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面向对象方法在物理实验软件开发中的应用 专业：应用数学 硕士生：汤泳山 指导教师：朱思铭教授 摘要 中学物理实验软件作为教育软件的一个重要组成部分，自计算机辅助教学发展至今， 己出现了各种类型的中学物理实验的软件或课件，但绝火部分都只是单个实验，内容蚓定不 变，既没有学科的连贯性，而且各自的侧重点不同，使用及操作方法也有很大差别，因此很 少教师、学生去使用它们。为此我们提出设计开发以可创建的实体单元为基础的通用仿真物 理实验平台( m p e p ) 来解决这些问题。它区别于其它实验软件的最重要特征是实体可由平 台构造生成，不是系统内置、固定的，可以根据需要构造相应的实体，然后通过对实体的自 由组合来构筑各种各样的实验。冈此，系统既可以创建、构造全新的物体、实验；对于已经 构造好的现成的物体、实验，系统也能直接提供给使用者使用，或修改成新的物体、实验。 这样，平台才具有较高的灵活性、通用性和适应性，即使教学大纲等产生变化。也只需通过 修改已有的实验或重建实验就可以方便快捷地适应新的要求，而不需要对软件平台作过多的 改动。 尽管面向对象方法理论和技术发展已日趋完善，而且在软件设计开发等很多方面使用 已经r 分j “泛，但对于物理实验软件而言却由于物理学科自身的特点，内容覆盖面广且分散 不容易统一，学科分支既联系又相对独立等因素，一商很少使用该方法来设计。然而正是由 丁实验器材完全来自现实世界，物理实验软件其实非常适合用面向对象方法及相关技术来反 映它们之间的关系，更有利于物理现象的表现，因此我们尝试使用面向对象方法和技术米设 计和实现m p e p 系统。 文中详细讲述了根据m p e p 系统的具体性能要求，在m p e p 系统设计过稗中，如何运 用面向对象方法进行系统设计：针对中学物理中实验的具体要求，对各种复杂、分散的内彝 进行分类整理与综合，并通过抽象得出一系列相关的类，对这些类如何处理以实现m p e p 系统的灵活性。与此同时，还深入探讨了e r i c hg a m m a 博士总结的设计模式，吸取了其中 的精神，在设计m p e p 总体结构时根据系统特点，融合了抽象工厂模式和工厂方法模式的 思路，构造山一个适合本软件系统的总体结构设计模式，使得在这个设计模式使用后，系统 在实现灵活性的基础上还具有了较高的可复用性，并提高了后期开发的效率。另外，还运用 状态模式优化系统的基本图形类，以解决系统维护和扩充方面可能出现的问题。 另外，文章还探讨了在m p e p 系统实现阶段设计并使用的几个关键、有一定技巧性的 设计和算法，如：女t 1 1 7 对一系列相关类进行派生和多态性处理，以实现设计模式从而达到软 件复用的效果；物体在屏幕上的显示、整体和部分运动的处理以及相互接触的计算与算法； 实验报告和刻度通用性的结构设计与实现过程等。 最后给出了几个可在m p e p 系统上实现的具有代表性的中学物理实验实例。 m p e p 系统的提出和开发十分具有挑战性。在已完成系统总体及详细设计的基础上，现 已实现了系统的关键、核心部分基础平台和从其派生出的力学( 动力学) 子平台，并能在其 上实现部分中学物理实验。今后在完成余下部分的基础上，继续对系统进行优化完善，进一 步丰富系统的内容。 关键词：面向对象，中学物理实验，软件复用，设计模式，平台 i i a p p l i c a t i o no fo b j e c t o r i e n t e d m e t h o di n d e v e l o p m e n to fp h y s i c a le x p e r i m e n tp l a t f o r m m a j o r ：a p p l i e d m a t h e m a t i c s n a m e：t a n g y o n g - s h a n s u p e r v i s o r ：z h us i m i n g p r o f e s s o r a b s t i 认c t s i n c et h en a i s s a n c eo fc a l ，t h em i d d l es c h o o lp h y s i c a le x p e r l m e n t a ls o f t w a r e ，a sa r l i m p o r t a n tp a r ti ne d u c a t i o n a ls o f t w a r e ，h a sp r o d u c e dm a n yt y p e so f s o f t w a r eo rc o u r s e w a r e b u t m a n yo ft h e ma r ea l o n ea n df o rt h ef i xc o n t e n t s t h e r ei s n oc o n s i s t e n c ya n d i d e n t i c a l e m p h a s e s m e a n w h i l et h e r ea l em a n y d i f f e r e n ts t e p sf o ras t u d e n tt oh a n d l eo n e e x p e r i m e n t t h i s i sl e dt ot e a c h e r sa n ds t u d e n t sl e s st ou s et h e s ee x p e r i m e n ts o f t w a r e s oi ti sn e c e s s a r yf o ru st o e x p l o r ea n o t h e rm e t h o dt od e v e l o p i n go u re x p e r i m e n t a ls o a r eb ym p e e t h em o s ti m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i co ft h ee n t i t yi nm p e pi sp r o d u c e db yt h ep l a t f o r mi n s t e a do ff i x e dp a r t s t h r o u g h t h ep i a t f o r mi nm p e p , t h eu s e rc a l lr e - c o n s t r u c tt h ee n t i 移a n dr e - b u i l dt h ev a r i e de x p e r i m e n t sb y h i m s e l f s oi tp r o v i d e sf i e x i h i em e 氆o dt ot e a c h e r sa n ds t u d e n t st ou s i n g 如i ss o f t w a r e ，a n dt h e u s e rc a na l s oc r e a t en e w e x p e r i m e n t 。f e ft oe x i s t i n go n ea n dm o d i f ye x p e r i m e n tb ym p e r s o m p e pp r o v i d eh i g hf l e x i b l e ，u n i v e r s a la n da d a p t i v e e v e nt h o u g hw h e nag e n e r a lo u t l i n eo f t e a c h i n gh a sc h a n g e d ，w eo n l yr e - g e n e r a t e dr e l a t e dp a r t sb ym p e p a n dd o n tn e e dt om o d i b t h e m a l t h o u 曲t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fo b j e c to r i e n t e dh a sd e v e l o p e dm a n yy e a r sa n da l s o h a v em a n yr e f e r e n c e si ns o f t w a r ed e s i g n i n g ，d e v e l o p i n ga n dd e p l o y i n g ，t i l lt o d a y , n o 曲y s i c a l e x p e r i m e n ti sd e p l o y e db y t h i sm e t h o d s i n c et h ee n t i t yi st h o r o u g h l yc o m e sf r o mt h er e a lw o r l d ， t h e p h y s i c a le x p e r i m e n ti sv e r ys u i t a b l eu s i n gt h eo b j e c to r i e n t e dm e t h o dt od e s i g n i n ga n d d e p l o y i n gt h es o f t w a r e ，t h i si sc a l l e dm p e r i nb e l o ww o r d s ，i ti l l u s t r a t e sh o wt od e s i g nb yo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o db a s e do nf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s o fm p e p i nt h i s p r o c e s s i n gs t a g e ，m p e pc l e a n su p a n d i n t e g r a t e s v a r i e s c o m p l i c a t e d a n dd i s p e r s i v e p a r t s m e a n w h i l e m p e pa b s t r a c t sas e r i e sr e l a t e dc l a s s e s t h e f l e x i b i l i t yo f m p e p i sb a s e do nt h e s ec l a s s e s ，a l s ow eh a v e d e e p d i s c u s s e da n dr e f e r r e dt h e d e s i g n p a t t e mw h i c hp r o v i d e db yd r e r i c hg a m m a w e c r e a t et h ec o i l e c t i v i t ys t r u c t u r ed e s i g np a t t e r no f m p e pb yc o l l i g a t i n ga b s t r a c t f a c t o r yp a t t e r na n df a c t o r ym e t h o dp a t t e m a f t e rs e r i e so f a b s t r a c t i o na n dd e p l o y m e n t ，m p e pp r o v i d e sm o r ef l e x i b l ea n de f f e c t i v em e t h o d ，m e a n w h i l e ，w e u s es t a t ep a t t e r nt oc o n s u m m a t ec l a s sc d r a w o b jt or e s o l v et h ep r o b l e m so fm p e p sm a i n t e n a n c e e x p a n s i o n m e a n w h i l e ，t h e r ea r es e v e r a lh i g h l i g h t si l l u s t r a t e di nt h er e s t i n gw o r d s f o re x a m p l e ：h o w l l i t od e r i v ea n dh o wt oh a n d l ev a r i a b i l i 辑f r o md e s i g np a t t e r nt os o f i d j a r e - r e u s e ；h o wt h ee n t i y d i s p l a y e do nt h es c r e e n ；t h er u l eo f m o v e m e n t f o rw h o l eo rp a r to f t h ee f 话t ya n dt h ea r i t h m e t i co f i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et o u c h e de n t i t i e s i ta l s os u b m i tt h ee x p e r i m e n t a lr e p o r ta n dt h es t r u c t u r e d e s i g n i n g a n d d e p l o y i n go f g r a d u m i o n ，e t c a t1 a s kt h ea r l i c l eg i v e ss e v e r a lr e p r e s e n t a t i v ee x a m p l e sw h i c hc a l lb em a d ei nm p e p - t h e r ei sa c h a l l e n g et od e v e l o pm p e r a f t e rf i n i s h i n gt h ec o l l e c t i v i t ya n dd e t a i l e dd e s i g n ，w e f i n i s h e dt h e p a r to f m p e p ：b a s ep l a t f o r ma n dm e c h a n i c a ls u b - p l a t f o r md e r i v e df r o mb a s ep l a t f o r m a n dc a nm a k es o m ee x p e r i m e n t so nl t a f t e r t i m e , w h e nf i n i s h 缘er e m a i n d e r , w ew i l lc o n t i n u et o c o n s u m m a t em p e pa n de n r i c hi t sc o n t e n t k e yw o r d s ：o b j e c t - o r i e n t e d 、p h y s i c a le x p e r i m e n t si nm i d d l es c h o o l 、s o f t w a r e r e u s e 、d e s i g n p a t t e r n 、p l a t f o r m 1 1 面向对象方法 第一章综述 面向对攘( o b j e c t o r i e n i e d ) 方法作为一种新型的独具优越性的新方法正引起全世界越 来越广泛关注和高发重视，它被誉为“研究高新技术的好方法”，更是当前计算机界关心的 重点。十多年来，在对o o 方法研究热濑中，许多学者预畜：正蒙七十年钱缝构诧方法对计 算机技术应用所产生的巨太影响和促进那样，在二：二十一世纪o o 方法将会强烈地影响、推动 静挺进一系列裹耨技术的发褒和多学辩的练合。 1 1 1 覆囊对象方法熬赉来与发震 o o 方法起源予嚣囱辩象的编程语言。五十年代君期，在鞲f o r t r a n 语言编写大型程 序h 寸，常出观变最名在程序不同部分发生冲突的问题。浆于此，a l g o l 语言的设计赣在 a l g o l 6 0 中采用了以“b e g i n 一e n d ”为标识的程序块，使块内变虽名是局部的，以避免 它们与程序中块外的同名变量相冲突。这是编程语言中蓖次提供封装( 保护) 的尝试。此斌程 序块结构广泛用于高级语言如p a s c a l 、a d a 、c 之中。六十年代中厝期，s i m u l a 语育在a l g o l 基勰上研制开发，捷a l g o l 的块结构搬念向兹攘进一步，提出对象概念，著傻瘸娄，支持 类继承。七十年代，s m a l l t a l k 语言诞生，它取s i m u l a 的类为核心概念，它的很多内容借鉴 于l i s p 语言。由x e r o x 公蠲经过瓣s m a t l t a l k7 2 、7 6 持续不凝翡臻究葶l 】馥进之螽，予1 9 8 0 年摊出商品化的s m a l l t a l k8 0 ，它在系统设计中强调对象概念的统一，引入对象、对象类、 方法、实铡等概念鞫术语，采瑁动态联籀和单继承梳翱。觚，l 十年代惹，人稻鏊于班毪己提 出的有关信息隐蔽羊抽象数据类型等概念，以及由m o d u l a2 、a d a 和s m a l l t a l k 等语言所奠 定的基确，褥加上客疆需求豹推动，进行了大量的理论璇 究萧l 实践探索，不同类型的面向对 象谮畜如：o b j e c t c 、e i f f e l 、c + + 、j a v a 、o b j e c t * p a s c a l 铸如而后春笋般研制开发出来， 并逐步地发展和建立起较究整的o o 方法的概念理论体系和实用的软件系统。“面向对象” 源出于s i m u l a ，真越的o o p 由s m a l l t a l k 奠基。s m a u t a l k 现在被认为是蔽缝魄穗向对象编程 语言。正是通过s m a l l t a l k8 0 的研制与推广应用，使人们注意到o o 方法所具有的模块化、 售惑封装与隐薮、撼象性、继承性、多样巾耋等独特之处，这些钱器特性炎班剿大型软律，提 高软件可靠性、可麓用性、可扩充性和可维护性提供了有效的手段和途径。八十年代以来， a 嚣l 将嚣自对象懿蘩本概念窝运幸亍撬翱运罐裂其它领域，获褥了一系列秘痘领城豹西南对象 技术_ 面向对象方法已被广泛应用于程序设计语言、形式定义、设计方法学、操作系统、分 森式系统、人工餐毹、实对系统、数据痒、入机羧霜、计箨辊体系结构驭及并发工程、练台 集成工程等，在许多领域的应用都得到了很大的发展。1 9 8 6 年在美国举行了首屑“面向对 象编程、系统、语言和应用( o o p s l a 8 6 ) ”国际会议，使面向对象受到世人瞩目，其后每 年都举行一次，这进一步标志o o 方法的研究已普及到全世界。【1 1 在1 9 7 5 年前，大多数软件组织没有使用明确的开发技术，以各自的方式工作着。大约 在19 7 5 年到19 8 5 年间，结构化技术( s t r u c t u r e dp a r a d i g m ) 的发展使这种情况有了突破性进 展，在最初使用时，似乎有极好的前景。然而，随着时间的推移，它存在两个方面缺陷：1 、 有时不能解决软件产品规模越变越大的问题：2 、需要花费大量时间精力用于维护。结构化 技术之所以每用非常成功的原因在于，它要么面向行为，要么面向数据，但却没有同时面向 行为和数据。软件产品的基本成分是产品的行为和这些行为所操作的数据，面向对象技术则 将数据和行为看作是同样重要的东西，将数据和对数据的操作看成一个统一的整体，一个软 件成分。面向对象方法有以f 优点：l 、维护变得更迅速和更容易；2 、软件中的对象与现实 世界中的实物的紧密对应关系极大地促进了软件的发展，使软件开发变得更容易；3 、能提 高软件的复用性，因为对象是独立的实体，所以人们可以再次利用它们开发将来的产品。对 象的可复用性减少了开发和维护所需的时间和费用。“ 1 1 2 面向对象方法的特点 软件开发方法就是为了认识并最终以计算机可以理解的方式描述问题域而采取的系统 化手段pj 。因为无论是认识还是描述问题域都是非常主观的智力活动，软件开发方法的主要 目的就是要提供一些系统的途径步骤来帮助软件人员降低智力活动的复杂性，减少智力活动 的主观性。面向对象方法作为软件开发方法的一个类别，不仅具有方法、软件开发方法的所 有特点，还采用了人们认识和描述复杂问题时所使用的一些通用原则口“。 ( 1 ) 分类组织。人们经常使用一些分类组织方法来理清思路，面向对象方法可以使用的 分类方法有对象及其特征、整体和组成部分、类和对象。这些分类和组织方法是所有面向对 象方法的基础，也是我们在用面向对象方法认识和描述问题时必须采用的方法。 ( 2 ) 建立系统的模型。目前几乎所有的面向对象开发方法都是采用基于模型的方法来开 发软件的，甚至有的开发方法直接称自己的方法为建模方法。这个原则之所以这么重要是因 为建立系统的模型可以使得用户及开发人员自己在系统还未着手做之前，就可以看到未来系 统的概貌了解它的功能以及系统的其它信息，就好像这个系统已经存在一样。 ( 3 ) 抽象。是人类认识大自然规律的有力武器，当然也是软件开发人员认识和描述问题 的重要法宝。问题通常非常复杂，以至于只有忽略问题域的次要部分而集中考虑关键部分才 有可能认识和描述问题。并不是只有面向对象方法强调抽象原则，结构化方法和信息工程方 法也强调抽象原则，但面向对象方法认为问题的关键部分不是过程或数据，而是过程和数据 的有机结合体一对象。 ( 4 ) 封装。它是指软件的组成部分向外提供服务的同时隐藏自身的设计细节。封装可以 降低问题的复杂性，冈为我们可以认识和使用某个软件部件而不必去关心和了解该软件部件 2 的魄郄细节。封装逑支持鬟用，因为正是出于封装隐藏了软饽部转的设计缀节，人蜘方霹以 花很少的代价来重辟j 该部件的功能。 ( 5 ) 继承。它魁茬示娟觳性质瓣撬裁。一方瑟继承缓褥垂自对象方法可鞋瓣理实生活中 的继承及类似情形进行简单自然的建模；另一方词继承也是程序员重用代码的好方式：父类 已鸯静功髓子类胃嶷接重璃。1 6 7 8 、 1 2 软件复用与设计模式 1 2 1 较传炭用 较 f 复鲻历史鸟菱壤旱在t 9 6 8 年躲n a t o 软馋工稷会议上，藏 l 入了复鼹壤念。袭扰之 前，软件复用处于萌芽期，人们对软件复用的认识源于对数据( 程序) 共享的需求。那时，人们产 生了在离系统中菸享巢黧程序片段戆戆法，著尝试了疆痔和数据耀分离静簸法。隧着数据 库技术的不断成熟和发展，逐渐实现了在不同系统间共享数据以及某些与数据密切联系的程 穿毅，魏时的子程痔体现了复臻的恩怨。在其后豹菠震过程孛，奢许多复鞠按来的研究成果和 成功的复片j 实践活动。但媳，复用技术在撼体上对软件产业的影响却并不尽如人意，这是由于 技术方面和非技术方面的种种因索造成的，其中拽术上的不成熟怒一个主要原翻。近十几年 来，蕊向对象技术出现并逐步成为主流技术，为软件复用提供了基本的技术支持，款 牛复心研 究重新成为热点，被视为解决软件危机、提高软件生产率和质量的现实可行的途径。 “”“2 、 i 邓 软件复用概念提出后得到了广泛的成用，例如对子程序的复用、对一般类的复用、对编 译器翡复搦簿等。较搴 憨 譬概念黪挺基鸯软 孛复蹋提供了技术基础，献琵使软 孛复翅褥烈了 更为普遍的关注。1 1 4 15 1 尽管软锈：复鲻方法煮缀多霉孛，有麴甚至已有了耽较盛功酌应蠲，弼子程序法、程序生藏器 等。但面向对象的软件复用方法咀萁独特的特点一将复用构件的构造技术、复用技术、修改 技术幕| 合成技术有椒地揉台在一起，蟊益g 起入们的注意+ 面向对象方法审酶对藩( 类) 跫复厢 构件的一种雏形：类和类继承是强有力的复用机制；继承和重载是复用构件的修改技术；继 承和消息传递是复硐构件合成新构件的构件合成机制。i l 。“。7 】 软件复崩是软件工程的一个重要的研究课题，它的提出是为了解决软髂的野发效率和软 件的可靠一睦游问题，因而较件复用对上述问题提供了非常好的解决方法。特别是特定领域的 软件复趟，蠹义重犬。软l 孛复魇是摆在软馋系统的舞发孛，全郝戏部分熊、经过修竣或不经 过修改地使用已有的软件资源的过程。软件资源可以是原代码片段、设计结构、模块级实现 结锪、勰格说明、文档窝变换程序等。娶藩，软转复瘸的对象包瑟较静舜发过程中镬蠲的各 种资源及其凝个过程，如软件需求规约、软件系统构架、设计、算法、程序代码、测试过程、 文毯、镢壤辩谖、镀凌翟檠、开笈经验等。陋捌 1 2 。2 设诗模式 模戴燕物造笺祭系绞嚣毒瓣重要链晕憋在葵缝麓域中鼗认礴，c h r i s t o p h e ra l e x a n d e r 嚣珏他 魏羁誊翻可魏最毙疼模式话富( p a t t e r nl a n g u a g e ) 斑髑手蠛枣建筑镶域，链静憋棼靼冀魏a 戆 贡献融经根横予面向对撩软件界。软件辨第一次集体研究软 牛体系结构娥在o o p s l a 9 1 大会审魏一次讨论会上。遮敬讨论会豹缡写了一本软 孛髂系绥擒手瓣。1 9 9 4 年8 胃嚣爨= 了 茶一嚣程穿模式谣言走囊，主要是建立个将辕髂经验文档纯豹群律。k e n tb e c k 是鞔静器 中首先倡导学习c h r i s t o p h e ra l e x a n d e r 的上佟蛉搬驱者之一，在1 9 9 3 年他开始在 ( t h e s m a l l t a l kr e p o r t 上撰写关予s m a l i t a l k 横式魏一巾专栏。j a m e sc o p l i e n 酶 a d v a n c e de + p r o g r a m m i n gs t y l e sa n di n d i o m s ) ) 书中播述的模式受船释对c + + 语京；两且还镪畲了许多 憾层麴模式，疆蘸健正农礤絮鲻采撩述软件开发缀缆中a 的角魍鲍模式。e r i c hg a m m a 媾士 在蕊撼士诡文审慰设计模式遴褥势类整蔓辍，在毽魏 d e s i g r t p a t t e r n s - - - - e l e m e n t so f r e u s a b l e o b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r e ) ) 中总结了2 3 个设计模式。1 2 u 黔谓设誊十攘戴，籀逮了令杰我稿鞠疆不辑羹藏发生瓣瓣麓，蔹骚该鹈鹱弱簿跌方裳澎 援心。这稃，舔裁缝一凌叉一次建装躅该方案嚣不妊骰薰囊劳礴；设谤模式缓太嚣j 可辨更热 简单方便地复硝成功的设计和体系结构，将已证实的技术袭述成设计模式也会馒新系统开发 豢受翻容荔壤瓣篡设诗惑路。滢诗模式帮韵舔激蠡露零予系统簸稼餐涟耩，避兔设计羧害了 蘩统靛复蠲憧。竣褚一溪蔑蓑慧能够掇毫甚宥系缝匏文挡管理和系统缭护瓣鸯教我，可l 三l 帮魏 设计赣更快雯好地完成系统设计。德丽京之，软件鞭域中的设计模式为殍教人员提供了一种 往翊专家设诗经验豹有效途释。 2 、2 2 1 设幸 模式主爱解决蕊自对客设计嚣经常撩鲻的璐下滴藤：如僻葶筏合遣盼对黎、决定对 象的粳度、撰定瓣象接霜、播述瓣壤的实现、运嗣凝蠲枫潮、关联运抒时秘缡泽时瞧续桷、 遗虑翱支掺系统的变纯棼。 1 3 诗冀飙辅勃教学实验) t 。3 1 在教学中的佟建及发震趋势 计算机辅助缴学( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 作为一静现代优的教学技术，越米越 受到入楚藏视。c a i 楚剥粥 冀机 荤为主要拍教学媒髂来进褥数学活动，帮剩翔诗冀巍采 辅韵教师执行教学。计舞机不仅能麓现举纯斡文字、数字簿字符教学信息，而盥还麓输出动 瓣、禳颇、麴像鞘声毒，疑饕嚣容器傲剿教学镶崽的冒、文、声菪蔑，这秘多维立体靛教鸯 燕惠传攒，滢强了倍惠熬真实惑帮表现力。爨乡 ，计算鞔 窜为教学臻棼，学生可裁髑定麴 输入、输出设备，通过人机“对话”的方式进行学习。逡种人枫交互份用怒计算机这种媒体 毒 所特有的，这些魑幻灯、电视等单向电教媒体无法比拟的，c a 己发挥出越来越大的作用。 1 2 3 计算橇辅劲教学箨为计冀辘静一个斑耀壤域，也跫一释赣的教育接术。随着近瓣计算梳 技术一日于攫般的发展，计算枧辅助教学也得到了长足发展。多媒体技术的应用使教露软 牛 更具直观性，人机交互性也越米越好，利用这一技术计算机可以把一些事件、过程放慢( 或 加快) 、缩小( 或放大) ，使得一些在现实世界中较谁实现成较难观察的一媲事、物能在计算 机主耩准实蠛，健学生能簌不同角度、整壹麓、更清楚圭蠹了解攀辏鹩本质嚣| 发髓过程。雨越 越来越多的教师利用现有的计算机资源和现成的教育软件，自强动手剁作课 牛、教寨，使谖 堂的气氛更活跃、讲课更生动、讲解更凇确清晰。另外，网络技术的兴起和普及又使得网j 二 教学、远程辅助教学开展起来，使教育逐渐不再受地域的约束，实现教育趸方便、更直接。 f 2 3 4 啦 ! 3 2 教育软件 俸失诗舞辊辅助教学躲一个重要组成帮分，教枣轻转逅糍也在遮速、挂太。教弯较镎鹱可 以为教师提供创作课件、教寨的平台，也可以给学生提供复习、预习的工具，对一些屡次较 高的学生还可以掇供探索创新的环境。从过去的单纯文字图像的简单软件发展到现在以多媒 体为主 冬可智能擀惩软锌平裔，为教育攀韭佟出了巨大羹献。 教育软传有训练型、资料型、谖 牛型、工县型和平台型多转类型。曩裁最好的切入点是 工具和平台型智能软件p ”。由于这类软件的开发有赖于人工智能( 主要是自动推理) 研究 的进震和商水平的策划、设计和编程人摄，科技含擞高，开发难度大且周期较长，一旦成功 虢会鸯缀衰瓣审场占喜率。嚣 ；摹教疼、学生、教育家帮国家教育部门虢工作入虽帮絮特这种 软件出现。但由于这方陋的人才稀缺，从事这类软傩开发的企业极少。 我国在过去十多年中，国家和企业为开发教学软件投入大鬣的人力和资金，造成低水平 的重复劳动。到翻前，谈起远程教育和计算机辅助教学，最大的闯蹶仍是缺少可崩的软件。 年复一年，犬家都在露姨教鸯较传精是。教育行政矮导姨一开始裁对软搏开发裹度重铙。受 什么精品的山现如此困难? 遂和教学工作的特点有关。 教书育人是县有创造性的_ 作。好的教师，每节课都会根据情形有自飘的讲法，体现自 甚麓教学风格。用一些嚣定的谋件演示代替教师是不现实的。谦侔酶捌作虽然碾取了巢些好 的教学经验秘方法，但不一定适台器她备校的具体馕形。矮啦，诲多老牺要求教学软错：是霹 修改、可分解、可组合的，希望将自己的知识、方法和经验添加到软件中去，使自己也是软 件的作者之一。其结果，花了大餐资源歼发出来的课件，很少被老师使用。 这是鑫j 予计冀祝软件专鼗天虽对教学静要求、缁节了解程发不够，深度静熬搓不准，导 数大部分开发出采的软传不徽适合激师和学生使用，两教9 啄在做课 牛和教寰时、学生农预习 和复习过程中又往往找不到合适的教育软件。因此教育软件如何研制才能适合大多数师生使 瑚建十分值得入们去思考的，这仍是今艏一段时间璧入霄j 研究的一个问题。f 3 ”4 7 5 1 3 3c a l 在国外物理教学中的使用和发展 国 黪裂是发达禽窳，由于葶尊学菝东毫度巍迸发达，鞫怒搜器设螯蛙供绘是十分充疆数。 在高校中，物理课室都配备了齐全宪整、现代、高级的实貔仪器，教师在授课时可随时做演 示实验，学嫩也允许使用这些设备去做自己设计的实验。弱外，学校述会发放一襄实验工具， 波学生“西家实验”l ”】。计算税的使翔在这麓国家中已经十分善及，在实验中雯多遣蠲计 算机采集物理量数据( 包括使用各类传感器及接口) 、控制实验过程、记录和处理数据，以及制 作基表、进行拟台分析铃，以及进杼辅助教学，主要集中予壹眭实验预习软件、模拟实验软件、 复习与自我检测软件等。不过他稍认为在普通物理实验中使用计算枫著非越多越好，因为i 年 多基本的物理思想的掌握、物理现承的观察、操作能力的培养以及基本的数据处理的思路与 簸力等，郡不戆也不应囊诗冀枧来完全 替。荚国筹实验塞戆计算据经嗣十分方便，餐惶们 也认为只有用了计算机能加深对物瑗原理的避解、对实验方法的掌握和对测量精度的提高时 才用计算机，而让学生实际动手去观察真实的现象，学会熬本的操作仍然是十分必要的p 。 麓予中学彩疆，由于教鸯髂铡静不同，其癌容跑国蠹篝攀镶多，虽多与其毪自然秘学舞蜜， 如：天文、地理等，结合讲授，因此中学阶段的物理实验也以看演示和实物操作为主p “。 二十世纪八十年代中期，美国国家仪器公闭( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n l 公司) 提出 了“虚掇仪器”豹概念，并提出了“软俘就楚仪器”静聪赢涕l ，庭镦经器系统方西豹较释 平台主要有l a b v i e w 、v e e 等，其中较具代袭性的是n i 公司的l a b v i e w ，它姓一套专为 数据采集和仪器控制、数据分 斤和数据表达聪设计鳇图形纯编程软件，主要用于模拟大型电 予方面豹彼器，解决传统仪器在对数据控翻、分析方面比较薄弱的问题，现广注应用于测鼙 和自动化1 ：业等方面o 。 1 4 中学物理实验 物理越* 一门传统的臼然学科。实验教学是物理教学的基础，它既是学生对物理认知的越 点，同时也蛙学生兴趣的重要培莽途径。既是难点突破的工具，也是知霹t 升华的藿要环节。 i 删 1 。4 。1 我国中学物理实骏现状 中学物理跨度大、覆盏丽广，巾学物理是一门实验性较强的谋稷，物理教师经常需要在 授课对通过疑体实验向学生讲解貔理原理，学生也要通过亲手做实簸来验证所攀物理知识， 但实物操作往往由于设铸陈旧、环境、条件及准备不足蛰原因而导致实验效果不理想，而且 瓣予秘理艇簿靛验证越蚕簌不弱角度( 知改变实验器耪静瘸蛙或壤减实验器材数茧彝静类 6 等) 和一定数量的实验来进行验证，课堂上的四十多分钟时间雉远远不够的。另外学生也只 能在课堂上、实验室内才能做实验，在谍余时间、实辍室以外的地方往往没有机会做也没有 条件做。因此中学物理实验软件就箍针对解决这蹙问题而出现的。 另外，物理是- f - j 实验性很强的学科。徽实验主器有鹾个目的，一是验证已知的规咎， 另个是发现新的规律。因此做实验不是说只做一两次就可以了，而是耍大餐地做，而且还 要不断地改变数据或增减实验器材的属性、种类和数鼹，来从各个角度进行验证。又如，一 位学生想验证串并联电路的电流和电压的计算公式。他可能先做一个用两个电阻串联的电路 的实验，然后又直接把这两个电阻并联起来做一次，之后又另外添加一个变阻器来观察阻值 变化的情况等等。这就要求物理实验软件能随时改变实验器材的属性，能随时增减各种不同 的实验器材。”4 蠡计算梳辅韵教学发释至今，舀有不少人尝试使拜j 计葬梳辅助物瑾实验的教与学。毽大 多数掇集中鲻于采集秘处理实验数据4 ”、毽矧多媒体翎撵工其模搭演示实骏现象8 2 1 溅制作 实骏瀑 牛l “。 1 。4 。2 咩f 学物理实骏软传 针对上面所提到的情况，开发中学物理实验方面的教商软件是非常有必耍且迫切。但现 有的关于中学物理实骑软件却不尽人意，主鼹有以下几种类型：1 、文本录入式。以文本显 示有关的实验原理、操作步骤等。有的还配有一些图片和语音。早期大多数的教育软件是针 对等轩生复习备考，和现阶段的一些简单的多媒体编辑系统均属于这种形式。只有潮定文字和 图片，与看课本其实没有多少实质性区剐p “。氍不生动形象，也没有任何炎活性是它的致 命弱点。2 、秘萄，录像式。戳动画或录像形式演示整个学习过程。现阶段流行酌f l a s h 动画 潮佟稻带有描藏录豫躲多媒体系统属于这释形式即j 。它生动、形象、戆蕊，一疆了然，容 易l ：大接受。僵豳定不变妻奄演拳，显褥嚣活性不够，褥篮傻鼹卷不能参与其中，交互性也不 强。另， 这些制髂多楚 壬谍教螂根据霉要自纛卷i 传的，傲的基本上是单个实骏，系统蛙不强， 丽且五麓八f 1 。3 、几何住图式。一些功能强大蛇智熊数学平台也魅生成一些几键性强的实 验如儿何磷板等，这些系统8 & 精确反映实验本质，灵活性强。不过对于几何性不强的实验 就不容易生成了，而且由子这类系统往往从一个点条直线出发生成，要求使用者对实验原 理、过程有深刻理解，而且对系统比较熟悉。这对于对实验和系统不大熟悉的使用者来说， 使用起来不够直接，窖易失去耐心。4 、工具式。以实验器材为基本单位，通过对实验器材 的组合来构造实验。如金华科仿真物理、化学实验平台等。这类软件中，实验构造过程不太 复杂，有一定的灵活性和交互性。值是这类软件的实骏工舆往往楚内置的，实验器材有的本 身就是撤据一些潦瑾制造矗j 来的，还在不断壹电改进发疆当中，而且当今科技发展迅速，新二【= 其艨出不穷，如巢系统内鼗的实验工其不畿满足使用，那么系统也就辛# 箱不大了。1 4 4 ) 另辨学生傲实验除了避过实验瑗象船深所学知谖良拜，男一重簧静作麓怒捷黼蕊察实验 躲戡力，妇读数、瑷蒙麴变化等，摇果鼹察实验豹能力低，则爨鼹察到的实验凌象也就不准 7 确。上述掰浚静这些开发模式蕊交骏软髂在遮方嚣基零上都没毒进行考塞。遥镬纛显示实验 现象时藏赢接绘出实验数据，至于学生是否能够懂褥如何邋过观察实验现象丽褥出芷确的实 验数据，就没有这方面的设计了。“1 1 5 本文王雅 要解决上述问题晟好有个公_ l ；纣的物理实验平台。平台上有各种器材，嘉6 鹰尺、游标 卡尺、电压袈、电池、电阻，也可以自己创建新器材放到上面，大家都可以轻松地用来做 实验或是制作自己的课件，各显神通。同一个器材可用于初中、高中甚至大学、中专各类学 校的实验袋潆份中。这大大减少了羹复劳动。 我弼提懑躲淤霹截建楚实钵攀元为基醢教遥用费囊餐娆平台裁是这样鞠一释实验较释。 它医别子其它实验软件或平台的戤篷要特征是实体可由平台构造生成，不是系统内置、固定 的，使用者可以根据各自的需要击构造相应的实体，然后通过对实体的自由纽合求构筑各种 各样的实验，从而使平台具有更高的灵活性和通用性。 我们所设计的中学物理实验乎裔( m p e p 。m i d d l e ，s c h o o lp h y s i c a le x p e r i m e n tp l a t f o r m ) 隶望女l 更大 & 发蘧使教垂摹靼学生在没有实验室雏骂壤或蜜毅塞条 孛不宠足静馕凝下，爨可通 过诗算毫| 1 避行实验操作，得到实验现象。不仅物理教师可掇攥授课需要嚣佟谦件，作淹课堂 上的辅助教学月j 其，而且学生可以随时随地做实验。除了课本上的实验，还可以通过对物理 实体的自幽组合生成其它的实验或生成想象中的物理实体来发现新的物理规律。使该平台不 仅可以辅导学生自学、提高实验观察能力，还给学生提供培养创新能力的实践与探索的环境。 尽管疆晒对象方法理论和技术笈嶷已丑趋完善，蕊虽簌软髂设计开发等报多穷嚣镬玛已 经+ 分广泛，髓瓣予秘理实验软露：瑟言却出予穆瑾学辩鑫鸯瓣褥赢，建容覆盏嚣j 显分数不 容易统一，举科分支既联系又相对独立等因素，一直很少髅潮该方法来设计。然丽正是由于 实验器材究垒来自现实世界，内释的广泛性，物理实验软件其实非常适合用面向对象方法及 相关技术柬威映它们之问的关系，这能更有利于物理现繇的表现，因此我们尝试使用面向对 象方法和技术来设计和实现上面提出的m p e p 系统。 本文下谣主錾是探讨对m p e p 系统的设 和实现过疆的工作： 第2 章：根据提出m p e p 系统的目的，提出该系统的具体性能要求。它们要求平台应 具有较高的灵活性、通用性和适应性：系统既可以创建、构造全新的物体、实验；对于已经 构造好的现成的物体、实验，系统也能直接提供给使用嚣使用，或修改成新的物体、实验。 这样，即使教学犬纲等产生变化，魄& 逮过修改已有豹实黢或重建实验载可媛方缓快捷遗适 瘟耨嚣要求，褥不嚣要对较舞平台俸经蘸改动。漭述了铮辩这些瞧能需求掰遴牙静憨俸设计 过程：运膈蕊向对象方法，对各种复杂、分散的内容进行分类整理与综合。并通过抽象得出 一系列相必的类。另外还给出了系统界面的设计。 8 第3 章：物理实验内容的广泛性和分散性决定了m p e p 系统应具有较高的灵活性，因 此也要求代码应具有较高的可复用性。为此在m p e p 系统的实现过程中，深入研究了e r i c h g a m m a 博士总结的多个设计模式，吸取其中的精神，在设计总体结构时根据系统特点，融 合了抽象工厂模式和工厂方法模式的思路，构造出一个适合m p e p 系统的总体结构设计模 式，使得在这个设计模式使用后，系统在实现灵活性的基础上还具有了较高的可复用性，从 而使后期开发的效率得以提高。另外，还讨论了运用状态模式对系统的基本图形类的优化， 以解决系统维护和扩充方面可能出现的问题。 第4 章：主要探讨在m p e p 系统实现阶段使用的几个关键设计、算法和处理，如：如 何对一系列相关类进行派生和多态性处理，以实现设计模式从而达到软件复用的效果；物体 在屏幕上的各种显示处理、整体和部分运动的处理以及物体问相互接触时的计算与算法：实 验报告和刻度通用性的结构设计与实现等。 第5 章：给出几个m p e p 系统可以实现的具有代表性的中学物理实验实例。 结束语：m p e p 系统的情况总结，和今后的努力方向。 9 第二章m p e p 系统的总体设计 2 1 m p e p 系统的性能要求 考虑到物理实验内容的广泛性和分散性决定了m p e p 系统应具有较高的灵活性、通用 性和适应性，根据系统提出的目的，提出m p e p 系统的具体性能要求如下： ( 1 ) 能实现中学课本中所要求的实验 作为面向中学的物理实验软件，m p e p 系统首先应能实现和处理现在中学课本上所要求 的3 0