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