（计算机应用技术专业论文）基于逻辑动漫平台的物理实验模块的设计与实现.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 物理是一门以实验为基础的学科，实验教学的质量决定了物理教学的效果。但在 传统物理课堂的演示实验中，常常因为实验仪器有限、周围温度及湿度等环境因素 的影响、学生操作不当等因素，实验效果大打折扣。这样的实验效果，很容易降低 学生的学习积极性及动手能力，很多情况下，不能有效的帮助学生解决学习上的难 点。 计算机技术的发展给我们的物理教学带来了新的机遇，新的教学工具出现及应 用，引起了物理教育教学模式有了质的飞跃。继多媒体之后，物理教学技术领域又 出现了一个新型教学工具：物理仿真实验。不同予传统实验室那样用实物做实验， 也不同于f l a s h 动画等课件只能演示实验动画而不能显示实时数据，物理仿真实验 可以像真实的实验那样进行实验并能得到实验数据，但又不需要买器材、操作实物。 但是，当前已经存在的仿真物理实验软件均存在一系列问题，如： ( 1 ) 绝大部分软件内容固定不变，或是实验器材内置，实验不能作多少改动，缺 乏灵活性是它们最大的问题： ( 2 ) 一些平台型的实验软件，按照学科分支( 如光学、力学、电学等) 分为多个软 件，不同学科的软件操作方式不统一，增加了软件的使用复杂度。 ( 3 ) 只能简单模拟实验场景，过程单调。一般均通过单一的动画演示。无音频、 视频等配套演示； ( 4 ) 无数理机制，只能模糊反映实验的大致过程，不能精确模拟实验过程； ( 5 ) 无扩展功能，用户不能自己定义新的动作，常用的组合动作，小实验。均 需要重复制作。 鉴于以上问题，我们在逻辑动漫平台的基础上，设计与实现了物理实验模块。 物理实验模块以传统物理教学理论为基础，在当前流行的物理仿真实验软件的基础 上，将数理机制、逻辑动画、逻辑动砸实现机制引入到模块中，并在模块中添加了 自行设计、背景资料、学习反馈、扩展接口等重要功能。使用者可随时自己添加库 函数，扩充实验室模块的功能。该模块在功能，效果，及扩展性方面均优于当前流 行的物理仿真实验软件。 本文的主要安排介绍如下： 第一章：主要介绍了逻辑动漫平台及物理仿真实验的研究意义及研究现状，并 对全文的工作安排进行了说明。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章：对逻辑动漫及物理仿真实验的相关理论进行了阐述。主要从动态几何、 逻辑动漫，动画的实现机制三个方面介绍了逻辑动漫；从传统物理实验、当前存在 的物理仿真实验软件、逻辑动漫平台的物理实验模块三个方面对比分析， 阐述了逻辑动漫平台的物理实验模块的必要性。 第三章：详细介绍了逻辑动漫平台编程环境的设计与实现。重点介绍了编译环 境的设计与实现。 第四章：详细介绍了模块的几大部分的设计方法和实现过程，及文件存储技术。 第五章：以两个典型物理实验为例，对比说明了传统物理实验方式与物理仿真 实验的不同，详细描述了物理实验模块的物理实验过程。 第六章：对所研究的工作进行总结，并分析了现有工作的不足之处，并展望了 下一步的研究方向。 关键词：物理仿真实验，逻辑动漫，脚本语言，编程环境 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t p h y s i c si sad i s c i p l i n et h a tt a k e se x p e r i m e n ta sb a s i s ，a n dt h el e a r n i n ge f f e c to f p h y s i c si sm a i n l yc o n s i d e r a b l yd e c i d e db yt h ee x p e r i m e n t b u ti nt r a d i t i o np h y s i t s c l a s s r o o m ，d u et ov a r i o u sr e a s o n ss u c ha sl a c k i n go fe x p e r i m e n te n v i r o n m e n ti n s t r u m e n t ， t h e e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t i sl i m i t e da n dt h es o m ee x p e r i m e n t sc o n d i t i o na r e n o t - u s e r - f r i e n d l y , t h ee x p e r i m e n te f f e c ti su n s a t i s f a c t o r y , a c c o r d i n g l y i ti sv e r yd i f f i c u l t t oa r o u s et h ee n t h u s i a s ma n di n i t i a t i v eo ft h es t u d e n t s ，a n di ti sa l s od i f f i c u l tt oh e l pt h e s t u d e n t st ou n d e r s t a n dt h ed i f f i c u l tp o i n to ft h ep h y s i c sc o n c e p ta n dl a w e f f e c t i v e l y t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra r tg e t so u r p h y s i c st e a c h i n gn e wo p p o r t u n i t i e s ，t h e a p p e a r i n ga n da p p l y i n go ft h en e wt e a c h i n gp a r e r n sm a k e st h ep h y s i c sl e a r n i n ga q u a l i t a t i v el e a p f o l l o w i n gt h em u l t i m e d i a , an e wt e a c h i n gi m p l e m e n th a sa p p e a r e d ： s i m u l a t e de x p e r i m e n to fp h y s i c s i ti sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o nl a b o r a t o r yw h i c hu s e s m a t e r i a lo b j e c tt od oa ne x p e r i m e n t ，a n di ti sa l s od i f f e r e n tf r o mf l a s hw h i c hc a no n l y d e m o n s t r a t et h ee x p e r i m e n ta n i m a t e dc a r t o o n , t h es i m u l a t e de x p e r i m e n to fp h y s i c sc a n c a r r yo u ta ne x p e r i m e n ta st h es a m ea st h et r a d i t i o nl a b o r a t o r y , a n dg e tt h ee x p e r i m e n t d a t a , b u ti ti su n n e c e s s a r yt ob u ya n ye q u i p m e n ta n dm a t e r i a l n e v e r t h e l e s s ，t h e r ea r es e v e r a lp r o b l e m si nt h ee m u l a t i o np h y s i c se x p e r i m e n t s o f t w a r et h a te x i s t sc u r r e n t l y , s u c ha s ： ( 1 ) m o s to ft h ec o n t e n to ft h es o f t w a r ei si n v a r i a b l e ，t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ta r e b u i l t i n ，c h a n g i n ge x p e r i m e n te q u i p m e n ti si m p o s s i b l e ，a n ds h o t r to ff l e x i b i l i t yi st h e b i g g e s tp r o b l e m ( 2 ) s e v e r a le x p e r i m e n tp l a t f o r m sa r ed i v i d e di n t os e v e r a lb r a n c h e s ，t h es o f t w a r e o p e r a t i o n so ft h ed i f f e r e n tb r a n c h e sa r ed i f f e r e n t ，a n dt h e yw i l li n c r e a s et h ec o m p l i c a t e d e g r e eo ft h es o f t w a r e ( 3 ) m o s te x p e r i m e n tp l a t f o r m sc a no n l ys i m u l a t ee x p e r i m e n tc i r c u m s t a n c e s ，a n dt h e p r o c e s s i n gm o n o t o n yi ss i m p l e t h e yu s u a l l yd e m o n s t r a t et h ee x p e r i m e n tb yu n i t a r y a n i m a t e dc a r t o o n ，a n dt h e r ei sn o s u p p o r t i n gd e m o n s t r a t i o n ，s u c h a sv f ，v i d e o f r e q u e n c y ( 4 ) t h e r ei sn on u m b e rm a n a g e sm e c h a n i s m ，m o s tp l a t f o r m sc a no n l yb l u r r e dr e f l e c t e x p e r i m e n tp r o c e s s ，a n dc a nn o ts i m u l a t et h ee x p e r i m e n tp r o c e s sa c c u r a t e l yb a s i c a l l y ( 5 ) t h e r ei sn oe x t e n d e df u n c t i o n ，a n dt h ec o n s u m e rc a n n o td e f i n en e wa c t i o n s i nv i e wo ft h ep r o b l e m sa b o v e ，w ed e s i g n e da n dr e a l i z e dt h ep h y s i c se x p e r i m e n t m o d u l e t h ep h y s i c se x p e r i m e n tm o d u l et o o kt h et r a d i t i o np h y s i c st e a c h i n gt h e o r ya n d t h es i m u l a t e de x p e r i m e n t so fp h y s i c sa sab a s i s ，a n dl e a d e di n t ot h en u m b e rr e a s o n m e c h a n i s m ，l o g i ca n i m a t e dc a r t o o n , a n dt h er e a l i z em e c h a n i s mo ft h el o g i cc a r t o o n s e v e r a li m p o r t a n tf u n c t i o n sw e r ea d d e di n t ot h ep h y s i c se x p e r i m e n tm o d u l e ，s u c ha s m o t i o nd e s i g n , b a c k g r o u n dm a t e r i a l ，l e a r nc o u p l i n gb a c k , e x p a n d i n gf u n c t i o n , a n ds oo n u s e l sc o u l da d dt h ew a r e h o u s ef u n c t i o n s w h e n e v e rt h e yw a n t e d t h i sp h y s i c s e x p e r i m e n tm o d u l ew a sb e t t e rt h a nt h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n ts o f t w a r et h a tc u r r e n t l y e x i s t e di nt h ef i e l d so ff u n c t i o n , e f f e c t , e x p a n d i n g t h em a i na r r a n g e m e n to ft h ea r t i c l ei sa sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dt h ec u r r e n ts t a t u s o ft h er e s e a r c h ，a n dp r e s e n t e dt h eo u t l i n eo ft h i sp a p e r t h es e c o n dc h a p t e re x p o u n d e dt h er e l a t e dt h e o r i e so ft h el o g i c a la n i m a t i o na n dt h e p h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t l o g i c a la n i m a t i o nw a si n t r o d u c e df r o mt h r e ea s p e c t s ， w h i c hw e r et h ed y n a m i cg e o m e t r y , t h el o g i c a la n i m a t i o n ，a n dt h ea n i m a t i o nr e a l i z i n g m e c h a n i s m ：r e s p e c t i v e l y a n dt h en e c e s s i t yo ft h ep h y s i c a lm o d u l ew a sa n a l y z e d i n d e t a i l s t h em i r dc h a p t e r si n t r o d u c e dt h ed e s i g n a t i o na n dr e a l i z a t i o no fs c r i p tl a n g u a g ea n d p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n la n dt h ec o m p i l i n g a n dt r a n s l a t i n go ft h ep r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n tw a st h ee m p h a s i so ft h i sc h a p t e r 殇ef o u r t hc h a p t e r sp r o p o s e dt h em e t h o do fm o d u l ed e s i g n , w h i c hw a si n t r o d u c e d i nd e t a i l ，a n dt h ef i l e s t o r et e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d t h ef i f t hc h a p t e r st o o kt w or e p r e s e n t a t i v ep h y s i c se x p e r i m e n t sa se x a m p l e s ， e x p l a i n e dt h ed i f f e r e n tb e t w e e nt h et r a d i t i o np h y s i c se x p e r i m e n ta n dt h ee x p e r i m e n t u n d e ro u rp h y s i c se x p e r i m e n tm o d u l e t h es i x t hc h a p t e r sc a r r i e do u tas u m m a r yo nt h i s p a p e ha n dp o i n t e d o u tt h ed i r e c t i o nf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：s i m u l a t e de x p e r i m e n to fp h y s i c s ，l o g i c a la n i m a t i o n ，s c r i p tl a n g u a g e ， p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t 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： 袋芗云 1 日期：如7 年厂月；) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：安謦五 日期：如胡年 月；1 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。圃童诠塞握变卮溢蜃! 旦坐生i 旦二生；旦三生筮盔! 作者签名：鬟穆认 日期讪q 年 月 1 日 狮张劲狮 日期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章引言 1 1 研究背景 目前动画题材和表现手法日益丰富，越来越得到人们的喜爱。观看自己喜爱的 动画作品，可以使人们体验到率真与童趣，使人们内心世界的天然想象力得到启发， 使人们外部世界的探索求知兴趣得到培养。 动画【l 】也就是活动起来的一副副画面。最初的动画，现在我们也叫做传统动画， 是产生了一个多世纪的艺术形式。它仅仅是连续的播放一副副静止的画面的过程， 只是由于人的“视觉暂留”原因，人们会感觉画面在动，这便是传统动画的制作原理。 传统动画【l j 的制作工序十分复杂，它首先要设计出动画中的每一个动作的关键及转 折部分，也就是我们常说的“原画”，再依据原画的内容画出“中间画”，最后对所画 的一张张原画及中间画进行描线、上色，并对描线上色好的每一幅画面按顺序进行 拍摄录制。 计算机及计算机图像学【2 j 出现以后，人们便开始尝试利用计算机设备及图形图 像处理技术自动生成一系列的连续画面，然后尝试以人艮能感觉在运动的速度连续 播放画面，制作出有传统动画效果的动画，这也就是现在人们所说的计算机动画。 计算机动画【3 j 综合利用了计算机科学、艺术、数学、物理学以及其它相关学科的知 识，利用计算机技术，及相关的图像制作软件，在计算机上生成连续的画面。可以 说，计算机动画是伴随着计算机硬件和图形算法而出现的一门高新技术，它是人们 展示个人想象力和艺术才能的新天地。 无论其静止画面是由电子计算机制作还是手绘，抑或只是粘土模型每次轻微的 改变再拍摄而制作而来，动画都是计算机图形学与动威艺术相结合的产物。动画而 作为一门艺术形式具有情节生动，色彩鲜艳，容易理解的特点，同时具有教育媒介、 启发想象、培养美感的教育功能。将动画适当的运用于教学巾【4 】，将会使学生如同 置身于电影院，在享受身心愉悦的同时，也积累了相关的学科知识。 为了更好的发挥动画的教育作用，我们结合传统的教学理论及动态几何理论， 将动画与教育结合，提出了一种新的动画形式逻辑动画【5 1 1 6 l 【7 】。逻辑动画足建立 在动态儿何基础上的具有很高的教育价值的一种动画。有效的逻辑动嘶可以帮助学 生提高逻辑思维能力，学习相关的数理知识。在逻辑动画的理论基础上，我们还提 出了将逻辑动画及益智游戏融入教学过程的思想。基于这种思想，并通过对国内外 教育软件及动画、游戏制作软件的现状进行了分析，我们设计开发了制作逻辑动画的 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 工具逻辑动漫平台1 6 1 。 逻辑动漫平台是以动态几何【8 l 理论为基础，以制作动画、益智游戏为主要目的 教育软件。它的用户定位为中学学生、教师和其他教学工作者，目的在于促进学生 的学习积极性，减轻教师和其他教学工作者的工作负担。逻辑动漫平台结合动态几 何的理念，在制作逻辑动画，矢量动画、及小型益智游戏方面有突出的优势。如： 软件蕴含数理机制【8 】，使图片及动画表现过程教其他动画制作软件更精确；软件基 于动态几何，能够方便的制作出学科专业图片，矢量动画、逻辑动画；软件针对教 学而设计，针对性强，相比同类软件易学易操作；软件扩展性好，有自己的编程环 境，用户可以自己定义、增加软件功能。 在传统中小学教育中，历来被认为最难教学的一门课程就是物理学。主要有两 个方面的原因：不适当的教学方式和课程本身以实验为主的特点。首先，传统教学 方式【9 】下，教师是施教者，学生是接受者，教师通过教学媒体向学生灌输课本内容； 其次，物理学科以实验为基础，教学中实验教学和演示实验l lo j 是重要的一环，数目 繁多的实验操作是物理教学【i i l 的特点。学生通过实验课，可以很容易的记住相关结 论、实验步骤，并透彻理解并掌握实验的过程。但是传统物理实验教学课堂中，由 于温度、适度等环境因素的影响，以及仪器陈旧、缺乏等条件限制，造成很多实验 的效果不如人意。以下仅以常见的三个物理实验为例，说明如下： ( 1 ) 研究平抛物体的运动。由于实验仪器昂贵，常常使这个实验仅限于教师演 示，学生不能亲自实验。而且由于仪器安装、使用、注意事项等十分复杂、仪器精 度有限等原因，实验过程容易造成较大数据误差，使实验效果大打折扣。 ( 2 ) 测金属电阻率。实验室一般使用直流电源给实验设备供电，而实验过程中， 电池的消耗问题、电阻的发热问题，会使实验数据十分“前后不一”，影响到整个实 验数据的精度。而且由于实验过程中容易造成短路而破坏实验设备的顾虑，常常使 这个实验仅限于教师演示，学生不能亲自实验。 ( 3 ) 研究磁场对电流的作用。这个实验的仪器需求复杂，并且需要自己安装、 实验过程中电池的消耗问题、短路问题、空气阻力问题等造成的实验困难，常常使 此实验的教学十分困难。 中学物理实验教学中，因为实验仪器及环境限制，不能进行或效果不尽人意的 例子还很多，此处不再列举。物理教育软件尤其是物理仿真实验i l2 l 的出现，很 好的解决了这些问题，对教师来说，在讲解了物理定律之后，演示一个相关的实验， 加深了学生对定律的理解，又增加了课堂的趣味性。对学生来说，它是一个理想的 兴趣培养和学习工具，它可以让抽象的物理概念变得生动，使物理学习不再枯燥。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 学生也可以使用物理仿真实验软件研究物理过程，设计实验验证自己的设想，探索 未知世界。 然而，物理教育软件在我国起步较晚，历史较短，目前已经存在的物理仿真实 验软件在功能、效果、扩展性等方面均存在许多不足。鉴于物理学自身的特点及逻 辑动漫平台的教育优势，我们提出了将逻辑动漫平台与物理教学整合的思想。通过 汇总中学物理实验过程，参考中学物理教学理论，我们在逻辑动漫平台的基础上， 设计与实现了物理实验模块。 1 2 研究现状 教育类软件于二十世纪九十年代在我国得到大力发展和广泛应用。在物理教学 软件方面，目前，人们了解最多，使用最广的主要有以下几类： 1 、物理课件制作软件 课件制作的软件【1 4 1 ，有常用的o f f i c e 办公软件、速龙课件制作系统、c a i 课件制作软件、瑞升多媒体课件制作系统等。 这些软件可实现播放过程的交互。通过系统提供的交互对象，在制作过程中加 入交互的功能；可插入各种媒体类型，支持各种格式包括文字、声音、图片和动画 效果；界面简单，操作容易。 2 、物理实验模拟软件 模拟物理实验的软件【1 5 1 有南京金华科软件有限公司的仿真物理实验室、中 国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室研制的中学物理仿真实验，南京 金数龙计算机技术有限公司出版的金数龙仿真物理实验室等。 它们适合于高中、初中等中等层次院校使用，师生均可使用，它可以快速地制 作出比真实实验更加安全、灵活的仿真实验，并且可以实时显示实验过程中各项数 据，另外绝大多数软件配套有大量案例，用户可以通过实例详细讲解，快速熟悉并 掌握软件，此类软件交互性强，适合教学使用。 3 、辅助物理教学软件 在物理教学中经常碰到作图、复杂计算、复杂公式导入导出等问题，这样，我 们常常会用到一些物理教学辅助工具。常见的软件有：中学物理作图工具、超 级厕板、几何而板、金牌物理画板、f l a s h 、g a m em a k e r 等。 有了这些软件以后，绘制图形、制作素材等工作变的相对简单，而且图形逼真， 有良好的视觉效果。 4 、智能教育软件 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 智能教育软件【1 6 】软件目前只有双全智能教育软件、：z 卜z 智能教育平台 【1 7 】( 又称超级画板) 等。此类软件的最大特点是智能解题和动态作图，不仅能 自动求解题目，而且能判断解答是否正确。 此类软件完美的整合了工智能与教育软件，首创性的实现智能解题、动态作图、 人机交互、自动推理四大功能。正确使用，可减轻学生的学习负担、启发思维、辅 助解题、教师备课及课堂演示、开发教学资源库、制作课件等。 但以上四类软件也存在一些不足，如： ( 1 ) 物理课件制作软件只能制作简单的播放类课件，交互性不强，并且仅能 提供常用图片、物理符号及公式，对一些复杂的公式难以实现。 ( 2 ) 物理实验模拟软件在我国起步比较晚，历史短，仍处于探索期。所以在 功能，效果，及扩展性方面均存在一些不足，如：目前存在的物理仿真实验软件均 未蕴含数理机制，不能精确模拟实验过程：在实验素材方面，绝大部分软件内容固 定不变，或是实验器材内置，实验不能作多少改动，缺乏灵活性；在扩展接口方面， 均无实验素材外部导入、均无脚本编辑环境扩展接口等。 ( 3 ) 辅助物理教学软件仅仅是辅助教学、丰富教学素材，功能不是很强，交 互也少。 ( 4 ) 智能教育软件开发成本一般较大，在市场上很少见。 1 3 本文的研究点 本文所谈到的逻辑动漫平台以设计逻辑动画、益智游戏及仿真实验为主要功 能，而逻辑动漫平台的相关设计与实现，及物理实验模块的设计与实现均是在学习 了动态几何文献、中学物理教材、物理仿真实验的相关理论，并参与设计与实现逻 辑动漫平台的图片背景模块，物理实验模块的基础上进行的。 通过对张景中院士编著的书籍超级画板自由行的系统学习以及z + z 智能 技术教育平台( 又称：超级酾板) 的长期使用和体验，深刻体会了动态几何的魅 力，也为我的研究提供了较好的条件。 本文的主要工作就是基于逻辑动漫平台设计与实现物理仿真实验模块，并实现 部分典型案例。其中主要包括中学物理实验的汇总及拆分、公共元件归纳、动作函 数设计、实验场景设计、具体案例生成等工作。 整篇文章将会从理论到实际这个步骤来排列，从对动画与教学的整合意义，逻 辑动画，及物理仿真实验的相关理论，到物理仿真实验模块的具体设计与实现，进 行详细说明，使大家进一步了解逻辑动漫平台的重要教育意义，及基于平台的物理 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 仿真实验模块的设计与实现过程。具体安排如下： l 、对动态几何、逻辑动画、及物理仿真实验相关理论研究： 2 、相关技术的研究：在v c + + 的编辑平台下设计动漫平台，调用相关的库函数， 3 、 4 、 5 、 6 、 m f c - 的学习和应用，研究使用x m l 语言来规范元件的保存； 逻辑动漫平台的编程环境设计； 物理实验模块的设计与实现； 具体案例展示； 总结和展望，对当前的设计总结和提出不足，展望今后的发展。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章相关理论基础 2 1 逻辑动漫的基本理论 2 1 1 动态几何 动态几何1 1 8 】的概念出现在上世纪8 0 年代，目前国内使用较多的的动态几何软 件主要有几何画板、超级画板。动态几何技术【1 9 】【2 0 1 是在一幅图形中各元素( 点、 线、圆、角、弧，以及文本、公式等对象) 按一定的父子关系组成，其中点可以有 不同的自由度( 自由点、半自由点、非自由点) 的技术。不同自由度的点可以按照 自由度自由变化，任意一个非零自由度的点的位置变化将引起其子对象点的位置变 化。这样，整个图形将由于图形中各元素之间的关联关系而发生变化。但图形中各 几何元素之间的几何关系在图形的变化过程中将保持不变，正因为这样，动态几何 图像能够达到“一图变百图、百图为一图”的奇妙效果。 点在动态几何中是最基本的图形，点的运动也是动态几何中的一个重要的内 容。动态儿何中，由于整个图形产生运动和变化常常是由于一些点的运动造成的， 所以我们在分析几何图形的时候，常常会利用某个点的某种运动来分析某个图形的 性质。动态几何中的点按本质来划分可以分为以下三类：自由点、半自由点和约束 点。定点，表示的是在画面中的相对位置是不变的一类点；自由点与定点相反，表 示的是可以被任意拖动的一类点；半自由点表示的是被约束在曲线或曲面上的一类 点；约束点包括线段的中点、垂足、直线与直线之间或圆与圆之间的交点等类型。 动态几何构图的实质是：约束点不会被拖动，但约束点会随其他被决定的几何对象 的运动而运动，自由点或半自由点遵循严格的几何规律驱动约束点。 近年来，我国主要自主开发了以下几种动态几何软件：几何专家、数学 实验室、z + z 智能教育平台和体验数学等。这几个软件都包含目前所有 外围的动态几何软件都缺少的“计算机自动推理”的功能。 2 1 。2 逻辑动画 逻辑动画【5 j f7 j 是指：由空间中若干个逻辑点的位置变动来决定画面的运动变化。 它强调的是建立同一画面上不同对象之间的联系。 1 由于我们可以用坐标来表示点的位置，可以说若干个参数所确定了逻辑动丽的 画面。于是可以得到逻辑动画的理想化数学模型【5 j 是： m ：x _ m ( x ) ，x 口f 这里x 表示一组参数：x = ( x l ，x 2 ，x k ) ，也可以说x 是一个k 维向量，其 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 取值范围是k 维向量空间的子集f ，k 可以理解为子对象数。 逻辑动画与常见的时序动画【2 1 1 1 2 2 2 3 1 相比，它们具有完全不同的风格效果。与逻 辑动画相比，时序动画的实现过程与效果近似于描述而不能准确按照数据来刻画事 件过程，它需要先做好动画中关键及转折画面，然后通过关键帧【2 4 】的插值来控制动 画。而逻辑动画的中间画面均为临时生成不需要事先做好，逻辑动画的临时生成画 面通过逻辑点的位置变动以及逻辑关系( 包括几何关系、代数关系以及一般的事件逻 辑等) 来控制动画过程，都能十分准确的刻画出画面的实际情况。逻辑动画克服了时 序动画中存在问题，弥补了时序动画的不足，是真正意义上的实时动画，它的提出是 计算机图形学中传统动画概念的一次巨大进步。 鉴于逻辑动画的特点，逻辑动画将在游戏制作，教育教学，工程制图方面都有 广泛的应用。 2 1 3 动画的实现机制 1 、传统动画及f l a s h 动画的实现机制 传统动画的制作方法完美的结合了美术动画和传统电影的动画制作方法，它利 用电影原理，使用摄像机将一张张静止画而逐张拍摄编辑，再通过电视播放系统以 人眼感觉在运动的速度连续放映该静止的画面，使静i 匕的画面在屏幕上连续活动起 来，就形成了动画。传统动画的主要制作过程为：画出原画、根据原画再画出中间 画、描线上色、逐张地拍摄录制等。 计算机动画的典型代表是f l a s h 。f l a s h 中的每一帧就相当于传统动画的一副静 止i 面面，其动画原理2 4 】与传统动画的原理一致，它把动画过程分成一个个帧，将这 些帧也就是画面快速的播放出来就形成了动画效果。f l a s h 动画制作方式总的来说 分为两种：一种足逐帧动画，它是一种在r 寸间帧上逐帧绘制帧内容的动画制作方 法；另一种就是补问动画，主要方法是在两个关键帧中问插入“补间动画”，其中 的插补帧是由计算机自动运算而得到的。使用逐帧动画可以制作一些真实的，专 业的动画效果。使用补间动画的制作方式则可以轻松创建平滑过渡的动画效果。 2 、逻辑动画的实现机制 逻辑动漫平台以制作时序动画、逻辑动画、益智游戏、仿真实验为主要功能， 所以需要以多种方式实现动画。在时序动画实现方面，以传统动画实现原理为基础， 借鉴f l a s h 动画实现方法，逻辑动漫平台的实现方法仍以逐帧动画和补问动画为主。 在逻辑动画方面，逻辑动漫平台的动画驱动机制【5 j 【6 j 主要可以通过以下几种驱 动形式来实现： 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) 曲线上半自由点的运动。自动点可由曲线上所取的任意点设置速度、范围、 类型。激活自动点时，该点即遵循之前设置的速度、范围、类型等属性运动，直到接 到停止的命令消息。 ( 2 ) 受约束几何对象的运动。各点之间遵循约束关系运动，由于之前设置的点 之间的几何约束关系，一部分点的运动而导致受约束的另一些点的运动。 ( 3 ) 拖动自由点引起的关联运动。自由点可以被随意拖动，拖动自由点时，会 导致与它有关联的几何对象运动。 ( 4 ) 参数变化对图形的直接驱动。参数驱动机制是逻辑动画与时序动画的本质 区别，这也是最直接的动画驱动方式。 ( 5 ) 几何变换创建运动对象。当静止的对象经过反射、旋转、放缩等几何变换 得到新的对象后，新的对象将随着几何变换的参数变化而运动。 从整体上而言，逻辑动画实现过程的形式化描述如图2 1 所示。 图2 1 逻辑动画实现过程 其中“驱动机”不仅仅由时间决定，“驱动机”可以是上面( 1 ) ( 5 ) 中的某一 种驱动机制，也可能是( 1 ) ( 5 ) 的某种组合。 2 2 物理仿真实验 仿真又称模拟，它是将实际系统中发生的本质过程利用模型复现，并通过对系 统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。仿真技术最初在2 0 世纪初开始得到 应用：由于4 0 - 5 0 年代航空、航天和原予能技术的发展，仿真技术得到较大发展； 之后计算机软件与硬件技术的迅速发展，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿 真技术的发展；目前，专用的全数字并行仿真计算机已经研制成功，计算机仿真技 术已经日趋成熟。 物理仿真实验是以计算机仿真技术理论、传统物理教学理论为基础，以交互性 的动画形式精确模拟实际的物理实验过程，通过对模拟实验过程来研究实际的物理 实验过程，及过程中出现的规律。 2 。2 1 传统物理实验教学及常见物理仿真实验软件 但在传统物理课堂的演示实验中，师生通过实物做实验，常常因为实验仪器有 限，环境温度、湿度等环境因素的影响，学生操作不当导致实验无法继续等因素， 实验效果大打折扣。这样的实验方式，很容易降低学生的学习积极性及动手能力， 8 硕士擎位论文 m a s t e r st h e s i s 很多情况下，不能有效的帮助学生解决学习上的难点。 计算机技术的发展给我们的教育带来了新的机遇，继多媒体之后，教学技术领 域又出现了一个新型教学工具：物理仿真实验。由于它可以直观展现抽象的物理知 识、概念、现象，并可以将生活中难以见到的物理情景展现给学生，另外，物理仿 真实验还可以提供理想化状态下的实验环境。物理仿真实验的这些优点，使其逐渐 被师生及其他教学工作者广泛使用。 物理仿真实验最初均以动画的形式制作，常用的软件便是f l a s h 、f l a m em a k e r 等动画制作软件；随着计算机技术与物理教学的进一步整合，之前以动画为主要表 现形式的物理仿真实验制作方式，已经逐步被专业的物理仿真实验软件取代了。下 文将分别介绍各类常用的物理仿真实验制作软件： l 、f l a s h f l a s h 是由m a c r o m e d i a 公司推出的一款著名的电脑动画设计软件，它具备更完 善的媒体支持和动画制作功能，在导入图像、声音、视频、三维动画等各种媒体， 以及制作多种动画方面，功能完善，动画成品小巧精致。近几年f l a s h 发展趋势强 劲、用户群广泛、功能越来越强大，在多媒体课件制作领域，f l a s h 也被众多教师 和教育工作者选用。 由于f l a s h 并不是为教育而设计，所以将f l a s h 用于教育中，会存在许多问题。 如：没有数型结合的机制，在绘制数学图像时极不方便，制作的教学动画也不能展 现精确的数学规律；无教学中常用的演示功能及其他教学常用功能，只能制作教学 辅助材料丰富课件内容；另外，f l a s h 为一款商业软件，功能繁多，以满足广泛的需 求。由于它并不是为教育而定做，所以不但难为满足师生在教学过称工作的需求， 还有大量与教学无关的功能，干扰师生的运用，学习起来十分吃力。 2 、g a m em a k e r g a m em a k e r l 2 5 j 软件是由美国m a r ko v e r m a r s 公司推出的一款界面简洁，容易上 手，又具有强大功能的可视化游戏制作软件。它将复杂的游戏功能融于简单的操作 方式中，从而让使用者不用编程就能轻松制作一个中型以下的游戏，目前已经被广 大游戏制作者广泛使用。由于其自身的简洁易学的优势，以及多媒体教学素材需要， g a m em a k e r 也被越来越多的教学工作者使用。 作为一款优秀的游戏制作软件，g a m em a k e r 具有直观、易用的、对键盘和鼠标 强有力的交互控制、支持多种格式的多媒体素材的合成和处理、强人的扩充、集成 功能等优势。但在制作教学素材时，也存在很多问题：软件不支持中文，使用其他 软件对其进行汉化后方能显示中文。这会给我国初学者带来一定困难；g a m em a k e r 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 为制作游戏的目的而设计，所以无数理机制，不能制作精确的数学图像，不能制作 严格模拟实际学科规律的动画；g a m em a k e r 功能仅限于制作游戏，及动画。用于 教学中时，仅仅能起到提供教学课件素材的作用，没有其他教学辅助功能。 3 、物理仿真实验软件 物理仿真实验不需要使用实际的物理仪器、环境，只需要简单的操作，便能够 演示实验，由于这些特点，物理仿真实验已逐渐被师生及其他教学工作者广泛使用。 目前广泛使用的物理仿真实验软件主要有： ( 1 ) 金华科仿真物理实验室 该软件由南京金华科软件有限公司设计与开发，简称仿真物理实验室。仿真物 理实验室是一个全新概念的全开放性的教学、课件制作平台和物理实验仿真平台。 现由三大部分组成：力学、光学、电学。软件提供了数十种具体的实验元件。 用户应用这些元件，可以搭建自己实验。 该软件最大的魅力在于自己可以自由创建实验和课件，而且创建工作是十分简 单。然而，仿真物理实验室也有许多不足之处，如：某些功能需继续完善( 如： 提供不了气枪、纸靶等特殊的器材) ；场景显得相对简陋、仿真效果不强；仪器图 片统一，制作出来的仿真实验千篇一律；无数理机制，制作出来的动画不