虚拟部件和过程建模及实验训练仿真系统研究与开发

摘要

由于传统实验受空间、时间、实验硬件条件和学生安全等诸多因素的影响，传统实验教学方式很难满足实验教学和学生自主实验的要求。结合理化（物理和化学）实验训练仿真系统的需求分析和实验教学要求以及VR（Virtual Reality）中虚实结合的思想，依据视觉上要有真实性，关键过程和机理要呈现，操作训练要突出的设计理念和开放性、高交互性、智能性和严谨性的设计原则，实现了集实验教学、自主训练和智能测评功能于一体的实验训练仿真系统。
　　本研究通过对虚拟实验室架构的研究、分析和VR系统的形式化描述提出针对理化实验中基于建模技术的现实目标抽象过程：通过采用层次化结构几何建模方法和面向对象和组件技术的物理特性建模方法，完成现实实验部件的外形和物理特性的抽象；按照真实实验中部件的功能关系和操作规范，采用基于建立关系规则库的方法，抽象出虚拟部件关系建立和解除的模型，完成现实部件间逻辑关系的映射；依据现实实验的过程和原理，采用基于建立知识库和数学建模的方法，构建出物体反应过程和物体相互作用等过程模型，完成实验原理和过程的真实呈现。在虚拟实验设计中，首先结合真实实验规律和操作要点设计实验情景动作脚本的编写要求和规范，它是目标抽象所用方法的依据。然后，按照现实目标抽象过程，采用建模和渲染软件分别对理化实验中常用部件进行外形建模和渲染；根据理化实验中部件的逻辑功能关系，设计控制虚拟部件相互作用条件的部件关系模型；理化实验中涉及过程模型众多，设计了可以根据预置化学方程式信息自动推断和进行化学计算的化学反应过程模型，捕获用户实验动作并能做出智能分析的动作测评模型和实现平台化学方程式书写和测评的模型。

目录

第一章 绪 论

1.1课题的研究背景和意义

1.2实验训练仿真系统的国内外研究与应用现状

1.3本文的研究内容

1.4论文的组织结构

1.5本章小结

第二章 相关技术和理论

2.1 VR系统

2.2虚拟实验室技术

2.3 Html5技术

2.4精准教学理论

2.5本章小结

第三章 理化实验训练仿真系统的设计

3.1理化实验训练仿真系统的需求分析

3.2实验仿真训练系统总体功能设计

3.3本章小结

第四章 虚拟实验室关键模型构建研究

4.1虚拟实验部件模型的构建

4.2部件间关系建立和解除模型的构建

4.3化学中反应过程模型的构建

4.4动作捕获测评过程模型的构建

4.5化学方程式书写与测评模型的构建

4.6本章小结

第五章 理化实验训练仿真系统功能实现

5.1虚拟实验部件的实现

5.2虚拟部件关系模型的实现

5.3实验现象的实现

5.4测评功能的实现

5.5核心类的设计和实现

5.6本章小结

第六章 研究成果的推广与应用

6.1研究的产品化过程

6.2研究取得成果

6.3产生的社会经济效益

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录1 火焰和烟的json文件

附录2 部分实验动作脚本设计实例及实现