（计算机应用技术专业论文）网上虚拟实验环境的研究与实现.pdf

桂林工学院硕士学位论文 中文摘要 实验教学是现代教育中非常重要的一个环节，它是对学生进行创新素质教育 的重要手段。随着网络技术迅猛发展，在网络媒体的强大通信功能以及分布计算 的支持下，如何充分利用计算机和网络技术实现对传统教学实验方法和手段的突 破和创新成为各个高校竞相研究的课题。本文是在广西区新世纪教学改革重点资 助项目( 2 0 0 6 a 2 0 ) 一一网上虚拟实验环境研究与实现的研发基础上完成的。 论文对虚拟实验理论知识和相关技术进行了深入研究，仔细分析了网上虚拟 实验平台的需求，构建出了虚拟实验环境的整体设计方案，并给予实现。主要研 。究的工作包括： 1 ) 仔细分析了高级语言课程实验教学大纲的要求，并且与一线教师进行了 充分的沟通，把握了实验的具体表现形式。从技术层面上考虑，精心选取了既符 合大纲要求，又具有可实现性的实验程序实例进行模拟。 2 ) 采用了m v c 设计模式，从而构建出一个系统耦合度低，可维护性强， 稳健的总体平台结构框架，为系统的成功开发提供了可靠的保证。 3 ) 系统采用了数据建模的方式建立了概念数据模型( c d m ) 、物理数据模 型( p d m ) 和面向对象的数据模型( 0 0 m ) 。不仅提高了程序开发的效率而且实 现了对数据库结构的有效管理。 4 ) 逐一实现了基本实验模块、补充实验模块、教师管理等功能模块。采用 j a v a a p p l e t 对高级语言执行过程进行了模拟，使学习者能够清晰直观的观察程序 执行过程的每个步骤以及变量变化的情况，更好的掌握实验的原理和把握程序的 结构，从而实现大纲要求的实验教学目标。 同时系统还实现了部分数值算法图像拟合过程进行模拟，能使实验教学显得 更生动逼真。 5 ) 系统采用了远程方法调用圳m i 来实现对数据库的访问，能有效避免 恶意小程序对系统的破坏，从而保证了系统的安全性。 实践证明，网上虚拟实验系统在桂林工学院实验课程系统中运行状态稳定， 实验效果良好，能够达到相关技术规范的要求，为教学改革提供了可行的方案。 关键词：虚拟实验，m v c ，a p p l e t ，砌沮 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t e x p 洳e n tt e a c l l i l 玛i sav e r ye s s 曲t i a l 雒p e c ti nm o d 锄e d l l c a t i o n ，i ti s 孤 i 脚【p o r t 锄tm e 孤噶o fm ei 皿o v 撕o n 删i t ye d u i o a t i o nf o rs t l i d e n t s w i 也t l l er a p i d d e v e l o p m e i l to fn e 铆o r kt e c l l i l 0 1 0 9 ya n dm es u p p o r to fm s t r i b u t c dc o m p u t i n g ，笛w e l l 嬲ap o w e r m lc o m m u n i c 撕o n 允n c t i o ni i lm en e 呐o r kn l e d i a h o wt 0m a k e 凡l lu s eo f c o m p u t e r 锄dn e 研o r kt e c h n o l o g yt 0b r e a l 【m u g l l 柚di i l 】v a t em et r a d i t i o n a l t e a c l l i n gm e t l l o d sa i l dm e a 璐i st h ec o r n p e t i i 坞s u b j e c to fr c s e a r c hi i lv a r i o u sc o l l e g c s 狮du l l i v e r s i t i e s t l ：1 i st l l e s i sh 笛c o n l p ie t i e di i l 廿l eb 勰i so fm en e wc e n t u 巧i nm e ( h 孤野iz l m 锄ga u t o m o 惦r 酒o nm n d e dp 叫e c t sf o rt e a c l l i i l gr c f o m ( 2 0 0 6 a 2 0 卜啊r t u a le x p 洫e n ts y s t 锄o ni n t 锄e t ，1 1 1 i st 1 1 e s i sr c s e a r c l l sd e 印l yt ot l l e o r e t i c a ll a w l e d g co fr e l e v 枷t e c l m o l o 百e so f v i r t u a le ) 【p e r i m e n ta l l da i l a l y s e sc a r e 凡1 l yr e ( 1 u i r e m e n t so ft l l ev i r t u a le x p e r i m e n t p l a t f 0 肌i ni n t 锄e t o n 脚i s e 衄sm e s i sb u i l d s 觚o v e m l ld e s i 印p r o j e c to f t h e v i r n l a l e x p e r i m e n te l l 、r i r 0 锄饥ta n d 百v e sr e a l i z a t i o n t h em a i n 豫s e a r c hi nm i s 廿l e s i s i n c l u d e s ： 1 ) t h ea u m o ra n a t 0 觚z e st h er e q u i 崩n 肌t so fm ee x p e 抽e n tc 删c u l u mc o u r s e s o fl l i 曲一l e v e l l 觚g l l a g e ，a n dm a k e sm no fc o 彻n u l l i c 撕o n 惭n lt e a c h e r s ，a i l d 伊a s p st l l e e x p e r j 胁e n ts p e c i f i cf 0 肌s h lc o 璐i d e r a t i o no ft e c l l i l o l o g y ，m i s 廿l e s i sc a r e m l l ys e l e c t s 也er e a l i za ：b l ee x p c 血n e n t p r o c e d l l r ee x 越n p l e sw 1 1 i c hs a t i s 黟m er e q u i r e m e m so f t h e o u t l i n e 2 ) 1 1 l es y s t e ma d o p t sm em v cd c s i 印p a 牡e r n s ，l e r 曲y i tc o n s 缸l c t sas t a b l e u i l i t a r ys 仇l c t u m l 丘a m e w o r kw i t hl o ws y s t e mc o u p l i n ga n ds 仃0 i 唱m a i n t a i l l a _ b i l i 够t 0 p r 0 v i d ear e l i a b l eg u a 埘l t e e 如rn l es 眦c e s so f 缸l es y s t e md e v e l o p m e n t 3 ) t h es y s t 锄u s e sd a t am o d e l i l l gm 础o d st 0e s t a b l i s hn l ec o n c e p t u a ld a t am o d e l ( c d m ) ，t l l ep h y s i c a ld a t am o d e l 口d m ) 狃do b j e c t - 嘶饥t e d 妣am o d e l ( o o m ) w 1 1 i c h n o to n l yi n l p r 0 v e 吐l ee 伍c i c yf o rm ed c v e l o p m e n to fm ep r o c e d u r e s ，b u ta l s o a c l l i c v en l ee f 五的t i v em 强a g 锄e n to ft l l ed a t a b 硒es 虮i c t u 】他 4 ) ，n l es y s t 锄0 n eb yo n e 犹l l i e v e sm eb 勰i c 懿p 耐m e n tm o “l e ，m ea d d e d e x p e r i m 饥tm o d u l e 舭dm e t e a c h e rm 孤a g e m e n tn 1 0 d u l e t h cs y s t 锄s i i i l u l a t e sm e i i i l p l e i i l e n t a t i o np r o c e s so ft i l e1 1 i g l l - l e v e l l a i l g u a g eb ya d o p 缸gj a v aa p p l e t s om e l e 咖e 瑙c 锄o b s e r v e 锄【u i t i v e l y 孤dc l e a l l ye a c hs t 印o fm e 却l 锄e n t a t i o np r o c e s s 勰 w e l i 弱c l l a n g e sm v a r i a b l e a t 也es 锄et i i n e 廿l el e 锄e 1 1 sh a v eab e t t e r 缪豁po fm e i l 桂林工学院硕士学位论文 p r i i l c i p i eo fe x p e r i n l ta n dm es 缸u c t u r eo f p m c e d u r 嚣t 0a c h i c v et t l er e q u 渤t so f m ee x p e 血1 锄e l l i l 玛。巧e c 石v 骼 a t 也es 锄et i i i l et h es y s t 锄c a ns i i i l u l a t eap o r 曲no f6 位i n gp r o c e s so fi m m e f i c a l a l g o r i 也mi n l a g et 0 舔s i s tt e a c h i n gv i v i d l y 觚d 他a l i s t i c a l l y 5 ) t h es 姆e i i l 却t sm er 锄o t em e 也0 dh l v o c 撕0 n 一踟t o 讥s i tm c 拙a b 嬲e ，w l l i c hc 锄a 、，0 i ds m a l lm a l i c i o u sp m c e d u r c s 丘o md e 蚰r t l c t i n gm es y s t e m e f f c c t i v e l y ，廿i i l sg i l 蝴l t e e i l l gt l l es e c u r i t ) ，o ft h es y s t e m p r a c t i c eh 弱p r o v e d 也a tt l l ev i r t u a l 唧渤髓ts y s t 锄i s 姗n i 】唱s t a b l y0 n e x p 耐m e n tc o u r s es ) r s t e mo fg u i l i nu 1 1 i v 潲注t yo ft e c l l i l o l o g y t h es y s t 锄h 豳g o o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s om es ) r s 把mc a nm e e tt l l 9p r o j e c tf o rt c a c l l i i l gr e f o m lt op r 0 、，i d e av i a b l et e l l i n gr e f 0 船p 伊a i i l i n e k e yw o r d s ：v 幽a le x p 盯i l l l 锄t ，m v c ，a p p l e t ，砌小 m 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在刘羽教授指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有 关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：缒壹盘 签字日期：2 二! - = ：蔓 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的 印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、 数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布 论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：盆童刍盘 指导教师签 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 1 绪论 实验是人们认识世界改造世界的重要途经，人类文明发展至今，实验起着不 可估量的作用，在近代科学技术发展的道路上，实验更是成为必不可少的环节。 作为整个教学过程中的一个重要组成部分，实验教学是从理论到实践的重要过程， 只有经过实验这个环节，才能使知识逐步深化，达到真正掌握的目的。 1 1 研究的背景与意义 1 1 1 课题背景 信息技术的发展对于整个教育体制及方式有着重大的影响，随着计算机的普 及和h l t e m e t 技术的发展，知识的获取已经不局限于教室。各个学科的教学活动离 不开实验教学，实验是教学活动的重要环节，在实验过程中学习者通过自己的亲 身经历加速和巩固所学习的知识，进而达到培养实际操作能力和解决问题能力的 目的，但是现在教育资源相对于日益扩招的生源显得不足，据通报，我国普通学 校在校生近2 5 亿，加上各级各类成人学校的在校学生，总数近3 3 亿，教育规模 大、教育资源相对不足【l 】。利用网络的开放性，结合多媒体技术开发网络虚拟实 验可以弥补不足。基于网络和虚拟技术的教育对于教育体制的转变及教育方式的 变革具有深远的意义。 随着计算机技术的飞速发展，通过网络进行的理论教学目前在技术和方法上 都已经成熟，其发展态势更是迅猛，技术人员不断尝试通过网络构建远程实验环 境，使一些实验现象能够通过计算机在网络中模拟，实验教学能够在网络远程教 学的环境中进行，这样实现了实验教学的远程化，虚拟化。在此背景下，“虚拟实 验”概念应运而生，虚拟实验为人们展示出信息社会学习环境和科研方式的发展趋 势。随着技术的不断进步，未来基于虚拟现实( q ，高宽带网络的虚拟课堂、以 至于虚拟大学都成为可能。 1 1 2 虚拟实验技术在实验教学中的重要意义【2 】 将虚拟实验技术引入到实验教学中，将带来新的教学观念，为其自身发展提供 新的机遇。 l 、改变了传统的教学概念，为教育改革服务 在虚拟实验平台上，学生可以按照自己的要求学习知识验证知识，探索知识。 打破传统的“老师讲授一模仿练习一强化记忆一测试讲评”的教学模式，使之变成 “问题一实验一观察一收集数据，分析数据一会话，协商一得出结论一证明一再证 明一练习一回顾总结”的新模式。学生自己动手操作，亲身参与充满丰富生动概念 l 桂林工学院硕士学位论文 或思想活动的探索过程，使实践能力、观察能力及归纳能力等都得到很好的锻炼。 2 、引进最新的科学技术，面向信息社会的需求 计算机“虚拟实验技术”是一种先进的学习工具，是多学科技术发展的综合， 代表着当前学科技术的发展水平。掌握了它就是掌握了先进的学习技能。随着水 平的不断提高，虚拟实验技术将不再是纯虚拟环境，很多软件都能和互联网连接， 和实际的实验设备连接，实现“远程实验”，实现软件对实验的控制和对实验数据的 处理和分析。使用计算机来进行实验，并对实验数据进行处理，这是每个技术人员 必须掌握的基本技能。在“虚拟实验室”中进行教学，可使学生在学校期间就掌握这 种技能。 3 、节省实验经费，保证试验安全 在教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使 一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不 足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而 丰富感性认识，加深对教学内容的理解。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做 各种危险或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生 的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而 造成飞机坠毁的严重事故。 4 、彻底打破空间、时间的限制 利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒 子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。这是电视录像媒体和实物媒体所 无法比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能 观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。 国外，虚拟现实技术已大量应于课堂教学。但在国内虚拟现实技术却还没有 得到充分的发展，我们探索虚拟现实技术同教学课程的结合点，使虚拟现实技术作 为新的教学媒体。 1 2 研究的现状 传统的“虚拟实验”是利用计算机技术与互联网技术，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试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。 目前国内外许多组织已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作。 在国外，作为首先提出虚拟实验概念的美国，从一开始就十分重视虚拟实验 2 桂林工学院硕士学位论文 的研究与开发，在该领域的研究己处于领先地位。r j c h e i ( v i n t i l a 】r a l i 坶i n c h e i i l i c a le n g i i l e 舐n gl a b o r a t o 叻实验室，由美国m i c h i g 锄大学化学工程系创建， 主要用来探索和开发虚拟现实技术在化学领域中的应用。玎i ，f v i 内l a l e n v 的咖锄t 融h n 0 1 0 9 yl a b o 咖简称v e t l ) 实验室，由h o u s t o n 大学和 n a s a j o l l l l 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 练和科学工程数据可视化领域的研究和开发工作【3 1 。虚拟仪器系统及其图形编程 语言己成为美国各大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛【4 1 。在 德国，鲁尔大学( r l l l l ru n i v e 璐i 妫虚拟实验室的研究也走在科技的前沿。鲁尔大学 的网络虚拟实验室是一个有关控制工程的学习系统，它通过直观的三维实验场景 视觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作【5 1 。 德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室：此外西班牙大学电子系已经开发了 电于仪器虚拟工作平台；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验 【6 ，7 】 o 与国外相比，国内在虚拟实验室方面开展的工作还不多。具有代表性的有清 华大学利用虚拟仪器技术构建了汽车发动机检测系统。吉林大学的汽车动态模拟 实验室实现了车身的虚拟设计与制造【8 j 。中科院上海有机化学研究所设立的虚拟 化学实验室c h 锄l a b ，涉及化学的广泛领域。此外，北京大学、复旦大学、上海 交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟实验系统用于教学和 科研。其中北京邮电大学建立的电子教室，能提供了有限的虚拟实验服务，其虚 拟实验系统在对电路实验的模拟上做的比较完善。( w w w b u p t 0 1 c o m c n ) 根据对国内部分远程教育学院所开设的理工科课程的现状进行了调研提供的 资料，其中有2 2 所院校提供了网络实验所需的教学资源，调查涉及计算机专业、 物理专业、机械专业、建筑专业、陶瓷专业等【9 】o 这2 2 所院校所提供的网络实 验资源相关指标比较见表1 1 。 表1 1 网络实验类型调查表 项目文本类视频类动画类有交互 有交流有评价 数目1 41 7 7 1lo 比例 6 3 6 7 7 3 3 1 8 4 。5 4 5 o 3 桂林工学院硕士学位论文 从表1 1 中统计的数据可以看出，网络实验教学形式比较单一，基本以文本、 视频的表现方式为主，其中部分是文本和视频搭配使用。这些网络实验几乎没有 在线交流功能和评价反馈功能，这显然无法满足实验教学的直观性、形象性、可 参与性的要求。 文献 1 0 】描述了大学物理虚拟实验应用3 d m a x 的模型制作实践为核心，为建模 开发技术的应用提供了较好的案例。文献【1 1 】介绍了虚拟仪器的概念、特点， 阐述了电工电子虚拟实验室的功能、组成及具体实施方案。虚拟仪器的引入，大 大提高了实验效率，解决了设备不足的矛盾。文献 1 2 】描述了虚拟生物学实验室 的设计与开发，该系统是以j a v a a p p l e t 作为客户端，以j a v a b e a n 的形式实现 实验组件；文献【1 3 】中介绍了远程编程虚拟实验室的设计，客户端采用j a v a a p p l e t ，服务器端采用c g i 、j a v as e r y l e t ，客户端把程序代码以文本的方式发送 给服务器，服务器调用相应的语言编译器编译执行，再将结果返回客户端：文献 【1 4 】就客户端实验台的j a v a 实现技术做一详细介绍，包括实验台a p p l e t 的界面设计， 实验台a p p l e t 程序的类结构，实验台面板基于j a v a 二维图形技术的实现，并给出 了组合逻辑电路输出模拟的递归算法。文献【1 5 】描述了远程虚拟实验的技术原 理与实现方法，按照基于虚拟原型的虚拟实验的一般原理，提出概率统计原理的 虚拟实验方法以实现方案，并且设计了一个远程虚拟实验系统并给出了几个实验 实例。 1 3 问题的提出 虚拟现实技术的发展也正在对实验室的装备技术和实验教学手段产生较大的 影响。用虚拟实验系统来开展科学实验和研究已变为现实，其发展和应用前景日 益广阔，并将对传统教学仪器产生历史性的变革。建立虚拟实验系统主要是基于 以下原因： 1 实验室是教学的重要组成部分，在实验室可以亲自动手获得亲身的体验。 2 物理资源的缺乏( 包括设备和实验人员) 限制了学生实验需求。 3 虚拟实验技术目前的发展水平已使其可以胜任对实验的模拟与仿真。 一般认为虚拟实验在硬件要求比较高的实验中有较多的应用，可以用软件来 模拟实验环境以代替昂贵的实验设施。而实际上，在程序设计课程中，没有教师 指导的情况下，学生在试验中往往难以找出程序中的错误，降低利用远程教育进 行学习的学习者在实验中的难度，虚拟实验是一个很好的解决方案。本课题以广 西区教学改革项目为依托，以如何实现程序设计课程的远程实验为研究对象，设 计一个基于网络的某一种高级语言的虚拟实验系统，将对教学实验有着很大的辅 助作用。 4 桂林工学院硕士学位论文 1 4 技术指标 基于网上的虚拟实验系统从需求进行分析，应能提供基本的教学功能，使学 生通过虚拟实验系统完成高级语言的实验课程。学习者通过本系统能进行实验前 预习，把握实验要点，了解实验原理，把握程序的结构，能观察程序的动态执行的 过程。根据不同的输入值能得到理想的输出结果。并通过与老师的交流，提出问 题，得到解答。 1 5 本文组织结构 全文共由七个章节组成，各部分安排如下： 第一章：主要介绍论文的研究背景、选题和意义以及整个论文的内容组织安排。 第二章：介绍了与虚拟实验有关的概念以及构建虚拟实验系统的理论知识。 第三章：详细介绍了m v c 设计思想和实现网上虚拟实验平台所用到的主要技术。 第四章：主要介绍了运用m v c 设计思想构建系统的框架以及网络拓扑结构。 第五章：对虚拟实验平台的需求进行了深入研究，给出了系统详细的设计流程。 并且通过建立数据模型，实现了数据库的详细设计。 第六章：对网上虚拟实验平台的设计与实现进行了详细的阐述，并对其中关键问 题的解决进行了讨论。 第七章：最后对本论文的研究过程做出总结，并对下一步的研究方向做出展望。 5 桂林工学院硕士学位论文 2 网上虚拟实验平台的理论基础 2 1 虚拟实验平台的相关概念 2 1 1 虚拟实验室 联合国教科文组织( 切惦s c o ) 采用已被广泛接受的虚拟试验室的定义 ( m l a ll a b o r a t o r y ，简称v l ) ：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生产并发布结果的电子工作室【1 6 l 。 2 1 。2 虚拟实验 虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术，实现各种虚拟实验环境， 实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训 练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果【1 7 】。 本文所谈的“虚拟实验”是应用计算机技术和互联网技术，以w 曲为实现平台， 结合现有的编程技术对高级语言执行的过程进行模拟，这种虚拟实验建立在真实 实验的基础之上，对高级语言执行的过程中的每一步显示的输出，实验者通过观 察执行的过程，中间变量的变化，结果的输出可以充分了解程序的结构以及执行 的细节，从而全面准确的掌握计算机高级语言。 2 1 3 网络教学中的交互定义 教学交互是远程学习的关键，远程教学的时空分离使学习者的学习质量很大 程度取决于远程教学系统的交互性能，网络虚拟实验作为支持远程实验学习的教 学系统，实验教学本身的强参与性和可操作性对虚拟实验系统的交互性能有着更 高要求。 教育大词典中这样解释交互作用( h l t e r t i o n ) ：“一个因素各个水平之间 反应量的差异随其他因素的不同水平而发生变化的现象”【1 8 1 。由此，交互就是指 不同事物之间通过相互的行为互相影响交互就是指不同事物之间通过相互的行为 互相影响了对方，引起双方的状态发生了变化。这是广义上交互的定义，操作交 互是网络教育中的一个重要组成部分，是学生实验的一个动手环节。在教育活动 中，有其特殊的表现形式，即教学交互。在交互过程中，师生之间发生了相互作 用，在这种作用下，学习者在某种程度上接近或者达到了预期的学习目标，而教 师同样获得了某方面的提高，也就是常说的教学相长。 交互是一种信息的双向流动，所以在一定意义上可以说，没有教学交互就无 法正常地进行教学活动。国内有学者以l a 嘶1 1 a r d 于2 0 0 1 年提出的学习过程会 6 桂林工学院硕士学位论文 话模型为原型，建立了远程学习中的教学交互模型【1 9 1 如图2 1 。 教师 信息交互 学生 学习资源 行为姆溺节建议与反馈 - - - 一- - - 图2 1 远程学习中的教学交互模型 学生 网络虚拟实验跨越了教师和学生在时间和空间上的距离，突破了面对面传统 教学模式的限制，把实验扩展到网络覆盖的任何一个场所，不仅满足了实验教学 和教学科研的需求，而且推进了远程网络教育的发展。然而远程教学中师生的时 空分离，造成了教学交互与传统课堂面对面的交互有着本质的不同，学习者网络 化学习的质量很大程度上取决于其与网络教学系统的交互水平。为使网络虚拟实 验达到其辅助和替代真实实验的开发目标，设计时必须将教学交互提高到非常重 要的层面加以考虑，从学习者角度出发，充分分析实验交互过程和实验交互需求， 对虚拟实验进行全面系统的交互设计。 2 2 虚拟实验室的形式化描述 虚拟实验室不但要满足一系列技术和效率上的要求，而且还要实现其所在领 域的大量需求，其中最基本的三个要求是： ( 1 ) 该系统必须能够精确再现真实世 界的信息：( 2 ) 该系统必须开放、灵活，能够响应用户的输入；( 3 ) 该系统必须能 够将所获结果反馈给用户。即，v l 要具有：多媒体性、交互性和仿真性。因此， 尽管虚拟实验室的对象各异，然而上述功能是必须实现的。我们可以从这里入手， 对v l 进行架构上的分析，对现有理论进行扩展，给出其形式化的一般性描述，从 7 桂林工学院硕士学位论文 而更好地指导v l 的开发实现工作【2 0 1 。 虚拟实验室是由一个或者多个具体的实验组成，即由虚拟实验组成，可以用 以下公式表示： j l l 籼r a t 叩l ，( v i n i l a l ) 2 点劬研咖绷f o ) ( 助铂搬，) ( 2 1 ) 每个虚拟实验都有其内部特殊的运行规律，需要特定的素材，能够完成特定 的功能。根据公式： 詹 e x p 丽m 咖劬j a l ) = 胍，舭( d ( 2 2 ) ，= i m o d u l e - 】m a t e r i a l s + m e 也0 d s ( 2 3 ) 从建立过程的角度描述，我们知道素材( m a t 丽a l s ) 与方法( m e t h o d s ) 的结合，构 成了虚拟实验，而虚拟实验可以由多个素材与方法结合的单元，即模块( m o d u l e ) 组合而成，将这些单元连接的纽带就是该实验的特质( 区别与其他实验的地方) 。 由于虚拟实验需要与人进行交互( 响应输入与输出) ，所以必须通过一定的界面 ( 细t e r e ) 来反映。反映的内容就是素材，反映的依据就是规则( m l e s ) 。因此，从 运行机制的角度，上述公式也可以表述为： e x p e r h n 础( v i r h l a l ) 也t e 舭叶r u l e s( 2 - 4 ) 界面是虚拟实验与入交互的接口，包括功能控制部分( c o n 仃0 1 ) 、输入响应部 分( b l p u t ) 和输出部分( o u t p u t ) ，可由公式( 2 5 ) 表示。目的是利用多媒体的输入与输 出使人产生沉浸感，完成交互任务。 h l t e r f a c e c o n 仃0 l + 却u t + o u t p u t ( 2 5 ) 规则隐藏在界面后面，是界面部分计算机表述的依据，是实现功能所用方法 的依据。这些规则是真实实验的规则和对于真实实验本质的抽象，对一些真实情 况作了必要的简化，依然能反应实验的本质，这也是仿真建模的主要依据。换言 之，规则是现象、规律与技术所能达到高度妥协的产物。所以，上述关系可以表 示为： r u l e s = - t e c h n o l o g y + f a c t o r y 十p r i l l c i p l e( 2 - 6 ) 因为每个实验所依赖的实验规律和所反应的实验现象是不可更改的，各个虚 拟实验的规则部分所不同的就是寻求将实际现象及其规律与计算机技术进行妥协 的合理路径。由于网络环境的存在以及网络技术的发展，架构v l 的过程中应该将 其纳入考虑范围，而且对于v l 所处的虚拟环境也要作出相应的考察。 2 3 网上虚拟实验室构建的基本原则【2 1 】 桂林工学院硕士学位论文 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。因此，网上虚拟实验室建设应坚持以下几个原则： 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。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。 2 3 1 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。 9 桂林工学院硕士学位论文 3 网上虚拟实验的相关技术以及开发工具 3 1m v c 设计模式 m v c ( m o d e l - v i e w c o l l 仃o l l e r ) 最初是在s m a l l t a ( 的g 叭设计之中提出来的，后 来广泛的应用在各种应用程序的构建中【2 2 】。m v c 设计模式很好地实现了数据层与 表示层的分离，特别适用于开发与用户图形界面有关的应用程序。其主要包括三 个部分：模型似o d e l ) 、视图( v i e w ) 以及控制器( c o n 的l l 哪。 模型( m o d e l ) ：即数据模型。它是对象的内在属性，是整个模型的核心。模 型封装的是数据源和所有对这些数据的操作。模型负责维护数据并提供数据访问 方法，在实际开发过程中，模型负责执行某些任务代码，但并不关心任务结果的 显示形式。 模型就是业务流程或状态的处理以及业务规则的制定。业务流程的处理过程 对其他层来说是暗箱操作，模型接受视图请求的数据，并返回最终的处理结果。 业务模型的设计可以说是m v c 最主要的核心。 视图i e w ) ：视图封装的是对数据源模型的一种显示，负责与外界交互的 功能，主管应用程序与外界的接口。一方面，它为用户提供输入手段，使用户可 以通过触发事件来控制整个应用处理逻辑的运行。另一方面，它又将逻辑运行得 到的结果以某种方式呈现给用户。一个模型可以对应多个视图，而一个视图理论 上也可以与不同的模型关联起来。 控制器( c o n _ 0 l l e r ) ：控制器封装的是外界作用于模型的操作。它是视图与 模型的联系纽带，控制数据流向。控制器提取用户通过视图输入的外部信息，驱 动业务流程，对模型进行更新。同时，模型的更新与修改也将通过控制器传递给 视图。控制器是系统处理具体流程和导向的核心部分。封装的是外界作用于模型 的操作。通常，这些操作会转发到模型上，并调用模型中相应的一个或者多个方 法。 综上所述，模型是对象的内在属性。视图是模型的外在表现形式，一个模型 可以对应一个或者多个视图，同样，一个视图也可以对应多个模型。视图还具有 与外界交互的功能。控制器是模型与视图联系的纽带，控制器提取通过视图传递 进来的外部信息并转化成相应事件，然后由控制器对相关模型进行更新，同样， 模型的更新与修改也通过控制器通知视图，保持视图与模型的一致性【2 3 1 2 4 1 。 m v c 的结构模型如图3 1 所示。 1 0 桂林工学院硕士学位论文 i捌mdl 到彗耄蓁篓馨囊霎功能怛 1 封技系统的状卷p 卜一 r 一一一一一一_ 提供使i f j 系统功娩的方法l ；变化曩知l 霎委羹篓茬毒兰蠹石羹嚣分l 抽擘教籀爱选 表示针对瑙户的敦姑 壤妒与岫d t 羲据的一致性 税翱建并 用户行为 c 蛐臼i k r 抽象用户和幕统的班件的语义映射 把用户的输入翻译为系统搴件 掇辩增户的输入和上下文情况进舞台愆的敲器重示 图3 1 盯c 的结构模型 3 2i a v a 相关背景 3 2 1j a v a 语言 j a v a 的最大的特色，就是用s u nc e os c o t tm c _ n e a l y 的话就是“w r i t eo n c e n m a i l y w h e r e0 n 孤y 嘶n gs a v e l y ，从技术角度来看，有以下几个特性： ( 1 ) 跨平台的语言：j a v a 语言是可以跨平台运行的，只要在j a v 墟拟机支持的平 台上都可以运行应用j a v a 程序。 ( 2 ) 极佳的安全性：语言具有多个层次的安全防护措施，可以阻挡病毒和其它 入侵行为，以免造成系统内的不稳定。它的安全性措施主要由以下三类： a ) j a v a 编译器内建有b y t ec o d e 验证器，在j a v a 源代码编译成j a v a 字节码时就会 做安全性检查。 b ) 类加载器在加载类时会指定其安全属性。 c ) s c r i p t 和a p p l c t 可能会造成系统的安全性疑虑，在此问题上j a v a 采取安全管理 器的沙箱模型，j a v a 虚拟机会针对可能的危险作出认证要求。 ( 3 ) 适合网络应用：j a v a 语言一开始发展的目的就是为了解决软件在公共网络 上不同平台间的流通性，可以说是为了缸锄e t 而发展的计算机语言。 3 2 2 j a v a 的平台结构 j a v 钵质上就是s l l l lm o s y s t e m s i n c 所研发的软件技术，整体平台结构如图 3 2 所示。由图可知，j a v a 的整体架构主要由两部分组成，即虚拟机i n u a lm a c i n e ) 和应用程序接口( a p d 。虚拟机是一套虚拟的计算机，有一个标准的规格可以用软 件或硬件来实现。位于j a va _ 虚拟机下层的移植接口层和a ( 娜t e r 则是为了使j a v 墟 l l 桂林工学院硕士学位论文 拟机能够方便的移植到不同的操作系统之上开发的。位于虚拟机之上的j a v aa p i 部分包含了基本型的a p i 类与标准延伸的a p i 类【2 5 1 。 a p p l e ta i l da p p l i c a t i o n j a v ab a s ea p ij 曩v 叠s 扭n d a r de x t e n s i o na p i j a v ab a s ec i a 踌船j 叠v - 酝n d 叠r de x l e n s i o nc i i 噶s 鹤 j a v a 虚拟机 移植界面层 a d a p t e ra d a p t e ra d a p t e r 测览器 j a v ao s 操作系统小型操作 操作系统 系统 硬件硬件硬件硬件 图3 2j a v a 系统结构 3 2 3 j a v a 虚拟机 j a v a 不仅仅是一种语言，更重要的是一种区别于传统系统，遵循“网络就是计 算机”信条的平台技术。j a v a 平台将面向系统扩展成包括程序和数据的网络计算机 ( n c ) ，而这个平台的核心就是虚拟机，许多j a v a 使成为万能开发平台的属性都源 于虚拟机的概念和实现。 j a v 4 虚拟机处在机器和编译器之间，在任何平台上都提供给编译程序一个共 同的接口。j a v a 源程序( j a v a ) 经过编译器编译后变成字节码( c l a s s ) ，字节码由虚 拟机解释执行，虚拟机将每一条要执行的字节码送给解释器，解释器将这些字节 码翻译成特定机器上的机器码，然后在特定的机器上运行。该过程就是编译后的 j a v a 程序的运行过程。 j a v a 虚拟机的主要任务是装载c l a s s 文件( 经过编译j a v a 文件得到的) 并且执行 其中的字节码。j a v a 虚拟机包括一个类装载器【2 6 1 ，它可以从程序和a p i 中装载c l a s s 文件。字节码由执行引擎来执行。具体过程如图3 3 。 1 2 桂林工学院硕士学位论文 图3 3j a v a 虚拟机的执行环境 类装载器的体系结构是j a v a 虚拟机在安全性和网络移动性上发挥重要作用的 一个方面。图中所示的类装载器可以包括多个类装载器的子系统，j a v a 应用程序 能够在运行时决定需要安装的类，并且将被不同的类装载器装载的类存放在不同 的命名空间。执行引擎处于j a v a 虚拟机的核心位置，它的行为是由指令集所决定， 其主要作用就是解释字节码( 即运行经过编译后的j a v a 程序的c l 嬲s 文件) ，不同的执 行引擎实现可能非常不同。由软件实现的虚拟机的执行引擎分为一次性解释字节 码，即时编译器和自适应优化器由硬件芯片构成的虚拟机用本地方法执行j a v a 字 节码。 3 3 j a v aa p p l e t 3 3 1 a p p l c t 简介【2 7 1 。 a p p l e t 可以翻译为小应用程序，j a v a a p p l “就是用j a v a 语言编写的这样的一些 小应用程序，它们可以直接嵌入到网页中，并能够产生特殊的效果。包含a p p l e t 的网页被称j a v a - p o w e r e d 页，可以称其为j a