（计算机应用技术专业论文）基于j2ee的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用.pdf

基于j 2 e e 的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用捅要实验教学是许多学科特别是理工科教学中的重要环节之一，实验教学相对于理论教学更具有直观性、实践性和创新性。虚拟教学实验室的出现，很好地解决了传统实验受时间、地点、设备制约的现状，为用户提供了一个自主实验的平台。虚拟仿真实验系统是一个融合了多种技术和思想的研究领域，将虚拟仿真实验室概念与教学实验相结合，是对常规实验领域的开拓和发展。论文分别从理论研究、仿真技术方法和应用开发三个层面对网上虚拟仿真系统的构建做了全面论述。着重讨论了网上虚拟仿真系统的理论架构、建模方法以及关键技术，并以“网上化学教学实验仿真系统一为例详细介绍了其实现方法。首先，从理论方面简单介绍了虚拟仿真实验室的基本概念，功能定位和基本要求，以及虚拟仿真实验室构建的基本原则和方法，并进一步讨论了网上虚拟仿真实验系统中的实验教学模型的组成部分，为后续系统的开发奠定了理论基础。其次，从仿真技术方法方面详细介绍了面向对象的可重用仿真技术和基于组件的仿真技术，着重介绍了基于j a v a b e a n 组件构建虚拟仿真实验系统的必要性和可行性。另外，就目前常用的仿真关键技术( 例如：j a v a 技术、y r m l 技术、f l a s h 技术、a e t i v e x 技术) 进行了比较。针对“网上化学教学实验仿真系统”，采用了j a v a s c r i p t + x m l + j s p + j a v a b e a n 的技术组合开发模式。j a v a s c r i p t 和j s p主要实现客户端动态网页的生成：煳l 主要用来描述客户端和服务器端数据交换模型；j a v a b e a n 组件技术主要实现模拟仿真的核心模块，包括仿真实验平台组件、虚拟仪器组件的设计与实验过程的仿真实现等。最后，从应用开发方面详细介绍了“网上化学教学实验仿真系统”是集实验教学、实验操作与实验报告于一体，实现了从辅助教学、自主实验到实验报告的网上提交与批阅的全程操作与管理。该系统具有良好的可设计性、操作的任意性和具有真实感的交互功能，可以让用户在逼真的多媒体“虚拟场景 中，利用各种“虚拟化学仪器”任意搭建实验装置，并通过“虚拟化学反应的过程”，实时得到仿真结果，从而达到良好的实验效果。论文的主要创新点在于：第一，使用掩码透明贴图技术实现虚拟仪器与虚拟实验环境在视觉效果上的无缝连接和自然融合。第二，使用j a v a b e a n 组件技术实现直接从数据库连接池中得到一个连接使用，使用完之后直接放回连接池。使用连接池不会让数据库的响应变得非常缓慢，从而影响服务器的性能。第三，使用j s p + x m l 技术使实验状态的保存和恢复设计功能具备了实现的可能性。关键词：虚拟仿真实验系统；建模；仿真；j 2 e e 组件技术；化学教学实验s t u d ya n da p piic a tio no nt h esim uia tio ns y s t e mf o rc h e mic aie n g 。n e e r e x p e r m e n t sb a s e do nj2eehemc ail n gin e e rin ge x p e rim e r i t sb a s e do nj 2 e ea b s t r a c te x p e r i m e n tt e a c h i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nm a n ys u b j e c t s ，e s p e c i a l l yi ns c i e n c e a n de n g i n e e r i n gs u b j e c t s c o m p a r i n gt ot h e o r yt e a c h i n g ，e x p e r i m e n tt e a c h i n gh a sc h a r a c t e r so fi n t u i t i o n i s m ，p r a c t i c ea n di n n o v a t i o n t h ev i r t u a lt e a c h i n gl a b o r a t o r yc a np r o v i d eas e l f d e t e r m i n i n ge x p e r i m e n t i n gp l a t f o r mw h i c hc o u l ds o l v et h ep r o b l e m so nt i m e ，p l a c ea n di n s t r u m e n ti nt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t s t h ev i r t u a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi saf i e l do fc o m b i n e dm u l t i t e c h n o l o g ya n dt h o u g h t s t h ec o m b i n a t i o no ft e a c h i n ge x p e r i m e n t sa n d v i r t u a ls i m u l a t i o nl a b o r a t o r yi st h ed e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a lf i e l d s t h ist h e s i sd e s c r i b e st h e v i r t u a ls i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nw e bf r o mt h r e ep a r t s ：t h e o r yr e s e a r c h ，s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n t h ev i r t u a ls i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nw e bi sd i s c u s s e dm a i n l yi nt h r e ea s p e c t so ft h e o r ya r c h it e c t u r e ，m o d e li n gm e t h o d sa n dk e yt e c h n o l o g y w ed e v e l o pt h ee x a m p l eo ft h ew e bb a s e ds i m u l a t i o ns y s t e mf o rc h e m i c a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t sa c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fw e bb a s e dv i r t u a ls i m u l a t i o ns y s t e m f i r s t l y ，s u c hb a s i cc o n c e p t sa n dp r i n c i p l e sa b o u tv i r t u a ls i m u l a t i o nl a b o r a t o r ya sf u n c t i o nd e s i g n ，d e s i g nr e q u i r e m e n ta r ei n t r o d u c e d t h e nt h ec o m p o s i t i o no fe x p e r i m e n t a lt e a c h i n gm o d e lo fw e bb a s e dv i r t u a ls i m u l a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d ，w h i c he s t a b l i s ht h eg r o u n db a s ef o rs y s t e md e v e l o p i n g s e c o n d l y ，t h eo b j e c to r i e n t e dr e u s a b l ea n dm o d u l eb a s e ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ej a v a b e a nm o d u l ei se m p h a s i z e dt op r o v et h ef e a s i b i1i t yo fc o n s t r u c t i n gv i r t u a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m b e s i d e st h a t ，w ec o m p a r et h ec o m m o nv i r t u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g ys u c ha sj a v a 、v r m l 、f l a s ha n da c t i v e x i na l l u s i o nt ot h es i m u l a t i o ns y s t e mf o r c h e m i c a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t s ，w ea d o p tt h ec o m b i n a t i o no fj a v a s c r i p t ，x m l ，j s pa n dj a v a b e a n j a v a s c r i p ta n dj s pa r eu s e dt od e s i g na c t i v ew e b p a g e x m li sm a i n l yu s e dt od e s c r i b et h ed a t at r a n s i t i o nm o d e lb e t w e e nc l i e n ta n ds e r v e r j a v a b e a nm o d u l ei su s e dt or e a l i z et h ek e ys i m u l a t i o nm o d u l ei n c l u d i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，v i r t u a li n s t r u m e n tm o d u l ea n ds i m u l a t i o no fe x p e r i m e n tp r o c e s s t h i ss y s t e mi n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so fe x p e r i m e n tt e a c h i n g ，e x p e r z m e n to p e r a t i o na n de x p e r i m e n tr e p o r t b e c a u s ei t si n t e r a c t i v ef u n c t i o n ，t h es t u d e n t sc a ns e l fd e s i g nt h e i re x p e r i m e n t sa n ds u b m i tr e p o r t s t h eu s e r sc a na l s op u tu pt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sf r e e l y ，g e tt h es i m u l a t i v er e s u l tt h r o u g hv i r t u a lc h e m i c a la c t i o ni nl i v i n gm u l t i m e d i av i r t u a ls c e n e s t h ec r e a t i v ep o i n t so ft h i st h e s i sa r es u mu pt ot h r e ep a r t s f i r s t ，t h eu s eo fm a s ko f fc o d et r a n s p a r e n ts tic kp ic t u r et e c h n o l o g yr e a liz e st h ec o m b i n a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dv i r t u a le x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t si nv i s i o n s e c o n d ，u s i n gj a v a b e a nm o d u l et e c h n o l o g yc a ng e tac o n n e c t i o na n df r e ei ta f t e ru s ef r o mad a t a b a s ec o n n e c t i o np 0 0 1 t h ea p p li c a t i o no fc o n n e c t i o np o o li m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fd a t a b a s es e r v e r t h i r d ，t h eu s e ro fj s pa n dx m lt e c h n o l o g ym a k et h es a v ea n dr e s u m eo fe x p e r i m e n ts t a t ep o s s i b l e k e y w o r d s ：v i r t u a ls i m u l a t i o ne x p e r j m e n ts y s t e m ；m o d e li n g ；s i m u l a t i o n ；j 2 e et e c h n o l o g y ；c h e m i c a ie x p e ri m e n t独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 洼! 垫邀查基丝益墨挂型直塑的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：嬉玲签字日期：加芎年易月弓日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：焦硷签字日期：沙3 年易月弓e t新擀7 彩别币? 呦签字日期砂降6 月) 日基于j 2 e e 的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用第一章绪论在人类社会进入二十一世纪之际，新世纪的主导经济一一知识经济己初见端倪。而知识经济的生命和源泉在于创新。作为推动知识经济社会进步的高等学校，创新的关键在于培养掌握现代科学技术知识的创新型人才，这样才能在知识经济时代左右逢源，立于不败之地。而对于高校教育三大支柱之一的实验教学来说，它担负的重任更是可想而知。培养学生实践能力和创新能力，理论教学固然不可缺少，然而实验教学却更为重要。目前，高校实验教学现状是不容乐观的。然而随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的发展，为现代化教学手段的实施提供了有力的媒介。为此高校应加快实验教学手段更新的步伐，运用先进的计算机技术对现有的实验教学进行必要的改革。目前，国内外有很多组织都已经开展了虚拟仿真实验系统的研究和建设工作，特别是在一些著名的大学和虚拟仿真实验室中，己经建好并投入使用的虚拟仿真实验系统也不少。教育专家预测，虚拟仿真实验将成为虚拟现实技术最重要和最热门的应用领域之一。1 1 研究目的与应用在现代教育中，实验教学占有非常重要的地位。实验教学是高等工科教育中一个重要的实践教学环节，对提高学生的动手能力，开发学生的创造力起着不可替代的作用。特别是近年来随着教学计划的调整和素质教育的深入，实验教学与课堂教学相衔接、相配合，就成为培养学生自学能力、创新能力，最终完成教学过程的重要环节，学生只有通过足够的实验操作和一定数量的综合设计性实验，才能加深理解和掌握该课程的基础理论和应用技术，也只有通过实验，才能将理论与实践很好地结合起来。在教育部高等教育司颁布的高等学校工科本科基础课程教学基本要求中明确指出：“实验是本课程重要的实践性教学环节，实验的目的不仅要帮助学生巩固和加深理解所学的理论知识，更重要的是要训练他们的实验技能，树立工程实际观点和严谨的科学作风”。为满足培养具有高素质、创新能力人才的要求，实验教学在不断地进行着改革。实验教学内容向综合型、设计型转变，教学手段多样化，各种教学媒体被引进到实验教学中来。实验内容开放，学生可在教师的指导下合理地自由选择，也可以自己申请设计性实验项目。实验教学方式从以专业、班级为单位的统一化转为因材施教的多样化开放式教学，实验室逐步做到了向学生全面开放。目前，国内各高校对实验课的教学，大都存在着实验形式、内容、要求越来越高与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾，实验保障条件的制约基于j 2 e e 的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。因此，开发研制网上虚拟实验室可以缓解实验仪器设备不足等问题，为进一步加强实验教学，提升实验教学对学生创新能力和实践能力培养的力度，同时降低实验教学对客观物质条件的依赖都有积极的促进作用。基于网络的虚拟实验作为一种新型的实验类型，具有比传统实验更为灵活多样的表现形式，在提高学生素质，促进实验教学技术手段创新发展等方面将发挥重要的作用，必将有力地推动教学内容与教学方法的深刻变革，是实验教学技术的发展方向。1 2 实验教学仿真系统的国内外发展情况1 2 1 国外研究现状国外虚拟实验主要以教学培训为目标，参与单位众多，覆盖学科面广。学校参与的项目多能得到国家级资金资助，发展十分迅速。( 1 ) v s l ( v i s u a ls y s t e m sl a b o r a t o r y ) 虚拟系统实验室【1 1始建于1 9 8 9 年，由c e n t r a lf l o d d a 大学教育训练研究院建立，其目标旨在提高计算机图形的艺术表现力以及改进仿真过程中的人机接口设计。目前，该实验室正在开展多项与虚拟实验相关的支撑技术研究，如虚拟实验环境中的网络及并行计算技术、复杂实验环境的实时物理仿真技术、低价图形仿真技术等；己取得了大量的研究成果，如设计并开发了第一例实时动态虚拟环境、第一例v r3 dc a d 虚拟设计系统等。( 2 ) l a a p h y s i c s ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s ) 物理实验室【2 】该项目获得美国教育部资金资助，由美国北卡罗来那大学g r e e n s b o r 。分校研制。项目的目标是在网上建立一个开放的、自由的物理课程实验室，并提出了“随时随地学习物理 的口号。系统通过j a v a a p p l e t 模拟各种实验设备( 测量设备与被测对象) ；能虚拟教师和虚拟学习伙伴进行交流( 教师进行指导、问答、评判，学习伙伴讨论，并能够给出意见) ；具有聊天室和b b s ( 与授课教师、同班同学交流) 以及评分系统( 通过数据库对学生操作的记录讲行评判) 。系统可运行在w i n d o w s ( x p 2 0 0 0 ) 或m a c i n t o s ho s x 平台。( 3 ) m o d e ls c i e n c e 的m o d e lc h e m l a b 实验室【3 】m o d e lc h e m l a b 是面向大学和中学普通化学的虚拟实验室。1 9 9 4 年就推出了第一版，现在( c h e m l a bv 2 3f o rw m d o w sc h e m l a bv3 0 3f o rm a co s x ) 己经发展的比较成熟完善，影响很大。可以进行多种实验的模拟，诸如，酸碱滴定、沉淀、反应动力学、比重测量等等。用户可以自己编订实验，并且通过m o d e ls c i e n c e的网站进行评价发布。( 4 ) e l e c t r o n i ct e a c h i n ga s s i s t a n t 实验室h一2 一基于j 2 e e 的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用美国c l a r k s o n 大学的r c d o f f 和j a s v o b o d a 用j a v aa p p l e t s 设计的基本电路教学课程e l e c t r o n i ct e a c h i n ga s s i s t a n t 让学生通过仿真的方法进行电路设计，调整了电路参数就可以立即验证实验结果。这个实验课程有助于帮助学生进行基本电路原理的学习。( 5 )v e t l ( v i r t u a le n v i r r o n m e n tt e c h n o l o g yl a b o r a t o r ) ，) 实验室【5 】由h o u s t o n 大学和n a s a j o h n s o n 航天中心联合建立。该实验室主要致力于虚拟现实技术在教育、训练、科学和工程数据可视化领域的研究和开发工作，目前已经取得了多项研究成果，主要有：1 ) 开发了一组功能强大的软件工具，非专业程序设计人员即可利用这些工具来创建多感知的、连接到特定硬件上的三维环境；2 ) 开发了多个虚拟现实宇航培训系统和对分散在各地的军事人员进行培训的系统；3 ) 研究虚拟现实技术在科学教育领域的应用，该项研究的最终目标是确定虚拟现实教育系统的设计原则。目前，该实验室的主要目标是创建一个具有高度交互性的智能虚拟环境。( 6 ) v r e l ( v i r t u a lr e a l i t ya n de d u c m i o nl a b o r a t o r y ) 实验室【6 1v r e l 实验室始建于19 9 2 年，由美国e a s tc a r o l i n a 大学、g r e e n v i l l e 大学和n o r t hc a r oli n a 大学共同创建。v r e l 倡导把虚拟现实技术应用于教育和训练领域，主要目标有：1 ) 确定适合于教育和训练领域的虚拟现实应用；2 ) 在世界范围内收集虚拟现实技术在教育领域的应用信息；3 ) 考察虚拟现实技术对教育和训练的影响；4 ) 尽可能广泛地发布信息。1 2 2 国内研究现状与国外相比，国内在虚拟实验方面开展的工作还不多。目前从网上可查到的信息和各院校开放的对外服务看，国内的清华大学、北京大学、上海交通大学、华中科技大学等高校已陆续在网上设立了自己的虚拟实验室。( 1 ) 北京大学计算机系设计的基于w w w 的网上虚拟实验室3 1 聊w l a b 盯1 是一种支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架。系统采用j a v a 编写，用户可通过界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过i n t e r n e t 传送到服务器端，服务器用来完成客户端要求的实验内容，并将可信的实验结果返回客户端。该系统已经初步实现了c a c h e 设计与流水线设计两个实验。( 2 ) 北京师范大学现代教育技术研究所研制的e v l a b 系统阳1 ，是一个基于虚拟空间的三维电子线路实验环境。通过该系统，学生可以掌握电子线路实验中常一3 一基于j 2 e e 的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用见的仪器操作方法，并对基本实验电路有更加深入的理解。系统采用了q t v r 和v r m l 相结合的方法构建。( 3 ) 中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台口1 。该软件将计算机技术、虚拟现实技术与物理实验教学有机结合，使物理实验教学进入一个全新领域。( 4 ) 华中科技大学机械学院建立了一个工程测试网上虚拟实验室n 伽，实现了测试技术课程网上仿真实验，学生可以通过联网计算机终端来进行仿真实验。系统采用j a v a 技术与虚拟仪器技术结合开发。( 5 ) 海军航空工程学院青岛分院研制的“微机接口网上虚拟实验室”n u系统基于a c t i v e x 技术，采用v x d 编程构建了一个虚拟微机接口实验室，使学生可以做微机接口电路的各种实验。总之，借助虚拟技术完成教学课程中的相关实验，具有实验效率高、设备费用低、实验内容丰富、使用方便、界面友好、集成性强、与计算机技术同步发展等明显的优势。因此，各类课程的实验教学纷纷采用仿真技术。中学的教学仿真实验系统研究与应用较多，如中学的物理教学实验、化学教学实验都有大量的仿真实验系统可以支持。相比较而言，大学在这方面反而较为落后，但近两年高等院校在这方面的研究与应用有显著增长的趋势。天津中德职业技术学校虚拟仪器在设备故障诊断技术实验教学中的应用，北京东方仿真控制技术有限公司的化工基本过程单元仿真教学系统s t s 都是很好的范例。教学仿真实验较多的集中在计算机制图、c a d c a m 、数控等较为新兴的领域，在机械制造相关的传统课程的实验教学方面研究较少。1 2 3 虚拟仿真实验系统的发展趋势( 1 ) 虚拟现实技术与仿真技术的有机融合。引入虚拟现实技术和自然人工场景技术，使用数字化仿真工具，可使操作者与虚拟仿真环境有着全面的感官接触与交融，使操作者有身临其境之感，用户使用虚拟原型交互仿真界面对虚拟原型进行操作。( 2 ) 提高虚拟实验室的“自适应性”。“自适应”是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。直观地说，“自适应实验 即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信息，并能自动改善其性能。( 3 ) 增加协作性。科学实验常常是一种协作性的活动，与同伴合作是实验过程基于j 2 e e 的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用中一个至关重要的环节，因此基于协作虚拟原型的协同设计方法将成为协同设计实现的二种重要思路。1 3 论文结构论文分别从理论研究、技术研究和应用开发三个层面对网上化学教学实验仿真系统的的构建做了全面论述。着重讨论了虚拟仿真实验系统的理论架构、实验教学模型设计以及关键技术，并以“网上化学教学实验仿真系统 为例详细介绍了其实现方法。论文共分6 章。第1 章为绪论。主要介绍本课题的研究目的和意义，国内外研究现状及发展趋势，课题的主要研究内容及其论文的组织结构。第2 章从理论层面讨论了虚拟仿真实验系统的基本概念，功能定位和基本要求，虚拟仿真实验系统构建的基本原则和方法，详细讨论了虚拟仿真实验系统的教学模型。第3 章仍然从理论层面讨论了虚拟仿真系统建模和仿真的方法，重点分析了面向对象的可重用仿真技术和基于组件的仿真技术，提出了基于j a v a b e a n 组件技术为后续系统的开发奠定了基础。第4 章从理论层面介绍了当前构建虚拟仿真系统所采用的几种关键技术。以及几种关键技术的比较和技术方案选择的原则。第5 章以“网上化学教学实验仿真系统”的设计与实现为例，全面具体地研究化学网上虚拟实验仿真系统的设计思想、系统设计和功能结构，尤其重点讨论了虚拟实验仪器以及过程的仿真实现，实验状态的保存与恢复设计，以及实验报告的设计等。这部分是前面几章的理论和技术实现。第6 章以“水中钙镁离子含量实验为例介绍了化学网上虚拟实验仿真系统的操作过程；同时，详细给出了本文系统的实验环境配置步骤。第7 章为结束语，主要指出系统设计的主要贡献和技术创新点，以及对系统的进一步设计与构想。基于j 2 e e 的化学教学实验仿真系统的研究与应用第二章网上虚拟仿真实验系统的理论研究所谓的网上虚拟仿真实验系统就是相当于一个虚拟实验室，虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) ，亦称为合作实验室( c o l l a b o r a t i v e l a b o r a t o r y ) ，虚拟实验室的定义最早在1 9 8 9 年由美国u n i v e r s i t yo fv i r g i n i a 的w i l l i a mw u l f 教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。它致力于构筑一个综合不同工具和技术的电子化、网络化科学研究集成环境。在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用地理上分布的各种资源( 数据、信息、设备、人力) 来从事科研活动1 1 2 】【1 3 1 。联合国教科文组织( u n e s c o ) 则是这样来定义虚拟实验室( v i r t u a l l a b o m t o r y ，简称v l1 1 4 1 ) ：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息通讯技术产生并发布结果的电子工作室( v l sa r e “e l e c t r o n i cw o r k s p a c e s f o rd i s t a n c ec o l l a b o r a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o ni nr e s e a r c ho ro t h e rc r e a t i v ea c t i v i t y ，t o g e n e r a t ea n dd e l i v e rr e s u l t su s i n gd i s t r i b u t e di n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ”。) 。本文涉及的“网上虚拟仿真实验系统 是指利用计算机技术与互联网技术，以w e b 为实现平台，把一系列软件和硬件有机结合起来，从而实现对真实实验操作和实验结果的计算机模拟。这种虚拟实验建立在真实实验的基础之上，对实验所使用的元器件、仪器设备进行计算机模拟，实验者通过鼠标点击与拖曳和键盘操作，可以像对真实元器件一样对虚拟实验设备进行操作，从而完成整个虚拟实验过程，所取得的学习和训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。2 1 网上虚拟仿真实验系统的功能定位和基本要求2 1 1 功能定位在网上虚拟实验室的定位上要着重处理好两个关系。首先，应认识和处理好“虚拟实验室”和“实物实验室( r e a ll a b o r a t o r y ，简称r l ) 或者“传统实验室”( t r a d i t i o n a ll a b o r a t o r y ) 的关系。前者应该是后者的一种补充、完善和扩展，两者互有优势，互为促进，相辅相成。“虚拟实验室 不能完全代替“实物实验室”，即使虚拟环境再逼真，操作过程再一致，实验的体验也是有差别，毕竟“虚”、“实”有别，但是，“虚拟实验室”因其实现手段和保障方式上的不同，它可以实现“实物实验室”难于做到或难于保障的实验项目和功能，比如提供大量的各种器件和仪器设备进行毁坏性实验和综合性一6 一基于j 2 e e 的化学教学实验仿真系统的研究与应用实验等。因此，“虚拟实验室 不应该被看作是“实物实验室 的替代品或竞争者，而是对于后者的扩展，而且在可承受的成本范围内提供了完全依赖“实物实验室”不能实现的功能2 1 。其次，还要把握和处理好“网上实验 和“网上教学”的关系，网上教学是依托网络运用现代教育技术辅助开展的教学活动，它涉及教学的整个过程，包括实验教学环节，也就需要网上实验功能，而开展网上实验同样需有网上教学作为基础。因此，可以认为网上教学主要侧重理论教学，网上实验则侧重实践教学，它们是网上教育体系中两个重要的组成部分。2 1 2 基本要求虚拟实验与应用一般的计算机课件进行辅助教学有着实质性的区别，虚拟实验应该为学生提供一个系统的完整的实验条件和环境，因此，虚拟实验应符合以下五点基本要点：( 1 ) 按照实验教学要求，提供非常逼真的实验环境。( 2 ) 在逼真的实验环境下，按有关实验要求，能对所要用到的仪器、相关的器材任意使用、操作。( 3 ) 依据具体实验内容中的理论模型，或建立与教学内容相适应的实验教学模型，采用计算机建模与仿真技术，实施整个过程的实时仿真。( 4 ) 能对实验中产生的各种数据进行实时的记录、分析，然后自动产生实验报告，并提供完善的实验报告管理功能。( 5 ) 具有围绕实验教学环节所需要的其他辅助功能，如实验指导体系( 实验目的、要求、原理、内容、步骤等的讲解) 、以及实验仪器、设备使用的在线帮助、网上答疑讨论、评价测试体系等。2 2 网上虚拟仿真实验系统构的主要特点网上虚拟实验室以现代教育思想为依据，以现代教育技术手段为支撑，以计算机实时仿真为核心，在教学实践中表现出以下几个特点：2 2 1 交互性和自主性虚拟实验与传统实验有一个共同的要求，即都是按照实验教学计划的实验大纲进行的。但虚拟实验与传统实验相比，有一个明显的区别，那就是实验的模式是非固定的、动态的、具有良好的交互性和自主性。虚拟实验是仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术等计算机技术的有机组合应用，特别是多媒体计算机具有图文并茂、丰富多彩的人机交互方式，因而，交互性是网上虚拟实验的显著特点。基于j 2 e e 的化学教学实验仿真系统的研究与应用为了激发学生的参与兴趣、满足其好奇心，虚拟实验室应提供用户输入自己的选择或设计来得到相应实验结果的手段，虚拟实验室应允许学生实验出错。交互的灵活性和多样性是评价虚拟实验室的重要指标n 5 1 。虚拟实验项目的实验框架是不固定的，实验者可以依据实验大纲，根据自己的需要和兴趣，利用虚拟实验室的实验模型库，自由搭接、组合、拆装实验框架，自行设计实验步骤和实验方法，表现出实验者对实验的高度自主性，同时，实验者可以利用虚拟实验室所具有的丰富的辅助功能，对实验仪器仪表、常规实验方法与步骤等进行自主学习、自主练习，同样也表现出实验者对实验的高度自主性。2 2 2 共享性和自主性网上虚拟实验拓宽了教学实验的时空观，传统的教学实验一般因实验室的空间、实验仪器的数量、实验指导教师的人数等的限制，实验只能分组进行，因而学生实际用于实验的时间是有限的，接触实验设备和仪器的机会是很少的，从而使得实验的使用效率很高，但学生受训效果很差，教学效果也不理想，但网上虚拟实验室是建立在网络上的，本身不受场地的限制。同时，由于在虚拟实验室中将实现“软件即仪器”、“软件即元器件 ，虚拟仪器和虚拟元器件在网络上将得到最大限度地共享。因此，在不同地域、不同终端上可同时进行相同科目的虚拟实验，拓宽了实验室的空间，增加受训人员的实验有效时数，提高了实验效率。经过虚拟实验的先期训练，使学生的实验目的性、操作的熟练性等有了很大的提高，再进入传统的实验室时的效率将大大提高。另外，网上虚拟实验室具有良好的在线帮助和学习功能，从而可以帮助使用者迅速掌握实验研究本身和达到实验研究的具体目标和要求，大大提高学习和研究的效率。同时由于虚拟实验方法省去了大量的基于实物实验的简单劳动，实验者可以在实验研究本身多花精力【1 5 】o2 2 3 开放性虚拟实验的开放性表现为两个方面n 钔：( 1 ) 资源开放。网上虚拟实验室储存了大量的实验模式、各种虚拟实验仪器仪表、各种实验器件或构件、各种虚拟实验环境、各种实时仿真软件包等，实验者可根据自己的实验需要自由地选择使用。( 2 ) 网上虚拟实验室是一个开放的实验平台。实验者也可根据自己的实验需要，自行构建实验环境、实验模块、实验仪器等，随意地增加网上虚拟实验室的各种“库”，使得网上虚拟实验室是动态的，具有可持续发展性，从而使网上虚拟实验室具有良好的灵活性。一8 一基于j 2 e e 的化学教学实验仿真系统的研究与应用2 2 4 协同性协同性是虚拟实验室适应网络教育与创新教育发展所呈现出的一个新特点，协同实验室成为近年来虚拟实验室的发展方向。协同虚拟实验室就是在w e b 中创建出一个可视化的共享虚拟实验环境，其中每一个可视化的虚拟对象代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟仿真实验。协同虚拟实验室通过对每个实验课程所提供的教学资源进行科学有效的组合设计，实现网上实验教学和协同实验的目的n 副。2 3 构建网上虚拟仿真实验系统的基本原则虚拟实验室实际上就是数字化的仿真技术在实验教学中的应用，一个真正的虚拟实验教学系统，其实质是以每个实验内容为核心所建立起来的仿真模型及其仿真的实现，然后在此基础上再加上多媒体的或是虚拟的外壳，也就是说，外部特征是多媒体或虚拟化的界面，也是操作的界面，其内部是对实验仿真模型实时仿真的过程，或者说，系统的前台是多媒体或是虚拟化的环境，后台是实时仿真的过程。因此，网上虚拟实验室建设主要应坚持以下三个原则：2 3 1 智能化原则智能化就是用智能型的信息处理能力、知识工程、启发式推理、专家系统、神经网络技术等来确定网上虚拟实验，从而代替人类从事一些智能活动，如咨询、仿真、推理、判断、决策等。智能化网上虚拟实验是按照人的思维规律引导学生解决问题。将某一领域的知识装入知识库，系统就像专家那样自动地工作。采用更接近用户的语言接口：或根据模拟结果自动地修改仿真模型的结构、模拟的方法及知识库：用试验和检验错误的办法来逐步逼近满意解，因而逼真地模拟决策思维过程。智能化网上虚拟实验具有自组织、自修复、自学习、自寻优、自规划、自搜索、咨询、记忆、联想与推理等功能，也具有较强的容错性和可扩充性，因而表现出很强的自适应能力。2 3 2 工程化原则网上虚拟实验室是实践性教学环节的重要组成部分，不仅要完成实验大纲的要求，而且要培养学生的实践能力和创新能力。因此，虚拟实验不能等同于一般的多媒体课件，要强化实验环境的工程化、实验方法的工程化、实验步骤的工程化，使学生具有强烈的工程意识。网上虚拟实验的工程化，就是要求虚拟实验所建立的虚拟仪器仪表、虚拟设备、虚拟元器件等高度逼近真实部件的操作与使用。同时，网上虚拟实验的仿真过程要具有实时性，与用真实实验设备进行实验一样，体现实验过程的工程化。一9 一基于j 2 e e 的化学教学实验仿真系统的研究与应用2 3 3 综合化原则网上虚拟实验室是以软件为基础、仿真技术为支撑的“软实验室 ，没有空间的要求，因此，网上虚拟实验室应该建成综合化实验室。网上虚拟实验室的综合化包含两个方面：一是实验内容的综合化。网上虚拟实验室将不同学科、不同等级的实验要求融为一体，构建成各种虚拟实验软件包，可以适应不同培养要求的需要。二是实验功能的综合化。网上虚拟实验室不仅能满足实验大纲所要求的实验需要，而且能对实验结果进行自动记录与评判，指导学生对实验的纠正方法：不仅能进行实验教学，而且能对实验的数量、质量等进行自动记录与评估，便于对虚拟实验室的管理。2 4 网上虚拟仿真实验系统构建的基本方法虚拟实验的建立的关键是采用计算机仿真技术来构建实验模型，设计出用于实验操作的虚拟仪器，例如，各种化学仪器( 锥形瓶、烧杯、酒精灯等) ，以及设计出整个实验过程的仿真模型，以及最终实验数据的正确标准等。2 4 1 选择合适的仿真开发工具从对虚拟实验的要求和对虚拟实验实质的认识看，仿真工具应具有这样一个特点，即：它应该具有与多媒体或虚拟环境相结合的功能，也就是做实验的人员，做实验时是在多媒体或虚拟环境下进行实验操作，然后将操作所产生的信息，输给后台的仿真系统，然后进行实时仿真，仿真的结果再实时地回放到前台，也就是回放到多媒体或虚拟环境中来，通过多媒体或虚拟环境的形式输出。目前的仿真软件很多，主要有e a y t ，t l i n k 3 3 ，s p w ，c a d a n c e ，m e n t o r ，m a t r i x ，m a l a b ，p r o t e l ，l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v i ，o p e n g l 、m u l t i g e n 等，建立虚拟实验时，应根据具体需求，选用合适的仿真开发工具。比如，开发电子技术类虚拟实验时，可选用p r o t e l ，l a b v i e w ，l a b w i n d o w c v l 等仿真软件；开发自动控制原理类虚拟实验时，可选用m a t l a b 等仿真软件：开发电子系统和控制系统类虚拟实验时，可选用c a d a n c e ，m e n t o r ，m a t r i x 等仿真软件；开发包含虚拟视境类虚拟实验时，可选用o p e n g l ，m u l t i g e n 等仿真建模软件。总之，在选用仿真软件时要把握好仿真软件对虚拟实验开发的针对性和适应性。2 4 2 开发仿真软件与多媒体环境的接口模块网上虚拟实验实际上就是用虚拟化的操作界面向仿真软件输入数据或指令，经过仿真软件的实时仿真，将仿真结果输送到虚拟化的显示设备或装置。虚拟化的操作界面和显示设备或装置，通常是采用多媒体技术产生的。因此，如何将计算机仿真技术与虚拟化的仪器或多媒体环境有机地结合起来是虚拟实验建立的关键和核心技术，也是网上虚拟实验建设必须解决好的问题。基于j 2 e e 的化学教学实验仿真系统的研究与应用由于当前国内外的仿真软件都是用于仿真设计的，所以都不具有与多媒体或虚拟环境结合的功能，此问题是当前影响虚拟实验室建设发展的个关键问题，因此，开发研制仿真软件与多媒体环境的接口是十分重要的。2 5 网上虚拟仿真实验系统中实验教学模型。实验界面实验者必须通过用户界面与虚拟实验系统进行交