基于手绘识别的中学物理运动学虚拟实验原型系统研究

论文摘要

当今国际竞争的实质是科技和人才的竞争。为了提高综合国力和竞争力,基础教育课程改革至关重要。其中,中学物理作为一门注重实验的自然学科,对提高学生对事物的认知能力和思维的严谨性具有重要作用。因此,在物理实验教学中如何运用现代信息技术开发教育资源、优化教育过程、培养和提高学生的基本素质是当今时代教育改革需要考虑的重要问题之一。而虚拟实验在控制性和时效性方面都具有较强的灵活性,因此它可作为传统实验教与学方式的重要补充。本文研究基于手绘草图识别的中学物理运动学虚拟实验方法,尝试将手绘草图识别技术融入物理运动学实验,从而为现代中学物理实验的教与学打造简单、直观、实践性较强的虚拟实验环境。首先,本文在相关技术现状研究的基础上,发现现有实验教学方式的不足,从而尝试把手绘草图识别技术应用于物理实验的教与学中。其次,结合物理实验教学特点和手绘草图识别技术的特点,本文提出把用户输入划分为五种基本图元的图元识别方法；根据图元的使用频率,本文确定了图元的识别流程,之后依次详细介绍了图元的识别方法和绘制方法。再其次,在图元识别的基础上,本文构建了中学物理运动学虚拟实验原型系统；系统分为三层,依次是输入层、处理层和输出层；其中,输入层负责存储轨迹点和对轨迹点除噪；处理层负责识别图元类型、规整图元、整合图元、规整图形和判断图形关系；输出层负责管理图元数据和图形数据。最后,为了验证方法的可行性和系统的有效性,本文给出了三个物理运动学虚拟实验的例子。实验结果表明把手绘草图识别技术融入物理运动学实验的教与学中具有可行性,并且本文构建的原型系统是有效的,但是要想进一步提高系统的鲁棒性和可用性,需要继续深入研究和完善系统并添加更多符合用户手绘操作习惯的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 相关研究现状
• 1.2.1 中学物理运动学实验教学现状
• 1.2.2 虚拟教学技术现状
• 1.2.3 手绘草图识别技术现状
• 1.3 研究目标
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 基本图元识别算法研究
• 2.1 概述
• 2.2 图元识别流程
• 2.3 图元类型识别
• 2.3.1 直线组
• 2.3.2 圆组和折线组
• 2.3.3 圆和椭圆
• 2.3.4 折线和圆弧
• 2.4 图元绘制
• 2.4.1 直线与折线
• 2.4.2 圆
• 2.4.3 椭圆
• 2.4.4 圆弧
• 2.5 小结
• 第三章 中学物理运动学虚拟实验原型系统设计
• 3.1 系统概述
• 3.1.1 系统功能
• 3.1.2 系统框架
• 3.1.3 系统UI设计
• 3.2 输入层设计
• 3.2.1 点存储
• 3.2.2 预处理
• 3.3 图元识别层设计
• 3.3.1 图元的规整
• 3.3.2 标识识别
• 3.4 图元整合层设计
• 3.4.1 图元整合
• 3.4.2 图形规整
• 3.4.3 图形关系判断
• 3.5 输出层设计
• 3.6 小结
• 第四章 物理运动学虚拟实验原型系统的实现与分析
• 4.1 实验环境
• 4.2 图形识别实验
• 4.3 虚拟实验案例
• 4.3.1 小车下滑实验
• 4.3.2 小球下落弹跳实验
• 4.3.3 小球相向运动实验
• 4.4 实验结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在校期间发表的论文、科研成果等
• 致谢