（计算机应用技术专业论文）基于net技术的物理虚拟实验室系统的设计与实现.pdf

摘要 随着教育信息化的全面建设以及i n t e m e t 的飞速发展，网络教学越来越普及化， 基于i n t e m e t 的虚拟实验室已经成为一种重要的教学资源，因此研究其快速有效的 开发方法具有重要意义。 针对目前己有虚拟实验室及其设计思想和方法的不足，本文基于新一代网络 技术n e t 技术，提出了一种新的构建网络虚拟实验室系统的体系结构及实现 方案。根据中学物理课程的实验要求，采用组件技术和面向对象技术，设计和实 现了一个通用的平台，并对实现虚拟实验室平台的服务器端和客户端功能特性和 所采用的主要技术做了详细的描述、比较和说明。重点解决了通过浏览器进行全 交互虚拟实验操作和可视化计算的实时性问题，系统在客户端虚拟实验平台的设 计和实现是本文的一大特色。本文提出的设计模型和解决方案对类似系统的构建 极具参考与实践价值。 关键词：虚拟实验室n e t 技术组件技术面向对象统一建模语言( u m l ) a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew h o l ec o n s t r u c t i o no fm o d e me d u c a t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e m e t ，d i s t a n c ee d u c a t i o nt h r o u g hn e t w o r kh a sb e e nm o r ea n dm o r ep o p u l a r i z e d a s i n t e m e tv i r t u a ll a b o r a t o r yh a sb e e nac r u c i a le d u c a t i o nr e s o u r c e ，i ti si m p o r t a n tt o s t u d yt h em e t h o dt od e v e l o pi tr a p i d l ya n de f f e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g ei nd e s i g ni d e aa n dm e t h o do fc u r r e n tv i r t u a ll a b o r a t o r y , a n e wa r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n ts c h e m eo fv i r t u a ll a b o r a t o r ya r ep u tf o r w a r di nt h i s p a p e r , w h i c hb a s e do nt h en e wn e t w o r kt e c h n o l o g y - - n e t b yu s i n gc o m p o n e n ta n d o b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y , w ed e s i g nm a di m p l e m e n tac o m m o np l a t f o r mw h i c h s a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t so fp l a y s i c si nh i g hs c h 0 0 1 t h ef u n c t i o n so ft h ep l a t f o r m s s e r v e r , c l i e n ta n dt h em a i nt e c h n o l o g i e su s e db ya r ea l s od e s c r i b e d ，c o m p a r e da n d i n t r o d u c e di nd e t a i li np a p e r f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rf i g u r e so u tt h ep r o b l e m so fv i r t u a l e x p e r i m e n t a t i o ni nw e bb r o w s e ra n dv i s u a l i z e dc a l c u l a t i o n ni sb e l i e v e dt h a tt h ed e s i g n m o d e la n dt h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rw o u l dp r o v i d eg r e a t r e f e r e n c ea n dp r a c t i c ev a l u ef o rf u t u r ev i r t u a ll a b o r a t o r ya p p l i c a t i o n k e y w o r d ： v i r t u a ll a b o r a t o r y n e tt e c h n o l o g y c o m p o n e n tt e c h n o l o g y o b j e c to r i e n t e d u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 独创性( 或创新性) 声明 y1 0 0 f ；0 5 8 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包括为获得西安电子科技大学或其 它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作过 的任何贡献均已在论文中做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：日期：型垒! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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于西安电子科技大学。本人保证 毕业离开学校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论 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论文。( 保密 的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在l 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名 日期：竺= 堡! ：y 日期：塑生! 竺 蛾日 第一章引言 第一章引言 1 1 教育信息化的发展促进了教育方法的改革 自2 0 世纪9 0 年代以来，国际教育界出现了以信息技术( i t ) 的广泛应用为 特征的发展趋向，国内学者称之为教育信息化现象。如果把教育信息化看作为一 个过程，那么其发展结果就是达到一种新颖的教育形态信息化教育。 教育信息化的概念是伴随着信息高速公路的兴建而提出来的。美国克林顿政 府于1 9 9 3 年9 月正式提出“国家信息基础设施”( n m i o n m i n f o r m m i o n i n f r a s t r u c t u r e 简称n i i ) ，俗称“信息高速公路”( i n f o r m a t i o ns u p e r h i g h w a y ) 的建设计划，其核 心是发展以i n t e r n e t 为核心的综合化信息服务体系和推进信息技术( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，简称i t ) 在社会各领域的广泛应用，其中特别强调把i t 在教育界中 的应用作为实施面向2 1 _ 吐纪教育改革的重要途径。 教育信息化的主要特点是在教学过程中广泛应用以电脑多媒体和网络通讯为 基础的现代化信息技术。教育信息化的特征可以分别从技术层面和教育层面加以 考察。 从技术上看，教育信息化的基本特点是数字化、网络化、智能化和多媒化。 数字化使得教育信息技术系统的设备简单、性能可靠和标准统一。 多媒化使得信媒设备一体化、信息表征多元化、复杂现象虚拟化。 网络化使得信息资源可共享、活动时空少限制、人际合作易实现。 智能化使得系统能够做到教学行为人性化、人机通讯自然化、繁杂任务代 理化。 从教育上看，信息化教育具有以下显著特点：教材多媒化、资源全球化、教 学个性化、学习自主化、活动合作化、管理自动化和环境虚拟化。 教材多媒化：通过利用多媒体，特别是超媒体技术，建立教学内容的结构 化、动态化和形象化表示。 资源全球化：通过利用网络，特别是i n t e m e t ，使全世界的教育资源连成 一个信息海洋，供广大教育用户共享。 教学个性化：通过利用人工智能技术构建智能导师系统，使其能够根据学 生的不同个性特点和需求进行教学和提供帮助。 学习自主化：由于以学生为主体的教育思想日益得到认同，利用信息技术 支持自主学习成为必然发展趋向。 基于n e t 技术的物理虚拟实验室系统的设计与实现 活动合作化：通过合作方式进行学习活动是当前国际教育的发展方向。 管理自动化：利用计算机管理教学过程的系统叫做c m i ( 计算机管理教学) 系统，包括计算机化测试与评分、学习问题诊断、学习任务分配等功能。 环境虚拟化：教育环境虚拟化意味着教学活动可以在很大程度上脱离物理 空间时间的限制，这是电子网络化教育的重要特征。 教育信息化展示了未来教育的美好前景。但是教育技术变了，教学方法及教 学手段也得随之相应变革。面临正在到来的教育信息化浪潮，学校作为学生受教 育的主要场所也必须要改革其教学手段。 学校不仅要对学生进行课堂教育，向学生传播各种科学理论知识，更重要的 还应该提供实验教学环境，使学生通过自己动手操作，用实践检验所学的知识， 并从实践中发现、认识新知识。因此，在教育信息化的建设过程中，建立虚拟实 验室就成为其中的一个重要组成部分。虚拟实验室能够提供基于i n t e r n e t 的远程实 验环境、共享资源，本身就具备信息教育的诸多显著特点，因而虚拟实验等相关 问题的研究也成为目前研究领域的热点问题。这也是本文所研究的对象。 虚拟实验室的建立，是教育信息化的重要标志之一。 1 2 虚拟实验室系统概念、特点及研究现状 1 2 1 虚拟实验室的概念 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) ，也称为“合作实验室”( c o l a b o r a t o r y ) ，最 早在1 9 8 9 年由美国u n i v e r s i t yo f v 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、网络化的科学研究集成环境。在这个环境罩，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。w u l f 形象 地把虚拟实验室称为“无墙的研究中心” 2 1 。在其间，科研人员不管其地理位置分 布如何，都能共同从事研究并与同事们相互交流，使用仪器、共享数据和资源， 在数字式图书馆中存取信息，共同撰写研究报告等。所有这些活动不必面对面进 行，而是在分布式网络环境支持下，通过电子邮件系统、多媒体会议系统等手段 来实现。因此虚拟实验室实质上是一个分御式计算机系统。在系统中，配置有具 有遥控遥测能力的网络化研究设备和数据采集平台，有支持协作活动的各种工具， 建有可以支持大规模数据共享的数字式图书馆。虚拟实验室的所有技术支持都旨 在增强科学家、仪器设备和数据等资源之间的交互交融，以提高科研效率降低科 研成本，为发展高新科学技术提供强有力的技术保障，最终促进人类社会的进步。 第+ 章引言 以上是在科学研究方面对虚拟实验室的定义，它强调协作。随着以计算机和 网络为代表的现代信息技术快速的进入到人们的学习工作生活当中，以多媒体网 络教学和远程教育为代表的先进的教育方式，成为人类学习的重要方式之一。服 务于网络教育的虚拟实验室，更符合人们对虚拟实验室的一般理解。 基于网络的虚拟实验室川就是在w e b 中创建出一个可视化的虚拟环境，其中 每一个可视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击、拖拽等操作，用户可 以进行虚拟、仿真实验。网络虚拟实验室是在传统实验室的基础上，利用先进的 计算机技术、网络通信技术、多媒体技术等相关的信息加工处理传播技术，将现 实实验室中的各种实验资源数字化，并通过计算机进行实验教学管理的综合性的 开放型的实验教学环境，其重要意义是使得实验室在时间和空间上得到延伸。 综上所述虚拟实验室可以做如下定义：它是一个无墙的实验中心，通过计算 机网络系统，研究人员或学生将不受时空的限制，能随时随地与同行协作，共享 仪器设备、数据和计算资源，得到教师的远程指导以及同行间的相互研讨交流。 1 2 2 虚拟实验室的特点 上一节主要追述了虚拟实验室的产生及其概念，从其概念中可以看出，在某 种意义上，虚拟实验室又可称作数字化实验室，它应浚具有以下几个主要特征： 1 、开放性 一个数字化实验室应该是开放的，它的开放不仅是时问和空问上的开放，更 为重要的是教学内容与教学方式的丌放。时间上的开放是指利用常规教学时间外 的空余时间对外开放教学，充分利用实验资源，空间的开放是指尽可能开放实验 室的实验场所。而教学内容的开放是指在实验内容安排上应做到在验证性实验基 础上开发更多的综合性、开发性、研究性的实验，鼓励学生自我设计实验，让学 生在掌握基础知识的情况下，综合运用所学知识，根据自己的设想设计实验内容， 验证自己的设想，或在教师指导、参与下共同设计新的实验。这样就调动了学生 的积极性和主动性，有利于他们的创造能力和综合能力的培养，提高了实验教学 层次。实验室的开放还应做到实验教学对象的开放，丌放的数字化实验室应能为 社区教育提供实验室场所。最后要强调的是开放不等于放丌，在开放的情况下应 加强实验教学质量管理，以计算机自动化评价和实验教师人工评价相结合加强对 学生实验学习成绩的评定，以评促建、以评促学。 2 、人性化 在虚拟实验室中，实验教师的实验教学指导应融合在整个实验教学资源开发 建设中，体现在实验教学课程的设计、实验教学的过程实施、实验教学考核以及 4 基t n e t 技术的物理虚拟实验室系统的设计与实现 数字化实验指导教材的编写、虚拟实验的开发中，学生无论是在网上进行实验学 习，还是在真实的实验室中实际操作，都能随时随地获得相关的实验指导，能感 觉到教师的帮助随手可得。学生进行实验学习时，还可以通过实验教材、在线实 验大纲、实验指导书、b b s 讨论区、实验教师e m a i l 、同学等各种渠道获得学习 上的帮助，在实际操作中，也可以通过联网计算机、实验台板、实验指导教师等 获取帮助，真正做到l a a ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r e ) 。在整个实验教与学的过程 中，教师的指导是物化的，学生面对的学习资源是人性化的，整个实验教学中心 应是一个实验教学的支持服务系统。 3 、过程化 数字化实验室为学生提供了一个数字化的、开放性的、人性化的学习环境， 它同时也为实验教师的实验教学提供了一个方便、有效的数字化的管理平台，它 的管理是全方位的面向过程的，是动态的不是静止的。数字化实验室全方位的管 理涉及到实验教师教学管理、实验教学教务管理、实验室设备管理、实验室开放 教学管理为一体的管理系统，其中每项管理都是面积过程的，比如实验教学管理 从学生实验预习报告的提交处理、实验练习、实验数据收集处理、实验报告的提 交、实验的考核以及将来的实验统计分析等都是计算机化的管理，减少了实验教 师大量的简单重复劳动。还有，在管理上既有从学校到教务处直至院的纵向管理， 也有各实验室之间的横向沟通。 1 2 3 虚拟实验室研究现状 由于虚拟实验室的诸多优点。一经问世便受到了国内外学者和科学家的关注， 对虚拟实验室技术的研究也很快就成为一个热点。目前国内外有很多组织都己经 开展了虚拟实验室系统的研究和建设工作，特别是在国外一些著名的大学，已有 较多建好并投入使用的虚拟实验室系统，涵盖了计算机网络、数学、人工智能 9 】、 生命科学、化学、物理、生物工型12 1 、通讯、3 d c a d 、图形图像、农业科学 等教学、科研领域。下面介绍两个国外的典型系统。 v s l ( v i r t u a ls y s t e m sl a b o r a t o r y ，简称v s l ) 虚拟系统实验室【1 3 ，始建于1 9 8 9 年，由g e n t r a lf l o r i 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，该实验室正在丌展多项与 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；已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 r 3 d c a d 虚拟设计系统等。 f u t u r e l a b 虚拟实验室 】”，该产品是美国s i m u l a t i o np l u s 公司在国家科学基金 第立引言 ( n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ) 的资助下，于1 9 9 8 年推出。产品功能面向中学教育， 包括生物、地理、自然、化学、物理等虚拟实验室，涵盖从初中到高中各个年级。 产品开发者特别强调其突出特点一一学生可以在虚拟实验室尽可能发挥自己的想 象力，按自己的意愿去设计实验，即可验证，更可创新。除了面向中学教育的虚 拟实验室，s i m u l a t i o np l u s 公司目前正在研究面向教育的工程热传递、热动力学、 动力学、电子电路、流体机构、空气动力学等虚拟实验室。 在国内，虚拟实验室的研究和建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高 校初步建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测 系统：华中理工大学机械学院：l 程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展 示，供远程教育使用；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一寸比高校，也 开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。 中国农业大学建立了虚拟土壤一作物系统实验室【1 5 】，应用计算机模拟植物在 三维空间中的生长发育状况，探讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题，包 括植物与环境相互作用关系的定量化以及模拟机制，根系的虚拟( 如图1 1 所示) ， 如通过虚拟试验对农田水分、养分作用进行精确量化研究、作物株型设计、栽培 等，在农学、林学、生态学等众多领域有着广泛的应用前景。 图1 1 虚拟土壤作物系统实验室中根系的虚拟 以教育类软件研发为主的南京金华科软件有限公司，在国内率先提出教育软 件平台化概念，并成功地开发出金华科仿真物理实验室、金华科数理平台、 金华科仿真化学实验室等一系列教育软件平台。 综上所述，我国已有的一些远程教学资源在内容上比较丰富，已经有实现了 实验性质的教学单元。但与西方发达国家相比，国内在虚拟实验室研究方面开展 的工作还不多，只有少数几所重点大学设立了电子教室，其中也只有少数电子教 室提供了有限的虚拟实验功能。 6 基y - n e t 技术的物理虚拟实验室系统的设计与实现 1 3 课题的来源 教育信息化的概念一经提出，就引起了世界各国的积极反应，许多国家的政 府相继制定了推进本国教育信息化的计划。美国从1 9 9 6 年开始全面推进基础教育 信息化以来，至2 0 0 0 年已基本完成了教育信息基础设施的建设。英国在2 0 0 2 年， 学校里已基本实现每4 名学生有一台计算机。欧盟国家和日本、新加坡等国在今 年前后也将完成教育信息基础设施的建设。 2 0 0 1 年，我国发布了教育信息化十五发展纲要，与此同时正式启动了对全 国教育信息化具有巨大推动作用的“校校通”工程。“校校通”的目标是【” ：用5 到1 0 年时间，加强我国教育行业的信息基础设施和信息资源建设，使全国9 0 左 右独立建制的中小学校能够与网络连通， 一名中小学师生都能共享网上教育资源， 质教育水平和能力的继续教育。 提高所有中小学的教育教学质量，使每 使全体教师能普遍接受旨在提高实施素 依托于全国教育信息化如火如荼地建设，本课题的研究和实施就来源于北京 市“校校通”工程。本文提出的虚拟实验室的建设方案，通过新一代网络技术为 广大用户提供先进的虚拟实验平台，使得用户可以不受时间空间限制的、更灵活、 更直接地接受先进的实验教学，进行个性化的选择学习。 虚拟实验室作为一种新的实验教学模式，是实验教学改革的主导方向。虚拟 实验室的建立，将大大推进信息化教育的发展。 1 4 课题研究目标及系统特色 1 4 1 课题的研究目标 虚拟实验室是一种异构的问题解决环境，它使得处于不同位置的学习者可以 同时对一个实验项目进行实验工作。和其它领域相同的是，实验工具和技术是独 立于各自领域的，不同之处在于虚拟实验室中操纵的并不是真实存在的仪器和设 备，而只是以软件仿真来模拟已经存在和使用的设备。虚拟实验室要求实验的参 与者共享实验环境和实验规则，这种要求使得它易于在i n t e m e t 上得以实现。 i n t e r n e t 为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，基于w e b 的浏览器服务器 ( b s ) 计算模式、基于客户n 务器( c s ) 计算模式是实现网 二虚拟实验室的两 种基本模式，如图1 2 所示。 第一章引言 图1 2 网上虚拟实验室的实现模式 服务器端通过软件技术对各种实验环境进行仿真，并接收来自客户端的实验 操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整仪器的状态，模拟产生实验的现象， 输出对应的实验数据。学习者在客户端进行实验，其中实验过程中的数据和实验 结果数据可以放置于服务器端，对于一些保密数据也可以在客户端独立存放。为 了在多人合作实验过程保持同步，实验人员可以利用w e b 或利用其它途径进行联 系，服务器端的后台数据库提供了可以共享的实验数据和实验方法。 纵观国内外对虚拟实验室的研究成果，总结如下：现有虚拟实验室的建设、 应用都已经取得了较好的成果，但是在交互性、扩充性、软件重用性方面都存在 不足之处。如虚拟实验室的专业领域性很强，较难重用已有的功能模块，构造新 的实验室；用户不能定制实验，无法将自己开发的实验设备加入实验室中，从而 扩充实验室功能；实验的交互性不强：这些缺点在开发和使用虚拟实验室等各方 面都存在。 针对以上问题，本文在虚拟实验室的基本实现模式基础上，充分利用面向对 象技术和n e t 技术的优势，设计并实现了基于i n t e m e t i n t r a n e t 的可重用组件功能 模块的全交互式物理虚拟实验室系统。实验设备仪器完全采用组件技术思想开发， 使用组件技术可以提高开发速度、降低开发成本、增加系统灵活性、降低软件维 护费用等。使用这种技术有助于迅速建立大量的虚拟实验室，满足远程教学和科 研需要，加快教育信息化的建设。 论文的最终研究目标就是要开发一个基于n e t 技术的可重用组件功能模块的 全交互物理虚拟实验室系统。 基于n e t 技术的物理虚拟实验室系统的设计与实现 1 4 2 系统特色 在做了大量比较和分析之后，针对现有虚拟实验室系统不足之处，本文设计 并实现了基于n e t 技术的全交互物理虚拟实验室系统。该系统具有以下特点： 建立了基于i n t e m e t 的全交互物理虚拟实验室系统，采用三层结构实现： 实验室设备( 算法和仪器等) 以组件的方式开发，提高了开发效率，实现 软件重用，实验室的功能易于扩充； 服务器端采用n e t 技术开发，实现了分布式处理； 系统采用人性化的人一机交互界面设计，方便用户操作和使用，而且充分 考虑到用户的兴趣所在，提高使用者的学习积极性； 系统强调全交互特性和使用者的参与性，突破了往常以文字材料方式再现 知识，或演示性地说明物理实验及有关概念等知识灌输的方法。 在讨论物理虚拟实验室系统的开发基础上，本文以建立功能强大的中学光学 虚拟实验室为例，详细阐述了如何实现基于w e b 的全交互虚拟实验室。 1 5 论文组织结构 本论文分为六章。 第一章为引言部分。简要介绍虚拟实验室的基本概念、特点、国内外研究发 展状况。之后从课题的来源出发，描述了课题研究的目标、系统的特色和论文的 主要研究内容。 第二章介绍系统总体设计和分析。介绍了基于n e t 的开发技术，分析了系统 的总体结构，在此基础上提出了三层系统结构模式。并运用面向对象分析技术， 对各层的主要功能做了详细描述。 第三章讨论了多层结构中“应用服务层”的设计和实现。从应用服务器的设 计理念为出发点，根据系统需求设计应用服务层的功能，然后对其中重要的数据 库访问层的设计和实现以及基于x m l 的组件组织结构做了详细的论述。 第四章运用u m l 和面向对象技术从获取系统需求、分析建模到设计建模，最 后通过大量的实现示例，对中学光学虚拟实验室系统的客户端程序的设计与实现 进行了全面、充分地论述。 第五章主要介绍系统实现中所使用到的关键技术及其实现方法。包括光学成 像规律的科学计算方法及实现：光子类的引入及实现；a c t i v e xc o n t r o l 技术研究 和a s p n e t 的状态管理。 第六章总结了本文的主要工作，以及进一步的研究方向。 第二章系统总体分析与设计 第二章系统总体分析与设计 随着软件系统的规模和复杂性的增加，软件体系结构的选择成为比数据结构 和算法更为重要的因素。一个良好的软件体系结构为系统的分析、设计和配置提 供了一个清晰的框架。本章首先分析了，n e t 开发技术，然后在物理虚拟实验室的 基本实验特点和要求的基础上，从交互性、集成性、数据安全性、可行性等方噍i 综合考虑，确立了适合本课题所研究的开放式虚拟实验室平台的设计方案。 2 1 1 n e t 概述 2 1 n e t 开发技术 在2 0 0 0 年7 月美国奥兰多举行的专业开发者大会 = = ，m i c r o s o f t 对外首次展示 了n e t 体系，并向大会介绍了n e t 的特征和构成。 m i c r o s o f t n e t 是一项革命性的技术框架。n e t 的核心技术口】包括分布式计算、 x m l 、组件技术和即日寸编译技术等。分布式计算是网络的本质：x m l 奠定了新一 代电子数据交换的标准，正是数据交换使网络计算成为可能；组件技术是软件技 术多年来的发展成果，它使程序设计员从大量的a p i 中解放出来，以采用面向剥 象和面向组件的技术来解决软件问题：即时编译技术使应用程序在运行时，还能 够根据主机的硬件和软件环境进行代码优化，并简化代码发放的过程。 简单地说，n e t 体系可以描述如下： 它是一组公共的服务，可以用于许多面向对象的语言。 服务以中间代码的形式运行，中州代码独立于底层体系。 服务在一个运行时环境( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ，c l r ) 下运行，并 由c l r 管理资源并监视程序运行。 n e t 的主要目标是帮助开发者通过“w e b 服务”创建可从任何类型的设备访 问的协同应用，例如访问设备可以是p c 、p d a 、移动电话等等。n e t 最令人感兴 趣的特色在于它的开发平台、语言和协议，概括如下： 多语言支持 m i c r o s o f t 在n e t 平台上提供了好几种语言以及相应的编译器，比如c + + 、 j s c r i p t 、v b n e t ( 也称v b 7 ) 以及c 掣。n e t 支持2 7 种编程语言，它们将共享一 组提供基本服务的类。 1 0 基于n e t 技术的物理虚拟实验室系统的殴计与实现 应用的平台独立性 所有用这些语言写成的程序都将被编译成一种中间二进制代码，独立于硬件 和操作系统之外。这种二进制代码的语言称为m s i l ，即m i c r o s o f ti n t e r m e d i a t e l a n g u a g e 。m s i l 代码在c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ( c l r ) 环境内执行，它将立 即由j u s t i n t i m e ( j i t ) 编译器转换成机器代码。在这个过程中，c l r 的角色基本 上和j a v a 平台中j a v a 虚拟机( j a v a v i r t u a l m a c h i n e ) 相似。 应用的可移植性 编译成中间代码的应用以p o r t a b l e e x e c u t a b l e ( p e ，可移植执行文件) 的形式 出现。由此，m i c r o s o f t 得以在大量的硬件和软件体系下为n e t 平台提供全部或者 部分实现，例如：运行w i n d o w s9 x 、w i n d o w sn t 4 、w i n d o w s2 0 0 0 或者未来6 4 位w i n d o w s 的i n t e lp c ，基于微控制器以及w i n d o w sc e 的个人数字助理，以及毫 无疑问还有其它各种操作系统。 如果某种语言要获得n e t 平台的支持，那么它必须提供在c l s ( c o m m o n l a n g u a g es p e c i f i c a t i o n ，公共语言规范) 中列出的一组功能和构造器。从理论上看， 要将一种语言加入到n e t 环境，只需让这种语言符合c l s 的要求，然后编写一个 将这种语言编译成m s i l 的编译器。 所有语言必须遵从一种公共的协议 计算机语言的种类繁多。传统上，新语言总是为了满足新的需求而开发，比 如解决科学问题、进行统计计算，或者为了满足对应用可靠性和安全性的高要求， 等等。结果就导致所有这些语言都千差万别：有些是面向过程的，有些是面向对 象的，有些允许使用可选参数以及允许参数个数变化，有些允许操作符重载，而 有些不允许，等等。如果某种语言要获得n e t 平台的支持，那么它必须提供在c l s ( c o m m o nl a n g u a g es p e c i f i c a t i o n ，公共语言规范) 中列出的一组功能和构造器。 从理论上看，要将一种语言加入到n e t 环境，只需让这种语言符合c l s 的要求， 然后编写一个将这种语言编译成m s i l 的编译器。 所有n e t 语言编写的程序都要编译成中间代码，这一事实意味着用一种语言 写的类或许会在另一种语言中被派生，也有可能在一种语言环境中创建另一种语 言编写的类的实例。 正是由于n e t 具备了这些独特的优点，一经发布就受到了业界的关注。对于 众多的开发者来说，n e t 无疑提供了一种很好的底层支持，使开发者更容易将注 意力集中在业务逻辑的设计和实现中，而不必为选用何种语言开发而苦恼。 第二章系统总体分析与设计 2 1 2 n e tf r a m e w o r k n e t 框架的目的是使编程人员更容易建立网络应用程序和w e b 服务。图2 1 显示了m i c r o s o f t n e t 框架的体系结构。建立在操作系统最上层的服务，是管理运 行代码需求的c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ，这些代码可以用任何现代编程语言所编 写。r u n t i m e 提供了许多服务，这些服务有助于简化代码开发和应用程序的丌发， 同时也将提高应用程序的可靠性。n e tf r a m e w o r k 包括一套可被开发者用于任何 编程语言的类库。在此之上是许多应用程序模板，这些模板为丌发网络站点和w e b 服务提供了高级组件和服务。 蚓2 1 n e tf r a m e w o r k 体系结构 概括起来，n ep i f r a m e w o r k 的核心技术为：通用语言运行库c l r ( c o m m o n l a n g u a g er u n t i m e ) 、类库、a s e n e t 及a d o n e l l 。卜面将逐论述： 一、通用语言运行库c l r ( c o m n l o nl a n g u a g er u n t i m e ) c l r 引入了一些能提赢应用程序运行吲靠性的技术( 比如消除了内存泄漏) ， 同围也提供了多语矗执行环境，使得组倒：和x m l w e b 服务的综合使用不再受编程 语言的限制。目前，可以用来编写n e l l 应用程序的编程语言不f2 0 利，如c 十十、 v i s u a lb a s i c n e t 、j s c r i p t ，以及微软最新推出的开发语春c 群，此外还包括不少笫 三方的语言，比如c o b o l 、e i f f e l 、p e r l 、p y t h o n 、s m a l l t a l k 等等。 运行库对于编程语言来说并不是新鲜的东西。实际上每一种编程语言都已包 含一个运行库。v i s u a lb a s i c 开发系统有最明显的运行库( 正规名字为v b r u n ) ， v i s u mc 十+ 也有一个m s v c r t ，此外，像v i s u a lf o x p m 、j s c r i p t 、s m a l l t a l k 、p e r l 、 基于n e t 技术的物理虚拟实验室系统的设计与实现 p y t h o n 和j a v a 等等都如此。n e t 框架的关键角色就是它提供了一个跨所有编程语 言的统一环境。 二、类库 n e tf r a m e w o r k 为开发人员提供了一套可以使用的统一的面向对象、异步、 层次结构的可扩展类库。现在，c + + 的使用者使用m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ， j a v a 程序员使用w i n d o w sf o u n d a t i o nc l a s s e s ，v i s u a lb a s i c 的用户使用v i s u a lb a s i c a p i s 。微软用n e t 框架统一了这些不同的框架。结果是，开发人员不用非去学多 个框架来完成自己的工作。而且，通过创建一套跨编程语言的通用a p ，n e t 框 架可以实现跨语言继承、纠错处理以及程序调试。实际上，从j s c r i p t 到c + + 的所 有编程语言，对于n e t 框架都是相互等同的，开发人员可以自由地选择他们想使 用的任何语言。 n e t 是一种全新的平台，它将对现有的所有代码产生影响。盖茨说：“微软 所有的产品都会被涉及。我们的整个战略是围绕这个平台展开的。” 三、a sp n e t a s r n e t 建立在n e t f r a m e w o r k 类的基础之上，并提供了出控件和基础部分 组成的“w e b 程序模板”，大大简化了w e b 应用稃序和x m i ，w e b 服务的丌发。程 序员赢接面对的是组a s r n e t 控件，而这些控件由些诸如文本框、卜拉选单 等通用的h t m l 用户界面构件封装丽成。实际l ：这，警控件运行j ：w e b 服务器j 二， 并简单地以l i l t m i ，的形式将用户界面发送到浏览器。在服务器上，控件负责将面 向对象的编程模型呈现给w e b 开发人员，这种编程模型能提供面向对象的编程技 术拥有的丰富功能。a s r n e t 还提供一些基本结构服务( 诸如会话状态管理和进 程循环) ，这些服务进一步减少了开发人员要编写的代码量，并使应用程序的可靠 性得到了大i 旧度提高 1 8 】。 四、a d o n e t 与现有的a d o 数据访问模型相比，a d o n e t 引入了一些新的特性基于 x m l ，并且是松散耦合的( 1 0 0 s e l y c o u p l e d ) 。a d o ，n e t 使用了脱机( d i s c o n n e c t e d ) 数据缓存，使用户能快速地创建出高性能、r l 靠的x m l w e b 服务和现在流行的多 层应用程序( n - t i e ra p p l i c a t i o e t s ) 。 五、e n t e r p r i s es e r v i c e s 由于建立在w i n d o w s2 0 0 0 的a p p l i c a t i o ns e r v i c e s ：，并包括了微软c o m + 服 务和消息队列服务，n e7 1 7f r a m e w o r ke n t e r p r i s es e r v i c e s 的可扩展性和可靠性都相 当出包，掰这对企、f k 级秤序( 【：l i i 枣务处理) 施南是非常重要的。此外，w i n d o w s 2 0 0 0a p p l i c a t i o ns e r v i c e s 和n e tf r a n e w o r k 的深层整台，使得用，i 卅以将现往通 行的基于c o m 的程序转化为x m l w e b 服务，丽鼠整个转化根本不用写。行代码， 只需通过个管理接口( a d m i n i s t r a t i v ei n t e r i h c e ) 就能轻而易举地实现。 第二章系统总体分析与设计 六、w i n d o w sf o r m s w i n d o v c s 窗体为n e tf r a m e w o r k 提供了美观的客户端图形用户界面，它囊括 了现在的v b 组件库( v i s u a lb a s i cc o m p o n e n tl i b r m 2 y ) 和w i n d o w s 綦础类库 c w i n d o w sf o u n d a t i o nc l a s s e s ) ，以及高效易用的底层w i n 3 2a p i 的所有优点。 以上这六点是n e tf r a m e w o r k 的显著特点，它提取出微软组件对象模型 ( c o m ) 的精华，将它们与松散联接计算的精华有机地结合在一起，生成了强大、 高效的w e b 组件系统，简化了程序员的“管道”操作，深入地集成了安全性，引 进了基于互联网的操作系统，极大地改善应用程序的可靠性和可扩展性。 本文所研究的系统就是构筑于n e tf r a m e w o r k 基础之上，并使用它的核心技 术a s p n e t 开发的w e b 应用程序，结合基于w e b 的a s e n e t 页面开发技术 和s q l s e r v e r 数据存储技术( 或x m l 文档) ，在n e t 下开发n 层应用程序将不再 困难。 2 2 基于n e t 技术的物理虚拟实验室系统的设计 2 2 1 系统总体分析 本系统的设计目标是通过利用n e tf r a m e w o r k 技术开发w e b 应用程序的优 点，构建基于i n t e m e t 的全交互物理虚拟实验室系统。系统旨在为广大的初、高中 学生和教师提供一个逼真的多媒体“虚拟场景”，实验者通过浏览器就可以随时随 地的进入实验室，并在其中任意选用器件，开始自由的设计+ 实验，同时实时显示 实验结果。用户在该系统中注册后，还可以参加小组讨论、留言板留言，同时还 可以将实验结果发送给某个教师等等。系统用例图如图2 2 所示。 论坛 劁2 2 系统用例图 基于n e t 技术的物理虚拟实验室系统的设计与实现 系统的总体技术路线是采用新一代网络编程技术、仿真技术与多媒体技术有 机结合的方式，根据物理教学大纲对实验的基本要求，用纯软件的方法构建“虚 拟物理实验室”，实现以“软”代“硬”，构建不同于一般多媒体软件对于实验过 程和现象的单纯模拟演示，更强调了虚拟实验室的交互性特征。据此设计并开发 出一套基于i n t e r n e t 的全交互仿真物理实验教学系统。 2 2 2 分层设计w e b 应用程序 对于一个软件系统而言，软件体系结构的选择尤为重要，它决定着整个系统 的开发周期和运行效率。一个良好的软件体系结构为系统的分析、设计和配置提 供了一个清晰的框架。面向对象的、基于模块化的组件设计需要能够方便地修改 应用程序的各个部分，完成这一目标的一种较好的方法就是在“层”上工作，将 一个应用程序的主要功能分离到不同的层或者级中。n e tf r a m e w o r k 为创建可维 护、可扩展的“层模式”提供了丰富的支持，使得n 层够架取代传统的客户机踢匿 务器模式而与i n t e r n e t 更为紧密的结合。 i n t e m e t 所使用的t c p i p 协议体系o s i 模型是最为著名的分层模型，它对于 i n t e m e t 的迅速发展起到了极为重要的作用，至今依然具有强大的生命力。受这种 思想的启发，工程师们也把“分层模型”逐渐引入到工程问题中，实践检验，分 层模型对于工程闯题也是一种非常优秀的设计思路。如今，把分层模型引入软件 程序设计已经成为一个重要的发展方向。采用分层模型具有以下优点： 通过分层将庞杂的大工程划分为一组相对易于处理的小工程，这样就可 以降低问题的复杂程度，得到清晰的设计思路。 工程的灵活性好，当任何一层发生变化时，只要保持层间接口关系不变， 其它各层都不会受到影响。 每一层只实现相对独立的功能，所以各层都可以采用最为适合的技术来 实现。而且便于测试和维护。 当然，分层也要采用科学的方法。分层模型中每一层的功能要非常明确，整 个层次结构要分布合理。如