课题申报书中学物理虚拟实验在线系统开发Word文档格式.docx

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中学物理虚拟实验实验教学创新

申报级别：

全国教育信息技术研究课题

课题类别：

青年课题

学科分类：

信息技术

研究类型：

预期研究成果：

立项号：

课题设计论证

一、本课题国内外研究现状述评、选题意义和研究价值

选题意义和研究价值：

物理实验既是中学物理教学的重要基础，又是其重要内容、方法和手段，在教学中科学、正确、熟练地设计和应用实验是物理教师必备的基本素质。

然而在实际的教学过程中，由于各种限制条件，很多实验无法适时进行，即使再伟大的教师也无法解决。

如：

实验教学设备和仪器落后与缺乏、实验教学内容陈旧不利于创新性人才的培养、实验室开放时间偏少造成学生实验机会的减少、实验操作的危险性等等。

而虚拟现实技术的出现使虚拟实验成为了可能，将虚拟实验应用于中学物理实验教学中，正好拟补了以往实验教学的不足。

本课题的立项为推进实验教学的革新带来了重要的研究价值与意义：

1、克服了实验在时间与空间上的限制。

学生可以在任何有网络终端的地方，利用网络实验平台，进行设计性实验与实验有关的活动。

2、促进了学生创新意识和创新能力的培养。

3、建设与维护的经济性。

虚拟实验避免了大型仪器设备的重复添置、购买和浪费。

另外，虚拟实验室维护也较为简单，对软件进行升级即可。

因此它具有建设成本低，便于维护等优点。

4、虚拟实验的运用改变了传统的实验教学模式，推进实验教学向科学化，现代化方向发展。

5、虚拟实验与传统实验教学相结合能大大提高实验教学质量。

国内外研究现状述评：

随着虚拟技术的不断成熟，近年，国内外一些高校及科研机构就对这项技术应用在各种实验室教学进行了大量有益的实践尝试，取得了显著的成果。

国外研究比较有名的如下：

1、牛津大学（UniversityofOxford）的化学虚拟实验室，该虚拟实验室采用视频和虚拟现实技术设计了一个用于化学教学的三维仿真实验室；

2、美国Illinois大学芝加哥分校的VriChEL实验室研制的Vicher系统，将虚拟现实技术应用在化学工程教育领域；

3、法国的JPGerval和YLeRu设计实现了一个基于Java和VRML技术的远程虚拟电子实验环境。

相比国外，国内许多学者在软件仿真构建虚拟实验室领域同样做了大量的研究工作。

比较有代表性的为：

1、国防科技大学的战争模拟实验室。

在虚拟实验室中战略模拟理论及方法、公共实验平台体系、网上导控中心建设等均属于国内首创，标志着国防科大的信息化建设在战争模拟和战争实验领域已处于世界先进行列；

2、北京大学计算机系的基于WWW的网上虚拟实验室3WNVLAB。

3、中国科学技术大学的大学物理计算机仿真实验系统。

4、四川师范大学软件重点实验室的面向中学基础教学的虚拟实验室系列。

该系列包括中学化学等学科的基础实验。

其它如上海交通大学、复旦大学等一批知名高校也开发了一些新的虚拟仪器系统用于科研和教学。

由此可见虚拟实验经过近些年的发展，其制作技术已经日渐成熟，实验种类多元，使用方式多样，已被许多知名大学和研究机构所采用，用以弥补传统实验的不足，然而在中学物理中的使用则相对较少，而本课题的立项正好填补了这项空白，也响应国家教育改革的的号召。

二、本课题的研究目标、研究内容、主要观点和创新之处

研究目标：

通过分析传统实验教学中存在的不足和局限，探索构建中学物理虚拟实验在线系统，推进中学物理实验教学的创新，总体目标是改革、提升和辅助中学物理传统实验教学模式，所构建的在线系统集实验教学内容、丰富的实验仪器、学生的自主操作和教师的管理与辅导于一体，其中虚拟实验部分的功能是系统的核心功能。

研究内容：

本课题主要在于探索将现代计算机技术引入传统的中学物理实验教学中，目的在于探索新的中学物理实验的教学模式，以期进一步提高中学物理教学实验的质量，培养学生的动手实践能力与创新思维能力。

具体研究内容包括：

1、进行项目实施的需求分析：

现存物理实验教学软件提供的功能与实际物理实验教学需求之间的差距，力求找准实验教学软件的改善点。

2、寻求系统开发需求的理论支持：

了解中学物理实验教学的理论基础与原理，并将其与虚拟现实技术应用于教学的理论基础进行结合，对本课题的实践研究提供理论基础。

3、在线系统的设计与开发：

利用建模软件、虚拟现实技术与网络技术开发中学物理虚拟实验在线系统，分析相关技术在设计在线系统时的具体方法。

4、封装发布测试。

主要观点：

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中提到要在2010年到2020年间加快教育信息化进程、加强优质教育资源开发与应用、加强网络教学资源体系建设、引进国际优质化数字教学资源、开放网络学习课程、建立数字图书馆和虚拟实验室的规划。

本课题正是在此背景下提出，响应了国家对教育改革的号召，只要将信息技术引入到中学物理实验教学中，就能很好的解决传统实验教学中存在的成本高、教学方法单一、知识学习和实验动手操作相互分离、学生缺乏主动性和创造性等问题。

创新之处：

本课题所构建的中学物理虚拟实验在线系统，主要包含四个功能模块：

系统注册与审核模块、新闻公告与发布模块、实验操作模块、交流互动模块，而实验操作模块是利用虚拟现实技术、网络技术等多种技术实现，它是以实际的实验为依托，将实验过程信息化的过程。

最大的创新之处：

采用Quest3D虚拟现实技术结合.NET技术、3DsMax软件和MySQL数据库构建中学物理虚拟实验在线系统，巧妙结合这些技术开发出的虚拟实验室具有交互性强、沉浸性好、数据共享度高及方便易用等特点，可为其它学科的现代虚拟实验室建设提供一套可供借鉴的解决方案。

三、本课题的研究思路、研究方法、技术路线和实施步骤

研究思路：

如何构建中学物理虚拟实验在线系统，本课题参照从网络对实验对象进行三维交互展示的一般有效处理方法，来进行考虑和处理该问题。

通过对中学物理师生进行需求的调查分析，设计系统的整体方案。

先用三维建模软件就物理实验设备进行3D模型的制作，随后把制作好的3D模型导出，在虚拟现实技术中完成用户于3D模型系统之间的交互。

随后，把制作好的系统上传到互联网站上，就完成了这个系统平台的搭建和开发。

研究方法：

本课题采用文献研究法、实地研究法和实验研究法。

一方面对于虚拟现实应用于教学的国内外研究现状、中学物理实验课程教学现状等的研究分析采用文献研究法。

另一方面在部分中学展开一定范围的实验，以探索课堂运用的使用条件和范围、成效和优缺点，总结最佳运用策略与方法，促进理论提升和模式构建，并从应用中发现问题，不断改进和完善理论建构和实践指导。

技术路线：

本课题所涉及的技术多方面的：

AutoCAD—3Dmax—Photoshop—HDR—HLSL—ShaderFX—Quest3D—.NET。

要想顺利完成课题，需要熟练掌握和整合以上多种技术。

实施步骤：

第一阶段（2013.9-2013.10）进行需求分析，确定解决方案；

第二阶段（2013.10-2014.05）数据结构的设计，在线系统系统注册与审核模块、新闻公告与发布模块、交流互动模块的开发；

第三阶段（2014.05-2014.11）实验操作模块开发。

物理实验室、实验设备建模、渲染，构造出具有真实视觉效果的虚拟场景；

第四阶段（2014.11-2015.06）利用虚拟现实技术Quest3D实现实验室虚拟仿真；

第五阶段（2015.06-2015.09）通过Quest3D技术发布实验操作模块，实现中学物理虚拟实验在线系统。

将在线系统应用于部分中学进行一定范围的实验测试，优化系统并完成项目的总结并结题。

课题可行性分析

一、已取得的相关研究成果和主要参考文献（限填20项） 

已取得的相关研究成果：

本课题组从事虚拟现实、虚拟校园、虚拟实验室、虚拟工厂等基础研究工作多年，取得多项高水平具有创新性的研究成果，课题组成员广泛学习和专研虚拟现实技术，参加各种虚拟现实最新技术展览会，国内外各种虚拟现实的学术报告和学术会议，参观学习了虚拟现实实验室，如浙江大学CAD&

CG国家重点实验室，上海理工大学虚拟现实实验室等，课题参与成员于2002年制作了《虚拟浙江师范大学》获“迪光杯”浙江省大学生多媒体作品设计一等奖。

取得的有关积累和相关工作如下：

1、本项目研究组收集了国际上关于虚拟现实技术和虚拟实验室方面的大量研究论文；

并对进行了收集归类，对重要的资料进行集体反复讨论研究。

掌握了大量相关信息资料；

2、已经完成的虚拟现实技术和虚拟实验室方面的论文近50篇，其中有SCI、EI收录论文数篇，浙江省自然基金，温州市科技局项目等。

主要参考文献：

[1]http:

//www.ehem.ox.ae.uk/vrchemistry/default.html[2]JohnTBell,FoglerHSeott,Vicher.APrototypeVirtualRealityBasedEducationalModuleforChemicalReactionEngineering[J].ComputerApplicationsinEngineeringEducation. 

1996,4（4）:

111-115. 

[3]GervalJP,RuYLe.VELab:

TowardaVirtualLab.ForElectronicsVirtualExperiments.AdvancedTechnologyforLearning[J].2006,3

（2）.[4]http:

//www.h-edu.eom/htm/200510/ZOO5100810352145.html.[5]崔光佐,程旭,杨芙清,基于www的网上虚拟实验室设计与实现[J],北京大学学报,2004（6）:

43-46.[6]胡珊,于光,周明秀,基于3D和VIRTOOLS技术的物理虚拟实验室架构设计[J],计算机工程与设计,2008（29）:

206-209.[7]朱福全,杨丽平,李国昌,基于OpenGL的虚拟化学实验系统的研究[J],计算机工程与设计,2008（29）:

722-724.[8]胡珊,中学物理三维虚拟实验的研究与实现,四川师范大学,教育技术,2008,硕士[9]刘松梅,基于虚拟现实平台的中学信息技术课程设计与应用,四川师范大学,现代教育技术,2012,硕士 

二、主要参加者的学术背景和研究经验、组成结构（如职务、专业、年龄等） 

钱乐旦，1979年10月出生，2003年8月至今任职于温州大学现代教育技术中心，2008年取得武汉理工大学工程硕士学位；

参与了校园信息化建设项目，发表多篇PKI论文，主持教改项目《传热实验教学模式的创新》，参与《整合高校电子党务资源，推进党建管理工作信息化的研究》、《移动智能终端系统Android在高校教学中的应用研究》、《基于.net架构的高校教学质量工程项目评审系统的研发》、《大学英语网络教学统一管理平台的设计与研究》等多个