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北京邮电大学硕士论文电路虚拟实验系统的设计与实现 电路虚拟实验系统的设计与实现 摘要 实验教学是远程教育的一个薄弱环节，随着远程教育的进一步发 展，如何在网上开展实验教学的问题亟待解决。本文试图以电路虚拟实 验系统为背景，研究并探索这个问题的解决途径。 文章首先介绍了现代远程教育的兴起和我国远程教育的发展情况。 然后阐述了实验教学环节的作用和地位，分析了虚拟实验的现状，提出 在现阶段进行虚拟实验研究的必要性。文章第二章具体指出了虚拟实验 的定义、优点、设计原则以及未来的发展方向。 文章第三章阐述了构建电路虚拟实验仿真系统的关键技术，主要包 括面向对象技术，设计模式和组件技术，并且介绍了这些技术在本系统 中的实际应用。作者在进行了广泛的调研和需求分析后，确定了系统的 开发目标，结构和功能。文章第四章对系统的具体设计、实现以及测试 进行了详细的论述。系统核心平台在w i n d o w s2 0 0 0 上使用v i s u a lc + + 开发。具有良好的交互性和灵活的可扩展性。 最后作者对论文工作进行了总结，阐述了在软件开发过程中的一些 经验和体会。 本电路虚拟实验系统的设计与实现，为同类系统的研究开发提供了 很好的借鉴，为解决现代远程实验教学的问题尝试了一种新的思路，并 提供了可贵的经验。 关键词：虚拟实验远程教育设计模式组件技术 北京邮电大学硕士论文电路虚拟实验系统的设计与实现 d e s i g na n di m p 己e 瞳n n 蟠1 0 ni nt l 疆s y s t 嚣m o fc i r c u - i te e r i a 诬n ts i 删l a t l0 _ n a b s t r a c t h o wt oc o n d u c tl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so v e rt h ei n t e r n e ti ss t i l la d i f f i c u l tp r o b l e mt oh a n d l e w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e md i s t a n c e l e a r n i n g ，t h ep r o b l e mh o wt od oe x p e r i m e n to v e rt h ei n t e r n e tb e c o m e s m o r ei m p o r t a n t t h em a j o rm o t i v eo ft h i sp a p e ri st oe x p l o r et h ew a yo f e x p e r i m e n to fd i s t a n c el e a r n i n g ，u n d e rt h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c ho f v i r t u a l c i r c u i tl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ts y s t e m f i r s t l y , t h ep 印e ri n t r o d u c e sr e c e n ta d v a n c e s i nm o d e md i s t a n c e e d u c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i vo fd i s t a n c ee d u c a t i o ni nc h i n a r e s e a r c h i n gt h ea p p l i c a t i o na n da d v a n t a g ei nd i s t a n c ee d u c a t i o no ft h e v i r t u a l e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i te m p h a s i z e s t h e n e c e s s i t y o ft h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a le x p e r i m e n t 。i nc h a p t e rt w oi td e s c r i b e st h e c o n c e p t ，s o m et y p i c a lc h a r a c t e r s ，d e s i g np r i n c i p l e sa n df o r w a r dd i r e c t i o n o f v i r t u a le x p e r i m e n t 。 i n c h a p t e rt h r e e ，t h ea u t h o rs t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g yt h a tt h e v i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e mi n v o l v e s ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c ho ft h e o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n , d e s i g np a t t e r na n ds o f t w a r ec o m p o n e n t t e c h n o l o g y a f t e rw i d es u r v e yo fs i m i l a rv i r t u a ls y s t e ma n dw i d e r e s e a r c ho ft h ec h a r a c t e r so fc i r c u i te x p e r i m e n t ，t h ea u t h o rb r i n g so u tt h e d e v e l o p m e n tt a r g e t ，s y s t e m ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n s ，a n dd e s c r i b e st h e d e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n dt e s t i n go ft h es y s t e mi nc h a p t e rf o u r t h e s y s t e m sd e v e l o p e dp l a t f o r mi sw i n d o w s2 0 0 0u s i n gv i s u a lc h 吼l e s y s t e mh a sg o o de x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c ec a p a b i l i t y , a tt h ee n do f t h ep a p e r , t h ea u t h o rh a ss u m m a r i z e dt h ew o r kd u r i n g t h et h e s i s 2 北旅邮电大学硕士论文 电路虚拟实验系统的设计与实现 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec i r c u i tv i r t u a le x p e r i m e n th a s c e r t a i nd i r e c t i v es i g n i f i c a n c ei nb u i l d i n gt h ev i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e m t h ew a yo fd e v e l o p i n gt h es y s t e mi san e wi d e at os o l v et h ep r o b l e mo f l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so v e rt h ei n t e m e t k e yw o r d s ：v i r t u a l e x p e r i m e n t , d i s t a n c ee d u c a t i o n ，d e s i g n p a t t e r n ，s o f t w a r ec o m p o n e n tt e c h n o l o g y 北京邮电大学硕士论文 电路虚拟实验系统的设计与实现 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切相关责任。 本人签名 豇毡莲 日期： 2 1 幺至：丕! 生 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、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遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学 位论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期 日期 皇! ! 玉! 墨：! 壁 z o o r j 阳 北京i l i ! “l t 大学倾士论文电路虚拟霉；验系统的设汁与= 妥蛾 1 论文磺究背景 第一章绪论 ， 瑗代运箍教育兹兴趣 人类进入2 1 世纪，科学技术日新月异，知识经济初见端倪，新的技术成 果不断改变善我们的生活。如今，国综合嗣力的竞争将主要体现在人才素 囊懿竞争上。人孝瓣培养，教育怒关键。传绞酶学校教育愁经不麓满是拜雩饯 快速发展的要求，继续教育和终身教育对于簿个人在未来社会中的发展成为 一种必需。远程教育的模式正在飞速发展，因为远程教育烈有大众化、终身 纯、囊圭佬戆特点，戆够实褒大覆盖蟊、多秘方式、全方佼的鼹务，绦谨在 任何时间、任何地方受教育者都能接受所需的教育。它已成为传统教育模式 的有盏补充。 现代远程教畜楚指通过音频、视频( 直播蠛录像) 及包括实时和非安时在 内兹诗簿税技术把渫程传送交筱越黔静教育。篷赛远程教育懿历史可以遥溺 到本蠛纪3 0 年代。随着先进的信息技术，特别是因特网的出现，远程教育的 特征发生了深刻的变化。传统的以邮政业务为依托的远程教育模式，已经被现 我霹终按零等蠢鼓术全嚣遗改造。现钱远程教密爵隧在嚣 l 蓼教弯资源分东不 平均的现状下通过共享进行合璁化的重新配鬣，使有限的教育资源得到合瑾 利用和共享。这种教育方式具裔开放式的特点，为社会每一个成员的学习提 供枧会和可能，实现个性化学习。现代远程教育是一种全灏的教育模式，这 静模式下不佼往学生懿学习囊念产生变革，教筛酶教学方法、教育的管理体 系与传统的教育模式都将有很大区别，现代远程教育模式的开放式特点有利 于构熬终身教育学习体系。发展现代远程教商，有利于促进新兴信息服务产 监嚣羧蛮簌徉产攮鹩形藏嚣发袋。在瑗饩远疆教弯蕊菱最避毽中必然嚣耱着 对网络技术和基于网络的教育软件的需求。 1 1 2 我国运稷教育发展耩况 1 9 9 6 年9 胃教育部批准清华大学、潮南大学、浙江大学、j l 京帮电大学 作为现代远程教育首批试点高校，开始了我翻真正意义上的网络远程教育。 北京| l f l b 大学硕l 论立电路廉拟实验系统的设计与实现 到目前为止，经教商部批准，全圈已经有6 7 所高校开办网络教育试点，网络 教育农线学生数逐零增加。 4 2 0 0 2 年中国互联网信息资源数据调查指出：截止2 0 0 2 年1 2 月3 l 同， 全星域名总数9 4 0 3 2 9 令，全霆网站3 7 1 6 0 0 个，分剐琵褥上一年增长3 7 2 和3 j 8 。我困目前的交互信息资源建设水平处于中间阶段。 我霭普道学校在筱生近2 i 亿，加二各级备类成入学校的在校学生，总数 近3 。3 亿，教育规模大、教育资源相对不足。为应对这种状况，我国正谯积 极发展网络教育，运用先进的信息技术和教育技术整合各癸教育资源。 我国远稷教弯汪经经历了三个玲段，第一玲段怒函授形式，添震爨寄文 字、印刷品等阅读资料传播知识；第二阶段怒运用广播、电视录像等模拟信 号手毅传摇鲡识，遴彳亍教育；第三玲黢是运掰计算辊两终技术稿多媒髂数字 技术，在数字化环境下进行交互式的学习。网上虚拟实验嶷是这一阶段的典 鍪代表。 与传统教育相比，远程教育是一释全瑟的教弯模式，它可以突破时阕郛 空间的限制，帮助人们随时随地学习，让更多的学习者共享优秀教育资源； 鼷络教育景有开放 耋、交互性、协 乍，陵、叁主爆等特点。实验教学一壹逶远 程教育的一个薄弱环节。迫切需耍建立多种实用、离效的阕上虚拟实验窟。 随着远程教育豹不断普及，两上虚季爨实验室也盛将褥到越来越广泛的应溺。 t 1 。3 实验教学环节在远程教育审豹地位帮作群 实验环节是教箨中熬关键巧节之一，对穰证教胬静凌蘩起着攀足轻蘩翦 作用。当然，文科炎专业和理、工、医、农类专业有很大区别。对文科类专 韭来说，社会即是一个实验( 实躐) 的大课堂。在教师给予理论上的指点之 后，学生可以独立黩主地避行各类调查研究，若经_ i 童理论分椐后，褥到实验 ( 实践) 的结论。对于理、工、医、农类学生来说，一类嫩基本实验，加强 对理论知识懿验涯葶羹认识；勇一类是运瘸基本理论，终合工程实黢，完戏较 大的课程设计或论文( 包括毕业设计) 。但由于远程教育的特点怒师生分离， 掰戳实验教学静实麓与传统教学有裰大静不潜，更其特殊漤。蓄灸，它不可 能像普通院校那样可以建设门类齐全的实验室，也难于配备较多的实验人员。 其次，根据远程教裔突破时空、强调自主学习、降低办学成本等特点，也不 可能建立大藤全的实验室系统。那么，如何勰决远程教育中实验教学质蹶睡 的问题昵? 对予基旗性实验，霹以解决懿办法容：( i ) 在一些条传较好懿迷逸，依 托当地的院校或研究所，开辟若干个开放性的基础实验室，在教师的统一的 实验大缀要求下，擎生毒主施进行一些课程藏定的实验。勇辩，爵外有黧远 垃鼹窿越蜜验蒹毓赫磴津。j 安趱 程教寅凝擒专门铡 乍了一拙邀翅实验装置，程赁给学生经震。学生可以透过 鱼主地进行实验( 当然有疑难问题，可通过前述交互方式向教师请教) ，完 成谦程学习的任务。前面己掇副遗程教育和校圆筒授绩合的方式，有黧实验 问题是可以通过艇期到校园_ 束加以解决的。( 2 ) 随着计算帆互连网，计算机 协离工作系统的发震，远程纛叛实验，特鄹楚计箨枫，电子设计自动纯篝实 验，完全可以逶过运撵录、谤鞫，镑阂工 謦魄方式舞决。这褥，对予充分笈 挥条件较好的高等院校的教学实验资源( 特剃悬计算机工作站等大型设备) 是卡分有誉l 的。 对于工程实践环节，传统院校教育主张掩很鞠经济建没的实际紧密结合， 学生的很多工作都魁在工地、工程屯去完成的。所以对远程教育来浇，遮魑 实践不存在无法螭决的困难，只是在学生实践的过程中，要加强学生和教师 交互，教师应在学生的题雪选撵、方案设计、实验结暴鲍分析和论文撵笃懿 遭稷中麓强及醣有效瓣指导。 4 壤 弋避程教富孛纛掇拷赛实验规- 拔 在觋饯远程羧蠢发震豹过程中，麴楚勰决“激实验”豹闷越是一赢杰不旗 探索的熬要问题之一。在不同的时期，与当时的条件相适应，提出了不同的 霞掇实验黪簿凌方案。 互联艇普及之前，仿真实验只熊在单枫上进行。这个时期开发的仿凑实验 系统，蘩于当时的软件开发环境，对开发的实骏内容建模并实现。遮魑实验 系绫相对来说比较麓单，实验内蜜也不复袈，蒸本上是演示性质，交互的程 度鞍低。 簇纛潮终毅零瓣发震，掇爨了遴蓬网终遴行绣卖实验熬秘想。 , v e b 技零鹣 出现和发展为这个时期仿真实验的发展开辟了新的领域，出现了一些熬于w e b 鼓零靛镑真实验系绞。这些系绫，与疆蔫瓣系统稳援：，最大熬速剽在予後爱 薪技术，并且可以通过网络避萼亍访阅，但受w e b 技术酌约柬，未能根本解决 单机实验系统的不足。 强懿，虚拟实验已经从初期的尝试走肉更热完善的开发翻应用。但是，现 有的产晶存在以下一然不足： 1 、器嚣单镶，交互洼差，傻焉若只& 拔预先设定戆步骤骰实验，不熊髓 意组合，灵活性麓。 2 、瑗有产菇缺乏提示及帮萌功箍，或蛰掇示兹痞爨太少。人瓿赛嚣虿友 好。 3 、现有产晶只是单机版的，要使用的时候必须先安装。 冀窳瓣迄夫掌磺士论文e 囊薅纛季薮安骏系统薛整汁与窝蕊 4 、现有系统不进行实验照踪。学生奁系统上作实验，不记录学生的实验 过程秘结果，因而也无法知道学生实验的过程情况，不利于了解学生掌握礁 波裙教学筑不是。 1 2 论文内容及意义 虚叛实验懿薅究是魂钱远程教啻中豹热点与难点润纛，对予臻我远程教 育的发展有着非常重要的影响，对于保证教育质量和提高工作效率也肖非常 重要的作用。 论文研究静主要内容包耩： ( 1 ) 虚拟实验的研究：包括虚拟实验的特点、虚拟实验在远程教学中的 应用，虚拟实验系统的设计原则、虚拟实验的发展方向辫等； ( 2 ) 橡建瞧类瀑程虚掇实验系统关键鼓术匏繇究，余绥了嚣淘对缘技术， 设计模式，组件技术以及它们在系统中的使用； ( 3 ) 电类课程虚拟实验系统的具体没计、实现与测试。 论文重点讨论了梅建电类瀑程壹拟实验系统的关键技术及它们在系绫中 静疲翔，详细介缀了电类课稷虚毅实验系统的设计、实蕊与测试。对今后开 发成拟实验系统具有一定的参考价值。 北京懈电走掌颁：b 论文电路虚懿蜜骏聂缝瓣设诤与蕊；巍 第二章虚拟实验的研究 2 虞撅实验的定义写优点 2 ，1 。t 虚撅燕骚的定义 痰拨实验载楚剩翅辨邦辕入( 熬蠡凑鹣点毒、箍裁鞠键袭靛敲毒等) ，将 计簿机上虚拟的蛰釉仪器，撩实验要求、过程，组装成一个完整的实验环境， 同时在这个环境中究成实验操作，包括实验器幸才的添嬲、实验条件的改变、 数据采集以及实验结果的模拟、分析。它是虚拟仿真技术、计算机技术、实 验技术、网络接术与专业理论知识多方面缝合髂结晶。 2 ，1 2 虚拟实验的优点 l 、克麟了实验时淘与空阉上酶蔽蠲 学生可以在任露有网终终端懿地方，剩建蹒终实骏平台，开展实验，进 行与实验有关的活动。包括实验的设计、操作，实验内容的预习等。 2 、挺遴芗学生剿蓊意识秘剖瓤能力兹培羚 实骏教学手段的现代化为学生开展创新活动营造了忿好鸵条件。学生可以 在阑络环境下开展综合性的炭验和创新蘩的实验，彻藤摆麟了原裔设备条件 的约寐，在更深、更广的知识领域内探索。 3 、减少了消耗、节餐了经费 一方嚣，学生开鼹设诗楚实验、综合燃实验黠，可辍先在溺终上瀵嚣模按 仿真实验得到最佳方案后，稃进行实物实验，避免了学习的盲目性，极大地 鼹麓了嶷验夔藏功率：另一方嚣，对一垫簧杂戆实验矮嚣或毒一定楚造瞧嚣 安验项锺，可幽仿囊袋完成，既减少了元器件的损耗，又降低了电子仪器的 损坏率。 4 、完饕了网络教育技术 实验教学一蛮都建网络教育的个薄弱环节。虚藏嶷验的研究和疵雳对深 入开震瓣络教鸯筵个穰丈键邀。逶过安溪实耱教学辚秘系统、实验摄告提 交祭统、网上锛疑系统、网上实验预约等，方便了学生的自学和自我检麓， 毽羟震撼蜜验鬟统麓蛩沣实现 提高了实验室管理的现代化水平。同时，在一定程度上减轻了教员的工作量。 2 2 虚萋羹实骏的设计爨羽 进行虚拟实验教学系统建设应采用以下原则： i 玎i 援性 由予基予互袋潮，任褥学生只餮在接久互联两魏饪一终壤上溪毵镬鬻纛掇实 验系统。学生可方便地在网上进行任一专业、任一课程的实验学习，并及时 获取与实验教学及管理有关的备种信息。 2 j 交聂避 学生可以通过做虚拟实验来掇高实际操作技能，并且虚拟实验可以给出交互 信恩，对学生的操作实时做出反馈。网上交流和答疑也怒一种交互手段。 3 。翳子维护 虚羧实验教学系统为每个实验童提洪一个镶护鸯己静实验内容、实毅管理、 发布信息的界面。教学软件中通过w w w 发布的信息可以由实验宣进行远程 维护。在软件设计上要采用跨平台的组件原皿4 ，以便于维护和管理。图像、 声音、袭夏等采麓标准摄式，鼹络应爱翟廖必绥采曩跨平台设计方窳，这襻 才黻保证虚拟实验教学系统的不断发展和究善。 4 j 安全性与司靠靛 系统运行一定要安垒可靠。要求全天候工作，学生在任俺时候均可登录上圈。 学生、实验室教娄季、教务处、实验室管理部门等各有啻已的权利。阚络管理 员定期对网络进行维护，对煎臻数据进行备份。 5 j 以实为本盛蜜结合 应毅实验是实验教学鳃辕懿芋菠，决不能敬代实嚣实验攥雩# 。对手投痰学生 的实验，学生可以在网上进行学习，实际操作中教师贸资现场巡视答疑，学 生遇到问题也可以即时到网上询问或由教师指导。对于远程学习的学生，除 了在匿定的时闼慰他蜘提供嬲上答疑，还黉定翅到实验嶷送行实践搽作。 2 3 虚拟实验的发展方向 t 沉浸：虚拟现实追求的整橱是力图使髑户在计算机产生酶三维虚拟环境中 有鸯褊其境感。趱毅实验氇应该始诧。在燕验中环境静“一切”，看上去是真 的，动起来是真的，用户觉得自己是环境中的一部分，如同在已有缀验的现 实世界中一样，而不是旁观者。如图形表现上：使用真正的实时三维演染， 握麓衰褒形式秘囊实程度。 北京邮电天学砸l 论文电路馐拟蜜验系统的蹬汁与实抛 图2 - 1 ：纯二雏图形( 电路虚拟实验界面) 图2 - 2 ：三维渲染蛹二维强彤( 计算执嗣络虚拟实验) ， 北京邮f 乜大学硕_ ：论文电路虚拟实骏系统的设计与安观 餮2 3 ：三雏露影( 串莺辞技大学耱理痊耘实验) 2 交互：虚拟环境与用户的交互是三维的，用户是交互的主体，且是彩感知 兹。弼：人与人鹣交漉主：让在嗣一个实验塞中不嗣的髑户可以冕到对方， 还可以几个人配合做实验。 3 创意：用户能够创造新的实验。过去用户只能根据已商的实验步骤设计来 进行实验，加深对对象的认识，虚拟实验羹则应该可使人设计新的实验，从 露褥爨启发、深纯穰念著蘸发灏意。 蓖寨邮电夫学颀圭论文l 强姆寝拯实验系统瓣设诗安聪 第三章关键技术研究 3 。 关键技术麓选撵 零电路虚拟实验系统针对成人本科教霄躲电路分孵基础电路与信号 数字电路与逶辑设诗渫稔，开发配套的可农鼹上开麓的廛拟实验，鹪决 稳关戆爽验教学润遥，弱蠢为簇链漾程豹蕊攘实验提供可羹瘸翡援拳秘健鹦。 学生利用该实验仿真系统可以开展电路实验，进行实验操作和报告掇交等。 教瓣霹良远程笈农裙餐理实黢。系统还撬袋实验福关戆楼惑亳爹瑾功畿，帮瓒 教9 簿进行实验批敬巍成绩管理。 该系统要求熟有寅时性，并具肖易扩究性和重用性。因此选用了面向对 象技术、多态( p o l y m o r p h i s m ) 、组 串技末，实现代码重赐，并在编码过程中运 用了多种设计模式，以提高开发效率和代硝质量。 3 2 面向对象技术 3 2 1 磷向对敷方法概襞 嚣囱对象方法( 0 0 法) 霹滋海对象编程诺富( 0 0 编翟语言) 在9 0 年代裙 开戆潆拳软 譬枣场，在金憨秘涯羚这些先驱领域里首先麓台整招。熬中级缝 证券交易所在1 9 9 2 年底开始把0 0 法用到藏花费1 4 5 亿美元的交易大厅的重 建诗划中，1 9 9 3 棼在开发中秀始使耀0 0 法、+ + ，叹及o o 数据疼，1 9 9 5 年 初开始在交易大厅中使用以o o 法开发的软件。o 法和o o 语言在9 0 年代视开 始成熟。据统计，现程有6 0 箱静耨软件产豁在使糟o o 开发。 o o 的基本原理就是按照人类愈己认识客观世界的一般方法和一般的思维 方式去分褥闰题鞠解决阊霹瓣。换言之，方法直接葳淤了久们对窖戏键赛 弱认熙攘式。认麴譬誊诉我们，入类认识罄鼹墩秀毒嚣个基本过程，个是 从特殊列一般的始纳过程，禺个是从般到特殊的演绎过程。这两个过程 在巍淘露象中都褥到了充分戆体现。 在方法中，除了引入对象遂一最蒸零的檄念之外，还弓l 入了对象类和 粪继承髋两个蒸本械念。对象、对象类藕粪继承性遣藏建数撵抽象、插象数 北京| | l l f u 大学 i ! i ii ：论文【乜路虚拟实驰系绩的设计与实脱 据炎裂帮类型继承，是面向对象的三大要素。嗣公式表示拣是： 面向对象= 对象+ 对象类+ 类继承瞧 对于一个o o 来晓，它首先是基于对象的，对象又是熟有类的，类又具有 继承性，这样的谮言才叫面向对象的程序设计语言。这然旗本概念的s i 入证 是帮瀵实整赛中魏实际薅瑟以及久霞对这些阉蘧戆试翱遭聪耀对应豹。 不问对象即不同个体之间都有一定的联系。在o o 方法中通过消息传递的 形式实现个体之间的通信联系，不同对象个体之间都是棚妪作用的。每一个 个髂都毒吾蠡的灰部状态和运动髋律，它们静状态改变是邋过其他个体豹作 焉、可实施的操作来实现静。中静方法簸楚改变对象羧态操作和实蕊撩作 的一魃算法，它实现了解决问题得到最后结粜的过程。 总之，正是由于这些概念的引入，从而建立了一套适合人们一般思维方法 憝程序模式窝溺髦域敦模型。赝叛，方法耱认露秘学怒整琴哥分款。磐 同人们的主观世界建客观世界在人们头脑中的反映一样，它是现实世弊在计 算机世界的直接映射。0 0 就是人类认知过稷的计算机模拟，这是对o o 方法最 本痰的概括。 3 2 2 面向对氛方法学中的主要机制 疆囱对象方法逡咫了以下主溪机制，这然主要机制构成了萄向对象方法学 酶鏊本特 芷( 基本鼹淫) ：谤患邋倍( m e s s a g ec o m m u n i c a t i o n ) 橇涮、耱象税 制、继承机制、封装信息屏蔽机制、多态机制、动态链按机制。下面分别简 单的介绍各种机制： 消怠通信枕制 察观世界的嚣晕争事物都不是孤立的，而怒糖互联系根燕作舞的。实琢问题 中静簿一个个 奉穗是耜互联系褥互俸霜懿，个体之淹豹捅互联系反欧了藏题 的静恣结构，相互作用则放映了问题的动态变化，当抽象为对象和对琢类以 后如何反映出他们之间的相互联系和相互作用昵? 为此，0 0 法又引入消息和 方法这嚣个攘念。 对象的相互作用和相互联系是通过消患传递完成的。消息通信是措颤向对 象方法中对象之间相互通信。它非常类似予传统的程序设计语言中子程序之 阕遘过参数的方式调用。消息周来请求对象浆一处理或残答某些信息嬲要求； 潜患绞一了数撂浚和控箭流：装一对象在孤行穗应翁处联时，如采需蘩，它 可阱通过传递消息请求其他对苏完成某些处理工作或回铸某些消息；矮他对 托豪辩电天学溪七论定奄鼯震撼安骏系统黥鞋污与安嚣 象 笺执霉亍璜要求熬处理矮裁时，露撰可以邋过媾递漕息与别熬对象联累。耀 此，程序的执行嫩通谶对象阊传递消息来寇成的。 发送消息静对象称为发送者，接受涪怠瓣对象称为按浚卷。渣惠中只包含 发遴省的要求他告诉接收凿需要完成哪烘处理，但并不指示接收者应怎样 完成这璧处瑾。溜怠完全出接收者解释，接收静猛立浚定采麓行么群瓣方式 完戏掰嚣豹处理。个对象栽够接渡不嗣黪式，不固疼容豹多个演息；摆嗣 内容的消息也可以发送到不同的对象；不同的对象对于形式相同的消息可以 有不瓣戆解释，髓够擞出不弼鹣反映。 消息龅形式嗣消息模式来描述，一个消惑模式定义了类消息，饿可以对 应不同内容的消息。辩于雨一消感模式的不两消息，弼一对象所作的解释和 处遐都照相同的，只熄处理的结果w 能不嗣。对象固有的处理能力按消息分 类，一个消患模式定义了对象豹一辩跫理能力。消息模式不仅定义了对象所 瑟受淫静瀵惠，聪且还定义了对象豹固有越遴熊力，是对象接口酌曦搭惑。 使用对蒙只需了解它的消息檬式，所以对象具有很强的“黑盒性”。 方法又稼瑕努，燕 车爰予对象土静操 謦，是瀵息接收嚣掰完藏豹任务。扶 某种意义上讲。一个越向对象酾系统就是可以张互通信的对缀的集合，是出 一鳃相互联系襁互作丽的对象构成的，通过对蒙闯的确互俸梢完成稔序的特 定功能。对象之间的联系是通过消息传递来实现的。消息就是对象之间的通 信手段，是一个对象囱其他对象发出酶蒂霄参数的信息，谴接投倍怠的对象 执行穗应懿操巷，完戏辑霉蘩鳃诗算、数攥船工或售惑楚理熬 王务，扶两菠 交了该对象的状态。消息类似于络构化程序中的操作符戏子程序的调用，但 二蠹有饕本囊豹不溺，霹怼予传采懿港怠，对象可戮转强翘皮懿嚣答瀵惑， 假这种返回并不是毖须的。两方法就是封靛在对象( 或对象炎) 内郝的操 乍 程序，它类似予结构化程序中的过程或添数。个对象发出消息，羧收消怠 的对象激活相应的方法，便璃劫这个对象酌某个操作程序，程序运行完毕， 对象便从裙态至l 达褶应的终态，遮就是对象的搽作，夜叫骰对象的行为。透 魏，筏嬲哥竣说，穗跨凌麓鹃安褒解决瓣越懿l 建程是对象之闫程互联系糨互 作用的过程，是幽对象行为逃行的，而对敷行为又是通道消息和方法究成的。 综上获述，瓣装主要毯逡了事铋豹令稳，霹象类撼遮了一组事貔懿共犍， 消憩朝方法则反漱了枣物之阈的栩互联系鄹姻互作用。 对象抽象机制 撞象是一穆怨爨与系统瑟拣笼关懿蠢瑟城，放嚣集中予与警蘩系缀翟秣骞 北京船电大学颁士沦文电路虚拟实验系统的醚计与实城 关的问题域的机制。在系统分析与设计中，抽象怒为了更好地谖涮系统本质 的翥求。事实上，擒象枧割并非瑟商瓣象方法疑特毫的个特镬，在诸始结 构化方法等其他系统分析与设计方法中，也都不同程度地逡用了抽象机制。 始i 誊繇透，怼象是事物两零孛特洼一行秀霹状态鹣糖象，炊冬是行走魏结果， 行为是状态或内部结构的变化。对象抽象机制就是把对象的这两种特性一动 态特性和静惫祷穗抽象为数据络褐甄及在数凝结构上所懑抽斡一组操佟，并 把他们封装在一起，使对象状态变成对象属性值的集合，变成对象功熊后作 用的集合。 对抽象规裁改变了基于控制的传绞结构化程序设计中将数攥撼象翻功能 抽象( 即过程) 分离的做法，而是把代表事物属性的数捌抽象和代表事物行 为静功憩拯象畜耄氇建结合为一体，嚣蠢具煮广泛懿适爱陵秘富畜独立鑫澹懿 特性，更有利于穰序的模块化标准化和部件化，且更适合人们用自然谱言对 事物进行擒象播述，更符合入们静一般总维方式萃嚣藏律。 继承机制 继承性是一种表达相似性的机制，是子类自动地共享粪和对象中的数据和 方法粒辊裁。 继承关惹也称泛化一特化关系或者是“即是”关系。这是因为当子类y 继承 超类x 时，y 已经典备了x 的全部性瓒( 属毪和方法) ，所以y 鄂是x 。当然， y 在x 的基础上又有所扩充，增加了些毅的特性。 继承性楚面向对象方法实现可重用性的前提和最有效的特性，它不仪支持 系绞蕊爵黧援牲，瑟且逐健避了系统豹可扩充蛙。毽姥继承襁裁又豫可重臻 机制( 也称代码共享机制或程序共享对象机制) ，它是软件部件化的基础。可 重藤撬嗣穰簿逮避免了耩毽搀透信怠饔操佟程序穗意静冗余，麓饔套然建把 客观事物的行为和状态及个体之间的层次关系和所属关系抽象为计算机的数 据模型或算法程序。 可重用包括属性信息共享和程序馈息共擎两部分，对象类按类、超类和予 类形成层次关系，上层所具有的属性和操作下层对象可以继承，这样便有一 部分媾性攘述售慰稷操作程守傧息虫那些尽管缍稔不嗣倦具有鼷次关系数下 层对象所共享，从而减少了某魑属性的重复描述和有关操作的熏复编程。 掰重露往有三嵇形式：共攀复稍谲整 乾求郛l 毡欠学颤莹论文 电路瘫拱安验系绩躺澄诤喀蜜巍 爨装藏僖惑漭蔽辊剩 封装又称信息屏蔽，是基于7 0 年代初期d b v i dp a m a s 掰作的工作演变丽 来匏，它是撂款件缀戏部件( 模块子程黪方法等) 戏警分溪或聪藏为孳 的设计。即用户只能蓉见对象封装界面上的信爨，对象国部对用户黼富是隐 蔽靛。封装酶隧黥在子将对象的傻鬻者和辩象瀚设诗者分离 歼柬，筏愆嚣不 必知道行为实现的细节，只满用设计者所提供的消息来访阃对象。封装的另 井一个嚣的是为了将来维护弱部亿。 热暴软俘邦传浚菇封装或绩恩隐蔽的壤念，则可能零教驭下后果：酋先可 能会重复做某一工作：其次，需耍进行更多的维护工作。 封装豹定义为： 一个清楚酾边界，所露的对象内部的软件范围被隧定在该边界随； 个接翻，这个绩隧滏述该对象私英德对象之阀黪褶互俸焉； 篷保护晌内部实现，这个实现给出了由软件对象提供的功能绱节，实 现缅节不能在定义这个对象韵类瓣争 露访问。 多态性 多态性在计辫枧程序设计中并非是一个新的概念。多态性一般是搬具有不 同形式的能力。弼在软件中，个打印程序可稻于季印文本字符，数字隧及 图形符号和图像，羼为打印稷序知道如何打印文本和图彤，围此具有多态性。 矫谓多态( p o l y m o r p h i c ) 部一个名字露其商多释谣义。当同样簸清惑可 以被送捌一个父类豹对象积窀憋予类兹对黎上瓣，这被毒錾为多态莲。 动态链接 链接也称聚柬( b i n d i n g ) ，楚指一个獠岸经编译、镳接成为可运行的醚标 码，就是将程膨代码聚束在起。 传统酶结梭亿程序设计燕鏊予控制嚣遥程调精枕镶，程黟楚按襄熊划分模 块静，功戆酶撼蒙秘为遂蓑，瞧毯子程黟，每个过程就是一段程序，突袋一 寇的计算，整个程序是功能过程的集合，程序执行的过程就是调用子程序组 台予程彦夔造稷。焉传统诿富绫麓爨程黪在遣行之羲繇哥聚裘，稳之为戆态 聚荣( s t a t i cb i n d i n g ) ，即静态链接。 0 0 方法刘趋邋过一系列对象间的通信完成计算功能和依怠处瑗任务豁。 北京邮f 乜人学颇l 论义电路虚拟实验系统的改计与实现 对象问外部接口是一系列操作名，一个对象可以向另一个对象按操作名发送 消息，接受消息的对象便执行相应的操作请求，完成操作任务后并向发送消 息的对象做出回答。一个消息可以发送给不同的对象，而每一个不同的对象 又可以根据自身的参数有不同的响应，调用不同的方法完成相应的操作功能， 产生所需要的结果信息。这种通信机制很好地体现了软件部件化的思想。对 象通信机制的另一个显著特点就是当程序运行时才将对象的某种方法( 算法 程序等) 和消息( 相当于操作符) 连接起来，这意味着一种动态的组合，u 动态链接。它和传统的结构化程序中操作符和操做函数的静态组合有着本质 的不同。因为消息和方法的动态组合可以引起相同对象的不同行为效果。例 如，p r i n t 是一个消息，它送到图形对象中就打印图形，送到文本对象中就打 印文本，而文本对象又可以分为不同的语种，因此，同样的一个打印消息送 到不同语种的文本中则可打印出不同语种的文本文件。 静态链接是在编译时刻完成的，运行效率高，但修改维护工作量大；而 动态链接是在运行时刻完成的，运行效率稍低，但它所带来的好处符合 现代软件对可重用可修改和可扩充性的要求。 3 2 3 面向对象的仿真的优点 复杂系统建模需要多学科多技术的融合和强大的信息描述，管理手段， 这一切都离不开高性能的计算机系统。目前建模与仿真一体化的发展趋势充 分表明：在复杂的系统研究中，计算机已从传统的辅助地位跃升到主导地位， 成为复杂系统建模的核心。软件是计算机系统的灵魂，软件工程方法，尤其 是软件开发的方法和技术对所建模型的规模和质量起着重要作用。面向对象 仿真技术着眼于组成系统对象而非系统所完成的全部功能，它是一种不同于 传统的自顶向下( t o p d o w n ) 设计技术，实际上是自底而上的过程，体现了一 种并行处理思想。 传统的仿真软件主要提供仿真运行的机制和数据结构及函数，建模的任务 就是吧实际系统中对象之间的相互作用关系转换成在数据结构内部对数据的 操作。不同的仿真软件使用不同的术语，概念，采用不同的仿真建模策略， 具有不同的语义和语法。因此使用这些软件进行仿真研究就必须利用软件提 供的设施来建立仿真模型。面向对象的仿真试图消除这种转换过程，使用户 能够以应用领域熟悉的直观的对象模型来建立仿真模型，建模观点与人们认 识现实世界的思维方式一致，从而增强了仿真建模的直观性和易理解性。同 时，面向对象技术中的类及其继承性，提供了从对象，类，类库直至专用系 统构架的多层次抽象机制，能够在多种层次上支持复杂系统层次模型的建立。 北京邮 u 大学砸士论文“路虚拟实验系统的设计与实现 特剐是对于当前动怨多变的市场需求环境，在仿真模型的修敬，扩充萃鲢煎用 摄鬣了雯高的要求，采蘑蘑淘对象仿真按术楚这些闻霆褥舞有效豹解滚，它 将有助于改善软件的模块化，可重用性，灵活性及实现快逋原型方法，提高 系统建模能力，缩娥建模，验横的时间。 嚣尚对象技术在本虚接实骏系绞中豹应翅举稠： 由于虚拟实验系统能够支持的实验器材种类很多，因此为了方便实现 和以后的扩展，每个器材的功能处理函数都有相同的形式，即每个器 材的功能处瑾函数是同个接口，这露三符合了多念( p o l y m o r p h i s m ) 黪经爱条 譬。 需要一种易于模块式分解开发的技术来降低修改和维护的工作爨，降 低编译链接时间，并使其易于扩展。在分清模块的慕础上，动态链接 技术f d l l ) 侩妊可以满足土嚣戆要求。 3 3 设计模式 3 3 1 设计模式介绍 设计模式( d e s i g np a t t e r n s ) ，它摇述了在藤两对象软俘设计过程中铃对特定 问题的简洁而优雅的解决方案。所有结构良好的面向对象软件体系架构中都 包含了许多设计模戏，特别是在j 2 e e 的架构中如p e t s t o r e ，s t r u t s ，j u n i t 等，它 翻大爨熬整弱了竣诗模式，缓系绞架筏羲巧，麓涪嚣荔予溪解，霹瞬魄给我 们提供了学习典范。 一个模式有四个基本要素， t 模式名称( p a 棘e m n a m e ) 个助记名，它蠲一两个澜寒攒述模式熬阉 题、鬃决方案和效巢。 2 问题( p r o b l e m ) 描述了应该在何时使用模式。它解释了设计问题和问题 存在的前因后果，它可能描述了特定的设计问题，如怎样用对象表示算法等。 氇可缝搐逑了导致不灵活设诗戆类或对象缭梅。有些对壤，l 、蠡逶部分衾篷括 使用模式必须满足的一系列先决条件。 3 ，解决方案( s o l u t i o n ) 描述了设计的组成成分，它们之间的相互关系及各 鑫豹驳爨帮协捧方式。解决方案并不攒述一个特定丽具体骢设计或实瑷，蔼 是提镞设计问题的撼象描述帮慧徉眉一个暴褥般意义的元素组合( 裘或对 象组合) 来解决这个问题。 北京| _ | f ；乜，i = = 学硕i j 埝史u 路虚拟j 妾骏累绕的改计实飙 4 效果( c o n s e q u e n c e s ) 撼述了模式应用的效果及使用模式应权衡的阔题。 虽然我们描述设计决簧薅，并不总疆至4 模式效采，僵是宪铝对子弹泠设浮选 择和理解使用模式的代价及好处具有重要意义。模式效粜也括它对系统的灵 活性、扩充性或可移植性的影响，显式地列出这些效果对理解和评价这些模 式鞭育帮动。 一些基本的设计模式： a b s t r a c tf a c t o r y ( 抽象工厂) ：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象 的接鞠，丽无需攒定它们具体的类。 a d a p t e r ( 适懿嚣) ：将一个粪的接磊转按成客户希鋈瓣舞矫一个接瓣。a da p ter 模式使得原本由于接口不兼容而不隧一起工作的那些类可以一起工 作。 b r i d g e ( 栝接 ：穆擒象部分与它豹实现部分分离，傻它翻都可以独立遗 变化。 c o m p o s i t e ( 缀合) ：将对象组合成树形结构以表示“部分整体”的屡次结 构。它健得客户对攀个对象和蟹含对象的使爝其有一致性。 f a c a d e ( 多 蕊) ：为子系统中的一缀接嗣提供个一致翡赛瑟， fa cad e 模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。 o b s e r v e r ( 观察者) ：定义对象间的一种一对多的依赖关系，以便当一个对 象鳇校卷发生改变霄，所有壤赣予它熬对象都缮舞通知碧察动藏囊。 设计模式的分类有好几种，可以根据其目的分为创建溅( c r e a t i o n a l ) ，结构 型( s t r u c c u m l ) 和行为型( b e h a v i o r a l ) - - 种。创建型模式主要媳用来创建对缘，结 构型模式主要是处理类或对象的组合，于亍为型摸式列主要雳来描述类域对象 怎榉交互和怎样分配职责。也可以根据范暖将设计模式分为类模式帮对象模 式，类模式处理豢和子类之间的关系，这然关系通过继承建立，在编译时刻 就被确定下来，是瘸于静态的。对象模式是处理对象间的关系，这些关系在 运行时亥l 变仡，委粪动态蛙。 模式的特点：是通过经验获取的，以某种结构化的格式书写下来，避免 了遇到相同的问题重头设计，存在于不同的抽象层，在不断完善的，遐可重 用酶人工产掳，馊设计瓤最好f i 练习交互，以被缀合起泉解凌更大的鞠题。 设计模式傻人们可敬更勰简单方便趣复瓣成功的设计和体系结构。在掏 建虚拟实验系统时可以大量使用。 3 ，3 ，2m v c 设计模式 m v c 最初是谯s m a l h a l k 8 0 中被用束构建用户界面的。m 代表模型m o d e l ， l 囊瓣氇犬擎疆士论文电踌纛撼实验系襞懿琏 卡实巍 v 代表享燕餐v i e w ，c 代表控裁器c o n t r o l l e r 。m v c 戆强兹是增热代驾熬委臻 率，减少数据袋达，数据描述和应用操作的耦合度。同时也使得软件可维护 性，可稔复往，可扩髅住，灵活瞧戳及封装性大大提高。 对m v c 关系圈髂理簿 爨i - 1m v c 关系蹬 摸避视图v控制器e 分工撼淼赢娆应期的瑚tj 蛔基数据袭选 抽象用户和景蛲的事 封装蒹娆静捷态 裁示锋耐带产的数搽件鹊谲巍映射 提擞使用系袅蛞功能的方法和路径撼护与m 。d e l 数据曲白一 把用户输入翻译为系 营壤数燕鲍襻摧靼一致蛙歉 生莰事捧 当数据持生变化时通击赫目荚懿莳 根据用户的输 辅上 下立情况选择告趱的 显示数搭 协作 当他己殳变幕婉数据时遵知v i - w 把