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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 語音輔助的力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 語音輔助的力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)主要針對(duì)初高中物理力學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，通過3D技術(shù)較為真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)物，展現(xiàn)逼真的物理實(shí)驗(yàn)的演示效果。力圖通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的模擬演示和詳細(xì)分析，以及良好的用戶體驗(yàn)和師生互動(dòng)，彌補(bǔ)當(dāng)前初高中物理教學(xué)中的不足，提高多媒體技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用水平。
- 詳細(xì)介紹：
- 基于語音識(shí)別的力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)主要針對(duì)初高中物理力學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，通過3D技術(shù)較為真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)物，展現(xiàn)逼真的物理實(shí)驗(yàn)的演示效果。力圖通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的模擬演示和詳細(xì)分析，以及良好的用戶體驗(yàn)和師生互動(dòng)，彌補(bǔ)當(dāng)前初高中物理教學(xué)中的不足，提高多媒體技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用水平。 軟件采用OpenGL的3D模型，相對(duì)現(xiàn)有的平面模擬軟件，更為真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)物。通過PhysX物理引擎，模擬并演示整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程。同時(shí)還可以方便的對(duì)所做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，操作說明、原理解釋。利用3D模型的平面圖、慢放、視頻錄制等功能，可以使教學(xué)更加清晰和豐富多彩，易于讓學(xué)生聯(lián)系現(xiàn)實(shí)、考慮問題并解決問題。軟件提供了包括語音識(shí)別在內(nèi)的豐富的用戶接口。通過應(yīng)用語音識(shí)別技術(shù)，使得教師能在課堂上，通過聲音遠(yuǎn)距離簡(jiǎn)單的控制模型的動(dòng)作，語音操作增強(qiáng)了教師和學(xué)生的互動(dòng)，提高了系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)。這些操作也可以使用鼠標(biāo)或鍵盤完成。軟件提供豐富的模板和參數(shù)，允許用戶自由定制實(shí)驗(yàn)過程。教師可通過語音或鼠標(biāo)，預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，課上直接播放模擬，也可在課上即時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生也可以根據(jù)自己的喜好，跟隨老師的指導(dǎo)或自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自由探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的： 系統(tǒng)是針對(duì)初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足以及其特定需求所設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有虛擬物理仿真軟件的基礎(chǔ)上，力圖通過較為真實(shí)的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在一定程度上彌補(bǔ)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的缺乏，解決實(shí)驗(yàn)器材的缺乏和耗損等問題，降低教學(xué)成本。并通過提供語音輔助功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，幫助教師開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。系統(tǒng)關(guān)注教學(xué)中學(xué)生的主體地位,利用軟件系統(tǒng)，學(xué)生可以查看教師的演示實(shí)驗(yàn)，容易將學(xué)過的物理知識(shí)再次整合。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1) 針對(duì)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件相比，提供更多與輔導(dǎo)教學(xué)相關(guān)的信息和功能。 2) 結(jié)合3D模型與物理引擎，在計(jì)算機(jī)上較逼真的模擬中學(xué)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)有的主要是平面的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，鮮少有3D的模擬軟件。 3) 軟件具有很強(qiáng)的靈活性與開放性,用戶可以利用軟件自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)器材。 4) 加入了語音識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)軟件及模擬過程的基本控制，使得人機(jī)交互變得方便簡(jiǎn)單。 技術(shù)關(guān)鍵： 1) NVIDIA Physx物理引擎，為實(shí)驗(yàn)?zāi)M提供精確而真實(shí)的物理效果。 2) OpenGL圖形庫(kù)，用于實(shí)驗(yàn)過程中模型等各種物件的渲染。 3) 微軟Speech SDK語音開發(fā)工具包，用于識(shí)別用戶的語音命令。 4) VFW SDK和WMSDK，用以編碼采集的幀圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的錄制。 5) MFC可視化平臺(tái)，整合其他模塊，呈現(xiàn)友好的用戶界面。 主要技術(shù)指標(biāo)： 語音識(shí)別詞匯表范圍，正確識(shí)別率 視頻錄制每秒幀數(shù)(采集速率) 實(shí)驗(yàn)?zāi)M每秒幀數(shù)30fps
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 與現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室相比，系統(tǒng)在以下5個(gè)方面有著比較突出的實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新和特色。 1) 針對(duì)性強(qiáng)。 系統(tǒng)的目標(biāo)指向初中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，提供3D的較為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和更多與輔導(dǎo)教學(xué)相關(guān)的信息和功能。 2) 采用3D模型與物理引擎相結(jié)合 系統(tǒng)中所有的實(shí)驗(yàn)?zāi)M均使用3D技術(shù)，相對(duì)于缺乏立體感和真實(shí)感的平面模型來說，提升了用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)的直觀感受。 3) 系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性與開放性 系統(tǒng)允許用戶自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，添加參與實(shí)驗(yàn)的物體，設(shè)置物理設(shè)備和模型的相關(guān)參數(shù)，從而制作出各種各樣不同的實(shí)驗(yàn)情況。 4) 實(shí)驗(yàn)?zāi)M與語音識(shí)別技術(shù)相結(jié)合 系統(tǒng)創(chuàng)新性地再實(shí)驗(yàn)?zāi)M中加入了語音識(shí)別功能，教師可以利用語音遠(yuǎn)距離的對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制，增加教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，提高了用戶的體驗(yàn)和感受。 5) 錄制視頻、保存場(chǎng)景 通過視頻錄制和保存場(chǎng)景的功能，教師能夠很容易的將設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景或模擬演示結(jié)果進(jìn)行保存，實(shí)現(xiàn)課件的制作與分享。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年，在南開大學(xué)本科生創(chuàng)新科研“百項(xiàng)工程”中獲得優(yōu)秀獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 具體與團(tuán)隊(duì)成員商量
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1) 通過物理引擎動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、精確的模擬實(shí)驗(yàn)過程，再通過3D技術(shù)進(jìn)行展現(xiàn)，給用戶更加真實(shí)、直觀的感受。 2) 利用語音識(shí)別的輔助控制，提供更加易用的人機(jī)接口，有利于課堂上的學(xué)生和教師的互動(dòng)。 3) 允許用戶自由的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的模型、參數(shù)，定制實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，不受到其它的限制。 4) 實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程的實(shí)時(shí)視頻錄制，方便教師利用它制作課件 。 適應(yīng)范圍及推廣前景： 系統(tǒng)降低了教學(xué)強(qiáng)度和對(duì)教師水平的要求，彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)儀器缺乏和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足而造成的缺憾。它不僅可以使教學(xué)更加的豐富多彩，而且由于系統(tǒng)成本較低，可以在中西部地區(qū)推廣，提高物理教學(xué)質(zhì)量。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 相對(duì)于現(xiàn)有的物理實(shí)驗(yàn)軟件，擁有更強(qiáng)的針對(duì)性，使用3D模擬實(shí)驗(yàn)和語言輔助相結(jié)合的，提供更加真實(shí)的模擬，一定程度上解決目前初中物理教學(xué)中所遇到的問題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，目前在國(guó)內(nèi)還沒有類似的軟件。而且在大中型城市，有越來越多的學(xué)校準(zhǔn)備嘗試仿真實(shí)驗(yàn)室，整個(gè)市場(chǎng)的需求比較大。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)外對(duì)“虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室”的研究起步比較早，覆蓋面廣，如:美國(guó)北卡羅來那大學(xué)的LAAP物理實(shí)驗(yàn)室。他們利用Java技術(shù)建立了基于web的探索式虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，主要有以下幾個(gè)模塊:(1)通過 JavaApplct模擬各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備(2)虛擬教授和虛擬學(xué)習(xí)伙伴進(jìn)行交流(3)聊天室和BBS(4)評(píng)分系統(tǒng)。 目前國(guó)外在信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的實(shí)踐研究方面，主要取得的成果有超媒體、交互視頻系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通訊、虛擬實(shí)驗(yàn)、傳感器技術(shù)等在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。鮮見國(guó)外將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)例。 國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)的研究雖然起步比較晚，但是也出現(xiàn)了一些非常優(yōu)秀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。 (1)中國(guó)科技大學(xué)的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn) 該軟件開創(chuàng)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，是一款非常優(yōu)秀的物理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)和教學(xué)系統(tǒng)。但這款軟件是面向大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不適用與初中的教學(xué)。 (2)金華科仿真物理實(shí)驗(yàn)室 該軟件是面向中學(xué)物理課堂、物理教師和學(xué)生的一個(gè)全開放性的物理實(shí)驗(yàn)仿真軟件。它提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合性實(shí)驗(yàn)，能夠比較自由的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。還能演示的同時(shí)向您提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但金華科的仿真物理實(shí)驗(yàn)室是采用的平面的模擬效果，實(shí)驗(yàn)演示的效果缺乏真實(shí)感，不能給學(xué)生以直觀的感受。 總體而言，國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬物理實(shí)驗(yàn)室的研究有一定的研究，從這些研究可以看出，虛擬物理實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。 然而，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究還是比較少，國(guó)內(nèi)在這方面的研究主要集中在虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究，比如大學(xué)物理課程中的電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用的研究，很少涉及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究。即使有較少的設(shè)計(jì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，仍存在不夠真實(shí)的缺陷。
