三维虚拟化学实验及其反应自动推理的研究与实现
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摘要
虚拟实验室是教育领域的一个研究热点,为实验教学改革提供了一条新思路,与传统的实验相比有经济、安全、不受时空限制和教学一体化等优点。对于中学化学来说,信息技术在教学中最重要的应用就是虚拟化学实验室的引入,通过虚拟化学实验室,学生可以更加深刻地理解学到的知识,教师也能把化学知识以及各个化学实验过程展现得更加清楚。
本文首先对虚拟实验室的概念和研究现状进行了阐述,分析了当前虚拟化学实验的不足。接着论述了人工智能、知识的表示、知识库的建立和面向对象等关键技术,并结合当前虚拟化学实验的不足,提出了基于自动推理机制的三维虚拟化学实验室的设计思想和整体框架。接着对仪器、药品和成组等关键对象的设计和实现过程进行阐述,深入的研究了对象的序列化方法。进一步论述了知识的表示方法,收集并分析中学化学所涉及的知识,在此基础上建立化学知识库,着重对化学反应规则库的建立进行了详细的描述。研究中学化学实验和所涉及的实验仪器,把虚拟仪器看着一个智能体,并完成了动作设计和实现其功能,并进行了举例说明;同时实现了化学实验的组装、气密性检测、确定反应物和生成物及其存放的位置,为化学反应做好准备工作。然后重点论述了化学反应自动推理的总体设计框架和实现过程,其中包括化学物质分类的推理过程、分子拆分成原子的过程、原子重新按规则组合成分子的过程、以及化学方程式配平和化学反应的计算过程,并举例说明。最后,对本文所完成的工作进行总结,并对下一步研究工作进行了展望。
Virtual Laboratory, as a research focus in the educational field, provides a new idea for experiment-teaching reform and it has the advantages of being economical, safe, space-time unrestricted, and integrated teaching etc. compared with traditional experiments.For chemistry teaching in middle schools, the most important application of information technology is the introduction of virtual chemical laboratory, by which students can understand more deeply and teachers can demonstrate chemical knowledge and each of the chemical experiment processes more clearly.
At first, the dissertation states the concept of virtual chemistry laboratory and research status, and analyzes the shortcomings of present virtual chemistry experiments. Then it discusses some key technologies such as artificial intelligence, knowledge representation, knowledge database establishment and object-oriented program etc. Taking the shortcomings of present virtual chemistry experiments into account, the dissertation also puts forward the design idea and overall framework of 3D virtual chemical laboratory based on the mechanism of automatic reasoning. The design and realization process of key targets such as equipments, medicines and groups etc. are also discussed in the dissertation and it makes deep research into objects-serialized methods. It further discusses knowledge representation methods and the collection and analysis of chemistry knowledge in middle schools, on the base of which chemistry knowledge database is established; and it mainly describes the establishment of chemical-reaction-rules database in detail. Next, the dissertation deals with the implementation of chemical experiments in middle schools and related experiment instruments. Also, taking virtual instruments as an intelligent agent, it illustrates the action design and functions. At the same time, it discusses the assembling of chemical experiments,air-leakage test,and the determining of reactants, resultant and their storage which are the preparation of chemical reactions. Next, with examples the dissertation puts emphasis on the overall framework design and realizing process of the automated reasoning of chemical reactions, including the reasoning process of chemical substances classification, the process of molecules being spited into atoms, the process of atoms being combined into molecules by rules, and the process of balancing chemical equations and calculating chemical reaction. Finally, a summary and prospect of this paper are given.
本文首先对虚拟实验室的概念和研究现状进行了阐述,分析了当前虚拟化学实验的不足。接着论述了人工智能、知识的表示、知识库的建立和面向对象等关键技术,并结合当前虚拟化学实验的不足,提出了基于自动推理机制的三维虚拟化学实验室的设计思想和整体框架。接着对仪器、药品和成组等关键对象的设计和实现过程进行阐述,深入的研究了对象的序列化方法。进一步论述了知识的表示方法,收集并分析中学化学所涉及的知识,在此基础上建立化学知识库,着重对化学反应规则库的建立进行了详细的描述。研究中学化学实验和所涉及的实验仪器,把虚拟仪器看着一个智能体,并完成了动作设计和实现其功能,并进行了举例说明;同时实现了化学实验的组装、气密性检测、确定反应物和生成物及其存放的位置,为化学反应做好准备工作。然后重点论述了化学反应自动推理的总体设计框架和实现过程,其中包括化学物质分类的推理过程、分子拆分成原子的过程、原子重新按规则组合成分子的过程、以及化学方程式配平和化学反应的计算过程,并举例说明。最后,对本文所完成的工作进行总结,并对下一步研究工作进行了展望。
Virtual Laboratory, as a research focus in the educational field, provides a new idea for experiment-teaching reform and it has the advantages of being economical, safe, space-time unrestricted, and integrated teaching etc. compared with traditional experiments.For chemistry teaching in middle schools, the most important application of information technology is the introduction of virtual chemical laboratory, by which students can understand more deeply and teachers can demonstrate chemical knowledge and each of the chemical experiment processes more clearly.
At first, the dissertation states the concept of virtual chemistry laboratory and research status, and analyzes the shortcomings of present virtual chemistry experiments. Then it discusses some key technologies such as artificial intelligence, knowledge representation, knowledge database establishment and object-oriented program etc. Taking the shortcomings of present virtual chemistry experiments into account, the dissertation also puts forward the design idea and overall framework of 3D virtual chemical laboratory based on the mechanism of automatic reasoning. The design and realization process of key targets such as equipments, medicines and groups etc. are also discussed in the dissertation and it makes deep research into objects-serialized methods. It further discusses knowledge representation methods and the collection and analysis of chemistry knowledge in middle schools, on the base of which chemistry knowledge database is established; and it mainly describes the establishment of chemical-reaction-rules database in detail. Next, the dissertation deals with the implementation of chemical experiments in middle schools and related experiment instruments. Also, taking virtual instruments as an intelligent agent, it illustrates the action design and functions. At the same time, it discusses the assembling of chemical experiments,air-leakage test,and the determining of reactants, resultant and their storage which are the preparation of chemical reactions. Next, with examples the dissertation puts emphasis on the overall framework design and realizing process of the automated reasoning of chemical reactions, including the reasoning process of chemical substances classification, the process of molecules being spited into atoms, the process of atoms being combined into molecules by rules, and the process of balancing chemical equations and calculating chemical reaction. Finally, a summary and prospect of this paper are given.
引文
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