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摘要
物理学是W实验为基础的学科,物理学的概念、公式和规律等都是建立在实验的基础上的,因此对物理的学习不能脱离客观实验。但是,在目前的大学物理实验教学中仍存在着很多的问题。例如,实验器材的短缺,导致并不是每一位学生都能独立进行实验;此外,部分物理实验在真实环境中具有操作性难、危险性高等问题,使学生在做实验时畏手畏脚等等。
随着虚拟现实技术的迅猛发展和教育教学改革的不断深化,实验教学的教学内容、教学模式、教学方法也在不断革新与完善。仿真实验通过模巧和仿真真实实验实验环境,让学习者在虚挂的实验环境中进行实验,熟悉物理实验并学习物理知识。
由于仿真实验具有操作简单、成本低、交互性好和较强的学习体验等特点,使其迅速引起了教育领域的广泛关注。
国内外已有很多优秀的仿真实验但都存在诸多平台、费用等问题不利于仿真实验的推广。从事实验教学者往往由于开发难度大而无法自行开发仿真实验,软件开发者往往又不能设计符合教学需求的软件,另外不同学校实验教学条件也存在差异性,千篇一律的仿真实验不能更好的适应不同学校。
本文第一章阐述了大学物理仿真实验的研究背景、通过文献研究和查阅资料,分析虚拟实验设计发展情况及存在的不足,探索解决的方案W及本文的结构。第二章论述了虚拟实验室实验的定义、分类W及仿真实验应用举例和实现模式。在第H章中,从理论研究基拙、设计原则、开发技术等方面做了初步的介绍,然后分析比较仿真实验系统的常用实现技术,选择适合本系统的开发术:Flash/Actionscript2.0。第四章从软件工程角度完成对大学物理电学仿真实验的设计,并W "示波器"和"电路实验"为例,介绍了仿真实验具体的实现方法。
最后,作者对全文进行了总结和展望。
关键词:仿真实验;Flash技术;大学物理电学实验
Abstract
Physics is an experimental science. AH concepts,fonruias and rules in it are basedon objective experiments. 了herefoK, this subject can never be thparated fromexperiments. However, there are many practical problems in University PhysicsExperiment Teaching. For example,there are not enough pieces of experimentalequipment for each student. Besides,students fear experiments because COnducting someof them in real environment is difficult and dangerous.
With the rapid development of the virtual reality thchnology and the further reformin Caching,contents,modes, and methods in experimental thaching have been greatlydeveloped. By modeling and simulating a real experiment,the virtual experiment allowsstudents to perform experiments in a stimulating environment so that they can be familiarwith the experiments and acquire the knowiedge of physics. Due to the simplicity inperforming, advantages in interaction,good leaming experiences in the process and itslow cost,the virtual experiment quickly attracts attention in the field of education. Virtualexperiment provides to better solution to the practical problems in traditional experimentalteaching.
At home and abroad, there are many excellent simulation experiments. Nevertheless,problems contained in the platform,the cost and so on prevent this kind of experimentfrom being frther promoted. Moreover,Due on the difficulties in developing simulationexperiment,it is hard fbr teachers to develop the software by themselves. On the oterhand, very often, software developers cannot meet the teaching demand .in university.
Furthermore,the simulation experiments that follow the same pattern cannot be welladapted to all schools.
In this paper, the first chapter elaborates the research background of simulationexperiment in university physics. Through literature research,t:he author analyzesproblems in the experiment and explores the solutions. this chapter also includes thestructure of this paper. The second chapter discusses the definition,classification andapplication examples of this virtual laboratory experiments. The third chapter brieflyintroduces the theoretical research,design principles, development technology and oteraspects. Then it makes a comparison among the common implementation techniques ofsimulation experiments, and chooses the one that suits this system: Flash/Actionscript2.0.
The fourth chapter completes the design on the university electrical physical simulationexperiment from the angle of software engineering.
Setting "oscilloscope" and "circuit experiment" as the example, it introduces themethod to implement the simulation experiment. Finally, the author makes a summary ofthe whole thesis and anticipates prospect for further study.
Keyword:Simulation experiment flash technology;college physics electrical experiment
"IT革命迅速席卷全球",信息技术已进入寻常百姓家。网络技术不仅给我们带来生活和工作的便利,同时也在改变着教育方式和学习方法,许多教育工作者利用教育与技术的深度兰合,创设适合学习者的虚拟学习环境,学习者可W在任意时间和任意地点利用电视屏、台式电脑(笔记本)屏、手持电子终端屏和手机屏下简称为称为"四屏")来获取文本、图画、音频、视频、动画为一体的多形态学习资源,并能够有效地利用学习资源进行师生、生生多通道交互式学习W。信息技术不仅突破了传统教育的时空界限,同时也极大的丰富"师道""传道、授业、解惑"的内容,提高了教学的能动性。在信息技术的推动下,教宵改革不仅仅是教学方式和学习方式的变化,也是教育内容、就学方法、就学观念和教育模式的革新。
计算机仿真实验就是信息技术快速发展下的产物,利用计算机仿真真实实验环境,用虚拟仪器代替真实实验器材,学习者通过操作虚拟实验仪器,进行各种实验,达到实验教学的教学要求和教学目标。
物理学是一口实验科学,物理实验中所用的一些方法和思想是我们探索自然世界的基础。学生通过动手实验,能够体验自热科学的探究过程,掌握实验、观察、分析和解决问题的技能和方法。"大学物理实验"课程是教育部规定的大学生进入大学后必修的一口基础课程,它面向理、工、农、医、文、等各学科。大学物理课程中的大部分内容都需要在实验课中进行验证和探索,与传统的理论知识教学相比,实验课更能培养和提高学生的创新精神、合作精神、动手能力、观察能为、理论联系实际能力等多方面的实力。因此,实验实践课程在教学中的作用不可小戯。
通过系统的物理实验的学习,可W培养大学生实事求是、严谨踏实、敢于探索的科学态度和工作作风,和遵守纪律、爱护公物,团结互助的优良品德"3。因此,高校要培养大量高素质强技能型的人才,就必须高度重视实验教学。
在现如今的高等教育中存在很多问题,实验仪器设备是高校物理实验教学及科学研究中必不可少的物质基础。随着我国高校的快速发展,高校招生规模的扩大,及国家对实验教学的重视程度不断増加,物理实验室对实验仪器的需求也不断增力口;随着做实验的学生増加了,实验仪器使用频率变高,实验设备损坏的可能性变大,此外,物理实验仪器在使用一段时间后会逐渐老化,并需要不断的维修更新,不能及时的维修更新物理实验设备给任课教师和做实验的学化带来了很多麻烦,同时设备的维修更新也给各火高校的造成了--定的经济压力。物理实验教学过程中造成实验仪器损坏的主要原因包括两方面;一方面,因为学生对物理实验的兴趣不高,导致很多学生没有认真预习相关的实验内容,仅凭实验课上老师简单的讲解和演示,还不明白实验要做什么、怎么做,学生就开始动手做实验,造成了仪器的损坏;另一方面,目前我国中学阶段主要还是应试教育为主,很多学生在中学期间未曾进过物理实验室,进入大学学习时,对电学实验仪器不了解,存在许多操作失误,从而容易损坏实验仪器。每个学期,物理实验员在检查维修实验仪器时发现很多损坏,而有些实验也由于实验仪器的损坏导致无法进行。每一次做实验前实验老师一遍遍的叮嘱往往导致学生不敢独立实验,做实验段手畏脚。
随着信息技术的发展,互联网多元化、数字化、虚拟化、全球化、即时性和交互性的特征,使其已经成为我们円常生活、工作和学习的一部分。目前,随着多媒体教学推广,互联网教育的实施,实验教学的发展相对还是比较滞后。利用互联网促进仿真实验发展对实验教学具有重要意义。将大学物理实验融入仿真实验中,设计符合学生需求的仿真实验室,再结合现在的网络技术将仿真实验室推送到每一个学生手中,学生随时随地利用手中的"四屏"操作物理实验,加深对物理实验的理解。从而提高学化实验探究能力。此外,仿真实验还打破了传统实验课受上课时间、上课地点的限制,使学化随时随地都能动手做实验W。微软设计师曾构想了一幅信息时代数码乌托邦的动态场景:人类不必意识到真实化活环境的存在,只要沉浸在他们的产品之中,就可W随时随地完成自己想做的事。我们对于物理实验是否也能-样,我们不必关系实验设备是巧存在W及它的好坏,我们便可W借助仿真物理实验利用手中的电子设备随时随地进行物理实验操作。
本文对大学物理电学仿真实验设计和实现进行了研究,W基础知识、理论基础、化学实验设计和实现为主线展巧讨论,本文的结构安排如下:
第一章引言:分析了仿真实验的背景及其研究现状,提出了仿真实验中存在的问题,确定了本文的研究工作。
第二章虚拟实验室相关概念的界定;介绍了虚拟实验室的分类、明确仿真实验的含义、国内外仿真实验室的应用举例、仿真实验实现模式。
第三章仿真物理实验的理论基础:首先,介绍设计仿真实验的理论研究基础,然后,阐明设计原则,介绍仿真实验相关工具、最后选择本文的设计工具。
第四章大学物理电学仿真实验的设计与实现:结合软件工程对用Flash制作大学物理电学仿真实验的作可行性研究、系统流程图、需求分析,最后结合FlashS的特点W示波器仿真实验、电路仿真实验为例介绍仿真实验的实现。
第五章是对在大学物理教学中引入大仿真实验的效果研究,分析实验在教学中的地位、W及真实实验和仿真实验各自的优势和局限,并结合混合式学习理论对仿真实验引入大学物理实验教学的应用方式进行探讨。
第六章对全文进行总结和展望,分析本文中存在的不足之处,并对今后的在仿真实验开发和应用方面进行了展望。
大学物理电学仿真实验效果演示：
Flash8工作界面
实验场景画面
示波器相机拍摄实物面板
Flash绘制示波器面板
示波管原理图
正弦波波形
李萨如图像
实验主场景
稳压电源
电阻箱
导线连接界面
目录
摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 研究背景
1.2 研究现状
1.3 本文的结构
第二章 虚拟实验室相关巧念的界定
2.1 虚拟实验室的定义和分类
2.1.1 虚拟实验室定义
2.1.2 虚挂实验室分类
2.2 仿真虚拟实验室的基本情况
2.2.1 仿真虚拟实验室的应用举例
2.2.3 仿真虚拟实验室的实现模式
第三章 仿真物理实验相关理论介绍
3.1 仿真物理实验理论研究基础
3.1.1 元认知理论
3.1.2 建构主义理论
3.1.3 戴尔"经验之塔"理论
3.2 仿真物理实验的设株原则
3.2.1 科学性原则
3.2.2 交互性原则
3.2.3 直观性原则
3.2.4 可行性原则
3.2.5 日开放性原则
3.2.6 简约型原则n
3.2.7 艺术性原则
3.2.8 经济性原则n
3.2.9 以实为本,虚实结合
3.3 仿真实验相关工具介绍
3.3.1 VRML
3.3.2 Java
3.3.3 Flash
3.3.4 MATLAB
3.3.5 LabVI削
3.4 各种开发工具比较
第四章 大学物理电学仿真实验的设计与实现
4.1 大学物理电学仿真实验的设计
4.1.1 用Flash制作大学物理电学仿真实验的可行性研究
4.1.2 用巧ash制作大学物理电学仿真实验的系统流程围
4.1.3 用Flash制作大学物理电学仿真实验的需求分析
4.2 大学物理电学仿真实验的实现
4.2.1 FlashS简介
4.2.2 示波器实验的Flash仿真实现
4.2.3 电路实验的Flash仿真实现
4.2.4 大学物理电学仿真实验的打包发布n
第五章 在大学物理教学中引入大仿真实验的效果研究
5.1 实验在大学物理教学中的地位和作用
5.2 真实实验的优势和局限
5.2.1 真实实验的优势
5.2.2 真实实验的局限
5.3 仿真实验的优势和局限
5.3.1 仿真实验的优势
5.3.2 仿真实验的局限
5.4 仿真实验在大学物理实验教学中的应用方式思考
第六章总结和展望
参考文献
致谢
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