基于虛擬技術的物理仿真實驗系統的設計

王紅燕（寶雞職業技術學院，寶雞，721013）

基于虛擬技術的物理仿真實驗系統的設計

王紅燕
（寶雞職業技術學院，寶雞，721013）

隨著信息技術的高速發展，虛擬現實技術在眾多領域得到了廣泛應用，本文基于此，采用B/S三層架構，結合Microsoft Visual C++2010及3D技術，構建了基于虛擬技術的物理仿真實驗系統。

虛擬技術；物理仿真實驗；系統設計

1 系統設計的需求分析

1.1需求分析總體概述

本系統選用B/S三層架構，整個系統概述情況如下：

①網絡管理信息系統包含三種登錄權限，對登陸者的身份進行驗證。

②對學生的測評成績等進行管理，可以實現實驗報告提交、文件下載等功能；

③可使用瀏覽器登陸平臺學習和訓練課程知識、技能等內容。

1.2功能需求

①實驗操作功能模塊：教師與學生都可以直接登錄，但是二者擁有不同的訪問權限，教師可以進行試驗步驟的查詢與修改，但是學生只能查看，不可以進行修改。

②教師管理功能模塊：普通教師登陸后可以直接對學生信息進行管理，管理員登陸后可以對教師、學生及實驗室的相關信息進行管理。

③教師授課功能模塊：可以查看課表信息、設備信息、管理實驗報告，對學生進行考勤和成績管理。

④學生功能模塊：只可以查看一些如課表信息、實驗報告和自己的考勤和成績信息。

1.3性能需求

性能需求在軟件開發中也要引起足夠的重視，它在很大程度上決定了系統的安全性及使用效果，而虛擬技術是客觀世界的客觀事物在計算機上的本質實現，其核心是建模與仿真。因此本文設計研究的基于虛擬技術的物理仿真實驗系統，需要實現較好的真實性、實時交互性、開放性等。

①真實性：在虛擬技術下的物理仿真實驗系統中設計出逼真的實驗環境，根據實際實驗中用到的實驗儀器及其它設施相同比例，運用3D max進行三維建模。

②實時交互性：基于消息傳遞和事件驅動機制編程，將虛擬場景與各虛擬儀器相結合，實現用戶對虛擬環境中各種虛擬儀器的控制與操作，對用戶的各種操作進行實時響應，用戶只需要運用鼠標、鍵盤，就可以進行自由操作，并可以在各種不同視角下去觀察，為探究學習提供支持。

③開放性：構建自主學習環境，為用戶提供可交互的、反饋及時的教學資源，支持協作學習。

2 物理仿真實驗系統的設計

2.1開發環境與工具

本文設計的物理仿真實驗系統主要運用了兩款軟件，其一是Microsoft Visual C++2010，它是目前應用比較廣泛的一種計算機輔助設計編程語言，可以支持多重范式，可以實現可視化編程、面向對象，可以輔助制圖；其二是3D技術，它是目前主流的可視化媒體的表現形式，主要用于成像，通過視頻的影像資料，為系統的實現提供身臨其境的感覺。本系統通過二維技術和三維技術的結合，設計出一個能夠說明和展示領域模型的分層設計優勢的物理仿真實驗。

2.2總體結構

對每一個特定的物理實驗進行虛擬仿真的過程中，需要在一個整體的環境中實現，需要由虛擬實驗場景、虛擬儀器以及實驗教材和教師的指導共同構成（圖1）。通過這種虛擬系統的設計，用戶可以從系統中尋找自己需要的實驗材料，在虛擬環境中實際操作各種實驗儀器，并對各種數據進行記錄與處理，最后填寫實驗報告。

圖1　 基于虛擬技術的物理仿真實驗總體結構

本文設計的物理仿真實驗系統可以輔助教師進行教學，依據以上對于系統需求的分析，設計其組織結構如下：

①管理教師功能模塊：需要管理教師輸入正確的用戶名及密碼進行登陸，點擊“用戶管理|學生信息”，可以實現對學生信息的管理，另外還可以實現信息采集（包括角色、操作系統、IP地址、狀態等）、數據統計（主要是統計一段時間內實驗室及儀器設備的利用情況）、數據管理（包括數據初始化，備份、還原、刪除、升級）。

②授課教師功能模塊：授課教師只需輸入用戶名和密碼登陸之后，便可以查看與自己相關的課表；實驗信息管理主要是教師對實驗內容與實驗工具等信息進行編輯或維護；設備管理就是對應用服務器和網絡設備進行相關維護；實驗報告管理包括對實驗報告模板與評價兩方面的管理；成績管理是對一個課程下授課教師所教的學生打分的過程；文件管理是指授課教師通過文件的上傳和下載為學生提供一些有幫助的資料。

③學生功能模塊：學生進入系統首先注冊用戶，便可以直接進行課表、成績查詢、下載實驗報告模板及教師上傳的學習資料等。

2.5數據庫設計

2.3系統體系結構

當前，信息管理系統的體系結構主要有三種，即：C/S、B/ S、C/S與B/S混和的體系結構。基于C/S體系結構開發的系統，能夠有效應用客戶端和服務器端的硬件環境優勢，但是客戶端需要安裝專用的客戶端軟件，維護成本高且投資大，可擴展性較差。B/S體系結構是對C/S體系結構的一種改進，這一結構下，軟件應用的業務邏輯完全在應用服務器端實現，具有數據安全性較高，數據一致性高，實時性好等優點。但服務器負載較重，個性化特點明顯降低，響應速度較低。物理實驗仿真系統主要面向全校教學管理人員、教師、學生，結合具體實際，為簡化系統開發設計復雜性，提高系統應用的容易度，采用B/S體系結構作為高校教學管理系統的體系結構，包括瀏覽器層、Web 服務器層、數據庫服務器三層。

2.4系統組織結構

2.5.1創建數據庫和數據表

本文在設計過程中選擇的數據庫為Microsoft Access 2007，以學生成績為例，其物理模型如表1所示。

2.5.2創建ODBC數據源

筆者認為創建過程主要需要以下四步：

步驟一：打開ODBC，進入ODBC；

步驟二：選擇“添加”，彈出“創建新數據源”對話框，在該對話框中選擇 Microsoft Access Driver；

步驟三：單擊“完成”，隨即便可以進行指定驅動程序的安裝，單擊“選擇”，將本實驗中的main.mdb數據庫；

步驟四：單擊“確定”按鈕，數據源在“ODBC 數據源管理器”中出現。

2.5.3添加、刪除和修改功能

首先，打開 IDR_MAINFRAME，添加“課程成績”，在此處選擇“添加”、“刪除”和“修改”子菜單；

其 次，在 CEx_XueshengView 類 添 加 成 員 函 數

表1　學生課程成績表　

DeleteAllColumn（ ），用來刪除列表視圖的標題頭；

第 三，在 CEx_XueshengView 類 添 加 成 員 函 數DispScoreInfo（ ），用來顯示課程成績信息；

第四，為 CEx_XueshengView 類添加一個成員變量m_ strFilter，并用MFC ClassWizard在CEx_XueshengView 類中映射菜單“添加”的COMMAND 消息。

第 五，為 CEx_XueshengView 類 添 加 成 員 函 數GetListCtrlCurSel，用來獲取當前選擇的列表項索引；

最后，在 CEx_XueshengView 類中映射菜單“刪除”的COMMAND消息和 CBN_SELCHANGE 的消息。

3 結論

綜上所述，本文首先對基于虛擬技術的物理仿真實驗系統設計需求進行分析，以此為基礎，對系統總體結構及其體系與組織結構進行深入分析，并詳細分析了系統數據庫的設計。

李娟娟.物理虛擬仿真實驗系統的設計研究［D］.揚州大學.2012-04

The physical design of virtual technology-based simulation system

Wang Hongyan
（Baoji Vocational and Technical College，Baoji，721013）

With the rapid development of information technology，virtual reality technology has been widely applied in many fields，Based on this，the use of B/S three-tier structure，combined with Microsoft Visual C + +2010 and 3D technology，based on virtual technology to build physical simulation systems.

virtual technology；physics simulation；System Design

2014—04—28

王紅燕（1969-），女，陜西蒲城人，講師，研究方向為物理教育與電子信息技術。