（教育技术学专业论文）基于vrml和3d的远程虚拟电磁感应实验的研究与设计.pdf

四川师范大学硕士学位论文 基于v r m l 和3 d 的远程虚拟电磁感应实验的 研究与设计 教育技术学专业 研究生康凤指导教师张松 远程教育是我国传统教育形式的一个重要补充。但目前远程教育的内容主 要集中于理论知识的传授，对于实验操作涉及相对比较少，这是很不利于推动 远程教育发展的。在远程教育的实际教学中，许多学科的课程，特别是理工科 课程，为了培养学生的实际动手能力和观察能力，往往需要学生做大量的实验。 另外，在广大高校教育和职业教育中，实验资源紧张也使得实验教学工作达不 到预定培养锻炼学生技能等目标。正是在这种环境下，虚拟实验技术应运而生。 虚拟实验是依托虚拟现实技术而产生和发展的一种实验模式，具体是指在 计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，由实验所依赖的模 拟程序、实验单元、工具和参考资料组成，实验者可以像在真实的环境中一样 完成各种预定的实验项目。 本文先就虚拟实验的研究目的与意义进行了探讨，介绍和分析了虚拟实验 的国内外研究状况及应用领域；深入探讨了虚拟实验开发和应用的理论基础； 在介绍了虚拟实验发展历史和相关概念之后，分析以及对比了实现虚拟实验的 各项技术，提出了实现电磁感应虚拟实验的技术、方法、步骤。具体是基于v r m l 实现了一栋物理实验大楼及一个电磁感应虚拟实验室，利用3 di v i a x 、v r m l 迸行三维虚拟实验设备的构建，并给出了优化v r m l 文件的策略，结合v r m l 和脚本语言j a v a s c r i p t 实现三维场景中模型对象的交互操作，使用e m b e d 元素 将虚拟实验文件嵌入到h t b i l 文档中实现虚拟实验系统的网络发布，使学习者能 通过i n t e r n e t 进行浏览学习，最后介绍了该虚拟实验系统的试用评价情况。 关键词；远程教育，虚拟现实，虚拟实验，v r l ，电磁感应实验 婴纠些塾查兰堡主兰垡鲨苎 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fr e m o t ev i r t u a le l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o ne x p e r i m e n tb a s e do nv r m la n d3 d m a j o r ：e d u c a t i o nt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：k a n gf e n g s u p e r v is o r ：z h a n gs o n g r e m o t ee d u c a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n ts u p p l e m e n t so ft r a d i t i o n a l e d u c a t i o ni no u rc o u n t r y h o w e v e r ，r e c e n t l y , t h er e m o t ee d u c a t i o nm a i n l yf o c u s e so n t h et h e o r yi n s t r u c t i o na n dp a y sr e l a t i v e l yl e s sa t t e n t i o nt oe x p e r i m e n to p e r a t i o n t h i s i sb a df o rp r o m o t i n gt h er e m o t ee d u c a t i o n i nt h ep r a c t i c a lt e a c h i n go ft h er e m o t e e d u c a t i o n ，al o to fc u r r i c u l u m ，e s p e c i a l l ys c i e n c e sa n de n g i n e e r i n g , o f t e nn e e dt h e s t u d e n t st od ot h em a s s i v ee x p e r i m e n t st or a i s es t u d e n t s a b i l i t yo fo p e r a t i o na n d o b s e r v a t i o n m o r e o v e r ，i nm o s tg e n e r a l u n i v e r s i t i e se d u c a t i o na n dv o c a t i o n a l e d u c a t i o n ，l a c ko fe x p e r i m e n t a lr e s o u r c e sa l s oc a u s e s t h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n g w o r kn o ta b l et oa c h i e v ep r e a r r a n g e dg o a l sw h i c hc o u l dr a i s es t u d e n t s s k i l la n ds o o n u n d e rt h i sk i n do fs i t u a t i o n ，t h ev i r t u a le x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g yc o m e si n t o b e i n g t h ev i r t u a le x p e r i m e n ti so n ek i n do fe x p e r i m e n tp a t t e r nw h i c hd e p e n d so nt h e p r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y t h ec o n c r e t em e a n i n g r e f e r st ou s i n gt h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ev i r t u a le x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n ti nt h ec o m p u t e rs y s t e m ，i n c l u d i n gs i m u l a t i o np r o c e d u r e 、e x p e r i m e n t a l u n i t 、i m p l e m e n ta n dr e f e r e n c e ，a n dt h el a b o r a t o r yt e c h n i c i a nm a yc o m p l e t et h e p r e a r r a n g e de x p e r i m e n t a lp r o j e c t sl i k ei nt h er e a le n v i r o n m e n t t h i st h e s i sf i r s t l y 酉v e sad i s c u s s i o no nt h er e s e a r c hg o a la n dt h es i g n i f i c a n c e o ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r y ；i n t r o d u c e sa n da n a l y z e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h c o n d i t i o na n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r y ；a n dt h o r o u g h l y d i s c u s s e st h er a t i o n a l eo ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gt h eh i s t o r ya n dr e l a t e dc o n c e p t so ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t ，t h i s 1 1 1 四川师范大学硕士学位论文 t h e s i sg i v e sa na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fa nk i n d so ft h et e c h n o l o g yw h i c hc a n r e a l i z et h ev i r t u a le x p e r i m e n t ，a n dt h e np u tf o r w a r dt h em e t h o d ，t h et e c h n o l o g ya n d t h es t e p so ft h er e a l i z a t i o no ft h ev i r t u a le l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ne x p e r i m e n t i th a s c a r r i e do u ta p h y s i c a le x p e r i m e n tb u i l d i n g a n dav i r t u a l l a b o r a t o r y o f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nb a s e do nv r m lu s i n g3 dm a x a n dv r m lt om a k et h e t h r e ed i m e n s i o n a lv i r t u a lt e s te q u i p m e n t ，a n d p r o d u c e st h es t r a t e g yw h i c hc o u l d o p t i m i z et h ev r m ld o c u m e n t , u n i f yv r m l a n ds c r i p tl a n g u a g ej a v a s c r i p tt o r e a l i z et h eo b j e c ta l t e r n a t e l yo p e r a t i o ni nt h et h r e ed i m e n s i o n a ls c e n e ；u s i n gt h e e m b e de l e m e n tt oi n s e r tt h ev i r t u a le x p e r i m e n t a lf i l et ot h eh t m ld o c u m e n t sa n d r e a l i z e st h en e t w o r ki s s u eo fv i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e m ，w h i c he n a b l e st h es t u d i e r t oc a r r yo nt h eb r o w s i n gs t u d yt h r o u g hi n t e r n e t a n df i n a l l yt h i st h e s i sg i v e sa n i n t r o d u c t i o no ft h et e s ta p p r a i s a ls i t u a t i o no ft h i sv i r t u a le x p e r i m e n t k e y w o r d s ：r e m o t ee d u c a t i o n ，v i r t u a lr e a l i t y , v i r t u a le x p e r i m e n t ，v r m l e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ne x p e r i m e n t i v 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师韭拴指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷 版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索；2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文 作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 乏跏 论文作者签名：俾氏 矗，7 年卑月移日 f 四川师范大学硕士学位论文 第一章引言 1 1课题研究背景和意义 随着计算机多媒体技术、网络技术的快速发展及虚拟现实技术的快速兴起， 现代教育技术正经历着重大的变革，传统的教育模式不再是唯一的教学模式。 教学不再局限于固定的教室和固定的桌椅，也不再拘泥于教师与学生的教授与 接受模式。当前普及的网络教育模式远程教育已经发展成为高等教育和基 础教育的一种重要教学模式，并且取得了非常显著的教学效果。 远程教育( d i s t a n c ee d u c a t i o n ) 【l l 的概念出现于十九世纪初，原指的是有别 于学校教育的自修教学，后来泛指教师与学生不在同一地点进行的教学。最初 的远程教育是函授教育；此后出现了由广播电台传播信息的广播大学；当电视 普及以后，电视大学应运而生。在上述三种远程教育方式中，以电视大学的教 学方式最优。学生不仅能听到声音，而且可以看到图像。我国从1 9 7 8 年开通电 视大学至今，已有数以百万计的人接受了这种教育。但是，电视大学作为一种 教学方式，也有其不足。首先，这种方式不灵活，授课需定点定时；其次电视 教学是单方向的，学生只能被动地接受知识，缺乏师生之间的双向交流，学生 提出的问题也不能及时得到解答。随着计算机网络的普及，我们已经可以利用 网络作为教学传播媒介。教育部在面向2 1 世纪教育振兴行动计划文件中， 就提出了实施现代远程教育工程，在继续推动广播电视教育的同时，启动和大 力发展基于计算机网络的现代远程教育，有效发挥现有教育资源的优势，适应 终身学习和知识更新的需要，这是在教育资源短缺的条件下办好我国教育的战 略措施【习。函授、广播、电视等远程教育模式的所有功能，在因特网上均能轻 易实现。只要建立一个教育网站，用户就可以不受时空的限制，通过访问教育 网站接受到远程教育。多媒体远程教育系统在一定程度上弥补了电视大学的某 些不足，学习者能够利用i n t e r n e t 主动查询自己感兴趣的知识，教师也可以利 用发送电子邮件、在线答疑等方式解答学生提出的问题。 以远程教育网络为依托，可以形成覆盖全国城乡的开放教育网络，能够同 时为各类社会成员提供内容丰富、形式多样的教育服务，非常有助于教育的普 及。高校是推动远程教育发展的中坚力量，教育部在 关于启动现代远程教育 第一批普通高校试点工作的意见文件中，就率先批准了清华大学、北京邮电 四川师范大学硕士学位论文 大学等四所高校作为启动我国现代远程教育第一批试点高校，正式启动了现代 远程教育 3 1 。为了推进远程教育的发展，为更多的人提供再教育学习的机会， 教育部又相继批准了一些普通高校成为远程教育的试点院校。现在，试点高校 已增至6 7 所，加上中央广播电视大学，共6 8 所学校开展了现代远程教育。截 止2 0 0 4 年底，试点高校网络教育累计注册学生数己达到3 0 0 多万人，占全国在 校大学生总数的1 5 。另外，网络教育自开展以来累计毕业生已达1 9 0 多万。 作为传统教育的补充形式，远程教育在教育服务领域中发挥着越来越重要 的作用。丰富的远程教学资源是远程教育的一大特点，其中包括教学内容信息 设计、教学课件的制作和开发、实验技能培训设计等。通过网络进行远程理论 教学目前在技术上和方法上都已较为成熟，其发展态势更是迅猛，但远程实验 手段的研究则相对滞后。 实验教学环节是课程体系完整的组成部分之一，是不可或缺的，它对于学 生全面掌握专业知识，将所学知识应用于实践、培养科学的思维能力和创造力 起着至关重要的作用。学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。对于实践 性较强的学科，例如基础学科的物理、化学、生物，工程学科的控制学电子 线路等课程中的实验教学，如果缺少实验动手的机会，课程教学效果将受到严 重的影响。然而在远程教育中，由于教学机构与学生在空间上的分离，使得学 生无法进入实验室做具体的实验，这对实验类课程远程教学质量的提高是一个 极大的制约，这也限制了远程教育的发展，它自然成为远程教育研究中的熟点 课题之一。 为了解决远程教育中教学活动的远距离性和实验教学的近距离性的矛盾， 人们研究探索了各种方法，通过大量的研究实践证明，构建基于网络的虚拟实 验室，是一个可行的办法。这主要得益于近年来虚拟仪器理论和网络技术的飞 速发展。通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能，网上实验成为了远程教育 研究的重要方面。 虚拟实验室( v h t u a ll a b o r a t o r y ) 概念，最早在1 9 8 9 年由美国弗吉尼亚大 学( u n i v e r s i t yo f v t r g i n i a ) 的威廉沃尔夫( w i l l i a mw u l o 教授提出，用来描述 一个计算机网络化的综合了不同工具和技术的虚拟实验室环境，在这个环境里， 用户可以有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源1 4 1 ， 四川师范大学硕士学位论文 它的建立可以大大提高实验教学的伸缩性和适应性 5 1 。该定义强调三个方面的 问题：一是虚拟实验室应当是有逻辑限制，没有物理空间限制的；二是充分地 实现资源共享；三是协同工作环境，即计算机支持的协同工作环境。 虚拟实验室主要由虚拟实验平台和一系列实验组成。其中每个虚拟实验要 完成的功能虽然各不相同，但它们往往要用到相同的实验仪器或元件，如果单 独为每个虚拟实验都制作虚拟仪器或元件，将极其费时费力，不妨将这些常用 的仪器，元件集中起来组成一个虚拟仪器库和元件库。每次做实验时，实验者 可以在库中提取需要的实验仪器或元件。另外，我们还可以随时将制作优秀的 虚拟实验加入到虚拟实验室中，以便不断地充实虚拟实验。虚拟实验平台就是 给学生提供一个虚拟、逼真的实验环境以及实验所用的各类仪器设备和元件， 使学生在此环境下完成实验的全过程，最后通过仿真程序得到实验结果及相关 数据。 按照系统的功能结构和实现方式，可将虚拟实验分为单机类实验和网络类 实验。单机类虚拟实验所有硬、软件设备都处于用户直接操作的计算机上或与 之直接相连，实验运行效率高，实验过程可直接观测，但虚拟资源的利用率低， 不能实现资源的共享。网络类的虚拟实验通过技术手段，将实验资源发布到网 络上，凡是能够访问网络的计算机都能够进行虚拟实验，大大提高了虚拟资源 的重用度，而这类实验也是今后虚拟实验发展的方向。 按照系统中是否存在实际的硬件设备，又可将虚拟实验分为两类；控制类 实验和仿真类实验1 6 1 。在控制类实验中，虚拟实验软件通过扩展的计算机数据 采集接口卡( 例如常见的g p i b 接口卡) 与虚拟仪器的硬件连接，虚拟仪器将 采集到的数据传送到软件部分，然后由后者完成数据的处理、显示，再返回指 令实现对硬件的控制。而仿真类虚拟实验中没有任何硬件，不管是实验装置， 还是数据的产生、处理与显示，全部通过软件模拟的方式实现。这类实验通过 建立某些设备的数学模型或者数据库模型，把整个模型连同程序系统置于服务 器平台上，用户的操作会引起仿真模型的运行及计算，从而得出相应的结果。 虚拟实验室是网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术共同发展的产物。与 传统实验操作只能在特定地点进行不同，虚拟远程实验是以i a t e m e t 为桥梁， 突破面对面的传统实验教学方式，教学方式更灵活，方便了。虚拟远程实验不 四川师范大学硕士学位论文 仅使学生实践的机会增加，还能够灵活地提供给学生不同的实验教学内容，学 生可以根据实际情况确定学习内容和安排学习进程。另外。虚拟实验室的出现 还可以解决教学资源紧缺，无法满足所有学习者的学习需求的矛盾。通过计算 机网络，先进实验教学方法和卓越的实验条件可以为校内外广泛使用，从而可 以节省许多基础设施的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入，有利 于从整体上改善办学条件和提高教学水平。由此可见，虚拟实验在教育、科研 领域中具有广阔的应用前景，是实验教学的一个新的发展方向，它必将促进教 学观念与教学形式的改革，也会促进教学内容与教学方法的变革，是今后远程 教育发展的主流与趋势。 1 2 国内外研究现状和应用分析 1 2 1 国外的研究状况m 嘲州 虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景， 各国均在大力开发，已经取得了一些进展。 虚拟实验室的研究，国际上始于9 0 年代。目前，虚拟实验室的研究在发达 国家已十分普及，美国作为当今的科技强国，为继续保持其科学技术领域的领 先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略 规划。在1 9 9 1 年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计 算机与远程通信部组成了一个“全国( 科学) 合作实验室委员会”，其任务是调 查科学家对信息技术的需求，协调科研合作关系，组织并实施具体的信息技术 开发。此后，美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大 领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得 了实质性进展。另外，美国一些政府部门，如能源部，正在制定计划将其所属 的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的科学家正投身于构筑 一个覆盖全球范围的虚拟实验室的工作中来。 国外虚拟实验室研究的代表性成果主要有； 1 、德国r u h r 大学网络实验室 该实验室是一个有关控制工程的学习系统，它通过直观的三维实验场景视 觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互性操作。 2 、美国i l l i n o i s 大学的n m r s c o p e 系统 四川师范大学硕士学位论文 通过i n t e r n e t ，研究人员在任何地方都能使用i l l i n o i s 大学的仪器。如 t 哪t r i ( 核磁共振仪) 的使用，只要向该大学递交了一个样品之后，经过授权的 研究人员就可以与服务器联机，服务器将显示出一张表示仪器设置的表格和功 能清单，通过点击屏幕上的按钮就可以进行实验，生成的图像将被传回到研究 人员的计算机屏幕上 3 、美国德克萨斯州立大学的远程倒立摆实验系统 该系统主要提供给校内学生进行远程实验。倒立摆由一台专门的服务器使 用m a t l a bs i m u l i n k 作为其控制器。该实验系统另外还采用了微软的m s n 和 n e t m e e t i n g 技术。学生通过n e t m e e t i n g 连接到控制服务器，可以对相应的控 制器进行修改，以获得需要的控制器结构，控制信号经由串口控制倒立摆的运 动，实验结果由音视频装置传递回客户端。 4 、印地安那州立大学的船l 化学实验室 a d a a l l e r h a n d 教授在给新生开化学实验课对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：用计算机展示虚拟实验；在宽带网上发布 相关的实验指导材料，包括各种格式的多媒体资料。 5 、卡罗莱纳州立大学的l a a p ( l e a r na i l y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s ) 他们利用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 a a 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。 1 2 2 国内的研究状况1 0 1 “凇” 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初 步建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系 统；华中理工大学机械学院工程检测实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展 示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空 电台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、 上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用 于教学和科研。 国内各大高校及科研机构其代表性的成果主要有： l 、北京航空航天大学的d v e n e t 平台 四川师范大学硕士学位论文 北京航空航天大学在国家8 6 3 计划支持下，作为集成单位，与国防科技大 学、浙江大学、中科院软件所等单位一起建立了一个用于虚拟现实技术研究和 应用的分布式虚拟环境基础信息平台，英文缩写为d v e n e t 。它是由一个专用计 算机网络以及支持分布式虚拟环境研究与应用的各种标准、开发工具和基础信 息数据( 如三维逼真地形) 组成。 2 、中国科技大学的虚拟现实应用 中国科技大学运用虚拟现实技术在物理实验方面有着很丰富的经验。他们 已经形成了比较成熟的作品，例如基于本地的大学物理仿真实验软件、广播电 视大学物理虚拟实验、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验远程教学系 统等。 3 、北京大学设计的3 孙n l a b 该系统是由北京大学计算机系开发设计的，它是一种支持大计算量的交互 式网上虚拟实验室的通用基础框架。在该系统中，用户平台采用j a v a 编写，用 户可以通过界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过i n t e r n e t 传送到服务 器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将 可信的实验结果返回到客户端。用户收到实验结果后，可评价自己的实验设计， 从而对自己的能力进行判断。 4 、同济大学的普通物理网上仿真实验室 该系统采用的也是基于霄w w 的方式，客户端主要采用f l a s h 来实现。对每 一个实验，系统都列出了实验原理、实验仪器、实验内容、数据处理、思考题 和相关知识等等内容。系统充分利用了f l a s h 表现力强，动作脚本功能强大的 特点，对仪器的常见操作实现了仿真。学生通过点击仿真设备的各控制按钮， 调节控制实验设备，完成实验操作。学生通过点击仿真设备的各控制按钮，调 节控制实验设备，完成实验操作。实验数据的处理利用f l a s h 动作脚本实现， 但服务器端采用普通的h t m l 页面技术，没有对学生的实验操作过程、实验数据 进行记录，因此不能评价学生的实际实验知识和技能的掌握水平。 5 、华中科技大学的电子虚拟实验室 该实验室采用n i 公司l a b v i e w 、i m a qv i s i o n 等软件配合e l v i s i m a q - 1 4 2 2 、 p x i 1 0 0 0 b 、p x i 一6 0 7 0 e 、p x i 一5 1 0 2 、s c x i i 0 0 0 、s c x i 一1 3 2 0 、s c x i 一11 2 5 等系 四川师范大学硕士学位论文 列硬件，构建基于i n t e r n e t 的分布式网络虚拟实验室体系，实现了实验数据和 实验仪器远程共享，为高等院校学院提供专业实验教学平台。此套系统现己投 入应用，并获得了良好的效果。 1 2 3 虚拟实验的实践应用分析 从上述国内外虚拟实验的实践应用来看，其实践应用内容主要涉及以下几 个方面： 1 实验仿真虚拟实验 利用计算机仿真技术或虚拟现实技术，建立与真实实验环境相类似的实验 环境，为学习者提供个数字化的实验学习平台，学习者可以在教师提供的数 字化实验平台上进行模拟实验操练。目前。现有的仿真实验、虚拟实验平台大 部分是运行在单机环境或局域网环境下的，随着虚拟现实技术在互联网中的应 用，也出现了一些基于互联网的虚拟实验平台。 2 实验数据采集与数据分析实验 数据采集与数据分析在实验室中早已有了应用，充分发挥了计算机数据处 理的强大功能，把学习者从繁重的数据计算中解脱出来，而且利用计算机进行 数据分析还可以实时生成简明、直观的数据图表。 3 数字化实验指导资料 多媒体技术和网络技术的发展促进了教学媒体的多样化发展，实验指导资 料也逐步向多媒体化、网络化方向发展，如实验指导书、实验大纲、实验教材、 教师的实验讲义等在网上随时都可以查到，某些实验室还开发了许多基于 i n t e r n e t 的虚拟实验，学生在网上就可以进行实验模拟训练，从而方便了学习 者的学习。 4 实验考核 标准题的计算机化考核无论在理论上还是在技术上都比较成熟，但是在主 观题或者说在实验操作技能考核上还没有一个通用的标准化的平台，还有待迸 一步的研究。 5 实验教学管理、实验室管理 实验教学管理和实验室管理是管理信息系统的典型应用，实验教学管理指 实验室管理应面向教师、面向学生，在管理中应充分体现学习者的主体地位。 四川师范大学硕士学位论文 从国内外的应用状况可以看出，虚拟实验室的建设已经取得了相当大的成 绩，虚拟实验室的建设已经从开始的探索进入实际应用阶段，人们已经从探索 的过程中获得了许多经验。但从现在国内外的研究成果看，虚拟实验室的研究 还存在三点不足，第一，大部分虚拟实验室的构建都是针对大型仪器或软件的 共享而设计的，对普通的常规实验( 实验人数大，网络化的意义也很重要) 设 计较少，多数停留在软件仿真阶段。其次，虚拟实验室的互动能力和非线性操 作能力差，设计者更多考虑的是测量，用户填写输入实验室给出输出即可，而 忽略了操作的过程，而过程正是体现实验人员自主性和创造性的关键。现在多 数设计采用软件仿真实验来替代远程的操作过程，然而这必将带来许多真实的 实验效果被忽略，用户看到的只是仿真结果。第三，虚拟实验室的建设往往忽 视实验场景的构建，给出只是二维的界面，甚至是一些表格，这些对许多有过 真实实验经验的人来说可能已经足够了，但对许多没有接触过真实实验的学生 来说是不够的。以上三点给今后的虚拟实验室建设提出了新的要求，既要做到 能够真实反映实验的实际情况，又要能够充分发挥实验者的创造性，并具备实 用性强和可扩展等特点。 1 3 系统研究内容 物理学是一门以观察和实验为基础的科学，实验几乎贯穿了物理学习的整 个过程，观察物理现象、进行物理实验是学习物理学的基础。作为一门实验科 学，物理学无论是在物理概念的产生，还是物理规律的发现上，都是建立在严 格的科学实验基础上的。而物理学的规律之所以可靠，就是因为它们是建立在 大量的实验事实基础上并经受了后来实验事实的检验。高中物理是物理科学的 一个重要阶段课程，它的教学应该具有物理科学的基本特征，如果丢掉了物理 实验，物理教学就失去了它应有的光彩。因此，高中生在学习高中物理课 程的同时，都必须系统地学习高中物理实验这门课程。此课程对于加深学 生对物理学原理的理解。培养和提高学生的科学实验能力和科学实验素养都具 有重要的意义。 电磁感应实验属于高中二年级的物理实验教学内容，该实验的教学目 的就是希望学生通过实践操作，观察和分析实验现象，从中分析归纳通过磁场 产生电流的条件、电流产生的特点，从而进一步体会电和磁之间的联系。但在 四川师范大学硕士学位论文 现实中由于受时间限制，或者是教学条件限制，很大一部分学生都无法亲自参 与实验操作或是无法多次实验操作验证实验分析结果。针对这一现状，从现代 学习理论出发提出设计实现一套基于r m l 技术的远程电磁感应虚拟实验室， 发布到网络上，使远程学生在虚拟实验室提供的三维实验场景和实验设备中自 己动手操作实验，体验真实实验的感受，在校学生也能够在虚拟实验中熟悉实 验过程，通过反复进行各种实验，观察实验现象和分析实验原理，不再受限于 宝贵的实验资源。 1 4论文的组织 本论文共分为七章，具体的章节内容如下： 第一章，引言。介绍课题研究的背景与意义、国内外的研究现状和应用分 析情况，系统研究内容，指出了虚拟实验的设计和实现对推进远 程教育发展的积极作用。 第二章，虚拟实验开发与应用的理论基础主要介绍了当前具代表性的三 个典型的现代学习理论，即以此作为本文研究内容的理论依据。 第三章，虚拟实验及实现技术。主要介绍了虚拟实验的概念、功能、重要 意义，并且对比分析了易于实现虚拟实验的技术。 第四章，v r m l 技术与3 dm a x 技术。详细介绍了实现虚拟实验的v r m l 技术 和3 dm a x 软件，讨论了v r m l 对3 dm a x 的支持以及如何结合使 用两者来共同实现虚拟实验。 第五章，电磁感应虚拟实验的设计与实现。分析了虚拟实验的设计原则、 系统目标和内容；对实验系统的体系结构、建模方法、虚拟仿真 进行了设计；具体实现了实验操作环境和动画交互；最后具体介 绍了该实验系统的使用情况，包括其网络发布方法，以及系统的 试用评价情况。 第六章，总结与展望。对所做工作进行了一个简要的概括，对研究取得的 成果与不足进行了总结，并对下一步的研究方向进行了展望。 四川师范大学硕士学位论文 第二章虚拟实验开发与应用的理论基础 虚拟实验应用于教学总是以一定的学习理论和教学理论为基础的。从二十 世纪5 0 、6 0 年代至今，学习理论已经从行为主义主导的学习理论发展到以认知 学习理论为主导的阶段，教学理论的内容也是不断得到丰富，对近几年的教学 改革起了重大影响和推动作用，也推动了网络虚拟实验教学的发展。 2 1 探究学习理论 2 1 1探究学习理论的由来及内涵 探究学习作为一种学习方式，由来已久。自1 8 世纪以来，“探究学习”的 思想至少在西方被大规模地倡导过三次，并且目前仍然是主流的学习方式。早 在1 8 世纪末1 9 世纪初的欧洲，以卢梭、裴斯泰洛齐、福禄培尔等为代表的一 批教育家就在“启蒙运动”的影响下，追求科学与理性，尊重儿童的“自然与 发展”，通过问题探究和发现学习，培养闪耀着理性光辉的人。卢梭的一个中心 思想就是“问题不在于告诉他一个真理，而在于教他怎样去发现真理。”“3 3 在 他看来，发现是人的基本冲动，教育要适应儿童的自然本性，凡是儿童能从经 验中学习的事物，都不要使他们从书本中去学。而经验正是源于行，来源于探 究。继卢梭之后，探究的思想得到了广泛的认可和研究。但总的说来，在1 9 0 0 年之前，大多数教育者还只是把科学看作是一种可以通过直接灌输让学生学到 的一堆知识，只有少部分的教育者意识到探究对于科学教育的重要性。到了2 0 世纪五、六十年代，“探究”作为一种科学教学的方式，它的合理性才被许多教 育者所接受。1 9 6 4 年，美国教育家、生物学家、课程专家、芝加哥大学教授施 瓦布“”首先使用了“探究学习”一词，并对探究学习作了大量的研究，进一步 推动了科学教育中“探究”观念的发展。所以，“探究”的思想虽然早就有，但 是通常把施瓦布作为首先提出“探究学习”的人。 所谓“探究学习”，就是以探究为主的学习。在汉语中，“探究”就是“探 索、研究”，“探索”的解释是“多方寻求答案，解决疑闯”；“研究”的解释是 “探求事物的性质、发展规律等，考虑或商讨“”。”具体说，它是指学习过程中， 在教师的启发诱导下，以学生独立自主学习和合作讨论为前提，以现行教材为 探究的基本内容，以学生周围世界和生活实际为参照对象，让学生充分自由表 达、质疑、探究问题，让学生通过个人、小组、集体等多种解难释疑尝试活动， 四川师范大学硕士学位论文 将自己所学知识用于解决实际问题的一种学习形式。教师作为学生探究式学习 的导师，其任务是调动学生的积极性、主动性，促使他们自己去获取知识、发 展能力，做到自己能发现问题、提出问题、解决问题；学生作为探究式教学的 主人，要根据教师提供的条件，明确探究的目标，思考探究的问题，掌握探究 的方法，敞开探究的思路，交流探究的内容，总结探究的成果。由此可见，探 究式学习方式的目的在于培养学生的创新精神和实践能力。 2 1 2探究学习的特点 探究学习作为学习的一种现代模式，要正确有效的实施，必须把握其基本 特征。 l 、主体性。学习者在探究学习中占主体地位，教师充当引导作用，学习者 要自主，积极的探究科学知识，充分发挥个人主观能动性。 2 、开放性。探究学习是一个开放的活动系统，一种基于学习资源的开放式 学习，需要在与其他学习的相互作用过程中得到不断改进和改善。 3 、情境性。用于开展探究学习的问题，必须反映学生的现实生活，着眼于 解决生活中的实际问题。因此，探究活动应在具体情境中进行。 4 、反思性。在探究学习中，学生应该经常进行自我分析、自我评价和自我 监控，从而获得自我体验，进而不断调整探究策略以顺应探究实际。 。 5 、生成性。探究学习不限于教学计划中的固定安排，而是根据当时当地的 教学情境需要作出必要的调整，这种学习方式充满弹性，富于张力。 2 1 3探究学习的教学模式” 探究学习最终要为学生所掌握，真正支配学生的学习活动，就必须要将探 究学习落实到师生的日常交往活动中，通过教学来实现学习方式的运用与掌握。 作为一种模式，探究学习的教学模式不是放之四海而皆准的，它必然有其相应 的实施条件和适用的范围。目前探究学习教学模式的提出一般有两种情况。一 种是对传统的学科教学特别是科学学科( 物理、化学、生物等) 教学进行总结， 提出适应这些学科的教学模式。另一种是与世界最新课程改革相适应开设的新 的课程门类中所提倡的教学模式。无论哪一种情况，在选用探究学习教学模式 时都不可生搬硬套。本文主要探讨三种较具有代表性的探究学习教学模式。 四川师范大学硕士学位论文 2 1 3 1 萨奇曼的探究训练模式 萨奇曼在观察科学家探究活动过程的基础上，结合教学过程特殊因素提出 了探究训练模式。这一模式注重让学生掌握科学探究的过程。主要分了以下阶 段： 1 ) 提出问题问题的提出先激起学生强烈的好奇心，教师注意使所有学生 都清楚理解要回答和解决的问题。 2 ) 提出假设和收集资料。萨奇曼提出了一种收集资料的方法。即由学生设 计问题，教师充当信息提供者，回答学生提出的问题。对学生提出的问题只用 “是”或“不是”来回答，教师不作解释、分析。 3 ) 提出新假设，重新收集资料。这一阶段并非必要阶段。这一阶段的存在 主要是在收集的资料与假设相反，就需要重新提出假设和收集资料，直到假设 被资料所证实。 4 ) 得出结论。随着假设一收集资料假设这种循环的完成，当假设能准确 说明所有己掌握的资料且无需修改时，结论就产生了。 5 ) 对探究模式进行分析。师生在每次探究训练之后共同对本次训练过程中 的得失进行总结，这对学生提高探究能力，训练思维能力，均有帮助。 2 1 3 2 社会探究模式 该模式以问题为中心来构建课堂，把假说的提出和求证看作探究活动的核 心。主要分了以下几个阶段； 1 ) 定向。即教师和学生集中对社会领域的某一问题的探究。 2 ) 假说。这个假说要尽可能清晰表达出对现象的解释，这个假说将作为下 列探究的指导，引导学生核实闯题的各个因素。 3 ) 定义。这个阶段，假说的各个方面被清晰化并且明确定义，参与探究的 所有成员能对问题情境进行交流。 4 ) 引申。对假说以它的含义、假设和推论的形式加以深入探讨。 5 ) 求证。即要根据假设和定义的方向搜集事实和证据来支持假说。 6 ) 概括。是对问题解决方法的表述。 2 1 3 3 蒙克与奥斯本的融合模式 1 9 9 7 年，英国伦敦大学国王学院的科学教育学院的蒙克和奥斯本联袂在 四川师范大学硕士学位论文 科学教育杂志上发表了一篇文章，题为 】 艟直窗架1 t r a n s f o r m t r a n s l a t i o n 0 02 0 1 3 9 c h i l d r e n d e fv f ls h a p e a p p e a r a n c eu s e f a g e o m e t r yb o x s i z e0 48 0o 2 ) 】 艄h 面 t r a n s f o r m t r a n s l a t i o n 0 0 - 8 0 52 0 c h i l & e n 【s h a p e a p p e a r a n c ea p p e a r a n c e t e x t u r ei m a g e t e x t u r e u r l ”f l o o r j p g ” t e x t u r e t r a n s f o r mt e x t u r e t r a n s f o r m s o , a l e1 0l o ) g e o m e t r yb o x s i z e3 30 13 6 4 ) ) 】) 用v r m l 代码编写一个个的矩形体，将这些矩形体进行组合叠加，就构成 了实验室环境，包括房间、窗户、窗帘、黑板、投影仪反射器、幕布等，都是 矩形体的组合。而灯管、窗帘座、幕布架都是用圆柱体实现的。