基于J2EE的网上化学教学实验仿真系统的研究与应用

论文摘要

实验教学是许多学科特别是理工科教学中的重要环节之一,实验教学相对于理论教学更具有直观性、实践性和创新性。虚拟教学实验室的出现,很好地解决了传统实验受时间、地点、设备制约的现状,为用户提供了一个自主实验的平台。虚拟仿真实验系统是一个融合了多种技术和思想的研究领域,将虚拟仿真实验室概念与教学实验相结合,是对常规实验领域的开拓和发展。论文分别从理论研究、仿真技术方法和应用开发三个层面对网上虚拟仿真系统的构建做了全面论述。着重讨论了网上虚拟仿真系统的理论架构、建模方法以及关键技术,并以“网上化学教学实验仿真系统”为例详细介绍了其实现方法。首先,从理论方面简单介绍了虚拟仿真实验室的基本概念,功能定位和基本要求,以及虚拟仿真实验室构建的基本原则和方法,并进一步讨论了网上虚拟仿真实验系统中的实验教学模型的组成部分,为后续系统的开发奠定了理论基础。其次,从仿真技术方法方面详细介绍了面向对象的可重用仿真技术和基于组件的仿真技术,着重介绍了基于JavaBean组件构建虚拟仿真实验系统的必要性和可行性。另外,就目前常用的仿真关键技术（例如:Java技术、VRML技术、Flash技术、ActiveX技术）进行了比较。针对“网上化学教学实验仿真系统”,采用了JavaScript + XML +JSP+JavaBean的技术组合开发模式。JavaScript和JSP主要实现客户端动态网页的生成;XML主要用来描述客户端和服务器端数据交换模型;JavaBean组件技术主要实现模拟仿真的核心模块,包括仿真实验平台组件、虚拟仪器组件的设计与实验过程的仿真实现等。最后,从应用开发方面详细介绍了“网上化学教学实验仿真系统”是集实验教学、实验操作与实验报告于一体,实现了从辅助教学、自主实验到实验报告的网上提交与批阅的全程操作与管理。该系统具有良好的可设计性、操作的任意性和具有真实感的交互功能,可以让用户在逼真的多媒体“虚拟场景”中,利用各种“虚拟化学仪器”任意搭建实验装置,并通过“虚拟化学反应的过程”,实时得到仿真结果,从而达到良好的实验效果。论文的主要创新点在于:第一,使用掩码透明贴图技术实现虚拟仪器与虚拟实验环境在视觉效果上的无缝连接和自然融合。第二,使用JavaBean组件技术实现直接从数据库连接池中得到一个连接使用,使用完之后直接放回连接池。使用连接池不会让数据库的响应变得非常缓慢,从而影响服务器的性能。第三,使用JSP+XML技术使实验状态的保存和恢复设计功能具备了实现的可能性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与应用
• 1.2 实验教学仿真系统的国内外发展情况
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 虚拟仿真实验系统的发展趋势
• 1.3 论文结构
• 第二章 网上虚拟仿真实验系统的理论研究
• 2.1 网上虚拟仿真实验系统的功能定位和基本要求
• 2.1.1 功能定位
• 2.1.2 基本要求
• 2.2 网上虚拟仿真实验系统构的主要特点
• 2.2.1 交互性和自主性
• 2.2.2 共享性和自主性
• 2.2.3 开放性
• 2.2.4 协同性
• 2.3 构建网上虚拟仿真实验系统的基本原则
• 2.3.1 智能化原则
• 2.3.2 工程化原则
• 2.3.3 综合化原则
• 2.4 网上虚拟仿真实验系统构建的基本方法
• 2.4.1 选择合适的仿真开发工具
• 2.4.2 开发仿真软件与多媒体环境的接口模块
• 2.5 网上虚拟仿真实验系统中实验教学模型
• 2.5.1 实验界面呈现
• 2.5.2 实验情景设置
• 2.5.3 实验过程模拟与仿真
• 2.5.4 实验结果总结与评价
• 2.6 网上虚拟仿真实验系统的优势
• 2.7 本章小结
• 第三章 构建网上虚拟仿真实验系统的建模与仿真方法
• 3.1 建模与仿真
• 3.2 面向对象的可重用仿真技术
• 3.3 基于组件的仿真技术
• 3.3.1 组件的概念和特点
• 3.3.2 组件的仿真和建模
• 3.3.3 用组件构建虚拟实验系统的意义
• 3.3.4 组件的技术标准以及规范
• 3.3.5 JavaBean组件技术
• 3.4 本章小结
• 第四章 构建网上虚拟仿真实验系统的关键技术
• 4.1 技术方案
• 4.1.1 基于Java技术
• 4.1.2 基于VRML技术
• 4.1.3 基于QuickTime VR技术
• 4.1.4 基于Flash技术
• 4.1.5 基于ActiveX技术
• 4.2 技术方案的比较
• 4.3 技术方案的选择
• 4.4 基于JAVA的J2EE平台技术
• 4.4.1 J2EE的概念
• 4.4.2 J2EE的四层模型
• 4.4.3 J2EE的结构
• 4.4.4 J2EE的核心API与组件
• 4.4.5 J2EE的优势
• 4.5 本章小结
• 第五章 网上化学教学实验仿真系统的设计与实现
• 5.1 系统总体设计与分析
• 5.1.1 系统功能
• 5.1.2 网络结构
• 5.1.3 系统组成
• 5.2 系统建模与仿真设计
• 5.2.1 虚拟仪器的仿真设计
• 5.2.2 虚拟实验过程的仿真设计
• 5.3 实验状态的保存和恢复设计
• 5.3.1 实验状态的保存和恢复设计的必要性
• 5.3.2 客户端和服务器端的数据交换方式
• 5.3.3 实验状态的保存和恢复过程
• 5.4 网上化学电子化实验报告的生成与管理
• 5.4.1 实验报告的生成
• 5.4.2 实验报告的管理
• 5.5 用户认证功能的设计
• 5.5.1 用户登录认证
• 5.5.2 Session变量的使用
• 5.6 其他辅助功能的设计
• 5.7 本章小结
• 第六章 网上化学教学实验仿真系统的应用与测试
• 6.1 网上化学教学实验仿真系统的操作流程
• 6.2 应用实例：水中钙镁含量的测定实验
• 6.2.1 实验环境
• 6.2.2 基本操作
• 6.2.3 实验过程
• 6.3 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 主要贡献和创新点
• 7.1.1 主要贡献
• 7.1.2 技术创新
• 7.2 进一步设计与构想
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果