基于Web3D的开放式中学力学仿真实验辅助学习系统设计

论文摘要

中学力学实验是巩固力学基础知识、检验力学理论、探寻新知识和验证物理猜想的有效途径,它不但可以锻炼学生的自主学习能力、培养学生物理学习的兴趣、提高学生创新能力,而且可以培养学生发现并独立解决问题的综合素养。然而,通过调查得知目前有些中学力学实验开展情况令人堪忧,一方面是由于学校缺少相应的软、硬件实验设备、缺乏相关的物理实验学习资源,另一方面是由于师生不重视物理实验在学习中的重要作用,教师以题海战术代替传统的实验教学,以考试分数作为学生能力的最重要的评价标准,缺少对学生物理实验学习的正确引导,缺少系统的物理实验考评体系。互联网和计算机等信息技术的发展日新月异,已经影响到了我们生活的方方面面。如何将这两项技术很好的运用到中学力学实验教学中,更好地调动学生实验学习的积极性、激发他们的实验学习的热情、培养学生实验学习的兴趣呢?笔者通过文献调查、实例比较分析等方法发现仿真实验是一种能较好解决上述问题的方法。笔者先通过问卷的形式对几所中学的力学实验情况作了调研,了解目前他们力学实验中所存在的困难,发现并确定要解决的主要问题,再通过查找国内外与仿真实验相关的文献,比较、分析各种仿真实验开发技术的优劣,最后确定采用Cult3D这种Web3D仿真技术开发仿真实验。笔者对国内外诸多知名的仿真实验案例进行分析、总结、归纳他们各自的优点和不足,在吸取他们成功的经验的基础上,结合中学力学实验的特点,设计、开发出基于Web3D的开放式中学力学仿真实验辅助学习系统。文章以千斤顶仿真实验为例,运用教学设计、软件设计等相关理论和知识,归纳出力学仿真实验教学设计的一般方法,同时设计出用Cult3D技术制作仿真实验的过程模式,在此基础上总结出基于Web3D技术开发仿真实验系统的流程和方法。本仿真实验辅助学习系统已在某高二年级部分学生中试用,在参考相关教学软件评价标准基础上,结合经试用评价数据分析得知,该系统得到了较多学生和教师的认可,本系统对提高学生力学实验能力、激发学生实验学习兴趣、发散学生学习思维、训练学生运用计算机辅助学习都有一定的实用价值。仿真实验对传统的实验教学具有较好的辅助作用,本力学仿真实验辅助学习系统的设计和实现对计算机仿真技术在教育中的应用起到了抛砖引玉的作用,希望本仿真实验系统开发过程中的所运用的教学理论、设计思想和方法对未来开发此类教学辅助学习系统有一定启发和借鉴价值,本系统有待改进地方,在后续研究中将进一步完善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.1.1 中学力学实验情况调查
• 1.1.2 计算机和网络技术快速发展
• 1.1.3 CAI在实验学习中的重要作用
• 1.2 研究目的与意义
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 文献综述
• 1.3.1 国内外仿真实验研究现状
• 1.3.2 国内外Web3D研究现状
• 1.4 研究的内容与方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 第2章 核心概念及WEB3D技术
• 2.1 虚拟现实、模拟和仿真
• 2.1.1 虚拟现实
• 2.1.2 模拟
• 2.1.3 仿真
• 2.1.4 虚拟现实、模拟与仿真三者的区别与联系
• 2.2 WEB3D仿真实验
• 2.2.1 Web3D仿真实验的含义及特点
• 2.2.2 仿真实验的模式
• 2.3 WEB3D仿真实验与真实实验比较
• 2.3.1 辅助形式比较
• 2.3.2 实验特点比较
• 2.4 WEB3D技术
• 2.4.1 Web3D技术发展情况
• 2.4.2 Web3D技术比较
• 2.5 CULT3D技术
• 2.5.1 Cult3D技术概述
• 2.5.2 Cult3D技术的特点
• 2.5.3 用Cult3D技术开发项目流程
• 2.5.4 Cult3D技术应用
• 第3章 WEB3D仿真实验系统开发理论基础及教学设计
• 3.1 认知学习理论
• 3.1.1 认知学习理论的基本观点
• 3.1.2 认知学习理论在Web3D力学仿真实验系统设计中的启示作用
• 3.2 建构主义学习理论
• 3.2.1 建构主义学习理论基本观点
• 3.2.2 建构主义学习理论在Web3D力学仿真实验系统设计中的指导作用
• 3.3 WEB3D力学仿真实验教学设计
• 3.3.1 Web3D力学仿真实验教学设计过程
• 3.3.2 力学仿真实验教学设计要注意的几个问题
• 3.4 以“千斤顶原理仿真实验”教学设计为例
• 3.4.1 制定教学目标
• 3.4.2 实验内容分析
• 3.4.3 学习对象分析
• 3.4.4 学习方式分析
• 3.4.5 仿真实验评价
• 第4章 基于WEB3D的开放式中学力学仿真实验辅助学习系统整体设计
• 4.1 WEB3D仿真实验系统设计原则
• 4.1.1 资源开放
• 4.1.2 交互方便
• 4.2 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统结构
• 4.3 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统分析
• 4.3.1 Web3D力学仿真实验辅助学习系统UML用例图
• 4.3.2 Web3D开放式中学力学仿真实验辅助学习系统功能框架
• 4.4 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统操作流程
• 4.4.1 学生操作流程
• 4.4.2 教师操作流程
• 4.5 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统数据库设计
• 4.5.1 数据库需求分析
• 4.5.2 数据库逻辑设计
• 4.6 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统开发流程
• 第5章 基于WEB3D的开放式中学力学仿真实验辅助学习系统开发及应用
• 5.1 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统开发工具及技术
• 5.1.1 开发工具
• 5.1.2 开发技术
• 5.2 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统架设
• 5.2.1 运行环境
• 5.2.2 IIS安装与配置
• 5.2.3 在IIS中添加子站点
• 5.3 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统主页设计
• 5.3.1 主页色调
• 5.3.2 主页结构
• 5.4 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统实验报告模块设计
• 5.4.1 学生登录
• 5.4.2 下载和在线填写实验报告
• 5.5 实验交流模块设计
• 5.5.1 留言板
• 5.5.2 管理留言板
• 5.6 实验评价模块设计
• 5.6.1 评价实验
• 5.6.2 查看评价
• 5.7 实验通知模块设计
• 5.8 用CULT3D技术设计仿真实验流程
• 5.9 以“千斤顶仿真实验”为例
• 5.9.1 千斤顶及其原理模型的制作
• 5.9.2 千斤顶动画制作及贴图技巧
• 5.9.3 .c3d格式模型文件输出
• 5.9.4 千斤顶仿真实验交互的设计
• 5.9.5 插入千斤顶视频学习素材
• 5.10 仿真实验整合到网页
• 5.10.1 用Cult3D.mxp导入文件
• 5.10.2 用代码的方法插入文件
• 5.11 WEB3D力学仿真实验辅助学习系统系统发布
• 5.11.1 站点测试
• 5.11.2 网站上传
• 5.12 系统应用评价调查
• 5.12.1 系统应用实验调查
• 5.12.2 系统应用评价分析
• 5.12.3 系统改进对策方法
• 第6章 研究总结与后续展望
• 6.1 研究总结
• 6.6.1 研究成果
• 6.6.2 研究创新点
• 6.6.3 研究不足
• 6.2 后续研究
• 6.3 结束语
• 参考文献
• 附录A 高中力学实验情况调查问卷
• 附录B 力学仿真实验辅助学习系统使用情况调查问卷
• 致谢
• 在学期间的科研情况