基于OpenGL的化学金属与液体反应虚拟实验的设计与实现

论文摘要

虚拟实验是教育领域的一个研究热点,为实验教学改革提供了一条新思路,与传统的实验相比有经济、安全、不受时空限制和教学一体化等优点。对于中学化学来说,信息技术在教学中最重要的应用就是虚拟化学实验的引入,通过虚拟化学实验,学生可以更加深刻地理解学到的知识,教师也能把化学知识以及各个化学实验过程展现得更加清楚,同时也能解决化学实验设备和器材的消耗问题。目前,虽然在虚拟实验的研究方面有一定的进步,但仍然存在一些问题。其中较为突出的是,大多数虚拟实验环境都为二维平面设计,没有体现出虚拟现实的真正要义,在空间表现能力上显得力不从心。为此,本研究开发一个基于OpenGL的三维化学虚拟实验环境而且逼真的模拟实验现象。本文概述了虚拟实验技术和国内外发展现状,介绍了开发虚拟实验的关键技术,开发环境,相关算法。研究了金属与液体化学反应特征,提出了通过模拟实验流程和关键实验现象的仿真方法来实现虚拟实验。然后重点阐述了模拟实验关键现象所需碰撞检测技术,粒子系统;最后实现了钠与水反应的虚拟实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究现状
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 理论与技术基础
• 2.1 虚拟实验
• 2.1.1 虚拟实验概念
• 2.1.2 虚拟实验特点和分类
• 2.2 面向对象程序设计
• 2.2.1 理论历史
• 2.2.2 面向对象的优点
• 2.2.3 基本概念及设计方法
• 2.3 OpenGL 概述
• 2.3.1 OpenGL 特点
• 2.3.2 OpenGL 功能简介
• 2.3.3 基本工作流程
• 2.4 粒子系统的概述
• 2.4.1 粒子系统的原理
• 2.4.2 粒子系统的典型实现方法
• 2.5 碰撞检测
• 2.5.1 碰撞检测概述
• 2.5.2 常见的几种碰撞检测算法
• 第三章 金属与液体化学实验的特征分析
• 3.1 化学实验的概述
• 3.2 金属与液体化学反应的特征
• 3.3 金属与液体化学反应的仿真方法
• 第四章 金属与液体虚拟实验中的碰撞检测
• 4.1 下落过程的碰撞检测
• 4.1.1 基本AABB 包围盒
• 4.1.2 AABB 层次包围盒
• 4.1.3 AABB 层次包盒树的建立
• 4.1.4 AABB 层次包盒树的更新
• 4.1.5 用层次包围盒树进行碰撞检测
• 4.2 反应中的碰撞检测
• 第五章 金属与液体虚拟实验中的烟雾模拟
• 5.1 烟雾的特性
• 5.2 常见烟雾模拟算法
• 5.3 基于粒子系统烟雾模拟的基本算法
• 5.3.1 烟雾粒子系统的定义
• 5.3.2 烟雾粒子的初始属性
• 5.3.3 烟雾粒子的属性变化
• 5.3.4 烟雾粒子的消亡
• 5.3.5 烟雾粒子的绘制
• 第六章 钠与水虚拟实验的设计与实现
• 6.1 钠与水的化学反应现象
• 6.2 钠与水反应的实现
• 6.2.1 程序整体结构
• 6.2.2 初始画面和模型导入
• 6.2.3 实验控制
• 6.2.4 反应现象的模拟
• 6.2.5 实验效果
• 6.3 小结
• 第七章 总结展望
• 参考文献
• 致谢