摘 要：由于各種實驗條件限制，傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生對知識的理解和掌握存在各種困難。本文論述了一種通用三維實驗教學(xué)仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，其具有良好的通用性與可擴展性，并使用OpenGL對實驗現(xiàn)象進行三維模擬仿真，通過本系統(tǒng)可以提高學(xué)生的實踐動手能力，促進其對知識的理解。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；通用平臺；三維仿真

中圖分類號：TP391.9

眾所周知，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是教師先講述基本理論，演示實驗基本步驟，然后學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)手冊，到實驗室進行操作演示，深入理解相關(guān)知識點。但是這樣的教學(xué)活動過程會造成各種各樣的問題：首先實驗內(nèi)容一般抽象性都很強，這通常不利于教師闡述其內(nèi)部原理，同樣也不利于學(xué)生對原理快速深入理解；學(xué)生僅僅通過在課堂上聽老手講述實驗過程，是不能在短時間內(nèi)對其理解并吸收，也就根本談不上熟悉實驗的流程。因此學(xué)生往往是在不熟悉實驗流程的情況下就冒然進入實驗室進行真實的實驗，這不僅使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效率不高，同時還造成了實驗器材、藥品等的不必要的損耗、浪費。還必須指出的是，有些實驗本身是具有一定危險性的，學(xué)生不熟悉實驗規(guī)范、流程就進行實驗，很可能會對學(xué)生的人生安全造成一定的傷害。同時實驗教學(xué)會受到很多條件因素的限制，比如實驗器材數(shù)量有限，多位學(xué)生可能會共享器材；環(huán)境因素的影響不能開展該項實驗教學(xué)，如演示太陽系運動。

利用計算機仿真技術(shù)進行實驗現(xiàn)象模擬，能夠很好的詮釋實驗現(xiàn)象基本原理，在很大程度上提高教師授課效率，以及學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，同時熟悉實驗流程?，F(xiàn)今市面已經(jīng)有些Flash或二維圖形實驗仿真軟件，但它們對實驗的表現(xiàn)力，用戶的交互性等都非常有限，難以滿足廣大師生的需求。傳統(tǒng)教學(xué)中實驗種類以及數(shù)量

本系統(tǒng)設(shè)計目標是它不僅適用于教師、學(xué)生等普通用戶，同時也面向參與實驗?zāi)K開發(fā)的其它人員，具有強大繁多，這些實驗演示系統(tǒng)多是一個實驗一個系統(tǒng)，沒有對其進行綜合集成，這給系統(tǒng)維護管理帶來了很大的困難?；谝陨犀F(xiàn)狀，系統(tǒng)采用三維仿真技術(shù)模擬、再現(xiàn)各種實驗及自然現(xiàn)象，提高用戶的真實體驗和操作性；采用可擴展模式結(jié)構(gòu)，解決實驗種類及數(shù)量繁多給管理及擴展帶來的不便。

1 系統(tǒng)分析

OpenGL是現(xiàn)今使用較廣泛的一個性能卓越的三維圖形標準，它獨立于硬件設(shè)備、窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，提供了功能強大，調(diào)用方便的底層3D圖形庫。系統(tǒng)采用OpenGL來實現(xiàn)各種實驗的三維表現(xiàn)，用戶可以輕松通過操縱鍵盤、鼠標來改變觀察視角，從三維多角度觀察實驗演示過程；操作各種實驗器材。的二次開發(fā)和可擴展性。普通用戶根據(jù)自身需求購買主體及必須的功能模塊，亦可隨時購買其它功能模塊，并能便捷的加入到現(xiàn)有系統(tǒng)中，從而通過使用本系統(tǒng)完成教學(xué)或?qū)W習(xí)任務(wù)；其它開發(fā)人員可以根據(jù)客戶對實驗的要求，按照實驗?zāi)K的接口要求和公共基礎(chǔ)功能模塊快速開發(fā)新實驗或維護已有實驗功能，并編寫配置腳本，即可交付給用戶動態(tài)加載使用。

根據(jù)以上要求，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計為如圖1所示。系統(tǒng)由主體控制框架制定基本的接口標準，實驗?zāi)K開發(fā)人員可以在不對主框架有任何了解，做任何修改的情況下，按已有接口標準開發(fā)出新的實驗?zāi)K，而主控制框架也能很好支持每個實驗?zāi)K操作演示等功能，

系統(tǒng)框架為開發(fā)人員提供的接口標準應(yīng)具有即統(tǒng)一又靈活的特點，系統(tǒng)采用讀寫配置腳本方式進行實現(xiàn)。開發(fā)人員完成實驗?zāi)K后，編寫配置腳本，主框架通過該腳本了解模塊的具體接口方法，并寫入自己的配置文件實現(xiàn)動態(tài)調(diào)用，這樣就實現(xiàn)了主體控制框架和實驗?zāi)K的邏輯分離，相關(guān)開發(fā)人員只需要關(guān)注自己所負責(zé)模塊的內(nèi)部詳細設(shè)計。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)由主體框架、實驗?zāi)K、公共模塊三部分組成，實驗?zāi)K和公共基礎(chǔ)模塊都是以動態(tài)庫的形式存在。系統(tǒng)框架主要負責(zé)和用戶進行操作交互，實驗內(nèi)容的三維展示、管理及控制；每個實驗?zāi)K之間沒有任何聯(lián)系，具體實現(xiàn)由其開發(fā)者自己決定，只要求提供滿足標準框架接口的調(diào)用。

2.1 系統(tǒng)主框架設(shè)計

系統(tǒng)主框架是該仿真平臺的核心部分，采用MFC單文檔結(jié)構(gòu)和第三方界面庫設(shè)計，其主要功能是為OpenGL配置一個能在Windows系統(tǒng)平臺運行的環(huán)境，并且通過制定的接口標準鏈接并控制相應(yīng)的實驗功能模塊，對加載的功能模塊進行動態(tài)管理，該框架的核心類結(jié)構(gòu)如圖2所示。

COpenGL類配置OpenGL在windows系統(tǒng)中的運行環(huán)境，其唯一對象m_opengl在CPhyLibView類中實例化。CPhyLibView類在CMainFrame類中，主要用途是實時顯示當(dāng)前功能模塊所展現(xiàn)的三維實驗仿真場景，渲染的場景數(shù)據(jù)信息來自于各實驗?zāi)K。

CWorkSpcaeBar、CWorkSpcaeBar2類分別在主框架CMainFrame類中被實例化，它們是浮動并停靠在主框架內(nèi)的兩個子框架，用來裝載具體功能模塊中的實驗參數(shù)配置窗口、實驗說明及結(jié)果窗口。

CLibrary_Linker類是框架中重要的模塊，它是實驗?zāi)K和框架之間的功能連接器，制定了二者通信的標準接口。它通過讀取的配置文件了解實驗?zāi)K的相關(guān)內(nèi)容、函數(shù)接口等信息，幫助框架其它模塊鏈接相應(yīng)的功能，調(diào)用其中的函數(shù)接口，從而實現(xiàn)對功能模塊的各種操作。為判斷當(dāng)前鏈接庫與正要鏈接的庫是否重復(fù)，類中為每個實驗?zāi)K提供計數(shù)字段用于區(qū)別，以此減少對相同庫的鏈接、釋放操作，提高程序的執(zhí)行效率。

為了使主框架能夠?qū)δ苣K進行控制，就必須讀入模塊的相應(yīng)信息，這一點可以通過結(jié)構(gòu)體Menu來完成。Menu結(jié)構(gòu)體主要以鏈表形式動態(tài)管理功能模塊相關(guān)信息，并同步寫入硬盤，更新框架界面。Menu結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)全都通過讀入每個功能模塊的配置腳本，內(nèi)容主要包括主函數(shù)名、庫名等，并動態(tài)生成的功能操作選項菜單，菜單ID號，調(diào)用規(guī)則等信息，在主框架中顯示供用戶操作使用。

2.2 實驗?zāi)K設(shè)計

系統(tǒng)中每個實驗?zāi)K相對獨立，允許用戶通過界面動態(tài)地加載和卸除，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。實驗?zāi)K核心必須包括以下功能模塊：

參數(shù)配置部分，其主要作用在于允許用戶動態(tài)配置實驗所需數(shù)據(jù)，實驗的計算結(jié)果及三維模擬效果都將受到參數(shù)的影響，從而使實驗結(jié)果呈現(xiàn)多樣性。

實驗說明及計算，該部分的用途在于對正在進行的實驗原理知識點作出說明，并描述實驗操作步驟要點；依據(jù)實驗理論數(shù)據(jù)和輸入?yún)?shù)，動態(tài)地計算出實驗結(jié)果。

虛擬實驗渲染顯示，該功能是三維實驗仿真最終的目標，即通過使用OpenGL對實驗整個過程進行三維仿真，形象的顯示各種情況下的實驗效果。

編寫配置腳本，用戶針對每個實驗編寫相關(guān)的配置腳本用于描述功能模塊的關(guān)鍵信息，如功能模塊名稱、主要函數(shù)名、菜單中顯示的內(nèi)容等等。主框架鏈接接口通過配置腳本內(nèi)容，實現(xiàn)對功能模塊的調(diào)用。

2.3 公用基礎(chǔ)模塊

公用基礎(chǔ)模塊是平臺提供的公共功能，主要涉及到攝像機管理、向量計算，粒子系統(tǒng)，實驗器材的拾取、拖動、組合，場景操作管理等模塊，這些公共模塊是多數(shù)三維模擬仿真都需要的基礎(chǔ)功能，二次開發(fā)人員根據(jù)需要選擇使用它們，以提高開發(fā)效率。

2.4 主框架與實驗功能模塊關(guān)聯(lián)流程

在選擇某個具體實驗后，主框架會根據(jù)Menu結(jié)構(gòu)體中的信息與相應(yīng)功能模塊相連接，這主要包括三方面的內(nèi)容。主框架中的視圖客戶區(qū)設(shè)備上下文與實驗?zāi)K中的三維模擬部分進行綁定。

參數(shù)配置框架與實驗結(jié)果說明框架載入功能模塊中的參數(shù)配置部分與實驗說明、結(jié)果計算、顯示部分。

動態(tài)實驗菜單與功能連接模塊由實驗?zāi)K中的主框架連接接口中讀入接口信息，之后即可根據(jù)此信息生成實驗菜單或是對其進行管理，效果如圖4所示。

3 結(jié)束語

本文主要論述了一種通用三維實驗仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)通過主框架內(nèi)部加載不同的實驗功能模塊，根據(jù)用戶的動態(tài)配置參數(shù)，形象再現(xiàn)了各種實驗、自然現(xiàn)象，并計算出相應(yīng)情況下的實驗結(jié)果，使得用戶像身臨其境一樣完成各類實驗，而不受任何條件因素的限制。目前系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了大部分中學(xué)物理、化學(xué)、地理實驗功能模塊，取得了較好的應(yīng)用效果。

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作者單位：江西師范大學(xué)軟件學(xué)院，南昌 330022