基本信息
- 项目名称：
- 虚拟物理实验的设计与制作
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目通过使用建模软件3D max和虚拟交互软件VRP对中学物理实验中的“用天平和刻度尺测量立方体金属块对桌面的压强”进行虚拟交互，为广大中考考生提供网上虚拟实验平台。
- 详细介绍：
- 【设计目的】 设计制作面向河南省理化生实验加试（物理）强化训练的三维虚拟交互式实验室，实验环境、实验项目符合当前中招实验加试考试大纲，实验操作不受时间、空间限制，可作为中招考生练习备考练习只用，也可用于辅助常规物理实验教学。 【基本思路】 2010年河南省有153万初中毕业生，省教育厅公布的我省高中阶段的招生计划中，普通高中招收人数为64万（郑州晚报），不足毕业生总数的二分之一，这一现实状况使得大部分想通过高中上大学的中考考生面临着严峻的考验。中考总分645分，其中实验加试15分，占总分的2.32%，虽然分量不大，但是对于可能因一分之差就会被高中拒之门外的考生而言却是举足轻重的。 到目前为止实验教学仍然是我国中学物理教学中的一个薄弱环节，实验教学的现状与它在物理教学中应有的地位仍然是很不相称的。由于实验场所和仪器设备等条件的限制，学生只能在实验课上练习实验操作，缺乏课下练习的条件。虽然部分学校的教师提供实验过程录像光盘或flash演示教程，但是学生只能观看，而不能动手参与操作。因此经过认真的调查，从中学物理实验教学这一基本现状出发，本小组成员拟通过3D max和Web 3D技术开发一个虚拟的物理实验室，为广大中考考生提供网上虚拟实验平台。 本项目小组根据实验考试大纲要求，将加试考试中学生出错率最高、抽中率最高、较难做的一个实验项目作为三维虚拟交互物理实验室的主要实验项目： 用天平和刻度尺测量立方体金属块对桌面的压强（用天平测量出金属块的质量，同时，用刻度尺测量出金属块的边长，计算出金属块对对桌面的压强）。 本项目主要完成以下两方面的工作： 1、实验仪器建模。构造实验加试中涉及到的实验器材模型 （托盘天平及砝码一盒，刻度尺，立方体金属块） 2、设计实现虚拟实验中的交互过程。实现人机交互，对实验者做出的操作过程提供实时的效果反馈，对实验者在实验中的错误进行及时的纠正，并及时引导正确、规范的实验操作。 本软件要求达到的性能目标： （1）交互性强； （2）自由度高； （3）实验器材真实、实验者代入感强、能够捕捉实验者的操作细节；
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 创新点： 目前已有教师提供教学光盘演示物理实验过程，网上也有一些软件来演示物理实验，如北京洪恩电脑有限公司推出的由flash制成的实验软件，这两种方式仅仅为学生提供实验过程的主观感受，缺乏实际操作，难以预见操作错误，且缺乏有效交互反馈。本项目拟开发的虚拟物理实验室创新之处就在于提供给学生实时反馈的逼真的操作环境，学生的实验项目练习不受实验室条件限制，只要能上网，即可参与练习，能够减少错误率发生。 项目研究的技术关键： 1.建模：初中物理实验相关器材（天平、砝码、刻度尺等）的建模、渲染。 2.实验器材的物理属性的定义：每一款实验器材都有其独特的物理属性，如天平等度量工具，如何用软件将这实验器材这一特性表现出来将是项目的又一难点。 3.软件提供的实验操作自由程度：由于物理实验的灵活多变，使得实验者获得了极大的自由发挥空间，如何限定这一自由使之即具有仿真环境下的真实代入感，又能够减少软件设计的先期投入，是软件设计的另一难点。 4.操作过程的量化反馈：作为一款教学辅助软件，对学生参与后的成绩量化和反馈将十分重要，如何贴近真实的考试，程序的容错度的把握等是软件设计的再一难题。 主要技术： 1.实验器材的模型建造。小组使用Autodesk公司出品的3dsmax软件进行建模，该软件功能强大、开放性好、方便上手，且软件本身对硬件要求相对较低、成品占用内存较小，适合小团体使用。 2.后期交互场景制作。使用中视典科技有限公司开发的VRP软件中的VRPIE三维网络平台。
科学性、先进性
- 目前，计算机技术在各个领域都发展的红红火火，唯独在教育上很冷清，即使谈了这么多年的素质教育—运用高科技发展学生多方面能力，但真正用多媒体，计算机上课的有几个学校？事实却是学生越来越多，硬件设施远远跟不上，就比如实验场所和仪器设备等，学校根本满足不了学生的需求，学生只能在实验课上练习实验操作，缺乏课下练习的条件。我们用3d等技术开发虚拟实验室正是解决了这个矛盾！ 参考文献： ［1］杨丽，顾邦军，蒋雪明.基于WEB的多媒体计算机虚拟实验室的架构与实现.《教育与职业》，2010年第30期 ［2］李运玺.物理教学中应注重培养的学生科技意识.《教育科学》，2010年第5期
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 三维虚拟物理实验室允许学生在课余的时间特别是考前复习实验操作，增强学生对加试实验操作的熟练程度，以减少误操作几率；软件研制成功之后投放市场获得更大的经济和社会效益；可以进一步促进虚拟现实技术在中小学基础教育改革中的应用，引导更多的研究者充分利用信息技术改善教育教学环境。
同类课题研究水平概述
- 本软件主要针对国内中招实验加试，实验教学仍然是我国中学物理教学中的一个薄弱环节，由于实验场所和仪器设备等条件的限制，学生只能在实验课上练习实验操作，缺乏课下练习的条件，我们通过3D max和Web 3D技术开发一个虚拟的物理实验室，为广大中考考生提供网上虚拟实验平台，目前已有部分教师提供教学光盘演示物理实验过程，网上也有一些赢利性flash软件来演示物理实验, 但是学生只能观看，而不能动手参与操作.我们的虚拟实验室将达到人机交互，身临其境的进行试验的练习。
