圖形化編程在虛擬現實探究實驗室開發中的應用

● 傳統探究式實驗系統的不足

探究實驗室是對理科實驗教學設備進行數字化后產生的輔助教學系統，目前已被各大中小學廣泛配備使用。探究實驗室是廣泛采用多媒體技術和數字測量技術，基于計算機平臺輔助完成物理、化學、生物等學科實驗的系統。

隨著探究式教學實踐的不斷展開和信息技術發展的不斷推動，傳統的探究式實驗系統的諸多不足逐漸展現出來了：①軟件功能單一，對數據與知識點的表現能力不足；②軟件部分交互性差，過度地強調硬件設備的相關交互操作，某種程度上忽略了軟件平臺在全局上的作用；③與教學結合不緊密，沒有設計與“虛擬儀器”相對應的“虛擬環境”。

● 虛擬現實探究試驗室系統的結構

為了解決上述問題，我們參考了大量的國內外資料，經過研究和商討之后，結合國外先進探究試驗室系統廠家的前沿探索，得出了虛擬現實探究試驗室系統解決方案，即將探究實驗室與虛擬現實技術和仿真技術相結合，采用圖形化編程手段與敏捷軟件工程思路相結合的辦法，在軟件工程實現上展開新的探索。

虛擬現實探究實驗室系統是包括數據采集、數據分析和數據展示的綜合系統。數據采集主要包括傳感器的識別、采樣控制、數據傳輸、數據存儲等；數據分析部分包括數據圖表顯示，測量分析（如擬合）和求導、求積等；虛擬環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、仿真實驗操作等內容。該系統包括五個子系統：場景顯示模塊、虛擬儀器模塊、數據采集存儲模塊、數據處理顯示模塊和場景控制模塊。各子模塊的功能細化及邏輯關系如圖1所示。

圖1 虛擬現實探究試驗系統結構圖

由于虛擬現實探究實驗室系統是以數據化探究實驗室為基礎，融合了虛擬現實仿真實驗室的內容表現手法的，所以各項子系統的相對獨立性很強；考慮到系統要不斷適應和擴充新的設備和虛擬場景，需要具有很強的擴展性，因此系統采用模塊化軟件設計方法。系統的總體框架設計如圖2所示。

圖2 系統總體框架

根據系統的功能結構，可將系統分為以下四個層次。

1.表示層

在本系統中，表示層通過Quest3D虛擬現實引擎來實現，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實系統中代替標準的窗口界面，向用戶提供經過渲染的虛擬場景。但是虛擬場景僅僅是經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志層中，向用戶提供可操作的圖形接口。

2.業務層

業務層用于提供完整的虛擬場景的支持和數據處理操作的支持，使用Quest3D環境所提供的通道模塊來進行圖形化編程實現。業務層提供本系統的核心功能，即數據采集存儲、數據處理顯示和仿真實驗功能。由于采用了圖形化編程平臺，業務層可以單獨運行和調試。而且各業務模塊之間完全獨立運行，很好地達到了業務數據分離的效果。

3.業務數據訪問層

業務數據訪問層向系統提供數據服務接口。在Quest3D圖形化編程環境中，數據服務接口由Serial Info Value通道和DB driver ODBC來實現。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行數據采集；DB driver ODBC通道為ODBC數據庫服務，通過ODBC連接ACCESS數據庫。

4.數據訪問層

數據訪問層包括硬件設備和數據庫，為系統的底層支持，向系統提供所需要的數據信息。本系統以Quest3D 4.0作為虛擬現實開發工具，實現了本系統的虛擬現實場景模塊和物理仿真功能。其最大的特點是將眾多標準DirectX函數封裝為“通道”(channel)，使設計開發人員可以真正采用“搭積木”的編程方法專注于自身虛擬現實系統的開發。

虛擬現實探究試驗系統為學生及教師提供了簡便易行的實驗教學工具，能夠全面、及時地展現和分析實驗過程中的數據，極大地降低了實驗教學的復雜度，提高了將現有實驗室教學擴展為數字化實驗室的能力。通過虛擬現實探究試驗室系統的輔助，可以拉近試驗現象與課本知識點之間的距離，加深學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設計圖的存在。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現系統。雖然吸收了一系列的面向對象的方法，但是其關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的詳細描述。

雖然這樣，圖形化編程仍然顯示出易于使用的特點，在本項目中，圖形化編程環境深受一線教師的喜愛。物理或者化學教師由于計算機水平的限制，很難對軟件系統有全面深入的了解。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雜指令和調試的工作。