（计算机应用技术专业论文）基于internet的远程教育中模拟实验的设计与实现.pdf

华中师范大学硕l 学位论文 基于i n t e r n e t 的远程教育中模拟实验的设计与实现 摘要 本文在综观国内外远程教育发展现状基础上，根据实验教学的特点，提 出了远程教育中模拟实验的概念及重要性，从总体设计思想出发，对其进行 了详细设计与分析，深入探讨了实现中的关键技术，并给出了数据结构 网上算法模拟实验作为设计与实现的具体例子。 关键词：远程教育，模拟实验，网上模拟实验，j a v a ，j a v aa p p l e t 华中师范大学硕士学位论文 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i nd i s t a n c e l e a r n i n g b a s e do ni n t e r n e t a b s t r a c t a f t e rm a k i n gac o m p r e h e n s i v ev i e wo ft h ed e v e l o p m e n to fw o r l d w i d e d i s t a n c e l e a r n i n g ，w e i n t r o d u c et h e c o n c e p t a n di m p o r t a n c eo fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n ti nd i s t a n c el e a r n i n ga c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p e r i m e n t t e a c h i n g s e c o n d l y , t h ed e s i g no fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nd i s t a n c el e a r n i n gi s p r e s e n t e di nd e t a i l f i n a l l y , w ed i s c u s st h ek e yt e c h n o l o g i e si ni t si m p l e m e n t a t i o n w i t hj a v ap r o g r a m m i n g l a n g u a g e i nt h i st h e s i s ，w ea l s og i v ea ne x a m p l eo fw e b - b a s e d a l g o r i t h m s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta b o u td a t as t r u c t u r ec o u r s e w a r e k e y w o r d s ：d i s t a n c e l e a r n i n g ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，w e b - b a s e d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，j a v a ，j a v aa p p l e t 华中师范大学硕士学位论文 1 1 引言 第章绪论 随着计算机与通信技术的发展，人类社会已经进入一个信息化社会，人 们的学习、工作与生活方式都发生了重大变化，尤其是国际互联网i n t e r n e t 的引入，信息高速公路的建立，与原本丰富多彩的多媒体技术一经结合，新 兴的计算机产业如雨后春笋竞相出现。 于是，作为教学体系的变革，基于i n t e r n e t 的远程教育便应运而生， 成为现代远程教育的主要形式。 l _ 2 开展基于i n t e r n e t 远程噶目哺的意义 1 2 1必要性和可能性 i n t e r n e t 的建立，信息化社会的到来，对人们的生活方式、学习方式、 工作方式产生了巨大的影响，人们迫切需要及时、准确地获取新的知识，但 由于时间、地点、知识基础等诸方面的限制，按照传统的把所有人集中起来 进行面对面教学的方式已经很难满足人们的需要，只有利用远程教育才能突 破时空的局限，实现教育资源的共享，满足信息化社会的需求。 另一方面，计算机多媒体技术和网络通信技术的日益成熟，为网上教育 提供了实现的可能。 1 2 2 网上教育的优势 传统的教学方式是教师和学生同处一室，进行课堂讲解、课后练习的方 式，枯燥无味，模式单调，不便于调动学生学习积极性，不利于充分利用教 育资源，教学内容的丰富灵活性受到很大限制，且局限于特定的时间、地点。 l 华中师张大学颇士学位论文 而利用i n t e r n e t 进行远程教学，由于网络本身的特点，号传统的预对面的 教学院鞍，存在许多饶势： 时效性 任褥镕惑里上爨，裁可潋实薅遂遂缝较疑有网终嚣l 户掰接受，这耱 时效性不会受时问和空间的限制，而且信息在网上可以用声、图、文并茂的 多媒体形式呈现，疑鼓，逶过网终进行远襁教弯蹩当今柱会侮搔毅技术藜捐 识最有效的一个途径。 全球性 网络克服了时空的限制，任何用户不管身处世界何地，只需通过 i n t e r n e t 就可以获取所需的各类信息。通过网络进行远程教育，将各类教 肖信息资源置于网上，就可戬在全球范潮内实施知识的传递与交流，不仅使 人们“一机在手，可闻天下事”，而且促进了全球科技文化的交流合作。送 楚传统教学方式掰不可魄缀静。 共享性 弱终佼信怠瓷源可毅在整赛藏圈瘫褥戳共享，这穗资源关享怒跨建嚣、 跨学科的全方位信息资源共享，怒任何一种其他媒体和技术手段所无法做到 懿，歪热疑疆的“鼷终上套取之不尽、爱之不潺熬痿惑炎源”。褒瓣上透露 远程教育，也就可以充分利用这一共享性，共享宝贵的知识财富和教学资源， 避免不必要魄浪费。 交互性 网络的信息传送是一釉双向的传送，任何一个用户既可以是倍感的接受 者，也可以是信息的发布者。丽鼹好的教学效果离不开教和学双方之问的砸 动作用，通过i n t e r n e t 将计算机相连实施远程教育，既可以利用计算机的 交互往，又可敬究分翻瑁网络酌交互往遗行双自传送，搞好学习交流裙讨论， 从而体现出它的优势。 个剽纯 网络使人们可以根据需要脊选择地接受信息，所以，通过网络进行远 程教寅，可l 冀使学生按令人黪震黉鞠末平寒选择学习内容、学习方式，碜定 学习进程，利于学生对知识的真正掌握。同时，社会的发展越来越多地要求 人岱1 有钝对性地遴牙令另纯学习，采用鼹上教育鲍方式，将l 传统瓣教学方 2 华中】i i i j 范大学硕士学位论文 式其有燹大酶昃活梅帮可选择襁。 正烂网上教育的这些优势，使得在远稷教学中，学生可以不在阀一教室 墨，露来垂不阑静国家、建区、学校，继露】可以在垂己方便瓣游阑、合遗懿 媳点，按照自己需骥的方式选择课程进行学习，课堂也不再煺由一个教师为 主，学生可以接受来自不问国家教授的指导，学难在谦堂上接受的不仅怒文 字和教雾萋夔漭授，述有更丰富、壹蕊熬多媒体痿爨，诗箨极瓣藏豹课堂不再 是被动地听讲，学生可以积极地参与到教学过程中，提问、发言、和其他的 攀生迸行讨论、协作学习。 裂嬲i n t e r n e t 实施远程教育，黢为壤莽人才提供了更嬲裹质量、惑速 度的强有力的手段，也解决了龛国范围乃至全世界范围内的教育资源共享问 憨。它瀚兴越，开诩了先避酶教育模式，为实瑰教育酶信惠化、网络纯、产 业化奠定了基础，尤其对我国僚息产业的发展有着重大的意义。 世界范围内，阅络时代信息化社会的至0 来厩步步推动学校教育改革， 蘩子i n t e r n e t 静远程教蠢逐澎发震怒来。 1 9 9 6 年8 月美国加制福尼距、得克萨斯等十个州共同创建了器州认可、 备高等院校承认课程学分的虚拟大学，学生在电子课堂中上课、考试并获得 学位迁书，铁褥歪凌拉开了嚣络远程教育豹序幕。嚣嚣美国缝寿鞠掰大学 允许通过网络修得学位，网上虚拟大学开出的课程已覆盖了蒜个主要的学科 领域，铡如，美国函家技术大学1 9 9 8 年夏季学年开设了仡学工程、桥梁工 稳、工蠢管理等1 6f 课程，威凄辛大学1 9 9 8 年夏季学年分袁数、文学、 教育、图书馆学和社会科学5 个门类开设了1 7 门课程。另外，加拿大、英 国等其它西方莺家电在大力开髅两络远程教育工作，翻鲡，秀日拿大西蒙福莱 士大学开设了地理学、历史学籼0 理学等2 8 门课程，英国的开放大学开设 了数学、农业、结构工程等1 1 门课程【1 1 。 冬嚣方发这国家裾滋，国内的湖络技术应溺工幸棼开震豹福对较晚，受 技术条件的限制，豳内在酋条覆盖全国的计算机互联网络c e r n e t 正式建成 华中师瓤大学硕士学位论文 后才开始进行网络远程教学研究工作，但发展相当迅速。目前从网上可查到 的信惠和各院校开放的对岁 鼹务蒋，国内清华大学、j e 京大学、上海交通大 学、华南理工大学、北京医科大学和湖南大学等高校已陆续在网上开展了远 程教育王佟。餐与嚣方发这藿家籀琵，农歼整楚瀑程静粪、涤程内容震量稻 澎式上还有一定距离。随着i n t e r n e t 在我国的迅速普及，远程教育作为一 个 # 常羹要豹应臻方超，将会蓬勃发震。 1 4 基予i n t e r n e t 憋西匿敦黻 联系教育学理论与实践，结合计算檄网络螅特点，远程教弯璧现出多耱 模式。 由于远程教商由三种教育需求因素决定，即：单点( 包括同一地点一群 受教育髫) 或多点提出学习请求：教学过程是接鼹式的菲交互式教学或讨论 式的交互式教学：教学申刹币和学生都在现场( 终端前) 开展面对面的教与 学或学警鑫选课 孛疆立学习，帮教学是实睁或j # 实时的秘。因魏，根据上述 需求因索可归纳总结出远程教育的八种教育模式，如图所示： f 交互性 沁 交互式 # 交互式 ；通讨 i 信模啦 实时非实时实时非实时 | 方式式 i单点 1234 l多点 5678 图卜1 遗程教育的教育模式综合表 模式1 ；单点交互实时教学 该横式是授漾教筛与单个站赢的学生进行交鬣式现场教学，包括如寤发 式教学、讨论课、答疑、习题讲评等。 模式2 ：挚煮交互 蜜霹教擎 4 华中师范大学颁士学位论文 该模式是单个站点的学生通过多媒体课件进行交互式学习，学生可以通 过多媒体课件和教师进行有限的对话和交流。 模式3 ：单点非交互实时教学 该模式是教师与单个站点的学生进行现场单向式教学，学生只能被动接 受而不能提问，这类似传统的课堂教学。 模式4 ：单点非交互非实时教学 该模式是单个站点的学生选择课件自学，不能提问和讨论，类似选择教 材自行阅读。课件可以是多媒体课件，也可以不是。 模式5 ：多点交互实时教学 该模式是授课教师与多个站点的学生进行交互式现场教学，多个站点的 学生和教师间以及各站点学生间能进行讨论、交流等。 模式6 ；多点交互非实时教学 该模式是多个站点的学生通过多媒体课件进行交互式学习，多个站点的 学生和教师间以及各站点学生间能进行讨论、交流，但不是现场实时的。 模式7 ：多点非交互实时教学 该模式是教师与多个站点的学生进行现场单向式教学，或称广播式现场 教学。 模式8 ：多点非交互非实时教学 该模式是多个站点的学生选择课件自学，不能提问和讨论。可选择相同 课件，也可以选择不同的课件。 按照学习的基本程式，即上课、看书、做实验、学习交流，远程教育又 可以分为： 网上教室：为了进行实时课堂教学活动，可以通过电子白板、电 子教鞭、电子举手建构虚拟教室，讲授知识。 网上多媒体课件：为了便于学生看书学习，可以通过上网浏览课 件，获取知识。集文本、声音、图形、图像、动画于一体的课件，不仅生动 形象，而且交互性强，大大提高学生的学习兴趣和学习效果。 网上模拟实验：为了完成实验教学，加深对知识的理解，需要模 拟实验环境，建立“模拟实验室”，进行人机交互的模拟实验演示。 华中师范太学硕士学位论文 网上学习交流：为了使在地理上分散的学习者协同学习，促进网上 学习：交流，教簿耱学生或学生之闯可戬随时随遗通过e - m a i l 、b b s 、公共讨 沦区、网上答疑方式进行问答、讨论。 1 5 小结 信息技术的发展，导致一种新的教育形式基于i n t e r n e t 的远程教 毒戆产生。它一缀诞生，便鼓强大浆钱势、多样熬形式迅速在全球震秀，开 刨了教学领域的新天地。 6 华中师范大学硕上学位论文 2 1 引言 i n t e r n e t 与多媒体的迅猛发展，使得远程教育蓬勃开展，而模拟实验 作为网上教育的形式之一，必将日益受到重视，成为连接网上教育与实验教 学不可忽视的手段。 2 2 1 必要性 基于i n t e r n e t 远程教育的发展，导致了建立网上模拟实验室的迫切性。 课堂、实验是教学的两个重要环节。在认知过程中，仅仅通过上课从教 材中吸取知识精华是不够的，还需要利用实验这一实践性环节，加深对知识 的理解，将理论知识转化成实践，培养观察和动手能力，而这些正是灵活运 用知识，进行科研开发，达到“活学活用”所不可缺少的。 网上教育集知识与学习于网上，同样不可忽视实验在网上教育的体现。 考虑到网上教育是通过i n t e r n e t 将计算机相连来传播知识，我们只有利用 计算机可实现的模拟手段，在交互控制状态下对某种现象或过程进行表现和 展示，力求在达到实验教学要求的基础上，展现计算机和网络教学的特色。 2 2 2 可能性 国际互连网的建立，多媒体技术、w e b 技术的发展，实验科学理论的成 熟，网络世界语j a v a 的出现，为网上模拟实验室的建立提供了物质基础。 相信随着各项技术的日趋完善，虚拟现实技术的引进，网上模拟实验将更加 生动逼真。 华中师瓤大学硕士学位论文 2 2 3 网上模拟实验在实验教学中的利弊 纵观实验教学的发展，经历了如下的变化： 匝垂困 ic a i 实验模式 i 网上模拟实验模式 图2 一l实验教学模式的发展变化 传统实验教学模式魁从教学内容的需蹑出发，设定实验目标、内容，在 镑合实验丽境裁定瓣实验室内，琴i 羯实验器材、滚备、装器，接爨安验步獗 进行实验，最后筠出实验报告。 按实验静类嬲不同，传绞实验教学模式呈瑷不网的形式。 按实验科目划分，实验可分为小学自然课实验，中学到大学的物理、化 学、生物以及其他如劳动技术、魄脑操作、职业技能训练筹科垦实验。出秘 秘的不同，确定实验内容。 按史验目标和能重点划分，实验可分为哩个类型：观察型、验证型、操 作登、搽索垄。其中，鼹察型实黢实验裔的镤l 重予观察实骚现象，加深对知 识的理解，培养细致观察能力，如植物谍中许多实验主要是用显微镜进行观 察。验疆整实验实验强蠡冬铡重予说明验 囊漾本中躺骧理、溪律，将理论联系 实际，如物理课中表现透镜成像规律的实验。操作型实验爽验目的侧重于操 佟，掌拨设冬、器毒毒皎馊鼹莠法，培养摄终援能、动手毯内，懿程：学深中实 验装置操作的练习实验。歪于探索型实验，实验目的是进行科学探索的尝试、 分袄，多半是出予礤究翔殓，在较裹屡次、领域实麓，翅瓣# 歪客疆突载 华中师范大学硕士学位论文 些生化实验。除了操作型实验以外，实验过程中一般都要通过改变实验条件、 参数，观察并记录实验结果，以供分析。 尽管实验种类不同，实验的具体形式不同，但传统实验教学始终离不开 实验室这一特定的环境，与实验设备、条件的优劣关系密切。随着计算机的 出现，多媒体技术的发展，产生了计算机辅助教学( c a i ) 实验模式。 c a i 实验是利用计算机来模拟( 仿真) 实验的环境及过程，让学生通过 计算机操作来“做”某一实验，从中学习和掌握本应从实验中获得的知识， 以代替或加强传统的真实实验【3 】。进行c a i 实验，可以脱离实验室的限制， 充分发挥c a l 个别化教学的优点，用人机交互方式改变实验条件，生动形象 地模拟演示实验现象，还可以运用模拟实验来补充因实验时间和条件限制造 成的不足，弥补一些不适于实际操作和观察的实验。 网络技术的发展，又带来了实验教学新的变革网上模拟实验模式 的出现。它是在c a i 实验基础上，加以改造，使之适于网络传输和教学，兼 顾c a i 实验和网上教育的优势。 与传统的实验教学模式相比，网上模拟实验具有其独特的优势： 1 交互性 网上模拟实验利用计算机提供较强的交互，学生可以通过键盘或鼠标设 定改变实验条件参数，根据实验参数，屏幕生动地显示该条件下实验现象， 由此学生可以清楚地观察到实验变化和结果。较强的交互使学生犹如在实验 室进行操作，能够随意调整参数，迅速看到结果，印象深刻，尤其适宜学生 的个别化学习。 2 可重复性 网上模拟实验可以随时随地调出 观察，保证了学生对重要部分的认识 的。 反复运行，便于对某些实验细节重复 这一实验效果是传统实验所不能达到 3 解释性 网上模拟实验可以在交互、反馈过程中进行同步的解释说明，指导学生 的实验，还可以利用网络教育的特性对实验进行教师答疑、学生之间讨论交 流。这种及时的解释、互相的探讨，大大提高了实验学习的效率。 9 华中师范大学硕土学位论文 4 实验内容的广泛性 圈上模叛实验不设搿疆模秘一般实验，还能够模接莱垡原奉无法蠲实验 手段直接观察的实验，如细胞的增殖，电磁波的传播，计算机算法的执行等。 对于委整特殊静窑验，黧设备要求穰奁瓣实验，娃及实验瘸籍长簸者有危险 性、有繇的实验，模拟实验更是棋高一着，解决了这一难题。 5 。共事性 由于是在嘲上进行模拟实验，必将具备网上教育的优势，能够使实验资 源获得全球共享。无论褒 可时褥逡，帮可以上网运行模拟实验，秀也不用受 实验设备、条件的限制。避免了涤源的浪费，也加强了国际间的学术交流。 6 便捷性 网上模拟实验能够随时随魏进行，便于学生迅速、侠捷地进行实验的 预习、操作、复习，甚至记录实验结果、处理实验报告。 网上模拟实验具有如此的特包和优势，它的建立具有开创性的意义，然 焉模熬实验并不等予奏实实验，与传统静囊实实验禚篦，它也有蠹痨静不避； 对于操作型实验，用模拟实验的方式，操作的是计算机，根本无法进行 实际操接按毙载训练，盘淡不上实验设备豹真正绶震。 对于探索型寓验，用模拟实验的方式，模拟和演绎的仅仅是由实验所获 褥救已觳娌律，势未与实际事物真正接魅，无法辩来知锾域进行尝渡探索瞧 的试验，毕竟现实世界怒真实的。 对予观察型实验，用模拟实骏的方式，虽然可以展示实验效暴，但与滋 生生的摆在眼前的实验现象还是不一样的，我们躐察到的仅仅是计算机中的 图片、动画，更谈不上培养实际溉察能力。不过，多媒体技术、虑拟现实技 术酶发麓会使这商面获得一定的改善。 另外，实验教学的目的还包括让学生培养严谨实验态度，掌握实验这 一攘索大蠡然熬手段，摸羧实验黉狠罐这戮“言传身教”麴作用。 鼹鼓，模数实验并不完全取代寞实实验，鼗然螽魏，宅锯戮英强夫魏 优势，开创了实验教学的新纪元。 华中师范大学硕士学位论文 2 2 4 网上模拟实验在远程教育中的地位和作用 网上模拟实验是远程教育中进行实验教学唯一可行的方式，是连接网上 教育和实验教学不可忽视的手段。 它的提出和建立大大促进了实验教学在网上的展开，填补了实验教学 在网上的空白。它与网上教室、网上多媒体课件、网上学习交流这三种远程 教育形式合为一体，为全世界上网者提供了一个较全面的学习环境，虽然 “足不出户”，却可以通过电脑共享最好的学习资源，拥有最好的老师，在 同一实验室“做”实验，虽然相隔甚远、互不相识，却可以就学习问题进 行讨论交流。 建立网上模拟实验室具有如此的优势和重大的意义，吸引了国内外计算 机界和教育界的注目，纷纷进行尝试和摸索，试图建立一个能够满足实验教 学要求，激发学生学习兴趣，提高教学质量，同时又具备网上模拟实验特色 和优势的网上实验室。 虽然如此，网上调研的结果表明，目前，网上模拟实验的发展仍处于不 够成熟的阶段。大多数所谓的“实验室”采用影像、简单动画的形式。这 些尝试性的网上实验，一方面，交互性不强，不能操作实验，谈不上真正的 模拟，同步的说明解释不够，甚至没有，体现不了模拟实验的优势：另一方 面，网上效果不好，需要下载或等待的时间过长，上网费用花费较高，不利 于调动学习者的学习积极性。现阶段，w e b 技术的成熟、j a v a 语言的出现推 动了网上模拟实验的真正实现。 本课题正是基于此现状提出的，目的在于运用新技术改进这种现状， 从总体上、实例上探讨网上模拟实验的设计与实现。 未来，随着超媒体、虚拟现实技术的发展，模拟实验室将更加接近真 实的实验室，真切逼真、全方位地表现实验现象，向虚拟实验室发展。而且， 如果与遥操作技术结合，将模拟实验室与真实的仪器设备相连，通过操作模 拟实验室中的仪器来操纵真实仪器，势必开拓一个新的领域。 华中师范大学硕士学位论文 2 4 小结 本章首先介绍了建立远程教育模拟实验室的必要性和可能性，然后从 实验教学和远程教育角度讨论了建立的意义和利弊，最后，简述了网上模拟 实验的发展现状和前景。从中可以看出，网上模拟实验的提出具有开创性的 意义，但尚处于尝试阶段，需要加强与改进。这也正是本课题提出的背景及 意义之所在。 华中师范大学硕士学位论文 第三章远程教育中模拟实验的总体设计 3 1 引言 远程教育中模拟实验室的建立意义重大，在分析了它的利弊和现状之 后，如何对它进行合理设计，扬长避短，利用已有技术，创造最好效果，成 为当前要解决的首要问题。 3 2 设计目标 网上模拟实验是利用计算机模拟真实的实验环境，在交互控制下对自然 现象和规律进行展示，并通过网络使全球共享的实验教学方式。它与传统的 实验教学方式相比，有交互性、可重复性、解释性、实验内容广泛性、共享 性、便捷性等优势，但存在一些不足，对操作型、探索型实验，我们很难通 过模拟完成实验目的，但对观察型实验，我们可以通过科学的设计实施来尽 量达到实验要求，对最适宜模拟的验证型实验，我们同样要合理安排设计， 提高教学效果。 基于上述情况，从网上模拟实验的宗旨教育出发，我们的设计目 标应该定位于满足实验教学的要求，符合教育心理学，激发学生的学习兴趣， 提高教学质量，体现其强大的优势，改善其可能的不足。 具体来说，在网上模拟实验设计中，应该使其能在交互控制下实现对现 象、过程、内部机制和原理的演示，易于学习者对实验现象、结果等进行观 察思考和分析研究。一般应达到如下要求： 1 科学合理 能够完全反映真实现象的整个过程，仪器设备、装置及所呈现的现象 显示逼真，模拟过程科学，设计合理，结果真实，数据可靠等【4 】。 华中师范大学硕上学位论文 2 可重复 能够对实验现象的展示进行多次重复，利于对现象的规律、规则、理论 进行详细深入的探索和研究。 3 必要的解释 有必要的说明解释，包括实验目的、原理、内容的说明，同步的说明解 释以及启发思考、使用指导、帮助信息等，使学生明确实验目的，正确地操 作、及时地获得解释，并启发他们的思考。 4 较强的交互 交互性是网上模拟实验必不可少的部分，否则谈不上操作实验。设计要 能够提供学生对条件参数的改变、现象展示的控制，以达到智能化模拟，真 正地“做”实验而不仅仅是“观”实验。 5 生动形象 针对观察型实验，要进行逼真地现象展示；针对难以理解的验证型实验， 要进行生动形象的设计安排，在合理展示原理的前提下，使学生兴趣盎然地 接受知识，“趣味学习法”就是这个效果。 6 网上效果好 设计中，必须考虑网上传输效果，做到现象展示清晰连贯，传输等待时 间可接受，面向广大的上网受教者。否则，即使自我感觉良好的设计，由于 网络传输的原因，也会被埋没，无人问津。 3 3 基本设计思想 真实实验的进行过程，一般是先预习实验，掌握实验要领，然后按实验 步骤，设定实验条件，观察实验现象，记录实验结果，实验结束后，整理写 成实验报告。 从设计目标出发，根据上述分析，可以将整个设计分为两部分：实验 说明部分、实验过程模拟部分。实验过程模拟部分又可从交互控制和现象展 示两方面进行设计。 这样，整个设计可用如下的图表示： 1 4 华中师范大学硕士学位论文 图3 - 1 总体设计模块图 1 。安验邋骥罄分 作为模拟实验设计的辅助部分，它的设计目的是为了通过说明介绍，让 学生拖籍明确的实验目的，正确圭l 亟进行操作，并按要求完成任务。 麸内窖上，实验说明部分痕包接实验爨戆、原理、内容麴说明，实验擐 告要求、思考题，以及使用指导等。由于模拟实验的设计毕竟不完全等同于 真实实验，界面操作盼霞蒂措簿是必不可少静。 设计要体现正确、清楚、撼浩。 2 。实验过程模羧部分 作为实验模拟设计的主要部分，它的设计目的是为了实现对实验过程的 真正模拟。它的设计好坏真接关系到实验的效果。 设计中要宠分髂瑷文设计鞭标要浓豹六壤踉粼：秘学合理、哥重复、蠢 必要的解释、较强的交互、生动形象、网上效果好。 由于实骏过程般由操作与观察两个环节组成，可以从交互控制与现象 展示嚣个方嚣进毒亍设计； 交互控制 较强的交互往是模羧实验设计的疆标之一，没有交互，就谈不上真难的 模拟。只有提供较强的交互，才能让学生在计算机上“擞”实验。 由于实验中首先要进行条件设定，包括对条件、参数的选定、设置，对 星 。，。l詈 习叵 华中师范大学硕士学位论文 仪器、设备的选用、调试等，所以，交互控制的一个首要任务就是提供对实 验条件的设定。 条件设定的具体项目、数值要科学合理，为实验进行所必需。我们可以 在明确实验目的的基础上，认真研究实验原理与内容，确定主要的参数、变 量、条件，以供设定。 考虑到模拟实验中现象的观察与展示不是自然形成的，是通过计算机模 拟的。为了清楚地“观察”实验，需要在交互控制中提供对现象显示进度、 速度的控制。 考虑到计算机模拟不是真实的实验，可以采用多种方式展示现象，加强 学生对实验的理解，提高教学质量。这就需要在交互控制中提供对现象显示 方式的选择、控制。 另外，在交互控制中，出于同步解释的需要，操作设定后，应给予必要 的说明提示。 以上，讲述了交互控制设计中比较常见的要求，根据不同学科不同实验 的具体要求，交互性的具体内容有所不同。但总的说来，交互性越强，越真 实有效，模拟实验就越有吸引力。 现象展示 现象展示是模拟实验中用于展示实验现象的部分，没有现象展示，就谈 不上观察实验。现象展示的效果直接影响到学生对实验的理解。 现象展示要求将模拟的现象真实地表现出来，所以首先要科学合理。对 观察型实验，现象要尽量符合实际，真切逼真；对验证型实验，现象展示要 利用简单形象的模型，正确地展示。 为了体现生动形象，可以采用多媒体技术、以多种方式多角度进行现象 的呈现。 为了体现同步解释，在设计现象展示部分时，可以配合一定的解释说明， 具体形式不定。 值得注意的是，为了使网上实现的效果好，我们的设计只能在充分考虑 网上效果的前提下进行。 交互控制与现象展示是实验过程模拟设计的两个主要方面，在实际的 应用中，它们是穿插进行、紧密配合的，共同完成实验的模拟。 华中j j i l j 范大学_ 硕士学位论文 3 4 小结 通过以上的讨论，可以看出模拟设计的一般要求，由于不同的学科有其 自身的特点，设计时应根据实际情况进行篡体的处理，但总体的设计目标是 致麴，鞠交互控露戆力溪强，摸数过程要涛敷、正确、形象、可霆复、可 解释，模拟的网上效果要好。 华中师范大学硕士学位论文 第四章远程教育中模拟实验的详细设计 4 1 引言 在总体设计指导下，我们便可以对远程教育中模拟实验进行详细设计， 从而为最终实现做准备。j a v a 这一网络世界语的出现及相关技术的发展， 把计算机应用开发带进一个崭新的空间，也为网上模拟实验的最终实现提供 了可能。 4 2 编程语言及工具的选择 4 2 1 编程语言的选择 j a v a 是一种非常年轻的语言，它的出现是计算机信息交换的一个重要 里程碑。它一经推出立即引起世界信息界的关注，现在，已被广泛应用于商 业、航空航天、科学研究、教育等领域，并导致网络的发展迈入一个新的纪 元。j a v a 的出现和应用将使基于i n t e r n e t 的远程教育跨上一个新的台阶， 并对其产生深远的影响。 j a v a 作为一种新的编程语言，秉承了现有编程语言的优秀成果，脱胎 于c + + ，并作了大量的简化、修改和补充，具有简单、面向对象、安全、结 构中立及与平台无关、多线程等优良特性吲。 1 简单易学 j a v a 的概念 e 较少、语法简单，其编程系统与c + + 相近，而且舍弃了许 多c + + 中很少使用、难于理解的、容易泥淆的特性，如取消指针概念等。学 习j a v a 既轻松又有趣。 2 面向对象 面向对象设计是一种以数据( 对象) 及其接口为重心的程序设计技术。 j a v a 支持面向对象的程序设计方法，除了一些简单的数据类型如数值型、 华中师范大学硕上学位论文 布尔型外，大多数成份均为对象，具有面向对象编程语言的封装性、多态性、 继承性和动态联编的特征，具有很强的适应性。 3 分布式 j a v a 有一个很完善的程序库，且很容易与t c p i p 网络通讯协议相配 合。这使得在j a v a 中比在c + + 中更容易创建网络连接。j a v a 应用程序可以 借助通用资源定位器u r l ，在网络中开启和存取对象，就如同通过u r l 连结 使用一个本地文件系统一样简单。 4 网络安全性 设计j a v a 的主要目的是用于网络分布式的环境下，因而安全性就显 得很重要。 指针的取消使应用程序不荐可能非法访问数据结构或存取对象中的私有 数据，所有对内存的操作都必须通过对象的实例变量来实现，从而关闭了绝 大多数病毒活动的大门。 浏览器采用j a v a 字节码检验技术，对下载的j a v a 字节码程序，数据类 型均有严格可靠的定义，程序执行前可被检验。 5 结构中立及与平台无关 j a v a 虚拟机j v m ( j a v av i r t u a lm a c h i n e ) 为j a v a 语苦的运行，定义 了一个通用的、与具体硬件软件平台无关的虚拟计算机。j a v a 的编译器 能生成一种结构中立的文件格式，称之为“字节代码( b y t e c o d e ) ”，即虚 拟机的指令代码，而不是机器代码。 j a v a 系统提供类扩展库，以访问基本操作系统。使用这些类库之后，j a v a 程序可在支持j a v a 的任何平台上使用。程序运行时，利用平台上的j a v a 解 释程序，即j a v a 虚拟机的仿真运行程序，对字节代码实施解释性运行。 6 动态性 j a v a 比c c + + 更具有动态性，更能适应时刻变化的环境，它不会因程序 库的更新，而不得不重新编译程序。j a v a 程序的基本组成单元为类，而j a v a 的类又是运行时动态装载的，这使得j a v a 可以在分布环境中动态维护应用 程序及其支持类库之间的一致性。可以在j a v a 的类库中加入新的过程和实 例变量而不会影响用户程序的执行。j a v a 的动态性还表现在它通过接口来 支持多重继承，因而比严格的类继承更为灵活，也更利于扩展。 j 9 华中师范大学硕士学位论文 7 多线程 所谓多线程( m u l t i t h r e a d i n g ) ，指的是系统同时运行一个以上的执行体 的能力，j a v a 在系统级和语言级提供了对多线程的支持，使程序可以并行 运行，大大提高了系统的效率。在多线程中，较难处理的是同步操作，但j a v a 提供了最易于使用的同步特性，因而，用j a v a 可以轻松地实现网络上的实 时动态交互控制。 正是由于j a v a 的这些优良特性，使得它的应用改变了i n t e r n e t 上教学 软件分发的方式，可以”一次写成，随处运行”；较好地解决了网络教学环 境的平台问题，充分利用网上教学资源，可以“在家学习”；成为一种网 络教学软件开发的世界语，使远程教育成为现实：革新传统教学模式，并成 为网络教学系统的最佳解决方案。 尤其是用j a v a 编制的教学软件可以做到多媒体的、交互的、易于维护 的、适合网上应用的、与平台无关的，它的出现，给网上模拟实验设计带来 了崭新的机遇。 首先，j a v a 支持多媒体和超媒体教学软件设计。作为w e b 页面制作工 具的h t m l 超文本标记语言精于实现静态的超文本，但没有编程语言的功能。 用j a v a 编制的a p p l e t ( 小应用程序) 嵌入h t m l 后，由于j a v a 字节代码 与平台无关，实现了与h t m l 的无缝联接，使w e b 页面有了真正的编程机制。 w e b 浏览器也不再是纯粹的信息检索、浏览工具，而是一种界面丰富、交互 性强、能实时更新数据、处理图形图像、音频、动画等多种媒体信息的强有 力的工具。 在j a v a 中，可以直接载入并输出的图像格式有g i f 和j p e g 两种( 不支 持b m p 格式) ，只要给定图像文件的位置和文件名，就可以通过g e t i m a g e 这 个方法载入所要的图像，并且可以通过载入图像数据和控制放映速度来产生 帧动画。 在声音方面，可以利用j a v a 所提供的方法，方便地进行声音片的装载 和播放。 在动画方面，可以提供用j a v a 语言自行绘制图形实现动画和多幅图像 动画显示两种表现形式，而且通过在w e b 页面中嵌入j a v aa p p l e t 动画， 用户可以对动画进行操纵和控制。 华中师范大学硕士学位论文 其次，j a v a 能很好地支持图形用户界面g u i 设计。j a v a 小应用程序可 以让起始页和浏览者之间进行交互。“事件”是交互程序设计的基础，在j a v a 中，所有事件都定义在类e v e n t ( j a v a a w t e v e n t ) 内，这些类中提供了可 能发生的鼠标事件和键盘事件，同时j a v a 也提供了事件处理程序 ( h a n d l e e v e n t ) ，使编程直接一步到位而不必写一大堆的方法。这些事件及 其处理程序，对一般的应用程序而言，是再平常不过了。可是，一般在w 晰 的起始页上却无法达到这样的功能。有了j a v a ，就可以为自己的起始页加 上交互功能，增添实用价值。 所以，我们选择j a v a 作为网上模拟实验所采用的编程语言。 4 2 2 开发工具的选择 许多公司为编程人员提供j a v a 编程工具，最著名的四家是s u n 、 m i c r o s o f t 、s y m a n t e c 和i b m 。 s u n 公司的j d k 是最早推出的命令行式开发工具，目前拥有较多用户， 但对程序开发不太方便。j a v aw o r k s h o p 是该公司推出的全部用j a v a 实现 的集成开发环境，它具有平台独立性、可扩展性，但运行速度慢，调试也不 太方便。 s y m a n t e c 是第一个推出具有完全特性的集成开发环境的公司。它的产 品叫s y n l a n t e cc a f e ，是一个编译、运行速度快，能提供可视化构件的集成 开发环境，但编辑和帮助功能还不够强大，类似的工具还有i b m v i s u a la g e f o rj a v a 等。 v i s u a lj + + 是m i c r o s o f t 公司推出的j a v a 开发工具，它完全支持j a v a ， 但又扩展了j a v a ，与其他的开发工具相比，它有以下特点1 6 j ： 简单易用，界面清晰明了，联机帮助相当完备，拥有了几个非常 实用的w i z a r d ，如a p p l e tw i z a r d 、j a v at y p el i b r a r yw i z a r d 、j a v ar e s o u r c e w i z a r d 等。 拥有最好的源代码编辑器，查找功能非常强大。 拥有最好的源代码编译器，可以以每秒一万行的编译速度进行编 译。 2 i 华中师范大学硕士学位论文 拥有最好的d e b u g g e r ，它既能进行字节码级调试，也能进行源代 码级的跟踪，并具有调试所需的很多工具。 捆绑了一些第三方开发的j a v a 扩展类库，包括图形处理，数据库 应用等。 支持a c t i v e x ，这也许是v i s u a lj + + 对j a v a 最大的扩展。这样， 用户便可以利用各种各样现成的a c t i v e x 控件( 包括o c x 控件) ，组合成功 能相当专业的应用程序。 正因为以上特点，v i s u a lj + + 一经推出，就受到了国内外广大j a v a 开 发人员的欢迎，我们也选定它作为j a v a 的开发工具。 在基本设计思想中，我们已提到分两个部分进行设计：实验说明部分、 实验过程模拟部分，那么在确定了j a v a 作为编程语言之后，如何对主要功 能模块进行具体设计便成为首先要考虑的问题。 4 3 1 实验说明部分设计方案 作为模拟实验设计的辅助说明部分，实验说明部分主要包括实验目的、 原理、内容的说明，实验报告要求、思考题，以及使用指导等。所以，可以 考虑在w e b 页面中，用超文本标记语言h t m l 进行显示说明。设计要体现正 确、清楚、简洁。 h t m l 代表超文本标记语言( h y p e rt e x tm a k e u pl a n g u a g e ) ，是w e b 页 面的说明性文档，标明了w e b 页面的信息内容及显示方式。当用户用浏览器 与w e b 页面链接时，w e b 服务器通过网络把相应的h t m l 文档发送到浏览器。 由于h t m l 文档本质上是一种纯文本文件，它可以用任何文本编辑器进行编 辑，但同时也可以用f r o n t p a g e 等专用的h t m l 编辑软件进行设计。 4 3 2实验过程模拟部分设计方案 华中师范大学硕士学位论文 实验过程模拟部分，实现对实验过程的模拟，可以使用j a v aa p p l e t 进行设计开发。 j a v aa p p l e t 是j a v a 小应用程序，作为一种特殊的j a v a 程序，它通常 通过支持j a v a 的网页浏览器下载后执行。要观看它的效果，离不开一个必 要的h t m l 文件，来包括c l a s s 文件( 编译后的j a v a 文件) 的名字、地址以 及如何显示a p p l e t 等信息。在h t m l 中添加a p p l e t 信息，可以在网页中实 现特别的应用。 在具体设计中，由设计思想中提到的可从交互控制、现象展示两方面 出发考虑。 交互控制主要包括交互操作、系统反馈等。根据j a v aa p p l e t 的编程 特点，可以进行图形用户界面g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 的设计，利 用a w t 类库中的g u i 组件类，以向c o n t a i n e r ( 容器) 中添加c o m p o n e n t ( 组件) 的方式，在界面上增加按钮、标签、文本区、复选框、列表框等，并可设定 相应的事件处理。 在设计时，从实验内容模拟需要出发，要注意的是： 界面布局合理，美观大方 简洁方便，便于操作，便于控制 组件主要为实验条件设定服务，要科学合理 组件形式恰当合适，适合实验模拟的需要，适合用户学习心理 说明解释性强，有必要的用于解释性反馈的组件 事件响应正确、及时，符号实验的原理，反馈及时 配合实验现象展示控制，要有必要的组件形式 现象展示用于展示实验现象。根据实验目的、内容的不同，实验现象可 以分为动态、静态两种，下面我们分别考虑： 对于静态的现象，如果是强调真实观察的，如植物课中观察植物细胞的 实验，可以在j a v aa p p l e t 编程中，进行现象展示时载入显微镜下的细胞图 像，如果是强调原理状况的，可以在j a v aa p p l e t 编程中，进行现象展示时 采用j a v a 自己绘制的图形。在图像、图形的选择、制作中，尽量形象生动、 逼真、清晰，载入等待时间不易过长，同时与交互控制配合好。 对于动态的现象，如果是强调真实观察的，如化学课中观察化学变化的 华中师范大学硕士学位论文 实验，可以在j a v aa p p l e t 编程中，进行现象展示时通过载入实验图像实现 动画，如果是强调原理状况的，可以在j a v aa p p l e t 编程中，进行现象展示 时自己绘制动画以达到示意说明的目的。为了使得动态现象展示效果好，要 注意做到动画连贯、无闪烁，等待时间不过长，画面真切逼真、形象生动， 动画制作科学合理，符合实验内容，而且能够与有关动画显示形式、速度、 进度的交互控制配合好。 另外，针对j a v aa p p l e t 编程中声音功能，还可以在现象展示中适当配 上声音，一方面，通过增添声效，使现象展示更为生动、有吸引力，但更重 要的是有些实验现象本身包括声音，如果加上它，岂不更能体现实验的真实 性。要注意的是，不可盲目添加，扰乱实验的展现，甚至由于声音质量的不 好，而影响网上效果。 总之，从设计目标出发，将各个主要模块整体配合好，把j a v aa p p l e t 嵌入到具备实验说明的h t m l 文档中，这样，以浏览操作w e b 网页信息的方 式，便可以进行网上模拟实验了。 4 4 设计实例：数据结构 网匕模拟实验 在详细设计中，由于实验的具体科目和内容的不同，网上模拟实验设 计方案也有所差异。 下面以网上课件数据结构中模拟实验为例，探讨一下具体设计方 案。 4 4 1 问题的提出 数据结构这门课程，历来是计算机专业的基础课和主干课，而且目 前在我国，数据结构已经不仅仅是计算机专业的教学计划中核心课程， 也是其它非计算机专业的主要选修课程之一。在计算机领域，它不仅是一般 程序设计( 特别是非数值计算的程序设计) 的基础，而且是设计和实现编译 程序、操作系统、数据库系统及其它系统程序和大型应用程序的重要基础川。 从内容上来说，数据结构内容较多，涉及线性表、栈和队列、串、 华中师范人学硕士学