基于元模型的虚拟实验教学平台研究与设计.doc

山东大学硕士学位论文基于元模型的虚拟实验教学平台研究与设计姓名：郝风杰申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：郝兴伟20110420 琲疭，：琤琲瑂 ，： 山东大学硕士学位论文建立现代教育创新体系，培养创新型人才是由年中国教育发展纲要和国家教育事业发展“十一五”规划纲要确定的新时期教育发展的战略目标。什么样的技术决定什么样的教学模式，随着现代通信、网络、虚拟现实等技术的发展，教育的形态、模式和理论都发生了很大的变革，因其较高的适应性、灵活性在近十几年有了快速的发展，为学习形态和模式的变革提供了技术支撑，为终身学习提供了可能。在中如何提高参与者的实践动手能力和分析问题的能力也成为了提高教育质量的关键问题。虚拟实验教学系统便成为了系统发展的必然趋势和重要组成部分，具有很高的实用价值和现实意义。 山东大学硕士学位论文实验教学实验教学的目的是为了加深学生对理论知识的理解，培养观察、分析问题的能力，掌握基本的实验研究方法和技能，同时激发学生的学习兴趣。实验教学是组织者淌与参与者之间的双向交互活动，其教学内容的组织模式、交互方法，必须遵循一定的规律，提高学生的学习欲望。涉及两方面的内容：一是学习者学习心理，二是学习对象的组织。 山东大学硕士学位论文因理论等。动中往往是多种学习理论共同作用的结果。一方面应该建立以知识管理为核心的实验组织模式。以知识为核心组织相关 山东大学硕士学位论文传统的实验教学，主要是对某一理论或现象的验证，教学的过程主要是实验步骤和内容的一种情境再现，参与者的主动参与性不足，缺乏创新，偏重于实验些新的研究成果也被广泛应用于实验教学，如服务剧场 山东大学硕士学位论文虚拟实验教学及其相关研究 现代虚拟实验教学的发展开始于上个世纪年代，在年底，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就组成了一个“全国蒲合作实验室委员会，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。随着几十年的发展，已取得了很大的进展。国外如美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站乜，德国大学 学的物理仿真和远程教育实验室研制开发“大学物理计算机仿真实验”软件，是第一套虚拟现实型的教学软件。清华大学利用虚拟实验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测试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，复旦大学、上海交通大学、武汉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。 山东大学硕士学位论文虚拟实验平台的发展方向“十一五”国家科技支撑计划重点项目虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范中指出要研发具有自主知识产权、集实物仿真、创新设计、智能指导和教学管理于一体，具有良好自主性、交互性、可扩展性和安全性的虚拟实验教学平台。在此目标的基础上，虚拟实验教学平台的发展方向主要包括以下几个内容。 山东大学硕士学位论文本文主要研究内容针对上述问题，本文的主要研究内容包括以下几个方面：学平台的研究现状、相关技术、研究内容以及发展方向。 山东大学硕士学位论文务总线、服务实现进行设计。根据上述主要的研究内容，本文组织结构如下：第一章绪论。首先分类总结了主要的实验教学理论，并对它们主要的观点进行了介绍。然后，对虚拟实验教学的产生与发展、平台研究框架、虚拟实验教学的交互模式以及实验教学开发平台与元模型之间的关系进行了介绍。最后，对虚拟实验教学平台研究中的主要问题进行了分析，对本文主要的研究内容进行了简单介绍。第四章虚拟实验平台交互与体系架构。在对虚拟实验教学的交互模式以及现有架构设计的基础上，结合虚拟实验教学的业务流程，提出了面向服务的虚拟架构设计，分析了平台的处理流程，设计实现了平台的服务总线和服务单元。第五章虚拟实验教学系统设计实现。根据以上的研究，构建了虚拟实验教学平台的初步模型实现，设计实现了实验资源的制作与管理、实验设计与实验场 景组织、实验学习环境与学习过程管理以及日常管理权限设置等内容，为平台研究的深入提供了基础。第六章总结和展望。对全文的总结，并对未来的研究工作进行了展望。 山东大学硕士学位论文性不强。实验元件、元件特征与形式化描述 山东大学硕士学位论文实验教学环境，主要是用来为实施者和参与者，即教师与学生，提供一个交互的平台和展示界面，将实验教学过程中的各种功能模块进行整合，提供完整的信息传递和处理，对实验相关的各类知识资源进行合理组织，提供交互手段和方法；实验教学资源管理，主要用来进行基础数据资源的补充、完善、修改等操作，可以根据需求对资源进行重组等操作；实验教学开发环境，主要是为实验教学的参与者，提供方便的虚拟实验制作平台，可以根据实验的具体要求，进行相应的虚拟实验定制，并按照设定的生成模板进行发布。 元件大小，主要根据需要利用参数控制元件的大小属性：关联元件，描述可以连接、装配的元件标识，以及关联方式。元件算法，是针对不同的输入，元件可能表现的不同结果。知识点，主要是与元件相关的知识的集合，按照元件所涉及的不同的实验、课程等进行组织。以可以与系统的知识库等相关联。虚拟实验元件的设计实现应具备统一、重用、再设计的使用要求，并紧密结合实验教学活动，参考缺曜家G笃渖杓朴寐悖、具有统一的数据结构设定，胧笛樵喙亓5母骼嘀J赌谌荩梢苑奖阕橹、实验的结果及反馈清晰正确。 山东大学硕士学位论文海虚拟实验元件之间功能相对复杂，相关参数较多。 山东大学硕士学位论文图像一般包括示意图、矢量图、三维图等。其它如、连续式。元模型相关概念 记的正式规范，即如何创建域特定模型。通常情况下，其始终遵循一个严格规则TD停韵蠊芾碜橹定义的元模型是对事物的一种抽象，注重其事物本身的属性，遵循特定的规则，与 山东大学硕士学位论文应为：关联、实现、泛化、扩展、依赖等关系。基于元模型的实验元件建构模式，整的声明。 山东大学硕士学位论文其中：，简称，是对实结构、，简称，是对实，简称，是对实验 山东大学硕士学位论文，珻是指实验元件在实验的过程中的初始、中间、最终形态，视图形态是指视元件的管理元模型，简称，是对实 山东大学硕士学位论文基于元模型的实验元件资源管理元数据 山东大学硕士学位论文进行组织。件结构、操作，不可再分，是虚拟实验教学资源的基本组成。元件知识单元知识点，与元件单元结合使用。元件知识族 平行，若知识族胫J蹲錌之间没有明确的依赖关系，者之间为平行 元件知识问题描述定期定理前导后继相关实验为了提高实验元件使用组织的灵活，分别建立针对元件与元件知识的组织结构模式，以及与之相对应的元件组织表以及元件知识组织表。元件组织表主要从元件的功能、所属类别方面进行组织；元件知识组织表从知识领域、专业知识、课程、实验科目等方面进行组织。从而可以根据使用者的不同要求，进行相应的数据组织。领域知识抵J秎课程知识笛榭颇縧元件元件 山东大学硕士学位论文实验元件连接及装配与实验资源管理实验元件连接及装配实验元件的连接和装配没有明确的定义，连接与装配按照字面意义即将两个或两个以上的元件按照一定的约束关系、位置关系进行组合的一种操作。虚拟实验元件的连接和装配是在一定的实验要求和目的下进行的一种特定的操作。针对不同的实验需求、实验元件结构特征以及实验元件之间的连接与装配关系，定义如下概念。 图树形结构的连接与装配 山东大学硕士学位论文实验元件的连接和装配模型主要是使用该模型表达包含该元件的实验实现过程，描述实验元件的连接与装配层次、元件间的逻辑表达关系。实验元件的连接装配模型主要包括实验元件之间的约束模型、逻辑模型和物理模型。约束模型主要描述元件之间的连接关系、连接方式；逻辑模型主要描述实验元件之间的知识属性以及相关算法的实现与匹配；物理模型主要描述实验元件相互之间的位置关系、接口类型、装配方法等。实验元件的连接装配模型如图所示：上上逻辑模型上上实验连接上上 山东大学硕士学位论文等坐标信息。基于模板的实验元件连接与装配 山东大学硕士学位论文将教学实验按照连接与装配的模式要求进行规范，形成固定的实验元件连接与装实验元件实验类别编号厂实验编号，按照在课程中的先后顺序进行排序编号，用以表明具体的实验名 山东大学硕士学位论文称。，用以标记该次实验的名称、，对应于实验模板的实验名。实验元件列表，列出本次实验所涉及的实 识、算法特征值，关联与其相关的数据信息。眛痻”盞畑”！实验元件痵实验元件痶疌 实验元件痵疎中的元件进行连接与装配。 自组织的连接与装配，主要用于参与者自主设计实验活动，以实验元件的连菔笛槟勘暄裣嘤氖笛樵琲，璵。喝绻鹖，转乱辉裨颍猄。基于自组织的连接与装配的逻辑表达及描述，主要针对实验元件的相关的算 山东大学硕士学位论文元件连接与装配的目标是构建一个完整的实验，一个完整的实验可以由若干实验单元组成，实验单元则由若干实验单元或者实验元件组成。实验资源分布于实验元件、实验元件的连接与装配、实验构建等内容之间，其管理主要是将基于元模型模式构建的实验元件与相关媒体材料相结合，实现实验资源与实验内容的有机连接。 在构建实验元件的过程中，实验知识点作为实验元件的一个构成特征进行描述，元件与知识点之间存在蛘畁的对应关系。在虚拟实验教学平台中，实验知识内容管理主要存在实验场景管理、实验知识单元管理等模式。其与实验元件连接与装配的关系如图所示：笛樵图实验元件连接装配与实验资源管理实验场景主要描述实验构建过程中包含的元件的结构特征、元件的动作约束 山东大学硕士学位论文实验资源尤其是采用第三方工具建设的资源内容，诸如媒体、文档等，必须 山东大学硕士学位论文资源描述按照对应的实验组织层次、资源编号进行组织，其实验组织层次按照最低一级层次进行，若同一层次中包含若干实验资源则根据资源类型按序编号。并建立相应的实验资源注册库，用以存储实验资源注册描述信息。，实验资源的存储，按照实验课程、实验单元、实验实例、实验元件组织，为每一个实验课程构建一个文件夹，并在其下依次构建相应的实验单元、实验实例、实验元件等子文件夹。本章小结 山东大学硕士学位论文者，以及实验教学资源的主要提供者，并是学生参与实验教学的主导者和过程控制者。提供详细的资源，合理的实验调度是其主要工作。中心结构模式由两种存在形式，一种是以组织者即教师为中心，一种是以参与者即学生为中心，在模式设计上有主、客体的区分，功能设计向主体中心倾斜。以教师为中心是传统教学模式向虚拟教学的迁移，其核心是在教学过程中以教师为主体，整个教学过程围绕教师的活动展开，教师是组织者、控制者、评判者和监督者。此种模式的架构和功能设计上，教师与平台的交互是主要交互，功能设计比较完备，而针对客体的交互处于次要地位，主动交互功能较弱，不利于调动学生的主动性、参与性。 山东大学硕士学位论文：尸图虚拟实验环境概念构造 山东大学硕士学位论文实验教学组织、学生日常管理、教务管理等活动的系统平台。在虚拟实验教学平台的构建中，虚拟实验教学的组织环境一般应该包括以下这种交互可以是同步也可以是异步的，提供各种交互工具。 山东大学硕士学位论文列标准中也没有可供参考的内容。研究，如 山东大学硕士学位论文资源内容作如下区分：交互咨询信息资源等。例如学习者的进度、效率等。与教学和学习有关的计划、进度安排等信息资源。象一节已经对教学的对象进行了细致区分。 学习进度是指学习者的已学习内容与所学习课程总内容之间的关系，学习进度控制是对学习者学习速率的管理。学习的进度控制与所采用的知识表示模型直接相关，在知识的表示上可采用层次表示模型和概念图表示模型，然后分别构建学习知识图和课程知识图，学习知识图是课程知识图的子图，通过比较可以获得学习者的学习进度情况，从而为学习者提供相应的学习策略建议。 山东大学硕士学位论文评价按照模糊综合评判以及灰色聚类等评估方法进行，灰类的划分可以按照 山东大学硕士学位论文界面交互层主要为用户建立与教学支持层之间的联结纽带，由界面和交互逻辑控制组成。界面负责为用户提供命令，请求，数据等信息的输入接口，而交互逻辑控制则建立界面与教学支持层相应业务之间的数据交互，并对用户的输入数据和请求进行相应的格式化处理，并对相应的流程、权限等进行封装，提高相应组件的复用和灵活性。 山东大学硕士学位论文幕咎逑导芄怪饕S煞裉峁逽揪强团圆固图槟馐笛槠教腟系统架构数据支撑层主要由数据资源、数据持久化引擎组成。 山东大学硕士学位论文实验学习人员 山东大学硕士学位论文理流程为例。 实验资源列表实验交互结构上实验资源创作实验连接装配笛槎辉虿穇实验资源传输卜图实验设计的一般流程结合实验设计的阶段，对其进行服务分类，为服务的规约和实现做好准备。在实验设计中定义如下服务：实验定义服务、场景设置服务、资源制作服务、实验测试服务，每个服务有若干子服务组成。例如在定义阶段主要完成实验的名称、实验的引入问题、目标人群、实验目标、实验定位原则等内容。实验设计中的服务实现如下图所示： 图实验设计中的服务划分理流程和服务总线的设计以及服务实现。 总体模型框架实验学习与过程管理与日景 山东大学硕士学位论文实验资源主要包括实验元件资源、实验知识点资源、实验课程资源等内容，实验资源制作主要提供实验元件的制作，实验知识点的录入，实验媒体资源对象的注册管理，实现实验元件与知识点、实验与媒体资源的关联。在虚拟实验教学平台中主要侧重于实验元件资源的制作与管理，实验相关知识点资源可以采用与其对应的课程系统的知识点内容信息。实验资源制作与管理主要包括实验元件制作、组织以及媒体资源的注册与管， 提供的图 山东大学硕士学位论文实验设计与实验场景 一!猒篒 山东大学硕士学位论文】皴觥酢瘛駆，“：曼：器图实验场景妄耻舞剧黼