（教育技术学专业论文）面向中学化学的虚拟实验平台的设计与开发.pdf

t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fav i r t u a l e x p e r i m e n tp l a t f o r m l a t lr m a p p l i e d i nm i d d l e s c h o o lc h e m i s t r y at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t f o rt h em s d e g r e e 讥e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y o u y a n g j i a n g a n g p o s t g r a d u a t ep r o g r a m d e p a r t m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：z h a n gy i ，c h e nm a o a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o r , a s s o c i a t ep r o f e s s o r s i g n a t u r e a m a y 2 0 1 1 m 3棚6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：i 酗w 壹矛习 日期：t , w t 年j 月劣日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：融f l p r 耋孝司 日期：加f l - f l - ，月2 扩日 导师签名：认以 日期：伊f fp 孕日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回垂途塞握交后进卮；旦圭生；旦= 生；旦三生蕉查! 作者签名：i 两童动习 日期：扫1 1 年j 月如日 导师签名：沙几 日期：vi 盱歹月乙伯 摘要 中学化学是一l - j 实验性很强的课程，化学课程的成功开展与实验的实施有着重 要关系，所以实验在化学学习中十分重要。一直以来，由于我国对基础教育的投入 不够，导致了很多中小学的实验设施和条件匮乏。由于种种因素的影响，化学实验 很难具体的在学校中开展。另外学生也只能在课堂上、实验室内才能做实验，而实 物实验受环境、实验条件及准备不足等原因影响，实验效果也不理想。在课余时间、 实验室以外的地方往往没有机会做，并且在做实物实验时也有很多的限制，这样实 际上束缚了学生，影响学生创新意识的培养。 基于以上现状本文试图设计开发一个面向中学化学实验的虚拟实验平台，通过 调查和分析当前国内外化学实验软件的特点，了解了它们的优点和不足。在此基础 上，我们结合当前化学实验教学的现状，并结合相关的教育理论，设计和实现了中 学化学虚拟实验平台。 本文首先分析了化学实验软件的现状以及选题意义，并介绍了各种教育理论和 实验平台的关系，之后重点介绍了平台的总体功能设计和相关核心算法研究。功能 设计包括编辑器和播放器功能设计，阐述了它们与整个平台的框架的联系。接下来， 本文重点及详细研究了平台中的一些核心技术和算法，并给出了一些功能的具体实 现。最后，本文介绍了平台的详细设计和具体实现，详细设计包括设计的思路和思 想，各种类的详细设计和实现。在此基础上，平台设计完成，接下来展示了平台的 具有的功能和平台的具体例子实现。 该实验平台能完全模拟现实中化学实验现象，实验平台操作简单，交互性强， 具有良好的界面。学生可以自由地组装实验，并有保存实验的功能，能较好地满足 中学师生教与学的需要。 关键词：虚拟实验；实验平台；中学化学；教育软件 a b s t r a c t t h em i d d l es c h o o lc h e m i s t r yi sas t r o n ge x p e r i m e n t a lc o u r s ea n dt h e r el sa n i m p o r t a n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u c c e s s f u ld e v e l o p i n go fc h e m i s t r yc o u r s e sa n dt h e e x p e r i m e n t si m p l e m e n t a t i o n , s oe x p e r i m e n ti sv e r yi m p o r t a n ti nc h e m i s t r yl e a r n i n g s i n c ea l w a y s ，b e c a u s eo ft h en o te n o u g hi n v e s t m e n tt oe l e m e n t a r ye d u c a t i o no fo u r c o u n t r y , w h i c hl e dt ot h el a c ko fe x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e sa n dc o n d i t i o n so fm a n ys c h o o l s b e c a u s eo fv a r i o u sf a c t o r s t h ec h e m i c a le x p e r i m e n ti sd i f f i c u l tt od e v e l o pi ns c h o o l s o t h e r w i s e ，t h es t u d e n to n l yc a nd oe x p e r i m e n ti nc l a s sa n d i nt h el a b o r a t o r y , w h i l ed o i n g p h y s i c a le x p e r i m e n tc a na s oi n f l u e n c e db ye x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t ，c o n d i t i o n s ，a n d n o te n o u g hp r e p a r a t i o n , e t c ，e x p e r i m e n t a le f f e c ti sn o ti d e a l i ns p a r et i m e ，t h e r ei s n tt h e o p p o r t u n i t yt od op h y s i c a le x p e r i m e n te x c e p tt h el a b o r a t o r y , a n dt h e r e a r em a n y r e s t r i c t i o n sw h e nd o i n gp h y s i c a le x p e r i m e n t s ，w h i c hh a m p e r st h es t u d e n ti nf a c ta n d i n f l u e n c e st h ec u l t i v a t i o no fs t u d e n t s a w a r e n e s so fi n n o v a t i o n b a s e do i lt h ep r e s e n t ，t h i sp a p e ra t t e m p t st od e s i g na n dd e v e l o pav i r t u a l e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rs e c o n d a r ys c h o o l c h e m i c a le x p e r i m e n t ，a c c o r d i n gt ot h e i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u r r e n tc h e m i c a le x p e r i m e n ts o f t w a r e a th o m ea n da b r o a d ，t of i n do u tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b a s e do nt h i s ， c o m b i n i n gt h e c u r r e n ts i t u a t i o no fc h e m i c a le x p e r i m e n tt e a c h i n ga n dt h e r e l a t e d e d u c a t i o nt h e o r y , w ed e s i g na n dr e a l i z et h ev i r t u a le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fm i d d l e s c h o o lc h e m i s t r y t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc h e m i c a le x p e r i m e n ts o f t w a r e a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i st o p i c ，a n di n t r o d u c e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u s e d u c a t i o nt h e o r i e sa n dt h ee x p e d m e n tp l a t f o r m ，t h e nm a i n l yi n t r o d u c e st h eo v e r a l l f u n c t i o nd e s i g no fp l a t f o r ma n dr e l a t e dc o r ea l g o r i t h m s f u n c t i o n a ld e s i g ni n c l u d i n g e d i t o ra n dp l a y e rf u n c t i o nd e s i g n , i te x p o u n d st h ec o n t a c tb e t w e e nt h e ma n dt h e f i a m e w o r ko ft h ew h o l ep l a t f o r m t h en e x t ，t h i sp a p e rm a i n l ya n dd e t a i l e ds t u d i e ss o m e o ft h ec o r et e c h n o l o g i e sa n da l g o r i t h mi nt h ep l a t f o r m ，a n dp r o p o s e ss o m ef u n c t i o n r e a l i z a t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e t a i l e dd e s i g na n ds p e c i f i cp l a t f o r m r e a l i z a t i o n , t h ed e t a i l e dd e s i g ni n c l u d i n gt h et r a i na n di d e ao fd e s i g n ，v a r i o u sk i n d so f d e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o nt h i sb a s i s ，t h ep l a t f o r md e s i g nc o m p l e t e s ，a n d t h e ns h o w i n gt h ef u n c t i o no fp l a t f o r ma n dt h er e a l i z a t i o no fc o n c r e t ee x a m p l e s t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mc a l lf u l l ys i m u l a t ec h e m i c a le x p e r i m e n tp h e n o m e n o ni n r e a l i t y , t h eo p e r a t i o no fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi ss i m p l ew i t hs t r o n gi n t e r a c t i o na n dg o o d i n t e r f a c e s t u d e n t sc a na s s e m b l ee x p e r i m e n tf r e e l ya n dp r e s e r v et h ee x p e r i m e n tf u n c t i o n , w h i c hc a nw e l ls a t i s f yt e a c h i n ga n dl e a r n i n gn e e d so ft h et e a c h e r sa n ds t u d e n t si nm i d d l e s c h 0 0 1 k e yw o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ；e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ；m i d d l es c h o o lc h e m i s t r y ； e d u c a t i o ns o f t 摘 a b s t r a c t 1 绪论 目录 1 1 研究的背景1 1 2 论文的研究现状2 1 2 1 国外化学软件的研究现状2 1 2 2 国内化学软件的研究现状3 1 3 论文选题及研究意义4 1 3 1 理论意义4 1 3 2 实践意义5 1 4 论文研究的相关技术5 1 4 1g d i + 渲染技术5 1 4 2 面向对象技术6 1 4 3x m l 保存技术- 6 1 5 论文研究的路线。8 1 6 论文的研究内容和组织9 2 化学实验平台的总体功能设计和算法研究 2 1 开发环境1 1 2 2 平台需求分析1 l 2 3 平台的总体设计思路1 2 2 4 平台框架设计1 4 2 4 1 平台总体模型图。14 2 4 2 编辑器模块设计1 6 2 4 3 播放器模块设计。18 2 5 主要技术实现与分析1 9 2 5 1 实验的智能感应机制1 9 2 5 2 实验控制方法2 3 2 5 3 实验现象实现2 8 2 5 4 实验存储实现。3 1 2 6 本章小结3 2 3 化学实验平台的详细设计与实现。3 3 3 1 系统类模型设计3 3 3 2 器材元件类的设计3 6 3 2 1 基类c c h e m o b j e c t 3 6 3 2 2 图片类c p i e 3 7 3 2 3 酒精灯类c a l c o h o l l a m p 3 7 3 2 4 烧杯类c b e a k e r 3 9 3 2 5 导管类c c a t h e t e r 4 0 3 2 6 铁架台类c l r o n f r a m e 。4 2 3 2 7 分液漏斗类c s f u n n e l 4 3 3 2 8 平底烧瓶类c f b f l a s k 。4 3 3 2 9 试管类c b t u b e 4 4 3 2 1 0 集气瓶类c b r a i r c o l l e c t i o n 。4 6 3 2 1 1 水槽类c b f l u m e 4 7 3 2 1 2 其他辅助类4 7 3 3 实现的功能。4 7 3 3 1 编辑器基本实验过程4 7 3 3 2 播放器实验过程4 8 3 4 本章小结5 2 4 实验平台实现的实例 4 1 二氧化碳通入澄清的石灰水实验。5 3 4 2c 还原氧化铜的混合物5 3 4 3 氢气还原氧化铜实验5 4 4 4 排水法收集氢气5 5 4 5 实验室制取氯气5 6 4 6 实验室制取乙炔5 6 4 7 排水法收集氧气5 7 4 8 一氧化碳还原氧化铁5 7 4 9 本章小结5 8 5 总结与展望”5 9 5 1 论文总结5 9 5 2 前景展望6 0 参考文献”6 1 附录攻读硕士学位期间发表论文 致谢 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s i i 研究的背景 i 绪论 基础教育是国民教育体系的核心环节，是提升全民族整体素质的重要内容，基 础教育的成功与否也决定了整个教育事业的成败。随着信息技术在基础教育中的广 泛应用，信息技术的快速发展带来了教育形式和学习方式的重大变革，对传统的教 育思想、观念、模式、内容和方法产生了巨大冲击。教育改革的不断深入，强调“学 生是学习活动主体，充分调动学生学习的主动性和积极性，提高学生综合素质 的 现代教育目标逐渐形成，正如关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定中 所指出：“要让学生感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和创 新思维习惯，重视培养学生收集、处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解 决问题的能力。 伴随着信息技术的发展，计算机辅助教育已经成为现代课堂的一个重要组成部 分，通过计算机技术来辅助课堂教学有利于改变传统的教学方法，增加学生对知识 的理解和学生对学科知识的兴趣，从而提高教学的质量。这样也有助于当前教育的 改革。 中学化学是一门实验性很强的课程，化学课程的成功开展与实验的实施有着重 要关系，所以实验在化学学习中十分重要。进行化学实验还能提高学生学习兴趣， 增强知识的应用能力。但由于种种因素的影响，化学实验很难具体的在学校中开展。 另外学生也只能在课堂上、实验室内才能做实验，而在课余时间、实验室以外的地 方往往没有机会做。目前，由于国家的大力改革，中学化学实验教学方式改革虽然 获取了一定的实质性的进展，但由于长期的传统教育观念的影响，在具体的实验教 学中依然还存在着许许多多的问题，具体问题如下：实验条件不完善，实验室的实 验硬件设备的明显不足，实验器材设备陈旧老化；实验室课外开放时间较少；化学 实验内容的广度和深度不够，而且大多数教学实验是书本上的理论的验证、读取一 些数据信息和纯演示的单一性实验；书中的多数实验都给出了具体详细的实验步 骤，学生只需模仿着做就可以了，这样不利于学生探索知识等等。 长期以来，受应试教育模式的影响，在基础教育的重要阶段中学阶段，教 学形式和学习方式单一，导致学生的创造力和创新能力缺失。特别是对于化学这类 实验较多、动手能力和创造能力要求较高的课程来说，单一教学形式使得教学难易 达到理想的效果。若能让学生主动地体验实验的探究过程，在知识的形成、联系、 1 应用过程中养成科学的态度，获取科学实验的方法，不仅可以激发学生学习兴趣， 使学生获得生动的感性知识，更好地理解、巩固所学的化学科学知识，而且还能培 养和发展学生的创新能力和思维能力，将所学理论知识运用于具体生活实践之中。 为了解决以上这些问题，许多学校采取了积极的措施：如改善当前实验教学条 件，增加实验室改革建设资金，改进和提高实验教学方法等，甚至有些部门正逐步 在实验教学中引入虚拟实验，并出现了一些化学实验软件。 有关化学实验的教育软件，相继在很多国家出现过，很多软件的开发可能是受 到当时教育环境的影响，主要是强调软件的多媒体演示功能，如：播放、演示实验 功能等。另外，虽然目前市场上已有一些有些辅助学生学习的学习工具，但是它们 仅有的功能很难满足学生的需求，尤其是在激发学生的兴趣，软件的智能性，交互 性等方面欠缺。有些工具已经投入到了教学中，但是我们发现效果不是很明显。 针对以上问题，并结合当前教育的需要，我们设计和开发了中学化学实验平台， 为学生和教师提供了一个良好的计算机实验虚拟环境。在该平台中，学生和教师可 以搭建化学实验来进行化学知识的学习，还可以观察各种实验现象。此外，我们在 设计时看到游戏对学生的诱惑。因此通过借鉴游戏思想和机制，我们把游戏引入了 化学学习工具的开发，这样势必会提高学生的兴趣。 1 2 论文的研究现状 1 2 1 国外化学软件的研究现状 在国外的化学软件中，有卡耐基梅隆大学开发的虚拟化学实验室i r y d i u m ( h t t p ：u w a d m n w e b u w y o e d u c h e m i s t r y 、h t t p ：i r c h e m e m i l e d u i r p r o j e c t ) ，它提供 了一个基于j a v a 的无机化学操作环境，界面是平面二维设计，该系统在化学的定量 分析方面比较突出；有牛津大学化学系“l i v e c h e m 项目中设计的软件 ( h t t p ：w w w c h e m o x a c u l d v r c h e m i s t r y l i v e c h e m t r a n s i t i o n m e t a l s _ c o n t e n t h t m l ) 。 c o r e lc h e m l a b ( h t t p ：w w w m u c h o n g c 毗a t l1 6 w e b 9 6 8 7 5 h t m ) 是由c o r e l 公司 研制的化学实验软件，在我国已经被汉化了，软件借助计算机为用户提供了一个虚 拟的化学实验室。c h e m l a b 的操作界面如同一个真正的化学实验室，它界面友好， 教师或学生都可以直接进行化学实验操作。软件的实验操作也是有声有色的，滴定 实验时的滴水声，沸腾声，倒水声，甚至用户摔烂烧杯的声音等都非常真实。它提 供的化学实验有5 大类，其中物理性质类实验，酸碱类实验，动力学类实验，气体 类实验，附加实验。该软件真实情境模拟的较真实，由于软件设计时主要是进行定 量分析的实验，对定性分析实验涉及较少，并且能操作运用的化学实验数量有限， 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 条件单一，对中学化学实验教学所要求的实验设计较少，不能满足实际教学的要求， 也无法很好的运用。 m o d e lc h e m l a b 是m c m a s t e r 大学制作的模拟化学软件。软件真实地展现实验 室中的化学实验仪器，提供了预先设计好的化学实验例子。该软件系统涉及了化学 的广泛领域，可用于自动命名、结构检索、结构解析、波谱模拟、物性计算，还可 以进行分子设计。该软件界面友好，用户易于操作和易于理解。学生随时可以进行 化学实验模拟，软件工具栏附有操作说明、实验原理及主要现象，化学实验基本操 作采用的是动画形式，这样可以有效地调节快慢、控制实验变化的速度，从而让学 习者能从知识理论、实验操作和实验现象等多方面直观地理解、掌握实验的原理、 操作和要求，达到更好地提高学习与教学效果。但是该软件的针对性不明确，有些 初中实验没有涉及到，而且操作复杂。相关的器材不直观，不明确。对于第一次接 触该软件的新手来说，设计一个中学实验很困难。 经过分析和总结国外化学实验软件，得出它们的特点主要是：软件主要使用 f l a s h 技术设计的，反应过程主要以动画或者视频形式演示。通过观察化学反应的 变化是中学生初学化学时最重要认知途径，而现有软件却很少是有关化学定性实验 操作方面的内容；也有一些软件是用高级语言编写的，但是其软件的针对性不明确； 软件大多数采用英文版本，若直接运用于我国中学化学实验教学中，则可能存在语 言方面的不便。 1 2 2 国内化学软件的研究现状 目前国内化学教育软件主要是用于课堂使用的演示类型软件，也有一些具备部 分交互功能的软件，但效果都不十分理想。 仿真化学实验室( h t t p ：w w w o n l i n e d o w n n e t s o f t 4 9 5 6 h u n ) 是由南京金华科软 件有限公司开发的化学实验制作平台。仿真化学实验室在计算机中为用户提供 了一个虚拟真实的化学实验室，用户可以智能地处理药品之间的化学反应。不但可 以展示和还原逼真的现象，还能提供准确的实验数据以供分析。该软件操作简单， 制作实验也很方便。软件制作的实验具有一定的交互性。但该软件主要是基于二维 的、化学实验数量有限，而且颜色单调，实验环境和情境欠佳。并且对于化学科学 这类主要通过实验现象呈现知识的学科而言，若在实验软件中对溶液颜色和实验变 化现象等模仿不恰当，则会影响学生对化学知识的正确理解和建构。在仿真化学 实验室的系统中，该软件提供各种常用的化学仪器，实验者能够根据自己的实验 需求设计和自由搭建各种化学实验，但该系统的不足之处是基于平面的二维设计， 、h 。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 使整个实验效果看起来不够直观和形象。 嘉科化学专家( h t t p ：w w w 6 6 1 6 9 c o r n s o f t p h p ? i d = 1 0 2 1 1 1 9 ) 是由成都嘉科公司 开发的化学c a i 课件制作工具软件，它是在w o r d 的基础上开发出的教学辅助学习 平台，软件界面与w o r d 基本相似。化学专家软件可用于教师在课堂上演示化学实 验装置的搭建过程，也可以让学生练习搭建组装化学实验，还可以用于制作一些简 单的课堂教学课件【1 7 】。但该软件制作出的课件简单，纯图片演示，仿真性不太好， 而且不能动态模拟化学现象，不便于学生观察和思考实验现象，并且没有交互性。 结合以上分析，我们总结发现了当前国内化学实验软件或多或少对于中学化学 教育来说有些不足，主要表现在： ( 1 ) 针对性不强。很多化学软件是对一个学科的设计，其对实验部分的关注不够， 针对性也不强。 ( 2 ) 交互性不强。大多数实验软件是以演示形式为主，缺少实验的交互性，学生 和教师也不能自己设计实验，只能观察软件给定的实验，这样的软件对于化学教学 的影响似乎不是很多，也不会产生很好的辅助效果，偏重于演示性，不利于学生进 行探究性学习 ( 3 ) 专业性不强。当前化学实验软件大多是由企业设计开发的，没有很好的深入 一线教学，没有很好的运用实验教学的设计思想。而我们开发的软件是教育软件， 也是专门为中学化学教学量身定做的实验软件。 通过分析国内外化学实验软件的特点和不足，我们在设计时吸取了相关软件的 优点，弥补了其不足，所以本课题研究的中学实验平台具有很强的专业性和良好的 交互性。 1 3 论文选题及研究意义 1 3 1 理论意义 本课题选题最主要的意义就是从教育理论的角度和软件技术的角度开发和设计 了一个化学实验仿真平台，设计的出发点是提高用户在平台中的角色地位，强调用 户的自主性与参与性。学生通过使用软件不仅能对化学实验知识的一些基本概念和 化学规律进行深入的了解，更重要的是能提高学生自身的创新能力和探索能力，并 且通过游戏机制加深对化学知识的理解。 从教学理论的角度上来看，本课题的研究目标就是把各种学习理论和相关教学 模式作为软件设计的中心指导思想。实验平台的设计实现都是以该思想为出发点， 使化学实验平台软件在辅助化学教学的同时，软件本身具有培养学生创新能力和探 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 究能力的特点，使软件的设计更加的科学化和智能化。 从技术的角度上来考虑，本课题的研究采用了面向对象的设计思想，软件的结 构和框架设计清晰，在平台结构方面，我们将仪器库和实验平台独立开来，即播放 器和编辑器。平台设计时利用基于问题对象的思路和面向对象的编程方法，使编辑 和播放分成为两个独立的部件。 1 3 2 实践意义 如果中学化学虚拟实验平台软件研制成功，将为当前中学教学改革提供良好的 教学条件，并减轻真实实验设备的投入。具体实验意义有以下几点： ( 1 ) 解决实验条件不足的问题。大多数中学实验条件不足，仪器设备不全，有了 这个平台，在教师和学生没有实验室的环境或实验室条件不充足的情况下，仍可用 计算机进行实验操作，得到实验现象。 ( 2 ) 有助于学生创新能力的培养。一般中学化学实验室由于管理方面的原因是不 能随时开放的，学生只能在上实验课时才能使用实验室，而且为了保证实验仪器不 损坏，对学生操作有严格限制，学生的创造力受到抑制。有了这个平台，学生在家 里也可以做任何化学实验，没有时间限制，而且可以随心所欲地组装实验，这对于 保护和提高学生的创新意识是有益的。 ( 3 ) 虚拟实验用于课堂教学。课堂演示实验的教学效果是很好的，但化学教师领 取实验器材往往很不方便，而且在课堂上展示的某些实物实验，由于实物太小或者 观察角度和位置的原因，学生反而不便观察，比如化学物质的变化，只有少部分学 生能够观察到，影响教学效果。拟研究开发的实验平台形象逼真，有了它，教师可 以在课堂上根据情况做任何实验，所有学生都可清楚地观察到实验现象，因而可替 代或补充课堂实物实验演示。 ( 4 ) 实物实验前的预练。不同的实验有不同的要求和不同的实验教学目的，虚拟 实验当然不能完全取代实物实验。在实物实验前做虚拟实验，可以防止实物被损坏， 降低损耗率，也可以提高实物实验的效果，增强学生动手时的信心和保持兴趣。 ( 5 ) 有利于培养学生的兴趣。游戏元素的加入将会增加学生学习的兴趣，加深对 化学知识的理解和记忆。 1 4 论文研究的相关技术 1 4 1g d i + 渲染技术 对于实验器材的呈现，解决办法是采用g d i + 技术，利用g d i + 技术可以呈现和 5 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 渲染实验器材以及实验环境。使用g d i + 的好处是不需考虑具体的细节，具体的绘 图工作由这些方法交给特定的程序来完成，g d i + 使得图形硬件和应用程序相互隔 离。从而使开发人员编写设备无关的应用程序变得非常容易。并添加了许多新的功 能。如：渐变的画刷，持久路径对象，变形和矩阵对象，可伸缩区域，多种图像格 式支持等。 1 4 2 面向对象技术 对于平台的框架设计，平台应用了v c 2 0 0 8 的一个界面库。该界面简洁直观， 很适合化学实验。面向对象技术的引入可以有效地组织功能，使其模块化、组件化， 有利于代码的复用，有利于提高二次开发的效率，有利于移植。以每一个器材元件 对象为一个对象进行封装，属性和方法很好的封装在类中了，使得操作对象更加简 洁，具有很好的扩展性。 1 4 3x m l 保存技术 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 即可扩展标记语言，它与h t m l 一样， 都是s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，标准通用标记语言) 。x m l 是一种 跨平台的，依赖于内容的技术，是当前处理结构化文档信息的有力工具。x m l 的 简单使其易于在任何应用程序中读写数据，这使x m l 很快成为数据交换的唯一公 共语言，虽然不同的应用软件也支持其它的数据交换格式，但不久之后他们都将支 持x m l ，并且它很容易与其他语言结合，然后可以很容易加载x m l 数据到程序中 并分析他，并以x m l 格式输出结果。以下是一段x m l 实例： i d i n a m e l i d i 化学实验对象l 化学实验对象 i d 2 n a m e 2 i d 2 n a m e d 吲对象资源i d 最后一行是定义根元素的结尾： 对于平台的资源和对象，我们可以用x m l 进行保存。在读取x m l 数据时可以 有专门的解析器解析。 1 ) 写入操作 c s t r i n gs t r x m l p a t h ； c x m l m y x m l ； c x m l n o d e p t r p r o o t x m l ； c s t r i n gx m l h e a d = ” ”； m y x m l l o a d x m l ( x m l h e a d ) ； p r o o t x m l = m y x m l g e t r o o t 0 ； c x m l n o d e p t rp x m l n o d e = p r o o t x m l - n e w c h i l d ( ”t a g ”) ； p x m l n o d e - s e t a t t r i b u t e ( ”i d ”，”i d ”) ； x m l o b j s a v e ( s t r x m l p a t h ) ； x m l o b j c l o s e 0 ； 2 ) 读取操作 c x m lm y x m l ； c s t r i n gs t r x m l p a t h ； m y x m l o p e n ( s t r x m l p a t h ) ； c x m l n o d e p t rp r o o t x m l = m y x m l g e t r o o t 0 ； c x m l n o d e p t rp x m l = p r o o t x m l - g e t c h i l d r e n 0 ； i n t n c o u n t = p x m l - g e t c o u n t 0 ； f o r ( i = 0 ；i g e t l t e m ( i ) ； 7 i mn i d = p n o d e - g e t a t t r i b u t e ( ”i d ”，n u l l ) ； 平台化学实验和游戏的保存都是x m l 保存的，因为v c 解析x m l 文件比较容 易，而且简单易学。 1 5 论文研究的路线 虚拟实验是一种基于计算机技术模拟仿真真实的实验场景来进行知识传输和 学习知识的新型教育形式。虚拟实验的开发如果能与相关教育理论相结合，那么对 于指导和帮助学生学习有非常重要的作用。 所以为了更好的使得虚拟实验很好的反应真实的实验，并使得实验平台能够更 好更完整的设计开发，本论文研究的路线如下图卜1 所示：首先通过调查分析确定 实验软件的需求，然后开始对平台开始总体架构，进一步进行代码分类。 图1 - 1 论文研究路线 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 6 论文的研究内容和组织 本课题的研究在教育理论基础上，结合计算机相关技术设计并实现了一款面向 中学化学的实验虚拟平台。从软件开发的角度，本文对平台进行了需求分析、总体 设计以及详细设计，并在此基础上，对平台具体的实现细节进行了详细的介绍并展 示了平台实现的功能。 本文共五章，具体内容组织如下： 第一章：绪论。结合研究背景，分析了当前国内外化学软件的研究现状及其存 在的问题，提出了本课题的研究思路和研究意义，并介绍了平台设计开发时要运用 到的相关技术，最后给出了论文的研究路线及技术路线。 第二章：平台的总体功能设计和算法研究。介绍了平台的开发环境，分析了平 台的需求，在此基础上提出了平台的总体设计思路，详细的介绍了编辑模块和播放 模块的设计，最后重点介绍了该平台涉及到的核心技术以及相关的算法。 第三章：平台的详细设计与实现。本章具体详细的介绍了平台的设计，包括类 模型设计，具体类以及该类功能的具体实现。详细介绍了平台中元件类的设计和类 中函数功能的实现。 第四章：举例介绍了平台已经实现的功能和相关的实验例子，并给出了实验搭 建的具体步骤。本章中涉及到了中学实验的8 个典型例子，有助于教师教学和学生 学习。 第五章：总结和展望。分析和总结了论文的存在的不足和需要改进的地方，展 望了我们的下一步研究计划和方向。 论文的组织结构图如下图1 - 2 ： 9 硕士学位论文 m a s r e r st h e s i s 绪论 1r ，、 平台的总体功能设计和关 键技术研究 l 上 厂、 详细设计与实现 系统类模元件类的平台实现l 型设计设计 的功能i 1 l ，、 平台实现的实例 l 1r 总结与展望 lj 图1 - 2 论文组织结构图 1 0 第一章 l i 第二章 i l 第三章 i l 第四章 i i 第五章 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 化学实验平台的总