基本信息
- 项目名称：
- 语音辅助的力学实验仿真系统
- 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B类
- 简介：
- 语音辅助的力学实验仿真系统主要针对初高中物理力学部分的实验教学设计，通过3D技术较为真实地模拟现实实物，展现逼真的物理实验的演示效果。力图通过对实验过程的模拟演示和详细分析，以及良好的用户体验和师生互动，弥补当前初高中物理教学中的不足，提高多媒体技术在物理教学中的应用水平。
- 详细介绍：
- 基于语音识别的力学实验仿真系统主要针对初高中物理力学部分的实验教学设计，通过3D技术较为真实地模拟现实实物，展现逼真的物理实验的演示效果。力图通过对实验过程的模拟演示和详细分析，以及良好的用户体验和师生互动，弥补当前初高中物理教学中的不足，提高多媒体技术在物理教学中的应用水平。 软件采用OpenGL的3D模型，相对现有的平面模拟软件，更为真实地模拟现实实物。通过PhysX物理引擎，模拟并演示整个实验的过程。同时还可以方便的对所做实验进行数据分析，操作说明、原理解释。利用3D模型的平面图、慢放、视频录制等功能，可以使教学更加清晰和丰富多彩，易于让学生联系现实、考虑问题并解决问题。软件提供了包括语音识别在内的丰富的用户接口。通过应用语音识别技术，使得教师能在课堂上，通过声音远距离简单的控制模型的动作，语音操作增强了教师和学生的互动，提高了系统的用户体验。这些操作也可以使用鼠标或键盘完成。软件提供丰富的模板和参数，允许用户自由定制实验过程。教师可通过语音或鼠标，预先设计实验，课上直接播放模拟，也可在课上即时设计实验。学生也可以根据自己的喜好，跟随老师的指导或自主设计实验，自由探索，激发学生学习物理的兴趣。
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
- 设计目的： 系统是针对初中物理实验教学存在的不足以及其特定需求所设计，在现有虚拟物理仿真软件的基础上，力图通过较为真实的模拟实验教学在一定程度上弥补学生动手实验的缺乏，解决实验器材的缺乏和耗损等问题，降低教学成本。并通过提供语音辅助功能，实现远距离控制，帮助教师开展实验教学。系统关注教学中学生的主体地位,利用软件系统，学生可以查看教师的演示实验，容易将学过的物理知识再次整合。 创新点： 1) 针对物理力学实验教学设计，与现有实验模拟软件相比，提供更多与辅导教学相关的信息和功能。 2) 结合3D模型与物理引擎，在计算机上较逼真的模拟中学物理力学实验。国内有的主要是平面的实验模拟，鲜少有3D的模拟软件。 3) 软件具有很强的灵活性与开放性,用户可以利用软件自行设计实验、设计器材。 4) 加入了语音识别功能，实现对于整个软件及模拟过程的基本控制，使得人机交互变得方便简单。 技术关键： 1) NVIDIA Physx物理引擎，为实验模拟提供精确而真实的物理效果。 2) OpenGL图形库，用于实验过程中模型等各种物件的渲染。 3) 微软Speech SDK语音开发工具包，用于识别用户的语音命令。 4) VFW SDK和WMSDK，用以编码采集的帧图像，实现对实验过程的录制。 5) MFC可视化平台，整合其他模块，呈现友好的用户界面。 主要技术指标： 语音识别词汇表范围，正确识别率 视频录制每秒帧数(采集速率) 实验模拟每秒帧数30fps
科学性、先进性
- 与现有的虚拟仿真实验室相比，系统在以下5个方面有着比较突出的实质性创新和特色。 1) 针对性强。 系统的目标指向初中物理力学实验模拟，提供3D的较为真实的实验模拟和更多与辅导教学相关的信息和功能。 2) 采用3D模型与物理引擎相结合 系统中所有的实验模拟均使用3D技术，相对于缺乏立体感和真实感的平面模型来说，提升了用户对实验的直观感受。 3) 系统具有很强的灵活性与开放性 系统允许用户自行设计实验场景，添加参与实验的物体，设置物理设备和模型的相关参数，从而制作出各种各样不同的实验情况。 4) 实验模拟与语音识别技术相结合 系统创新性地再实验模拟中加入了语音识别功能，教师可以利用语音远距离的对实验进行控制，增加教师与学生之间的互动，提高了用户的体验和感受。 5) 录制视频、保存场景 通过视频录制和保存场景的功能，教师能够很容易的将设计好的实验场景或模拟演示结果进行保存，实现课件的制作与分享。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年，在南开大学本科生创新科研“百项工程”中获得优秀奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 具体与团队成员商量
作品可展示的形式
- 现场演示、图片、录像
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
- 技术特点和优势： 1) 通过物理引擎动态、实时、精确的模拟实验过程，再通过3D技术进行展现，给用户更加真实、直观的感受。 2) 利用语音识别的辅助控制，提供更加易用的人机接口，有利于课堂上的学生和教师的互动。 3) 允许用户自由的设计实验的模型、参数，定制实验的场景，不受到其它的限制。 4) 实现对实验模拟过程的实时视频录制，方便教师利用它制作课件 。 适应范围及推广前景： 系统降低了教学强度和对教师水平的要求，弥补了因实验仪器缺乏和实验经费不足而造成的缺憾。它不仅可以使教学更加的丰富多彩，而且由于系统成本较低，可以在中西部地区推广，提高物理教学质量。 市场分析和经济效益预测： 相对于现有的物理实验软件，拥有更强的针对性，使用3D模拟实验和语言辅助相结合的，提供更加真实的模拟，一定程度上解决目前初中物理教学中所遇到的问题，实验教学的不足，目前在国内还没有类似的软件。而且在大中型城市，有越来越多的学校准备尝试仿真实验室，整个市场的需求比较大。
同类课题研究水平概述
- 国外对“虚拟仿真物理实验室”的研究起步比较早，覆盖面广，如:美国北卡罗来那大学的LAAP物理实验室。他们利用Java技术建立了基于web的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块:(1)通过 JavaApplct模拟各种实验设备(2)虚拟教授和虚拟学习伙伴进行交流(3)聊天室和BBS(4)评分系统。 目前国外在信息技术与物理实验教学整合的实践研究方面，主要取得的成果有超媒体、交互视频系统、远程通讯、虚拟实验、传感器技术等在物理实验教学中的应用。鲜见国外将虚拟仿真实验室应用于中学物理实验教学中的实例。 国内对虚拟仿真物理实验的研究虽然起步比较晚，但是也出现了一些非常优秀的虚拟仿真实验室。 (1)中国科技大学的大学物理仿真实验 该软件开创了物理实验教学的新模式，是一款非常优秀的物理实验仿真系统和教学系统。但这款软件是面向大学的物理实验教学，不适用与初中的教学。 (2)金华科仿真物理实验室 该软件是面向中学物理课堂、物理教师和学生的一个全开放性的物理实验仿真软件。它提供一个实验器具完备的综合性实验，能够比较自由的设计实验。还能演示的同时向您提供相关的实验实时数据。但金华科的仿真物理实验室是采用的平面的模拟效果，实验演示的效果缺乏真实感，不能给学生以直观的感受。 总体而言，国内对虚拟物理实验室的研究有一定的研究，从这些研究可以看出，虚拟物理实验室在实验教学中的应用已经成为一种趋势。 然而，虚拟仿真实验室应用于中学物理实验教学中的研究还是比较少，国内在这方面的研究主要集中在虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的研究，比如大学物理课程中的电子电路实验教学，虚拟仿真技术在大学计算机网络实践教学中的应用的研究，很少涉及虚拟仿真实验在中学物理实验教学中的研究。即使有较少的设计中学物理实验教学，仍存在不够真实的缺陷。
