郭　賢　郭　慧　王福利

● 傳統(tǒng)探究式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足

探究實(shí)驗(yàn)室是對理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化后產(chǎn)生的輔助教學(xué)系統(tǒng)，目前已被各大中小學(xué)廣泛配備使用。探究實(shí)驗(yàn)室是廣泛采用多媒體技術(shù)和數(shù)字測量技術(shù)，基于計算機(jī)平臺輔助完成物理、化學(xué)、生物等學(xué)科實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)。

隨著探究式教學(xué)實(shí)踐的不斷展開和信息技術(shù)發(fā)展的不斷推動，傳統(tǒng)的探究式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的諸多不足逐漸展現(xiàn)出來了：①軟件功能單一，對數(shù)據(jù)與知識點(diǎn)的表現(xiàn)能力不足；②軟件部分交互性差，過度地強(qiáng)調(diào)硬件設(shè)備的相關(guān)交互操作，某種程度上忽略了軟件平臺在全局上的作用；③與教學(xué)結(jié)合不緊密，沒有設(shè)計與“虛擬儀器”相對應(yīng)的“虛擬環(huán)境”。

● 虛擬現(xiàn)實(shí)探究試驗(yàn)室系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為了解決上述問題，我們參考了大量的國內(nèi)外資料，經(jīng)過研究和商討之后，結(jié)合國外先進(jìn)探究試驗(yàn)室系統(tǒng)廠家的前沿探索，得出了虛擬現(xiàn)實(shí)探究試驗(yàn)室系統(tǒng)解決方案，即將探究實(shí)驗(yàn)室與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)相結(jié)合，采用圖形化編程手段與敏捷軟件工程思路相結(jié)合的辦法，在軟件工程實(shí)現(xiàn)上展開新的探索。

虛擬現(xiàn)實(shí)探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示的綜合系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集主要包括傳感器的識別、采樣控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等；數(shù)據(jù)分析部分包括數(shù)據(jù)圖表顯示，測量分析（如擬合）和求導(dǎo)、求積等；虛擬環(huán)境及虛擬儀器展示包括虛擬場景顯示、虛擬儀器顯示、虛擬儀器裝配、虛擬儀器演示、仿真實(shí)驗(yàn)操作等內(nèi)容。該系統(tǒng)包括五個子系統(tǒng)：場景顯示模塊、虛擬儀器模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊和場景控制模塊。各子模塊的功能細(xì)化及邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)探究試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于虛擬現(xiàn)實(shí)探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)化探究實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，融合了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)容表現(xiàn)手法的，所以各項子系統(tǒng)的相對獨(dú)立性很強(qiáng)；考慮到系統(tǒng)要不斷適應(yīng)和擴(kuò)充新的設(shè)備和虛擬場景，需要具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，因此系統(tǒng)采用模塊化軟件設(shè)計方法。系統(tǒng)的總體框架設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

根據(jù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，可將系統(tǒng)分為以下四個層次。

1.表示層

在本系統(tǒng)中，表示層通過Quest3D虛擬現(xiàn)實(shí)引擎來實(shí)現(xiàn)，包括場景顯示功能和虛擬場景控制兩部分。場景顯示功能在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中代替標(biāo)準(zhǔn)的窗口界面，向用戶提供經(jīng)過渲染的虛擬場景。但是虛擬場景僅僅是經(jīng)過渲染得出的畫面幀，無法與用戶交互。所以，我們將虛擬場景控制部分同樣放置在標(biāo)志層中，向用戶提供可操作的圖形接口。

2.業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層用于提供完整的虛擬場景的支持和數(shù)據(jù)處理操作的支持，使用Quest3D環(huán)境所提供的通道模塊來進(jìn)行圖形化編程實(shí)現(xiàn)。業(yè)務(wù)層提供本系統(tǒng)的核心功能，即數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)處理顯示和仿真實(shí)驗(yàn)功能。由于采用了圖形化編程平臺，業(yè)務(wù)層可以單獨(dú)運(yùn)行和調(diào)試。而且各業(yè)務(wù)模塊之間完全獨(dú)立運(yùn)行，很好地達(dá)到了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離的效果。

3.業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問層

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問層向系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口。在Quest3D圖形化編程環(huán)境中，數(shù)據(jù)服務(wù)接口由Serial Info Value通道和DB driver ODBC來實(shí)現(xiàn)。Serial Info Value通道即虛擬的串行總線接口，通過該通道可以訪問和控制串口來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；DB driver ODBC通道為ODBC數(shù)據(jù)庫服務(wù)，通過ODBC連接ACCESS數(shù)據(jù)庫。

4.數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層包括硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)的底層支持，向系統(tǒng)提供所需要的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)以Quest3D 4.0作為虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)場景模塊和物理仿真功能。其最大的特點(diǎn)是將眾多標(biāo)準(zhǔn)DirectX函數(shù)封裝為“通道”(channel)，使設(shè)計開發(fā)人員可以真正采用“搭積木”的編程方法專注于自身虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)。

虛擬現(xiàn)實(shí)探究試驗(yàn)系統(tǒng)為學(xué)生及教師提供了簡便易行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，能夠全面、及時地展現(xiàn)和分析實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)，極大地降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的復(fù)雜度，提高了將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室教學(xué)擴(kuò)展為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的能力。通過虛擬現(xiàn)實(shí)探究試驗(yàn)室系統(tǒng)的輔助，可以拉近試驗(yàn)現(xiàn)象與課本知識點(diǎn)之間的距離，加深學(xué)生對課本知識的把握和了解。

但圖形化編程不能夠全面代替文檔和系統(tǒng)設(shè)計圖的存在。圖像化編程方式作為一種輕量化編程手段，所起到的作用是幫助用戶快速地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。雖然吸收了一系列的面向?qū)ο蟮姆椒?，但是其關(guān)鍵思想仍然是基于流程的。在Quest3D中，圖形化編寫程序的流程即為Driect3D處理三維圖形顯示的流程，我們很難在顯示流程上做出該系統(tǒng)的詳細(xì)描述。

雖然這樣，圖形化編程仍然顯示出易于使用的特點(diǎn)，在本項目中，圖形化編程環(huán)境深受一線教師的喜愛。物理或者化學(xué)教師由于計算機(jī)水平的限制，很難對軟件系統(tǒng)有全面深入的了解。圖形化編程則提供了簡單的切入手段。使非程序人員能夠快速的開始編程。同時也免去了記憶復(fù)雜指令和調(diào)試的工作。