动是动画的要素。当然这里所讲的 运动不仅指物理学的运动，还包括虚拟摄像机的运动，纹理、色彩的变化等。所以， 计算机动画中的运动泛指使画面发生改变的动作。这里所指的三维计算机动画，而非 传统的卡通动画，计算机动画所生成的是一个虚拟的世界，画面中的物体并不需真正 去构建，物体、虚拟摄像机的运动也不会受到计算机的限制，动画师几乎可以随心所 欲地编织他的虚拟世界。 二、计算机动画的方法 从计算机图形学的角度出发，计算机动面的分类方法很多，这里将从关键帧的动 画、变形物体的动画、过程动画、关节动画和人体动画、基于物理的动画等几个方面 对计算机动画作一个较全面的论述。 1 关键帧动画 关键帧动画是动画设计师常用的设计动画的方法，熟练的动画设计师设计关键面 面，也即所谓的关键帧，然后一般的动画画面由计算机自动生成，在三维计算机动画 中，中间帧的生成由计算机来完成，所用的方法为插值。所有影响画面图像的参数都 可成为关键帧的参数，如位置、旋转角、纹理的参数等。关键帧技术是计算机动画中 最基本并且应用最广泛的方法。另外一种方法是样条驱动动画。在这种方法中，用户 指定物体运动的轨迹，求物体在某一帧的位置。选择物体运动的轨迹一般由参数样条 来表示。从原理上讲关键帧插值问题可归结为参数插值闯题，传统的插值方法都可应 用到关键帧方法中。为了很好地解决插值过程中的时间控制问题，s t e k e t e e 等提出了 用双插值的方法来控制运动参数。其中之一为位置样条，另一为运动样条，k o c h a n n e k 等提出了类适合于k e y f a m e 系统的三次插值样条。 1 0 大连理： 大学硕士论文 2 变形物体的动回 一般的刚体动画，虽然也能给人带来眼花缭乱的效果，但总是缺乏生气。变形物 体的动画能以形状变形来渲染某些夸张的效果，大部分变形方法与物体的表示有密切 的关系，如通过移动物体的顶点或控制顶点来对物体进行变形，对于多边形表示的物 体，物体的变形可通过移动其多边形顶点来达到。但是多边形的顶点以某种内在的关 系相关联，不恰当的移动很容易导致三维走样问题。比如原来共面的多边形变成了不 共面的，参数曲面表示的物体可较好地克服上述问题。移动控制顶点仅改变了基函数 的系数，曲面仍然是光滑的，所以参数曲面表示的物体可处理任意复杂的变形。但是 参数曲面表示的物体有时由于控制顶点的分布较稀疏及需保持相邻曲面间的连续性， 也会带来三维走样问题。f o r s e y 和b a r r e l 提出的层次b 样条变形方法是一个很大发展。 他们解决了变形范围的大小问题，并且无需产生过多的控制点。二维图像的自然变形 在教育和娱乐方面都是一种非常有用的技术，当对应的二个物体很容易造型时，三维 形体变形是一种可行的方法。但由于三维变形技术往往对物体中多边形的个数、拓扑 结构和顶点之间的对应关系附加苛刻的限制，这大大缩小了三维变形的适用范围，用 图像处理技术反而方便得多。 3 过程动画 过程动画指的是用一个过程去控制物体的动画。过程动画经常牵涉到选择体的变 形，但与前面所讨论的柔性物体的动画不一样，在柔性物体的动厕中，物体的变形是 任意的，可由动画师任意控制。在过程动画中，物体的变形则基于一定的数学模型或 物理模型。r e e v e s 的粒子系统是过程动画的较早工作。后来，r e e v e s 和b l a u 发展了 粒子系统，他们用“v o l u m ef i l l i n g ”基本单元去生成随时间改变形状但又基本保持不 变的实体，如草叶随风的飘动。粒子系统的一个主要优点是数据库放大的功能，粒子 系统还可用来模拟由风引起的泡沫和溅水的动画。最近，r e e d 等人用粒子系统成功 地模拟了闪电。在生物界，许多动物如鸟、鱼等以某种群体的方式运动。这种运动既 有随机性，又有一定的规律性。r e y n o l d s 提出的群体动画成功地解决了这一问题。群 体的行为包括两个对立的因素，既要相互靠近又要避免碰撞，他用三条优先级递减的 原则来控制群体的行为。 4 关节动画和人体动画 在三维计算机动画中，把人体作为其中的角色一直是研究者感兴趣的目标，因而 关节动画越来越成为人们致力解决的研究课题。虽然计算机动画在广告、娱乐、教育、 科学计算、可视化和仿真等领域占据越来越重要的角色。人体和动物动画的许多闷题 仍未很好解决a 人体具有二百个以上的自由度和非常复杂的运动，人的形状不规则， 柴油机拆装多媒体课件c a i 设计与开发 人的肌肉随着人体的运动而变形，人的个性、表情等于变万化。可以说，人体动画是 计算机动画中最富挑战性的课题之一。正向或逆向运动学是设爱关节动画的有效方 法。通过对关节旋转角设置关键帧，得到相关的各个肢体的位置，这种方法一般称为 正向运动学方法。d e n a v j t 和h a r t e n b e r g 最早提出了一种通过相对坐标系来描述各个 关节位置的矩阵描述方法，并被从事关节动画的研究者广泛应用。把运动学和动力学 相结合，允许动画师以适合的方式思考问题。i s a a c s 等人提出的动力学运动学系统具 有与以前不同的三个特色： ( 1 ) 传统的关键帧系统嵌入到动力学分析中作为运动学约束； ( 2 ) 能够定义行为函数以对周围的环境起反应； ( 3 ) 逆动力学来决定产生特定运动的力。i s a a c s 把运动学和动力学约束显示表达出 来，然后求解这些方程。但这种方法的计算量极大。 5 基于物理模型的动画 基于物理模型的动画技术是八十年代后期发展起来的一种新技术，尽管该技术比 传统动画技术的计算复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，这是基 于几何的传统动画生成技术所无法比拟的。基于物理模型的动画技术考虑了物体在真 实世界中的属性，如它具有质量、转动惯量、弹性、摩擦力等，并采用动力学原理来 自动产生物体的运动。当场景中的物体受到钋力作用时，牛顿力学中的标准动力学方 程，可用来自动生成物体在各个时间点的位置、方向及形状。此时，动画师不必关心 物体运动过程中的细节，只需确定物体运动所需的一些物理属性及一些约束关系，如 质量、外力等。在刚体运动模拟方面，研究重点主要集中在采用牛顿动力学的各种方 程来模拟刚体系统的运动。由于真实的刚体不会相互贯穿，因而在剐体运动过程模拟 时，必须进行碰撞检测和碰撞响应。在真实物理世界中，许多物体并非完全是刚体， 它们在运动过程中会产生不定期的形变。基于几何的变形由于是人为给定的，因而变 形过程缺乏其实性。尽管基于物理模型的动画技术可生成非常自然、逼真的动茴，但 它有以下几方面的局限性： ( i ) 模型难以建立。目前的模型和算法大部分是针对特殊场景而设计的，缺乏普遍 性。 ( 2 ) 模拟过程难以控制。由于运动过程由模型自动控制产生，致使无法参与控制 它所需要的结果，只能通过间接地设置一个抽象参数来调节，缺乏直观性。 ( 3 ) 模拟缓慢。由于求解物理模型采用数值计算，因而计算量大。 3 2 虚拟现实技术 虚拟现实技术近几年来得到了迅速的发展，它不是只从计