（教育技术学专业论文）基于vrml的中学物理虚拟实验的设计与实现.pdf

摘要 在科学技术飞速发展的今天，以计算机技术、网络技术和通信技术为代表的现代信息 技术已丌始在教育领域中广泛应用，引发了一场从教育观念、内容、方法、手段到模式、 过程的全方位深刻变革。作为先进信息技术教育手段的虚拟实验也逐渐引入到教育教学领 域，丰富了实验教学的内容，完善了实验教学的理论体系。 作者在考察了中学物理实验教学现状的基础上，分析了丌发中学物理虚拟实验的必要 性，探究了丌发虚拟实验的虚拟现实技术，设计并实现了基于v r m l 的中学物理虚拟实验 系统，对系统实现的关键技术进行了深入的分析和研究，通过专题网站的形式对虚拟实验 系统进行了集成和发布。该系统包含的六个虚拟实验遵循教学设计的模式，系统地展现了 实验的原理、步骤、目的、器材、操作过程和结果等内容。虚拟实验在技术上实现的情境 性、高交互性和沉浸性等特点，有利于提高学习者的学习兴趣和学习效率，在一定程度上 弥补了传统实验教学的不足，具有较好的的应用推广价值。 论文共包括七章，在第一章中通过问卷调查，分析了目前中学物理实验教学中存在的 问题，针对这些问题提出了相应的解决对策，指出了物理实验教学信息化的必要性；在第 二章中分析了虚拟实验的概念、类别、发展历史及特点，研究了用于开发虚拟实验的多种 虚拟现实技术( 包括3 dm a x 、v r m l 、j a v a 等) ，提出了融合利用这些技术制作中学物理虚 拟实验的观点；第三章是对中学物理虚拟实验系统进行了总体分析，分析了中学物理实验 教学及中学物理虚拟实验系统的特点，确定了中学物理虚拟实验系统所涵盖的实验项目， 分析了中学物理虚拟实验系统的功能要求和性能要求；在第四章中，在前一章对中学物理 虚拟实验系统需求分析的基础上，设计了实用的中学物理虚拟实验系统，并以交流发电机 虚拟实验为例，详细地分析了该实验的概要设计及详细设计；第五章描述的是中学物理虚 拟实验系统的实现，以交流发电机虚拟实验为例详细地阐述了该实验各模块的丌发过程， 同时介绍了实现各中学物理虚拟实验及虚拟实验室漫游的关键技术；在第六章中，根据使 用对象的不同，开发了两套针对不同用户的中学物理虚拟实验专题网站( 采用a s p 动态网 页技术开发而成以供校园网发布使用和采用纯h t m l 静态网页技术开发而成以供普通用户 单机使用) ，对丌发的虚拟实验进行了集成发布，并探讨了中学物理虚拟实验的使用前景； 在第七章中对研究工作做了总结和展望。 关键词：虚拟实验；中学物理实验；v r m l ；3 dm a x ；j a v a a b s t r a c t t o d a y ，a st h es c i e n c et e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i d l y ，t h em o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y w h i c ht a k e st h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya s c o r e sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fe d u c a t i o n ，a n dl e dt op r o f o u n dc h a n g e sf r o mt h e c o n c e p t ，c o n t e n t ，m e t h o d s ，m e a n st om o d e lt h ep r o c e s so fe d u c a t i o n v i r t u a le x p e r i m e n t sa sa m e a n so fa d v a n c e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya r eg r a d u a l l yi n t r o d u c e di n t ot h ef i e l do fe d u c a t i o n a n de n r i c h e dt h ec o n t e n to ft h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n ga n di m p r o v e dt h et h e o r e t i c a ls y s t e mo f e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g o nt h eb a s eo fs t u d y i n ga tp h y s i c se x p e r i m e n t si ns e c o n d a r ys c h o o l ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h e n e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gv i r t u a lp h y s i c se x p e r i m e n t s ，m a k e sat h o r o u g hi n q u i r yt ot h et e c h n o l o g y w h i c hi su s e dt oe x p l o r ev i r t u a le x p e r i m e n t ，d e s i g n sa n di m p l e m e n t sv r m l - b a s e dv i r t u a l p h y s i c se x p e r i m e n t s ，a n dr e s e a r c h e st h es i xk e yt e c h n o l o g yo ft h i se x p e r i m e n ts y s t e mi nd e p t h o nt h ef o l l o w i n gt h eg u i d a n c eo fn e wc u r r i c u l u m ，t h es y s t e mf o l l o w st h em o d e lo fi n s t r u c t i o n a l d e s i g n ，d e m o n s t r a t e st h ep r i n c i p l e s ，s t e p s ，o b j e c t i v e s ，e q u i p m e n t ，p r o c e s s e sa n dr e s u l t so f o p e r a t i o n sa n ds oo n v i r t u a le x p e r i m e n t s ，w h i c hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t e x to f t e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o n ，h i g hi n t e r a c t i v i t ya n di m m e r s i o no fl e a r n e r s ，w i l lh e l pe n h a n c e i n t e r e s ti nl e a m i n g ，l e a r n i n ge f f i c i e n c y a n di tm a k e su pf o rt h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gt oac e r t a i ne x t e n t t h i sa r t i c l ei n c l u d e ss e v e nc h a p t e r s ，i nt h ef i r s tc h a p t e r , o nt h eb a s eo f q u e s t i o n n a i r es u r v e y ， t h ea u t h o ra n a l y z e sc u r r e n tp r o b l e m si nt h em i d d l es c h o o lt e a c h i n go fp h y s i c se x p e r i m e n t ，a n d p o i n t so u tt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o na n dt h en e c e s s i t yo fp h y s i c se x p e r i m e n t s ；i nt h es e c o n d c h a p t e r ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ec o n c e p t ，t y p e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dh i s t o r yo fv i r t u a le x p e r i m e n t ， r e s e a r c h e sf o rav a r i e t yo ft e c h n o l o g i e si n c l u d i n g3dm a x ，v r m l ，j a v a ，e t c f o re x p l o i t i n g v i r t u a le x p e r i m e n t ，a n dp u t sf o r w a r d st h eo p i n i o no fi n t e g r a t i n gt h e s et e c h n o l o g i e st o c r e a t e v i r t u a lp h y s i c se x p e r i m e n t s ；i nt h et h i r dc h a p t e r ，ia n a l y z e st h ev i r t u a ls c h o o lp h y s i c s e x p e r i m e n t si nt o t a l ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e m ，e s t a b l i s h e st h ep r o j e c t s t op i l o t ，a n de x p o u n d sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fp h y s i c a lv i r t u a l e x p e r i m e n ts y s t e mi ns e c o n d a r ys c h o o l ；i nc h a p t e ri v ，o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so fn e e d s ， c o m b i n i n gw i t hn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n dn e e d so fs t u d e n t s ，t h ea u t h o rd e s i g n sap r a c t i c a l e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n dt a k e st h ea l t e r n a t o rv i r t u a le x p e r i m e n tf o ra l le x a m p l e ；i nt h ef i f t h c h a p t e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h em o d u l ea n dt h ep r o c e s so fp h y s i c a lv i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e m t a k i n gt h ea l t e r n a t o rv i r t u a le x p e r i m e n ta sa ne x a m p l et oi n t r o d u c e ，t h e nt h ea u t h o ri n t r o d u c e s t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o re x p l o i t i n gp h y s i c a lv i r t u a le x p e r i m e n t ss y s t e m ；i ns i x t hc h a p t e r ，a tt h e s a m et i m e ，t h ea u t h o rd e v e l o p st w os e t so f t h e m a t i cw e bf o ru s e r si n t e g r a t i n ga l lp h y s i c a lv i r t u a l e x p e r i m e n tw h i c hh a v eb e e ne x p l o i t e d ，a n dd i s c u s s i o nt h ep r o s p e c t so ft h ep h y s i c sv i r t u a l e x p e r i m e n to fs e c o n d a r ys c h o o l ；i nt h es e v e n t hc h a p t e rt h ea u t h o rt a k e st h es u m m a r ya n dt h e o u t l o o ko nt h ej o b k e y w o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ；p h y s i c se x p e r i m e n to fs e c o n d a r ys c h o o l ；v r m l ； 3 dm a x ；j a v a 图目录 图1 1 影响教师不做实验的因素5 图1 2 实验室数目的使用情况一5 图1 3 实验室设备的完善情况5 图1 4 实验课时的安排情况6 图2 1 虚拟实验系统体系结构图1 0 图4 1 虚拟实验模块图2 5 图4 2 虚拟实验主流程图2 7 图4 3 实验原理模块流程图2 8 图4 4 实验步骤模块流程图2 8 图4 5 实验器材模块流程图2 9 图4 6 实验演示模块流程图2 9 图4 7 实验连线模块程序流程图2 9 图4 8 开始实验模块程序流程图3 0 图4 9 实验结果模块程序流程图3 0 图5 1 实验室、桌子及部分仪器模型3 2 图5 2 磁铁、电阻模型3 2 图5 3 固定位置的面板3 2 图5 4 实验原理界面的翻页功能3 3 图5 5 实验器材的显示器材说明功能3 4 图5 6 实验连线界面3 5 图5 7 实验演示视频3 6 图5 8 实验操作界面3 7 图5 9 实验帮助面板3 7 图5 1 0 一个小球的弹性碰撞虚拟实验。4 1 图5 1 1 无阻尼电磁振荡虚拟实验4 2 图5 1 2 牛顿管虚拟实验。4 3 图5 13 伽利略斜面虚拟实验4 4 图5 14 电磁感应虚拟实验4 5 图5 15 实验楼外景4 6 图5 1 6 大厅、走廊及各小实验室4 6 图5 1 7 实验室1 场景。4 7 图5 18 实验室l 内部场景4 8 图6 1 实验网站模块图4 9 图6 2 虚拟实验网站首页5 0 图6 3 虚拟网站的使用说明页面5 0 图6 4 虚拟实验网站的软件下载页面5 1 图6 5 虚拟实验网站的虚拟相关页面5 l 图6 6 虚拟实验网站的留言板页面5 2 v 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士口论文基于v r m l 的中 学物理虚拟实验的设计与实现，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学 攻读博士口硕士口学位期问独立进行研究工作所取得的成果。论文中除 注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律 结果将完全由本人承担。 储答名：绎 - 、 缘 日期： 劲9 鼋一。 l 曲旱师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 基于v r m l 的中学物理虚拟实验的设计与实现系本人在曲阜师范大 学攻读博士口硕士口学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士口学 位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得 以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位 论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本， 允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复 制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名：缘缘铆日期：7 。多。 翮躲彩哼 嗍2 。罗、反沙 习孑上彻7 綦于v r m l 的中学物理j 是拟实验的设计。j 实现 一一“m m ，d o - h m 日“1 一i 。 “叫 第一章绪论 第一节选题背景和意义 一、课题提出的背景 1 物理实验教学在中学物理教学中重要的地位 在现代中学教育中，实验教学占有越来越重要的地位，它是理科教学活动不可缺少的 环节，对于深化学生对知识的理解和掌握、培养学生分析问题和解决问题的能力具有重要 的作用。中学物理实验课作为中学物理教学体系的重要组成部分，是中学物理教学活动中 不可缺少的环节，是具有很强实践性的课程，其教学的重要性是不言而喻的。以培养学生 的实践能力和创新精神为目标，不断地改革和完善实验教学的手段与方法，是该课程适应 新时期形势的发展，造就应用型人才的需要。 2 当前中学物理实验教学的现状 然而，在目前的中学物理实验教学中却存在着诸多现实问题。现实中许多实验在真实 环境下具有难操作性、危险性或需要昂贵的实验设备，这些问题成为制约中学物理实验课 全面开展的重要因素。并且，随着中学的扩招，教学中实验条件不足和实验需求旺盛之间 的矛盾同益突出，有些实验课无法丌设，有些实验时间不充足，这些无疑都不利于创新人 才的培养。鉴于此，笔者对同照一中等三所日照市重点高中的2 7 名物理教师进行了问卷 调查，发现目前的中学物理实验教学中存在若干问题影响着物理实验教学的发展，并有大 部分的教师期待用较好的教学方法来解决目前出现的问题，调查结果及分析详见第三节。 3 中学物理实验教学信息化的发展 随着信息技术的飞速发展，以计算机技术和通用技术为核心的现代信息技术已开始在 教育领域中广泛应用，引发了一场从教育观念、教育内容、教育方法、教育手段到教育模 式、教育过程等的全方位的深刻变革。针对目前中学物理实验课程中存在的问题，加之新 课改对物理实验教学提出的新要求，我们利用目前先进的网络技术和虚拟现实技术，开发 基于v r m l 与j a v a 的三维、交互式物理虚拟实验系统，该物理虚拟实验系统借助计算机技 术营造一个虚拟的实验环境，使虚拟实验接近或优于真实的实验，实验者可借助操作计算 机虚拟实验系统完成各种预定的实验项目，由此可以解决目前物理实验课程中存在一些的 问题。 二、课题提出的意义 1 理论意义 笔者通过对虚拟实验开发技术地研究，提出将各种虚拟现实技术综合应用的观点，并 撼十v p d v i l 的中学物理虚拟实验的砹计。j 实现 综合各种虚拟现实技术的优点开发出基_ j 二v r m l 的中学物理虚拟实验系统。基于v r m l 的中 学物理虚拟实验系统是以着眼于提高学生的实验能力的新课改理念为6 ，j 提，丰富了物理实 验教学信息化的内容，完善了物理实验教学的理论体系，同时对中学物理实验课程的教学 改革具有一定的指导意义。 2 实践意义 基于v r m l 的中学物理虚拟实验系统采用v r m l 三维建模语言，能够高度地仿真真实的 实验环境和实验仪器，j a v a 语言能使物理虚拟实验的交互性大大增强，从而能够让学生在 一个虚拟的实验环境下高仿真地操作实验仪器完成实验。这样不仅解决了学校物理实验设 备紧张、很多实验不能采用传统实验完成地问题，而且起到了培养学生动手动脑地能力， 从而提高了物理实验教学地质量，推动了中学物理实验教学信息化地进一步发展。 第二节虚拟实验的研究及应用现状 一、国外研究及应用现状 近年来，随着虚拟现实技术的发展，国外虚拟实验的丌发和应用越来越广。国外在虚 拟实验研究方面主要是侧重于虚拟实验设备的建设，其中有代表性的有以下几个机构： 1 卡罗莱纳州立大学的l a a p ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s ) 利用j a v a 技术建立 了基于w e b 的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于j a v aa p p l e t 的虚拟实验 设备和实验设施；相关的实验课程模块；实验学习结果评价模块；协作学习模块。 2 芝加哥伊利诺伊大学建立了数字化有机化学实验室，该实验室充分利用网络资源， 在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教材；实验教学时间表；实验测评方法、 形式、时间；虚拟实验：相关教学资源的链接等。他们还用计算机进行实验教学的教务管 理。 3 印地安那州立大学开发了m b l 化学实验室，该实验室在给新生开化学实验课时用计 算机来辅助做这样一些事，用计算机采集与分析实验数据，用计算机展示实验，在网上发 布相关的实验指导材料。 4 美国m i c h i g a n 大学化学工程系创建的v r c e l 实验室，主要是用来探索和开发虚拟 现实技术在化学工程领域中的应用。目前他们已经完成了v i c h e r l 和v i c h e r 2 两个现代化 学工厂的虚拟仿真，以及一个s a f e t y 虚拟化学工厂的仿真环境。 二、国内研究及应用现状 国内虚拟实验的研究，也取得了一定的成绩。相对于国外来说，国内对虚拟实验的研 徐朝军数，化实验室的建设 j 实验室 i j f 究j 探索，2 0 0 3 ，( 0 1 ) ：1 0 牡十v r m l 的中学物理虚拟实验的设计j 实现 口 n h k j h j * v 。p u - t 。+ ， ，j * - 目x * 一。_ * 一 究主要是侧重于虚拟实验软件地建设，主要成果有以下几个方面。 1 中国科技大学开发的大学物理仿真实验软件大学物理仿真实验2 0f o rw i n d o w s 是在原d o s 版本的基础上，经过两年多教学实践的总结，结合近两年计算机硬、软件发展 的最新技术研制丌发的升级版本。该版本在教学方式的创新、教学内容的扩展、仪器的仿 真操作、图形化的人机界面等方面都有重大突破和显著提高，于9 7 年曾代表中国c a i 最 新成果赴英交流展示。 2 南华大学物理实验室从2 0 0 1 年3 月起丌始丌发自己的大学物理仿真实验系统。该 系统开发主要采用当时较新的f l a s h5 0 、a s p3 0 和d r e a m w e a v e r4 o 等一些工具软件， 同时结合数据库技术，基于b r o w s e s e r v e r ( 浏览器月艮务器，简称b s ) 模式，可综合适用 于单机、局域网和i n t e r n e t 互联网。并且软件程序不是面向具体实验，而是直接面向仿 真仪器的，程序的扩展性较好，开发难度明显小于v c + + 或d e l p h i 。 3 山东大学在已有的大学物理仿真实验基础上，进行重新开发而形成的能够独立 安装运行的大学物理仿真实验软件。本仿真实验软件于0 5 年至今在山东大学普物仿真实 验室全部2 0 台电脑上使用，替代了原来中科大的仿真软件，效果很好，几乎不再出现死 机现象，测量效率也成倍提高，原来学生在一个下午大约只能完成3 个油滴电量地测量， 现在一般可以完成6 个以上油滴电量地测量，以便于学生进行数据统计分析，证明了本实 验软件是稳定的、人性化、有启发性、培养性的仿真实验软件，具有良好得教学效果。目 前每年面向2 0 0 0 名左右本专科学生开课，学生的受益面比较广。 4 南京金华科软有限公司开发出的中学物理仿真实验室已经到达5 o 版本，在该实验 室中，实现的功能较多，但是一个二维产品。该仿真实验室是一个可以提供完备实验器具 的综合性的实验室，我们可以亲自动手创建大多数的中学物理实验。该实验室包括：仿 真物理实验室主体部分，提供了运动对象，小球，弹簧，绳子，联杆，滑轨，电荷 等实验器具，并集成了重力场，电场，磁场，万有引力，阻尼介质等实验环境，可以完成 力学方面的实验；仿真物理实验室一光学部分，提供了方型介质，三角介质( 棱镜) ， 理想凸透镜，理想凹透镜，凸面镜，凹面镜，平面镜，光线等实验器具，可以完成光学方 面的实验；仿真物理实验室一电学部分，提供了电源、电阻、仪表、开关、输出、其 它等六大类电子元件，数十种具体的电子元件可以完成电学方面的实验。 5 浙江大学国家重点实验室一虚拟化学实验室，在基于图像的虚拟现实、分布式虚拟 环境中的建立和基于几何图像的混合式图形实时绘制算法等领域丌展了深入研究。 6 西北师范大学科技创新工程项目，利用a u t h o r w a r e 和f l a s h 开发的初中物理模拟 向东，何毅，郭萍，罗佰绥，管亮基于b s 模式的人学物理仿真实验系统开发 j 数理医药学杂志，2 0 0 4 ， ( 1 7 ) ：1 8 3 1 8 4 i d 书春火学物理仿真实验软件 e b o l h t t p ：s y s g s d u 。e d u c n x u a n c h u a n l r t i c l e a r t i c l e s h o 霄a s p ? a r t i c l e 1 3 = 8 1 2 0 0 7 - 0 4 2 5 2 0 0 8 - 6 - 0 4 南京合华科软仿真物理实验室 e b 0 l h t t p ：删j h k s o f t c o m p r o d u c t i n t r o d u c e w u l i a s p 。2 0 0 5 2 0 0 8 0 6 - 1 2 瓞十v r m l 的中学物理j 尼拟共验的改汁o j 实现 实验室。该物理实验仿真软件是固家教育部“中小学信息技术教育实验区”项目，j 乓模拟 仿真了初中物理的2 2 个实验，对于每个实验都包括实验目的、实验原理、实验步骤和实 验练习等，而其中的某个几个比较重要的典型实验还有相关的实验设备的演示和实验操作 的演示。 三、研究现状分析 在众多研究单位中，虽然虚拟现实技术和虚拟实验被提上研究同程，但我们仔细分析 不难发现，目前虚拟现实实验的应用研究大都局限于大学实验课程的研究，而对于中学实 验课程的研究却很少涉猎。虽然也有部分研究单位涉及到了中学实验领域，但大都是基于 f l a s h 、a u t h o r w a r e 等开发工具开发出二维演示实验，这些实验不能很好地模拟现实的实 验环境和实验仪器，交互操作几乎没有，实验者只能通过计算的数字结果或输出的曲线来 分析和判断控制效果。这不利于对学生的视觉刺激，不能最大程度地激发学生的求知欲望， 在一定程度上影响了实验的效果，同样不能达到培养学生动手、动脑能力的目的。鉴于此， 我们选择中学物理虚拟实验为研究课题，利用虚拟现实技术开发出三维、交互式的物理虚 拟实验系统。 第三节中学物理实验现状调查与分析 一、问卷调查结果 针对目前在中学物理实验教学中存在的问题，笔者对日照一中等同照市重点高中的2 7 位物理教师进行问卷调查，发现目前日照市各高中均采用人教社出版的普通高中物理教材 作为讲授物理实验的教材，在该教材规定的4 9 个实验中，有4 4 7 的教师演示或者引导学 生操作过其中一半以上的实验，而5 5 3 的教师演示或者引导学生操作过的实验不到一半。 在影响教师不能完成实验的诸多因素当中，有4 8 的教师认为有些实验在现实的条件中难 以操作实施，有1 5 的教师认为有些实验具有危险性，有1 1 的教师认为有些实验的实验 设备过于昂贵，有2 6 的教师认为有些实验的实验结果不明显，所以有许多实验不能采用 传统实验的方式来开展，原因调查结果如图1 1 所示。 4 幽11 影响教师不做实验的吲素 与此同时，随着中学的扩招，教学巾实验条件不足和实验需求旺盛之删的矛盾r 益突 出，在被调查的教师中有8 9 的教师认为现在的实验窀数目不够用，而7 0 们教师认为实 验设备不完善 酬1 2 实转室数目的使川情m 蚓l3 簧验空吐备的完碧t 兄 ： 、图i4 所示。 “jv r m i 帕- l _ 物j _ 【_ - # j a 囊嘛“l l j 宴眦 f 防誊i j 二、调查结果分析 通过对以匕调查结果的分析可知，山f 目前中学物理实验课程中物理实验内容的限 制、物理实验器材的限制、教学实验条件的限制等原因，影响了中学物理实验教学的效果， 在被调查的教师中有超过九成的教师认为目前的物理实验教学效果般或者较差，而只有 74 的教师认为目前的物理实验教学效果较好。山于资金、政策等方面的影响，我们目前 在现实的条件中短时期内不能很好地解决这些问题，所以笔哲借助虚拟现实技术，丌发基 千v i m l 的中学物理虚拟实验系统，以期在一定程度上解决日i i ；j p 学物理实验教学中存在 的问题。 第四节中学物理实验课程教学信息化的必要性 随着信息技术的飞速发展，咀计算机技术和通用技术为核心的现代信息技术已丌始在 教育领域中广泛应用，引发了一场从教育观念、教育内容、教育方法、教育手段到教育模 式、教育过程等的全方位的深刻变革。中学物理实验课程是中学物理教学的重要组成部分， 但目前中学物理实验课程q 1 出现的问题抑制了学生的学习物理实验的积极性和色q 造性，使 得物理实验教学不能取得较好的教学效果，) j f l 之新课改对物理实验教学提出的新要求，因 此必须对原有物理实验的教学模式和教学内容进行必要改革，以适应物理教学发展的需 要。而信息技术与物理实验课程的整合可以从一定程度上解决这些问题，中学物理实验课 程的信息化已成为解决当前中学物理实验教学存在问题的重要途径。 q 1 学物理实验课程的信息化应该包括两个方m j ，一方面足物理实验管理模式的信息 批j 二v r j v i l 的中学物耻虚拟实验的砹汁。j 实现 化，另一方面是物理实验教学的信息化。1 。而其中的第二个方面，即物理是实验教学的信息 化就是本文研究的重点，我们利用目日订先进的网络技术和虚拟现实技术，丌发基于v r m l 与j a v a 的三维、交互式物理虚拟实验系统，该物理虚拟实验系统借助计算机技术营造一 个虚拟的实验环境，使虚拟实验接近或优于真实的实验，实验者可借助操作计算机虚拟实 验系统完成各种预定的实验项目，由此可以解决目前物理实验课程中存在一些的问题。同 时，通过对调查问卷分析得知，有8 1 5 的教师对计算机物理虚拟实验很感兴趣，表示愿 意在物理实验教学中采用计算机虚拟实验进行教学。故而，通过开发该基于v r m l 与j a v a 的三维、交互式物理虚拟实验系统，我们可以在物理实验教学方面实现物理实验教学的信 息化，也在一定程度上解决当前物理实验教学中存在的问题。 第五节研究目标和内容 一、研究目标 本文选取虚拟现实技术中的v r m l ( 虚拟现实建模语言) 为技术依托，利用v r m l 与j a v a 技术的结合，致力于开发一个中学物理虚拟实验系统。 具体目标是在分析国内外虚拟实验现状的基础上，结合中学物理实验课程的现状和特 点，利用v r m l 、j a v a 、3 dm a x 、a s p 等技术，构建中学物理虚拟实验的实验场景，实现中 学物理虚拟实验的交互操作，让学生在一个虚拟的三维环境中，完成物理实验的操作过程， 以期在一定程度上解决目前中学物理实验教学中存在的问题。 二、虚拟实验系统定位 本研究选取中学物理实验中的部分实验项目，通过v r m l 、j a v a 、3 dm a x 、a s p 等技术 的融合使用，开发三维、交互式的中学物理虚拟实验系统。考虑到系统开发过程中的现实 因素，如：目前所拥有的硬件条件，本系统定位为一个初级的桌面式虚拟现实系统：从所 用的硬件设备上讲，本系统的开发和使用只限于普通p c 机，不涉及其他硬件设备。系统 开发技术涉及v r m l 、j a v a 、3 dm a x 、a s p 等技术及部分计算机图形学知识。系统的使用对 象是中学生。系统的目标是创设一个更加真实的学习环境，提高中学物理实验学习的效果， 完成教学目标。 三、研究的主要内容 1 分析新课改背景下中学物理实验教学的现状 通过调查分析目前中学物理实验教学中存在的问题，对于这些问题提出相应对策，得 农媛近代物罡i ! 实验教学的信息化实践 j 江西科学，2 0 0 5 ，( 2 3 ) ：4 2 7 4 2 9 桀十v r m l 的中学物理虚拟实验的改计j 实现 出物理实验教学信息化的必要性和可行性。 2 研究并实践中学物理虚拟实验的开发技术和方法 分析和研究3 dm a x 、v r m l 、j a v a 等计算机软件技术的特点，提出利用这些技术制作 中学物理虚拟实验的可行性和必要性。 3 设计与丌发实用的中学物理虚拟实验 通过对虚拟现实技术的深入研究，以中学物理实验教材为基础，在对当前中学物理实 验教学状况分析的基础上，选取教材中有代表性的物理实验项目，结合网络的特点和学生 的需求，设计并开发出实用的中学物理虚拟实验系统。 恭十v r m l 的中学物理虚拟实验的吐汁j 实现 第二章虚拟实验的概述及开发技术简介 第一节虚拟实验概述 一、虚拟实验的发展历史 虚拟实验( v i r t u a le x p e r i m e n t ) 是与实际实验( r e a le x p e r i m e n t ) 相对而言的，实际 实验是在实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的，比如天文观察中的 望远镜和遥远的天体，化学实验中的各种分析仪器和化学药品等；而在虚拟实验中，没有 一个有形的实验室，也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚 拟物的操作。虚拟实验根据历史形成的先后及其使用的真实器材的多少分成思想实验、仿 真实验和现代虚拟实验。 思想实验是以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，在思想中塑造的虚拟实验，它是 揭示客观过程或现象的本质联系和规律的一种科学认识方法。思想实验是虚拟实验在最早 时期的表现形式，是完全在人脑中进行的实验，而随着计算机技术的发展，虚拟实验又发 展进入到了第二个阶段，即计算机仿真实验阶段。计算机仿真实验主要是指利用电子计算 机对实验对象的数学模型进行模拟实验，以求得对实物原型系统规律性认识的一种实验方 法。虚拟实验的第三个发展阶段是虚拟现实( v i r t u a lr e a li t y ) 阶段，即现代虚拟实验阶 段。2 0 世纪6 0 年代虚拟现实技术的诞生，到9 0 年代的虚拟现实技术已经相当成熟。作 为一种技术，可以将虚拟现实定义为是一种通过模拟人与周围真实环境交互方式而发展起 来的一种人与计算机进行交互的工具。与一般的计算机多媒体不同，虚拟现实具有多感知 性、存在感、交互性、自主性等几个特征。 在本文中主要探讨的是虚拟实验的第三个阶段一一基于虚拟现实的虚拟实验的开发 和应用。 二、虚拟实验相关概念 1 虚拟 “虚拟的英文词是“v i r t u a l ”，牛津词典( 1 9 8 9 ) 中将其解释为：在实质或效果上， 虽然不是正式或真实，但就其效果或结果而言，却可以用这样的名称来称呼。同时牛津词 典对v i r t u a l 这个词经常用在计算机及通信等科技领域里，将其解释成：一种软件生成的 非物理存在，但从程序和用户角度来看就像真的一样。由此可以看出，在计算机及通信领 域这个词与一般情况下并无实质区别。 沈亦红论物理虚拟实验j 真实实验的互补作用 j 中囝电化教育，2 0 0 4 ，( 7 ) ：4 2 - 4 4 单芰贤，李艺虚拟实验原理j 教学应用 m 北京：教育科学j f ；版社2 0 0 5 1 5 一1 8 9 綦十v r m l 的中学物堙虚拟实验的设计j 实现 2 虚拟现实 虚拟现实技术作为一种新兴不久的技术，一直处于彳i 断发展的过程中，虽然业内人士 一直在促进虚拟现实技术发展的同时，对虚拟现实的定义做了相关论述，但对虚拟现实这 一概念，在目前的学术界和技术界中尚未存在一个得到公认的定义。笔者比较赞同下面对 虚拟现实的定义：虚拟现实技术( v i r t u a lr e a li t y ，简称v r ) 是指利用计算机生成一种 模拟坏境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行 自然交互的技术；v r 技术可以使用户利用人的自然技能对虚拟世界中物理进行考察或操 作，同时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感知。 3 虚拟实验 虚拟实验与实际实验是相对而言的，在虚拟实验中，没有一个有形的实验室，也没有 以实物形态存在的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟物的操作。 从技术层面上看，虚拟实验可以表述为：在计算机系统中采用虚拟现实等技术实现各 种虚拟环境，实验者可以像在真实环境中一样来完成各种指定的实验项目，所取得的效果 也等价甚至优于真实环境中所取得的效果。 从虚拟实验功能角度来看的话，可以将其定义为：虚拟实验就是一个创造和引导模拟 实验的交互环境，也就是实验场所。它由实验模拟程序、实验单元、工具等等组成。 具体的关于虚拟实验的定义还有很多，在这里笔者认为虚拟实验应该定义为：虚拟实 验是一个具有创新性的网络教育资源，根据实验物体以及研究内容，利用软件构成总体的 逻辑结构模型，并对相关硬件以及实验仪器进行控制和操作，形成虚拟系统的整体结构。 运用网络将虚拟系统的实验范围进行扩展，实现系统的分布式构建和实验过程的多方协作 处理，如图2 1 所示。它利用虚拟现实技术设计虚拟仪器，建立虚拟实验环境，实现交互 操作，学习者可以在这个环境中模拟真实的实验过程，达到培养学生动手能力，学习实验 技能、深化理解实验知识的目的。 图2 1 虚拟实验系统体系结构图 余干脊杜世全虚拟现实技术在体育教学中的应用 j ，安徽体育科技，2 0 0 5 ，( 0 4 ) ：1 1 5 一“7 汪诗林，吴泉源开发虚拟实验系统的研究和应用 j ，计算机工程1 j 科学，2 0 0 0 ，( 2 ) ：3 3 u n i v e r s i t yo fc a i g a r y t h ev i r t u a ll a b o r a t o r y e b o l h t t p ：a l g o r i t h m i c b o t a n y o r g v i r t u a l l a b o r a t o r y 。2 0 0 6 2 0 0 8 0 7 0 2 乡k 敏虚拟实验j 教学应用研究一以人学物理实验教学为例 d 上海：华东师人人学教育科学学院，2 0 0 6 1 0 壮十v r m