（计算机软件与理论专业论文）虚拟实验室仪器类库的研究与设计.pdf

己 二s 匕lk 乙 1 l l 1 j1 1lj 1j 1 1 独创性声明 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，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。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： 日期： 竺绛墨业目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 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： 日 指导教师签名： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 期： 电话： 邮编： p 日 p l - 摘要 随着全社会的信息化进程的不断加速，当代学校教育也不能不受到这种“信息爆 炸”的影响，教学资源再也不像先前那样单调和受制于教师个体知识视野的局限，呈现 出海量增长和形态丰富多样的局面。随着虚拟现实技术的广泛应用，虚拟实验室建设已 成为业内人士十分关注的问题。 本文要讨论的是构建虚拟实验室所需要的虚拟仪器的相关问题，提出建立一个虚拟 仪器的组件库的方案，为虚拟实验室项目开发人员提供一个抽象的仪器库，在程序编汇 过程中提供具体的虚拟仪器操作实体。首先从虚拟仪器的分类入手，讨论虚拟仪器的分 类策略；而后研究虚拟仪器之间的联络或是复合等重要逻辑关系，以及虚拟仪器在实验 操作过程中彼此之间的特定联系；研究虚拟仪器在不同实验操作中的状态变化，虚拟仪 器由某一初始状态过渡到另一状态的过程中如何使实验过程得以呈现；分析和设计部分 虚拟仪器的模型；架构虚拟仪器类库结构；讨论以虚拟仪器类库为蓝本的二次开策略。 关键词：虚拟仪器；类库；组件；状态集；二次开发 a b s t r a c t a st h ei n c r e a s i n gi n f o r m a t i o n a z a t i o no fa l lt h es o c i e t y , t h em o d e m s c h o o l i n gi si n e v i t a b l y a f f e c t e db yt h e i n f o r m a t i o n e x p l o s i o n t h et e a c h i n ga n dl e a r n i n g r e s o u r c e sa r en o t m o n o t o n o u sa st h e yu s e dt ob e ，a n dn o ts t f i c t e db yt h eh o r i z o n so fk n o w l e d g eo f t e a c h e r s ，t h e y a r ea p p e a r i n gt oam a s s i v eg r o w t ha n dar i c ha n dc o l o r f u lc o m p l e x i o n w i t ht h e v i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g yb e i n gw i d e l yu s e d ，t h ec o n t r i b u t i o no ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r yi st ob et h e o v e r r i d i n gc o n c e r n sb yt h ep r o f e s s i o n a lv i s i t o r s t h er e l e v a n ti s s u e s e s ，w h i c ha r ea b o u tv i r t u a li n s t r u m e n t st h a ta r ee s s e n t i a lf o rv i r t u a l l a b o r a t o r y , a l et ob es t u d i e di n t h i sp a p e r a s c h e m eo fv i r t u a li n s t r u m e n t sc o m p o n e n t ， l i b r a r yc o n s t r u c t i o ni sb r o u g h tf o r w a r df o rp r o g r a m m e r s ，p r o v i d e sa na b s t r a c ti n s t r u m e n t l i b r a r y a n da no p e r a t i n ge n t i t yi np r o g r a m m i n g f i r s t l ys t a r t sf r o mt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e 曩 i n s t r u m e n t s ，d i s c u s st h ec l a s s i f i c a t i o n s t r a t e g i e s ；s t u d y t h e l o g i c a l r e l a t i o n sb e t w e e n i n s t r u m e n t sl i k ea s s o c i a t i o na n dc o m p o u n d o rt h ec e r t a i nr e l a t i o n so fi n s t r u m e n t si nt h e p r o c e s so fe x p e r i m e n t s ；s t u d yt h ec h a n g i n gs t a t u so fi n s t r u m e n t si nd i f f e r e n te x p e r i m e n t s ，h o w a r et h ep r o c e s so fe x p e r i m e n t su n f o l d e dw i t ht h es t a t u sc h a n g i n gf r o mo n et oa n o t h e r ；t h e m o d e l so ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa r ea n a l y s i s e da n dd e s i g n e d ；c o n s t r u c tt h ea r c h i t e c t u r eo ft h e c o m p o n e n tl i b r a r y ；t h er e p e a t e d l yd e v e l o p m e n ts t r a t e g yb a s e do nt h ec o m p o n e n tl i b r a r yi st o b es t u d i e d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ；c l a s sl i b r a r i e s ；c o m p o n e n t ；s t a t u ss e t ；r e p e a t e d l yd e v e l o p m e n t i l 目录 中文摘要i 英文摘要i i 目录i i i 第一章序言1 1 1 课题背景1 1 2 国内外虚拟实验室仪器研发研究现状l 1 3 课题研究内容2 1 4 研究目的及意义3 第二章虚拟实验室总体结构概述4 2 1 虚拟实验室基本概念4 2 2 虚拟实验室功能分析4 2 3 虚拟实验室的特点4 2 4 虚拟实验室的建设及虚拟仪器的组件化发展趋势5 2 5 本章小结5 第三章虚拟仪器类库内部仪器的组织结构及分布策略6 3 1 虚拟实验室仪器类库内部仪器组织方式6 3 1 1 类库内部仪器相对独立7 3 1 2 类库内部仪器按不同关系策略相互联系7 3 1 3 类库内部仪器分布结构8 3 2 虚拟实验室仪器类库内部仪器的分类策略9 3 2 1 按学科知识的分类法9 3 2 2 以自然属性为依据的分类法10 3 2 3 以用途为依据的分类法1o 3 2 4 以使用规则为依据的分类法1l 3 2 5 相关分类方法分析1 1 3 3 类库内部虚拟仪器的关联分析13 3 3 1 实验操作集合的分析提取13 3 3 2 虚拟仪器间的关联模式分析14 3 3 3 类库虚拟仪器关联模式的开发15 3 4 虚拟实验室仪器类库内部仪器的集成和整体封装16 3 5 虚拟实验室仪器类库的设计工具及技术概述16 3 6 本章小结l7 1 1 1 第四章虚拟实验室仪器模型的创建和实现18 4 1 虚拟实验室仪器建模方案分析18 4 1 1 原子仪器模型l8 4 1 2 复合仪器模型l9 4 1 3 虚拟实验室仪器状态的分析与设定2 0 4 2 虚拟实验室仪器模型设计与实现2 0 4 2 1 虚拟实验室仪器的几何建模2 0 4 2 2 虚拟实验室仪器自然属性分析与集成2l 4 2 3 虚拟仪器的行为方法的分析与设计2l 4 2 4 虚拟仪器接口的设计21 4 3 虚拟仪器的状态集的分析与集成21 4 4 本章小结2 2 第五章虚拟实验室仪器类库的二次开发策略研究2 4 5 1 类库逻辑关系的扩充和优化2 4 5 1 1 分类关系的扩充和优化2 4 5 1 2 实验关系集合的扩展和修改2 4 5 2 二次开发的库结构优化2 4 ，5 2 1 类库二次开发的机构优化2 4 5 2 2 类库向标准数据库操作平台的转化2 4 5 3 本章小结2 5 第六章总结与展望2 6 6 1 。总结2 6 6 2 展望2 6 参考文献2 7 致谢2 9 i v 东北师范大学硕士学位论文 第一章序言 1 1 课题背景 随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的不断扩大，学生人数急剧膨胀的 高等院校普遍陷入了实验教学的困境。发展基于i n t e m e t 的虚拟实验室，让学生通过互 连网利用虚拟实验设备来仿真各种实验是对传统实验教学的一次全面改革。在加速现代 远程教育的发展，节约实验仪器的购买和维护经费等方面都具有重大的意义。自美国弗 吉尼亚大学的威廉沃尔夫教授首先提出虚拟实验室的概念至今，在近二十年的时间里， 其诱人的应用前景，在很多国家成为研究热点。美国亚利桑那州大学开发的j - d s p 就是 一种面向对象的，利用j a v a 语言和数字信号处理技术相结合开发的仿真系统，学生和远 程学习者可以通过w e b 浏览器远程使用该系统，在线进行数字信号处理的仿真实验。在 国内，很多高校已经建立了各具特色的虚拟实验室。清华大学提出了一种基于因特网的 远程检定方案，并利用虚拟仪器开发工具语言l a b v i e w 构建了一个以标准源远程检定数 字多用表的系统；中南大学计算机软件与理论研究所已经成功丌发了计算机组成原理虚 拟实验室。计算机网络虚拟实验的研究着眼于计算机专业实验教学的改革和创新，借 助现有的软件技术服务于实验教学。实际应用结果表明，虚拟实验系统对计算机专业实 验教学的改革与创新起到了积极的促进作用。 1 2 国内外虚拟实验室仪器研发研究现状 近年来由于虚拟仪器技术和网络技术的飞速发展，通过网络构建虚拟实验室已成为 可能，网络虚拟实验室已成为远程教学研究的重要方面。网络虚拟实验室的基础是多媒 体技术、网络技术和虚拟仪器技术的结合。无论是学生还是教师，都可以随时进入虚拟 实验室操作仪器，进行各种实验。虚拟仪器技术的出现，给传统的教学科研带来了巨大 的变化。利用虚拟仪器可以大大提高科研人员的工作效率，并改进实验课程的教学方式。 随着网络技术的高速发展和普及，网络已成为虚拟仪器的有效载体，通过网络实现远程 教学和实验已获得共识。网络虚拟实验仪器将成为解决实验仪器短缺、促进远程教育的 重要方法。 由虚拟的操作系统、硬件设备以及虚拟网络设备组成的虚拟实验环境。与传统实验 环境和实验方式相比，使用该虚拟实验环境进行实验教学有很多优点。例如： 1 ) 虚拟设备不存在兼容性问题，使实验环境的可靠性大大提高； 2 ) 在现有的普通机房安装虚拟软件就可构建复杂的网络实验环境，节约了硬件投 资； 3 ) 虚拟机中完善的管理机制使得实验环境的维护工作变得比较轻松，使教师可以专 心教学而不必在设备的准备和维护上花费大量的时间。 东北师范大学硕士学位论文 虚拟实验室的研究为以后的实验室建设开辟了道路，留下了宝贵的技术积累和经验 财富。但是，目前的虚拟实验室建设仍然存在一些问题，例如： 1 ) 各高校，各研究所关于虚拟实验室开展的研究很多，但是成果之间很少重用，这 是制约虚拟实验室发展的重要因素； 2 ) 虚拟实验室的实现方式比较单调，特别是网络化实验分散的环境不利于学生培养 团结、协作的精神等等： 虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，代表了现代测试技术和仪 器技术发展方向。目前，虚拟仪器的研究和应用越来越受到重视，国内外很多组织机构 都在开展虚拟仪器的研究和设计工作。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟 仪器制造囤。1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 首先提出了虚 拟仪器的概念并研制成功第一台虚拟仪器，开启了虚拟仪器的先河。以n i 公司为首的 多家虚拟仪器制造商在测试领域呈现出越来越大的影响力。不仅美国如此，在世界范围 内，各国都在大力发展虚拟仪器，并取得了一些大的进展，而且越来越多的科学家正投 身于这方面的研究和开发。虚拟仪器的出现是仪器史上的一场革命，代表着仪器发展的 最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。 国内方面，虚拟实验室的研究、开发也得到了应有的重视，各高等学校及科研机构 从2 0 世纪9 0 年代开始也积极开展虚拟仪器的研究工作。目前，已有部分高校初步建立 了相关专业的虚拟实验室。例如清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；北 京邮电大学的虚拟实验系统，针对大专、成人、本科教育的电路分析、数字电路以及计 算机网络等课程开发了配套的虚拟仿真实验，系统模拟真实实验中所用到的器材和设 备，学生可以查阅和学习相关器件、仪器设备的资料和使用方法，以及相关实验项目的 实验方法；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制成了“航空电台二线综合测试 仪 ，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统。 1 3 课题研究内容 虚拟仪器的提出是相对于现实实验仪器而言的。比如做物理实验时，会用到万用表、 示波器等实验器材，每台仪器就是一个固定的方盒子，所有的测量功能都在这个盒子内 部实现，这就是现实实验仪器。而到虚拟仪器是要将这种单一功能的方盒子被电脑软件 所取代。 虚拟仪器的最大优势则在于，它除了基础的信号采集部分，其它软硬件全部采用通 用的计算机软硬件设备。这些通用的软硬件设备可以以低廉的价格进行升级，或者被使 用者按自己意愿进行配置。比如，在虚拟仪器上，用户可以通过升级c p u 来加快仪器 的处理速度、可以自己编写程序来改变仪器的测试功能和交互界面。 这里就是要编制一个有虚拟仪器集成的工具类库，实现初中物理、化学和生物的各 个实验。这个类库其主要目的是面型程序编制人员，当然加以推广可为最终用户所用。 类库的实现主要是将每个虚拟仪器以组件的方式加入到类库中，组件分别带有不同的属 性，包括物理是属性，也包括使用过程中常用的属性；并且每个仪器上集成了各自的行 2 东北师范大学硕士学位论文 为方法，可以直接调用，也可以通过该行为方法是各个仪器间产生有机的联系，方便组 建具体实验室时对仪器的分析和调用。为虚拟实验制作人员提供接口和属性集，调用一 个仪器组件就相当于真实实验时提取了以个仪器，装配具体实验时就变成了以仪器为基 础，以实验流程为指导的基于实验器材的实验装配方法，复合人们的真实思维方式。当 然，各个仪器在类库中的分布式和组织方式同样是研究的重点，因为，好的数据组织方 式能够方便快捷的被用户检索，能够提高类库的使用效率。 1 4 研究目的及意义 将计算机和通用仪器硬件与用于数据分析、过程通讯及用户图形界面的软件有效地 结合起来，就组成了虚拟仪器。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件 接口模块等虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模 式，用户借助通用的仪器硬件平台，调用不同的测试软件，就可以构成不同功能的仪器 虚拟仪器能提供给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户可以随心所欲地设 计和构造自己的仪器系统以满足多种多样的测试需求。 “t h es o t ti st h ei n s t r u m e n t s ( 软 件即是仪器) 已经为大众所熟知。使用虚拟实验来代替实际实验，很好地解决了教学 实验中存在的问题和矛盾，且符合测试技术和实验技术的发展潮流。 本文就是要研究这些虚拟仪器的编制和应用，以前的虚拟仪器的概念均是基于具体 实验和操作的，而这旱要提出一个由虚拟仪器集成的工具类库。从而能为程序开发提供 组件性质的支持，并可以被最终用户直接使用。加以推广，这个类库就可以扩展为一个 提供各种虚拟仪器的生产厂，即可以为不同领域的实验提供其所需求的实验器材，可以 说它是虚拟仪器制造厂的前身，是一个为虚拟实验提供必备的的仪器支持的、灵活的、 高效的组件库。 3 东北师范大学硕士学位论文 第二章虚拟实验室总体结构概述 2 1 虚拟实验室基本概念 虚拟实验室是基于计算机网络的教学实验、交流技术、协同研究的平台，是利用虚 拟现实及仿真技术进行研究和设计的方法。关于虚拟实验室的定义目前主要有两种：一 是指在计算机系统中利用虚拟现实技术实现的虚拟实验环境，实验者可以如同在现实 的实验操作环境中一样进行各种实验项目，所取得的学习成果或实验效果相当于或者 优于其在真实实验环境中所取得的成果和效果：二是指一个创建和指导虚拟实验的交互 实验环境，它应由虚拟程序、实验器件、辅助工具和实验参考资料等部分组成，用户能 够通过增加新的部件，组建新的实验并以此来扩充实验室。两种定义虽然侧重方向不同， 但都指出了虚拟实验室本质上是一个模拟现实的实验室，使用者不受时空限制，能随时 随地进行虚拟实验操作，共享仪器设备、数据和计算机资源，进行协作或得到远程指导 等。 2 2 虚拟实验室功能分析 虚拟实验室主要功能如下：( 1 ) 教学功能。学生通过使用虚拟仪器、装置了解实 验过程，理解相应的技术；适应不同知识背景的学生的学习要求，根据其知识掌握程 度、实验操作经验等调整资源配比，保证学生能够单独操作各种实验。( 2 ) 合作实验 与协同研究功能。虚拟实验室利用网络技术，使参与实验的人员可以远程合作，共同进 行实验研究，为分布在各地的人提供解决同个项目的分布式的环境。( 3 ) 精确模仿 真实实验功能。虚拟实验室根据人们的需求完成真实实验无法实现或者成本昂贵的实验 项目。 2 3 虚拟实验室的特点 虚拟实验室主要有以下特点：( 1 ) 速度快、效率高。在虚拟实验室中，实验操作很 简单，实验的条件很容易改变，在相同的时间内能实现若干实验方案的对比，提高了实 验的效率和质量。虚拟现实技术不受时间的约束，一些需要很长才能观察到的实验结果， 可以在极短的时间内观察到。( 2 ) 经过优化并功能齐全。虚拟实验室的仪器库可以提 供规格和品种齐备的仪器，而且轻易便能够升级替代和增加仪器，解决了因实验元器件 不全而带来的困扰。( 3 ) 成本低。虚拟实验室基于虚拟原型技术，对仪器进行几何、 功能、制造等方面的分析和建模。虚拟实验室的元器件一次制作完成可以无限次使用， 不会发生破损和丢失。( 4 ) 分布式。在网络虚拟环境下，实现了合作实验、远程实验、 协同研究等。 4 东北师范大学硕士学位论文 2 4 虚拟实验室的建设及虚拟仪器的组件化发展趋势 虚拟现实建模语言v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d u l i n gl a n g u a g e ) 的产生为一般用户 设计和开发虚拟现实应用提供了可能，能够创建在互联网上运行的三维的虚拟现实环 境。完成虚拟实验室的体系结构、功能构成和设计方法所遵循的原则是：建立一个虚拟 实验室网站，作为虚拟实验室的平台，用户登录网站之后可以了解实验室说明和操作 方法，然后通过选择接进入虚拟实验环境：在虚拟实验环境中，用户通过键盘和鼠标 操作实验器件组装实验，并顺利完成虚拟实验的过程。( 1 ) 体系结构。基于v r m l 的虚拟 实验室系统采用基于w e b 的浏览器服务器三层模式：第一层为客户端浏览器，是用户 与整个系统的接口；第二层为虚拟实验室服务器，用户访问该站点，操控虚拟实验；第三 层为后台数据库系统，用于生成实验所需的虚拟环境，并将实验的结果保留。( 2 ) 功能构 成。虚拟实验室应具有以下主要功能：管理虚拟仪器库、元件库、工具库的功能；实 验的功能；用户访问、注册及相关管理的功能；管理员级的操作功能。( 3 ) 设计方法。 v r m l 引入了术语“节点，节点是对现实世界中对象或概念的抽象和描述。节点中由字 段和事件组成，用以描述空间造型及属性，若干个节点聚集在一起便形成了虚拟现实环 境。设计虚拟实验室可分为两个阶段：第一阶段是建立系统模型；第二阶段是代码实现。 建模工作是分别建立实验元素模型库和实验室模型库，它是实现虚拟实验室的基础。代 码实现就是选择何种编程语言并实现所有对象和功能。 虚拟实验室由虚拟实验平台和虚拟实验组成，实验平台就是提供一个虚拟实验环境 以及实验所需的仪器。可见，实验平台是基础，如今的虚拟实验室建设均要考虑到实验 仪器的重用性和实验操作的频繁性，而其最好的解决办法就是将虚拟实验室设计成为基 于仪器而不是基于实验的模式。仪器是根本，所就要对仪器的管理和组织进行有机的调 配，这就要求实验仪器组件化，这也是虚拟实验室发展的必然趋势。 2 5 本章小结 分析了虚拟实验室的特点和功能，并提出了虚拟实验室的设计原则和理念，即虚拟 实验室在满足实验功能的前提下将实验仪器组件化，简化了设计和创建虚拟实验的过 程，也使资源得到最大化的节约。 5 东北师范大学硕士学位论文 第三章虚拟仪器类库内部仪器的组织结构及分布策略 3 1 虚拟实验室仪器类库内部仪器组织方式 虚拟实验仪器是进行虚拟实验的基本元素，通过对虚拟仪器的拼装束构建某个虚拟 实验，通过对虚拟仪器的操作完成实验过程并记录实验结果。实验毫无疑问要基于虚拟 仪器，那么，虚拟仪器的来源就是一个至关重要的问题，设计一个虚拟仪器的“仓库” 就显得尤为必要。这个“仓库 ，就是我们要研究的虚拟仪器类库。 仪器“仓库虚拟仪器类库中虚拟仪器的组织方式是一个十分重要的问题。因 此，我们首先提出几个重要设想。( 1 ) 将虚拟仪器编制成为类，并依照某些属性和方法 定制继承关系。( 2 ) 将所有虚拟仪器封装成为类库，以备后续调用。即一个类库集成了 若干个基类，每个基类包含若干个子类，每个子类可以实例化为具体的虚拟仪器对象。 ( 3 ) 以具体实验要求为准绳，将虚拟仪器划分为基于实验操作的集合。即提出具体实 验即可提取所有相关实验器件。( 4 ) 分析各个虚拟仪器之间的关系，主要是确定其在不 同实验中的有机结合与规则标准。对于不同的实验，仪器与之间的关系并非恒定不变， 而且其操作方法和行为准则也会发生变化。 可以将虚拟仪器之间的关系用如下语义网络图( 图1 ) 来描述。 磁忭： 图1 其中每个节点代表一个虚拟仪器类，节点之间的有向边代表仪器之间的联系，每个节点 分别集成了不同的属性和行为方法。单个节点可以独立存在，可以独立于其他的节点而 被直接调用。如图所示，节点之间的有向边的指向是无序的，这说明了在不同的关系前 提下，仪器与仪器之间的联系是不同的，在关系未确定的时候，我们无法将一些仪器描 述为一个有机的集合，这时只能抽取单个仪器，并以穷举的方式构建一个无机的集合。 如果仪器间的关系确定，就可以依此关系从语义网络中抽取若干个彼此有机的、紧密联 系的仪器集合，这个集合对应的就是某些具体的实验操作。所以不难看出，仪器是实验 6 东北9 币范大学硕士学位论文 的根本，仪器是实践实验思想的途径和手段；反之，实验决定了仪器类库中各个组件的 联系，有了实验思想方法为指导，仪器组件之间的才会明确而有目的性。这里所提到的 实验思想方法，包含了所有现实实验中所用到的规则和操作规程。 3 1 1 类库内部仪器相对独立 虚拟实验仪器类库内部的仪器有着密不可分的联系，但是他们彼此之间又是相对独 立的。即任何一个虚拟仪器都可以被单独调用，可以在一起类库中找到某个具体的仪器 类并将它实例化为一个应用中的仪器。每个虚拟仪器就是图l 中的单个节点，每个节点 都具有实际意义，它是一个客观真实仪器的抽象描述。仪器包含了不同的属性和行为方 法。将其从语义空间中做部分提取得到了对单个节点的说明，如图2 所示。 鞴娥- 图2 仪器的独立是相对的，事实上绝对的独立存在的仪器是不现实的。而其对立性有利 于对仪器的属性和方法进行编制，在具体应用中，独立的仪器同样方便调用和实验操作。 单个仪器的提取更符合人们的j 下常思维方式，增加实验操作的可理解性和真实性。 以化学实验中常用到的酒精灯为例。首先，酒精灯是一个客观存在的实体，它具备 了一个标志其存在的属性集，如： ( 1 ) 酒精灯是由灯壶、灯帽、灯芯管和灯芯组成。灯壶内的酒精要适量，一般不 少于灯壶体积的四分之一，也不能超过容积的三分之二。使用酒精灯时应注意安全，防 止火灾。 ( 2 ) 点燃酒精灯时，左用扶灯壶，右手提起灯帽放在灯的右边，划火柴点燃酒精 灯芯。 ( 3 ) 不允许用酒精灯去火焰上引燃，以免酒精溢出造成火灾。 ( 4 ) 熄灭酒精灯时，要用灯帽去盖，然后再提一下灯帽，再盖上。以防止下次不 易打开灯帽。 ( 5 ) 酒精灯的火焰分焰心、内焰和外焰三部分，外焰温度最高。用酒精灯加热物 体时，要使用它的外焰。 酒精灯的属性集可以由诸如材质、形状、构造、使用方法、注意事项等等来构造。 3 1 2 类库内部仪器按不同关系策略相互联系 相对独立的仪器和绝对存在的关系联合组成了虚拟仪器类库中仪器的分布结构。如 7 东北师范大学硕士学位论文 图1 中所示，其中的有向边即为仪器间的关系。关系是联系仪器的主要纽带，仪器之间 通过不同的关系要求组合到一起就构成了一个虚拟实验的初始状态。在关系的约束和作 用下，虚拟实验从初始状态转到一个或若干个状态，直至达到目标状态，即达到实验预 期或实验最终完成。 关系的确定，取决于不同应用和操作的具体情况。关系可大体分为两类：( 1 ) 根据 具体实验中的使用规则，来约束仪器间的关系。在不同的实验中，仪器之间可以建立起 与实验对应的关联，这种关联是多对多的关系。( 2 ) 跟据属性、使用方法和注意事项建 立起来的继承关系。这是一种继承或是并列的关系。某个仪器类可以是另一个仪器类的 父类，也可以和另一个仪器类共享同一个父类或子类。这种继承关系是有限的，而且其 实际意义是有利于对仪器按照某种分类方法进行归类列举。仪器间的继承关系可以按照 图3 所示反映为一个自顶向下继承过程。 。，； 铲 胃 图3 分别以仪器的自然属性、使用方法或注意事项为标准建立基础类。如基础类可以表 述为：“材质是玻璃的仪器类”，“可以加热的仪器类”，“圆柱形的仪器类”，“导电的仪 器类 ，“不能倒置的仪器类等等。子类继承基类的属性，并且发展自身的特性。如“酒 精灯”是玻璃材质的仪器，而酒精灯可以点燃，还可给其他仪器或药品加热。在表述酒 精灯这个子类时就要特别分析它独有的性质和操作行为，把有价值的、标志性的属性全 部包含在内。这罩需要注意的是同一个仪器类可以分别继承不同的父类，也可以被不同 的子类所继承。 3 1 3 类库内部仪器分布结构 虚拟仪器类库内部仪器类的关系可以概述为两种情况，一种是基于自然属性和操作 规则的继承关系，另一种是基于具体实验应用的关系。虚拟仪器类是类库的基本元素， 8 ， ? 东北师范大学硕士学位论文 关系也可以确定，那么类库内部的仪器室怎样构造的呢? 虚拟仪器类库内部仪器类的分布结构是一个二维的网状结构，其纵向是对仪器间继 承关系的描述，而横向上则是对实际应用中仪器之间的联系。其中任意抽出两个大类， 其结构可以用图4 来描述： ( 7 ，7 图4 纵向的继承关系更贴近于自然的分类方法，这种分类容易理解。而横向的仪器关联 关系则需要细致严谨的构思。当面向实际应用时，学科知识的约束起决定性的作用。某 一学科的实验中，对仪器的操作要求，需要有科学的依据来证实，这样后续的调用才会 准确无误。 3 2 虚拟实验室仪器类库内部仪器的分类策略 对实验仪器的分类始终是一灵活的、因地制宜的方法，目前还没有一个通用和广泛 适用的分类方法。所以本文的分类方法也是只针对虚拟实验室项目而制定的，只在本项 目的特殊自i 提下发挥应有的作用。结合虚拟实验室的设计，可以将仪器的分类设置想象 成为放置仪器的柜子，即同一类的仪器装进同一个柜子，这样每一类仪器就对应一个柜 子。每一个学科就是一个柜子，打开柜子就可以拿到该学科的实验仪器。 3 2 1 按学科知识的分类法 按学科知识来对仪器分类是一个大的概念，它的实际意义并不重大，但是却是必要 的。做实验必须要先明确这是哪一学科的实验，或者这个实验室是为哪门学科服务的， 其实验结果更偏重于哪个方面，所以实验仪器因此有了学科的归属性质。当然，一个仪 9 、：， ， 东北师范大学硕士学位论文 器既可以同时属于不同学科。仪器是固定不变的，只是在学科知识的要求下将其人为的 划分到某个领域。还是以酒精灯为例，做化学实验要用到它，那么它是化学学科的实验 仪器；而做物理实验同样要用到酒精灯，那么它也属于物理实验仪器；生物实验也要用 酒精灯，它也可以是生物学科的实验仪器。 学科的分类方法可以对仪器简单的划分，如化学学科要用到的仪器有试管、量杯、 烧杯、温度计、铁架台、烧瓶、试管夹、玻璃导管等等，同样可以将物理、生物或是其 他学科的实验仪器做以描述，即在学科的分类框架下以列举的方式呈现出相关的仪器。 在进行细化就是学科内部的知识领域，比如力学仪器有哪些，光学仪器有哪些，电磁学 仪器，分析仪器有哪些等等。 这罩要做的虚拟仪器类库主要是面向应用，只要能够使编程过程简化、工作效率提 高的方案，在其冗余度可以忍受的范围内都是可取的，因此，在仪器分类上存在一定的 冗余度不会影响类库编制的初衷，后续的分类方法同样要采取相应的冗余度容忍策略。 3 2 2 以自然属性为依据的分类法 仪器的自然属性是固有，仪器出厂时就被赋予了独有的自然属性。比如其材质是玻 璃的，其形状是方形或圆柱形的，其规格是6 x1 0 ，其容量是l o m l 等等。有很多个仪 器的自然属性是相同或相近的，可以用简单语言来描述其属性而且直观容易理解，那么 就把这些仪器以这种属性为依据归为一类。比如材质是玻璃的仪器有标准口类、量器类、 烧器类、皿管类、容器类、真空器皿类、漏斗类、温度计、浮计、其它玻璃仪器类，在 玻璃仪器大类的下一层仍然存在分类，比如量器类包括了自动滴定管、塞具量筒、烧杯、 试管、吸管、比重瓶等等，下一层分类更具体，更加接近于实际仪器，比如烧杯有可分 为5 m l 、l o m l 、1 5 m l 、2 0 r a l 、5 0 m l 、l o o m l 、2 0 0 m l 等等。 按照仪器的自然属性分类就是从仪器的物理特性出发，进行直观的归纳，这种分类 方法比较简单，在一些初级实验应用中使用比较广泛。对于复杂的实验而言，在搜集、 筛选仪器的过程中往往更注重于仪器的功用，遇到什遇到什么样的应用，对应什么样的 仪器。 3 2 3 以用途为依据的分类法 制造仪器的最终目的是为实验服务，五花八门的实验对实验仪器提出了种种特定的 要求，形形色色的仪器在出厂之前就被设定了其独特的用途。仪器的用途通常是面向一 个方面或数个方面，当然没有那个仪器是万能的，所以有可能出现某些仪器对于几个实 验通用，即使如此也存在着相当的局限性。仪器本身就是为了特定用途而产生的，用途 恰恰是集中体现仪器的分f - j 另j 类的手段，按照用途为实验仪器分类是目前比较流行的分 类方法。以中学化学科目为例，一般根据仪器的主要用途的不同，可将常见化学实验仪 器分为下列8 类： ( 一) 计量类 用于量度质量、体积、温度、密度等的仪器。这类仪器中多为玻璃量器。主要有滴 l o 东北师范大学硕士学位论文 定管、移液管、量筒、量杯等。 ( 二) 反应类 用于发生化学反应的仪器，也包括一部分可加热的仪器。这类仪器中多为玻璃或瓷 质烧器。主要有试管、烧瓶、蒸发皿、坩埚等。 ( 三) 容器类 用于盛装或贮存固体、液体、气体等各种化学试剂的试剂瓶等。 ( 四) 分离类 用于进行过滤、分液、萃取、蒸发、灼烧、结晶、分馏等分离提纯操作的仪器。主 要有漏斗、分液漏斗、蒸发皿、烧瓶、冷凝器、坩埚、烧杯等。 ( 五) 固体夹持类 用于固定、夹持各种仪器的用品或仪器。主要有铁夹、铁圈、铁架台、漏斗架等。 ( 六) 加热类 用于加热的用品或仪器。主要有试管、烧杯、烧瓶、蒸发皿、坩埚等。 ( 七) 配套类 用于组装、连接仪器时所用的玻璃管、玻璃阀、橡胶管、橡胶塞等用品或仪器。 ( 八) 其它类 不便归属上述各类的其它仪器或用品。 有些仪器的用途并不单一，所以不同的分类集合中元素出现交叉现象。当然这样分 类未必面面俱到，但是对于组建化学实验却有着非常重要的意义。程序员在设计一个实 验时，先要弄清实验原理，然后搜集实验器材，这时就可以根据相关的用途在上述分类 集合中提取仪器进行实验的拼装。例如要完成中学化学实验中的“氧气的制取”实验， 用到的装置有大试管、集气瓶、水槽、酒精灯等，可以在加热类集合中找到大试管， 在容器类中找到集气瓶和酒精灯，在分离类中找到水槽。 3 2 4 以使用规则为依据的分类法 在真实世界中每种仪器都有一套固定的操作规则，一旦违反了这些规则就导致实验 无法正常进行，严重的导致仪器设备的损坏甚至发生危险。虚拟实验同样要将这些因素 考虑在内，毕竟虚拟实验的目的是要模拟现实实验，把所有可能的情况悉数涵盖更能体 现实验的真实性。而遵循实验仪器的操作守则也是标志实验真实性的重点之一。按照使 用规则对仪器分类不仅对实验过程和结果有帮助作用，同时对教学过程也有相当的促进 作用。因此将仪器分为注意事项n i ( i = o ，l ，, - - - - - - , n ) 类别集合，其中任意的n j 为一个主意 事项或操作准则的集合，集合中包含了符合该规则的元素，即为若干个虚拟仪器类。其 规则可以定义为“不可加热的仪器 ，“不能倾斜放置的仪器 ，“只能装入小于其容量2 3 的液体”等等。 3 2 5 相关分类方法分析 每种分类方法在虚拟仪器类库内部都对应了一组继承派生关系。在上述分类的基础 东北师范大学硕士学位论文 上，虚拟仪器类库的层次结构图可以描述为图5 。 图5 一个总的基类仪器类，然后按学科分类，向下派生出化学、物理、生物等学科， 每门学科还可派生出教材的章节或是某一部分知识点涉及的仪器，如物理的力学仪器、 电学仪器等等。按照仪器属性派生的类关系有材质、形状等等，材质类派生出玻璃仪器、 橡胶仪器、铁制仪器等等。依此类推，还可以实现其他分类的派生关系。在应用时只需 按照其中的一个分类关系实例化仪器类就可以实现仪器的调用。 首先构造该分类的基类，声明属性和构造函数，定义基类的方法，在基类的属性和 方法中应该概括的说明该类的分类标记。如要定义一个玻璃仪器类。基类的属性可以为 “材质是玻璃”m a t e r i a l = g l a s s ，方法可以有“取走t a k e _ a w a y o ，则基类可以写成： c l a s si n s t r u m e n t _ g l a s s m a t e r i a l = g l a s s ； p u b l i c ： v o i d t a k e _ a w a y ( ) ； ) 这里只是举例说明了基类的定义方法，在程序设计过程中的情况要复杂的多，因而 其属性和方法也会很多、很复杂。 试管是玻璃仪器，显然它应从玻璃仪器类i n s t r u m e n t _ g l a s s 继承而来，而且试管还 有它自己的特性，如“一般情况下不倒置”i n v e r s e = f a l s e ，试管子类t e s t t u b e 就可以 写成 c l a s st e s t t u b e ：p u b l i ci n s t r u m e n t _ g l a s s 东北师范大学硕士学位论文 i n v e r s e = f a l s e ； ) 以后的继承关系依此类推，仪器分类的继承关系并不复杂，却是标志了仪器的类别， 对于具体实验操作意义重大。 3 3 类库内部虚拟仪器的关联分析 类库内部仪器之间的联系十分复杂，这些联系全部都是基于具体实验操作中仪器的 联络关系。假定所有科目的实验构成了一个实验集合e ，而仪器以某种分类法划分成了 集合a i ( i j ，k = 0 ，1 ，n ) 。那么实验集合e 中的元素可以看成是仪器集合中元素的组织 关系，简单的理解为实验集合中的任意元素e i 对应一种实验中仪器的关联关系，在这种 关系e i 下，在仪器集合a i 中有n 个仪器与之对应。如图6 所示： 集合e e = ：c1 c 2 ，c 3 一e 1 1 磊 集合a i 图6 集合e 中的元素反映集合ai 中元素之间的对应关系，虚拟实验室对应的实验操作 已经预先设定完成，而且可以继续增加，所以实验集合永远非空，即e o 。实验操作 关系存在，所以对于幸牛幸e 都会在仪器集合a i 中找到相关的仪器元素。 3 3 1 实验操作集合的分析提取 如上述仪器之间的联系可以用一个集合e 来表示，这个集合中的元素e i 的确定对仪 器集合中元素有着巨大的影响。假设虚拟实验项目预设了k 个实验，那么原则上实验集 1 3 东北师范大学硕士学位论文 合e 中元素的个数n 大于k ，即n k 。因为每一个实验均可以看成是一种仪器的组织关 系，而在具体实验中仪器的组织关系不只一种。如果有一个实验，那么这个实验包含的 组织关系至少为一种。因而k 个实验对应的仪器组织关系应大于或至少等于k 。 对于实验操作关系集合元素的分析关系着虚拟实验项目功能上的完备与否。实验操 作关系集合元素的提取就是对整个虚拟实验项目的实验项目和操作方法做最全面、最细 化的分析与归纳。主要包括两方面的内容，一是对所要实验进行分析，把每个实验涉及 的仪器汇总记录，把实验过程中仪器之间的关系做以记录。二是将得到所有关系的结论 进行抽象处理，并把这些关系以特定的方式集成到虚拟仪器类上。 探究实验操作关系是项目的主体和方向，它标志了虚拟实验室项目的规模和技术含 量。而对关系的抽象则是虚拟实验实施的前提，仪器间有了怎样的关系，是由具体实验 决定的，因而仪器的关联的结果就可以反映出实验的组成是否可行。 如可以对如下实验进行分析。用高锰酸钾制取氧气，其装置图中图7 是氧气发生装 置，图8 是集气装置。 图8 在这个实验中用到了酒精灯、试管、铁架台、水槽、集气瓶、玻璃导管，依照实验 原理和操作要求可以分别描述有关联的仪器之间的关系，如“铁架台必须加在距试管口 1 3 的位置”，“试管略微向下倾斜 ，“酒精灯