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1、分 类 号 ： TP39 研究生学号： 200953H151 单 位 代 码 ： 10183 密 级 ： 公 开 吉 林 大 学 硕士学位论文 基于 SSH 的电工电子实验室教学系统的设计与实现 The Design and Implementation of Electrical and Electronic Laboratory Teaching System Based on SSH 作者姓名：胡敏 专 业：软件工程 研究方向：智能计算 指导教师：孙延风副教授 培养单位：计算机科学与技术学院 2012 年 6 月 基于 SSH 的电工电子实验室教学系统的设计与实现 The Design
2、and Implementation of Electronic Laboratory Teaching System Based on SSH 作 者 姓 名 ： 胡 敏 专业名称：软件工程 指导教师：孙延风副教授 学位类别：软件工程硕士 答辩日期： 2012 年 X 月 ”日 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版 本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分 内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者 著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承 担侵权的法律责任。 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是
3、本人在指导教师的指 导 下 ， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本 论 文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 学位论文作者签名： 日期：2012 年 月 ” 日 摘 要 基于 SSH 的电工电子实验室教学系统的设计与实现 随着信息化技术的不断发展，高校教育已经从原来的手工式教育教学方式慢慢向计 算机辅助教学（ CAI)、计算机辅助学习（ CAL)发展到了信息技术与课程整合（ IITC) 阶段。基于网络的交互式教学平台的构建，成为了实现 IITC 的关键。目前，这种教育 教学手段以及教学平台极为少见，特别是对于吉林交院来讲，信息化高校建设成为
4、学校 发展的必然途径，因此，从本校实际出发，构建一个应用 IITC 领域，教学覆盖面大、 教学内容广泛、支持多样化教学且适合交互式的电工电子实验教学课堂的教学平台成为 亟待解决的问题。 本课 题 不仅从 技 术上解决 了 电工电 子 实验室 以 及配件的 管 理问题 ， 同时优化 了 管 理 流 程 。提 高 教学 管 理的 工 作效 率 使其 发 挥最 好 的功 能 ，提 高 办事 效 率， 提 升其 使 用价 值 ， 对 促 进电 工 电 子 专业 人 才的 培 养 以 及推 进 学院 教 学信 息 化 的 建设 起 到重 要 作用 。 本 课 题 从 我 们学 校 教 学 实际 出 发，
5、 首 次 提 出了 虚 拟电 工 电子 实 验 室 的设 计 需求 和 功能 要 求 ， 借 助 先 进 的 虚 拟 现 实 技 术 ， 提 出 了 采 用 Java 技 术 与 Sp1 Ce 技 术 结 合 ， 采 用 SSH (Struts+Spring+Hibemate)轻量级框架技术 ， 以 B/S 架构设计为基础 设 计和实现了电 工 电 子 实验 室 环 境 。通 过 电工 电 子 实 验室 教 学系 统 通过 搭 建 虚 拟电 工 电子 实 验环 境 ， 实 现 了 三 维仿 真 教 学 课件 的 制作 、 电 子 电路 模 拟化 搭 建、 电 路 参 数设 置 、电 子 实验
6、报 告 查 阅 与 管 理、 虚 拟 终 端仿 真 、实 验 真 实 环境 搭 建与 保 存和 电 工 电 子实 验 方案 设 计与 分 析 等 功 能 。 从而 真 正提 高 了教 育 教学 质 量 。 本课题在软件工程思想的指导下，面向吉林交院电工电子实验室设计模型就行了详 细阐述，并在此技术上提出了基于虚拟现实的与 Spice 的电工电子实验室模型，为解决 电工电子实验室信息化建设提供了有效工具。完成了基于 Struts+Spring+Hibemate(SSH) 架构的多层 Web 应用系统。本文的主要贡献在于：实践了软件工程基本思想在系统设 计过程中的指导作用；实现了基子 3DMAX
7、的三维仿真教学课件的制作；在电工并发教 学中采用了多线程并发处理技术；应用了 SOMA 在 SSH 架构中的业务分解技术。 关键词： IITC, 虚 拟 现 实 ， B/S ,电工电子实验室， SSH， Spice Abstract The Design and Implementation of Electrical and Electronic Laboratory Teaching System Based on SSH With the development of information technology, the education has evolved from the o
8、riginal manual type teaching way slowly to computer assisted instruction ( CAI)? computer aided learning ( CAL ) to the development of the information technology and curriculum integration ( IITC ) stage. Network based interactive teaching platform construction, achieving IITC key. At present, this
9、kind of teaching means and teaching platform is very rare, especially for the JiLin Communications Polytechnic University, information construction of colleges and universities has become the inevitable way to the development of the school, therefore, from the school reality, building an application
10、 field of IITC, teaching the coverage of large, extensive teaching content, teaching and support for interactive electronic experiment teaching classroom teaching platform becomes the problem that solves urgently. This paper not only from a technical solution to the electrical and electronic laborat
11、ory and parts management problem, optimize the management process. Improving the teaching efficiency of the management to play its best function, improve work efficiency, enhance its to use value, to promote the electronics professionals training and promoting college teaching informatization constr
12、uction plays an important role. This topic from the JiLin Communications Polytechnic college teaching reality, put forward first virtual electric and electronic laboratory design requirements and functional requirements, using advanced virtual reality technology, put forward to use Java technology a
13、nd Spice technology, using SSH (Struts+Spring+Hibemate) lightweight framework technology, using B / S architecture based design and implementation of electrical and electronic laboratory environment. Through the electrical and electronic laboratory teaching system by building a virtual electronic so
14、lution for electrical and electronic laboratory informatization construction to provide effective tools. Completed based on Struts+Spring+Hibemate ( SSH ) architectures of multilayer Web application system. The main contribution of this paper lies in : the practice of software engineering the basic
15、idea in the system design process guidance;3DMAX based on the realization of3D simulation teaching courseware; electrician in concurrent teaching using a multi-threaded concurrent processing technology; the application of the SOMA in the SSH HI 目 录 才商 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景与意义 .
16、 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 本文主要工作 . 4 1.4 本文进度安排与组织结构 . 5 第 2 章 相 关 技 术 . 7 2.1 SPICE 仿真程序 . 7 2.1.1 Spice 仿真概述 . 7 2.1.2 基于 Spice 的元器件模拟方法 . 9 2.2 SSH 框架 . 11 2.3 SERVICE 实现 SOMA . 14 2.4 本章小结 . 16 第 3 章 需 求 分 析 . 17 3.1 应用对象概述 . 17 3.2 电工电子实验室教学系统概述 . 17 3.3 系统架构分析 . 19 3.4 可行性分析 . 19 3.5 系统功能分析 . 20
17、3.6 本章小结 . 22 第 4 章 系 统 设 计 与 实 现 . 23 4.1 系统体系架构设计 . 23 4.2 基于组态软件开发技术的组件库设计 . 25 4.2.1 组件库设计 . 25 4.2.2 组件元素设计 . 26 4.2.3 基于 OGSA 的元件发现机制 . 26 4.2.4 组件库结构分析 . 27 4.2.5 组件通信类设计 . 29 4.3 仿真系统设计 . 30 4.3.1 基于 Spice 的程序设计 . 31 4.3.2 指令格式分析 . 33 4.4 虚拟电路平台的实现 . 35 4.4.1 电路封装实现 . 35 4.4.2 实验信息到仿真要求的转换实现
18、 . 37 4.4.3 实验结果分析 . 39 4.5 实验结果保存与修复 . 40 4.6 系统实现效果展示 . 40 4.7 本章小结 . 41 第 5 章 系 统 测 试 . 43 5.1 系统部署 . 43 5.1.1 部署条件 . 43 5.1.2 部署步骤 . 43 5.2 系统测试 . 44 5.2.1 测试目的 . 44 5.2.2 测试实施 . 44 5.2.3 测试方法 . 44 5.3 系统测试 . 45 5.3.1 测试准备 . 45 5.3.2 测试依据 . 45 5.3.3 测试实施 . 45 5.4 测试结果及分析 . 46 5.5 本章小结 . 47 第 6 章
19、 总 结 与 展 望 . 4 8 6.1 总 结 . 4 8 6.2 展 望 . 4 9 参 考 t 献 . 5 0 至 夂 if .5 2 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的背景与意义 伴随着高校教学方式的不断改革，高校教育逐渐从原来的纯理论教学向实践能力培 养方向发展。在社会发展过程中，实验被认为是实践能力培养的重要手段。随着信息化 技术的不断发展，高校教育已经从原来的手工式教育教学方式慢慢向计算机辅助教学 (CAI)、计算机辅助学习（ CAL)发展到了信息技术与课程整合（ IITC)阶段。基于网 络的交互式教学平台的构建，成为了实现 IITC 的关键 1。目前，这种教育教学手段以及
20、教学平台极为少见，特别是对于我们大学来讲，信息化高校建设成为学校发展的必然途 径，因此，从本校实际出发，构建一个应用 IITC 领域，教学覆盖面大、教学内容广泛、 支持多样化教学且适合交互式的电工电子实验教学课堂的教学平台成为亟待解决的问 题。 电工电子实验在很多高校已经逐渐被确定为基础教育课程，是高校培养适合社会发 展的重要方法和途径。在 传统的教学管理过程中，实验教学主要采用传统的现场模拟方 式，这种方式主要依靠教师进行实验真实场景模拟进行现场讲解和操作，学生也主要是 面向实际电子实验进行实物连接。实践证明，传统的操作方式已经不能满足现代信息化 高度发展的电子教学管理模式。首先，随着高校扩
21、招，学生数量不断增加，现场教学已 经不能达到现场临教的目的。同时，传统的电子实验并不能满足学生自主安排实验进度 和实验时间，由子电工电子实验往往要消耗大量的耗材，同时，电子电路连接错误，通 常会造成电子元器件或测试仪器的严重损坏。最后，传统教学模式下，教师 的课件往往 是基于 PPT 的板书，不能对实验场景和注意事项进行模拟显示，因此这种教学模式不能 从真正意义上让学生享受到学习的乐趣。因此，从我们学校教学设计出发，开发一款集 三维仿真教学课件的制作、电子电路模拟化搭建、电路参数设置、电子实验报告查阅与 管理、虚拟终端仿真、实验真实环境搭建与保存和电工电子实验方案设计与分析等功能 于一体的电工
22、电子实验系统是教学改革的一部分，是我们学校信息化建设的重要组成。 因此如何从技术上解决了电工电子实验室以及配件的管理问题，同时优化管理流程。提 高教学管理的工作效率使其发挥最好的功能，提高办事效率，提升其使用价值，对促进 电工电子专业人才的培养以及推进学院教学信息化的建设起到重要作用。 2 虚拟现实技术能够解决实验室真实环境模拟和真实电子元件互联效果展示。电工电 子实验系统采用虚拟现实技术，能够帮助学生完成复杂的虚拟电子元器件实验，达到器 件互联，从而大大节约了实验资源和降低了实验风险。我校在推广电工电子实验过程中， 充分结合我校实际情况，为推广我校远程实验教育和解决我校教学资源不足等问题提供
23、 可借鉴的方法和途径。因此，电工电子实验 平台的建立是我校对物理实验资源的有效补 充，具有重要的社会意义。 1.2 国内外研究现状 计算机辅助教学（ CAI)至今已有 30 多年的发展历史 .CAI 课件由单一的文本形式 发展成了多媒体形式，由单机环境向分布式发展，目前已进入多媒体网络化交互式教学 阶段。我国教学管理信息系统的建设大致经历三个发展阶段 3: 第一阶段，以 DOS 为代表的系统萌芽阶段。 以 DOS 为代表的系统萌芽阶段是从 20 世纪 80 年代到 20 世界 90 年代期间发展起 来的，这个阶段的教学辅助软件主要是基于管理的小系统，主要包括招生管理、学籍管 理和学生管理等基本
24、功能。 第 =阶段，基于网络的系统信息管理阶段 第二阶段主要是 20 世纪末期，这个阶段的计算机辅助管理系统伴随着网络技术的 不断发展，将教学实际和数据共享真正结合起来，提出了网络办公、网络教学的概念。 同时，这个阶段的计算机辅助管理系统将 UI 设计概念也真正融合到管理系统中，简化 了用户操作。 第三阶段，计算机辅助系统的综合发展阶段 第三阶段主要是 21 世纪以来，伴随着我国计算机水平和辅助技术的进步，计算机 开发取得了飞速的进步。因此，这个阶段的计算机辅助教学系统逐步向包含音频处理、 远程教学、网络授课、信息共享和师生交互等方面发展，真正将计算机辅助教学系统开 发为综合性和集成化的系统。
25、 在国外，随着信息化的发展，交互式系统已经在 80 年代初就走入了校园的各个角 落。 2009 年 5 月，美国更是推出了具有代表性的 Mimio 美国交互式教学系统 、 Mimio 互动方案以及 Mmiio Studu)软件等软件系统，该套系统用实例说话提高学生的学习兴 趣，很容易使课堂生动起来，将任何白板变为互动式白板，使用 Mimio 板书记录工具可 3 以记录下任何文字和绘画；增加无线模块，可实现更自由的教学以及可以带给使用者最 大的活动空间等。国外研究已相当成熟，已成体系，并有多部专著出现。 随着信息化教学的不断深入，现代教学模式不断变化。现在教学模式已经逐渐从单 纯的板书教学发展到
26、了多维度教学。实践证明，虚拟现实是一种非线性的网络结构，是 一种逼真的现实环境，能够给学生提供真实的学习环境，充分提高学生的学习积极性和 学习效率。 实践证明，现代高校必须走出理论教学的误区，将学生培养成能够结合社会需求的 新时代人才。如何培养适应社会和公司需求的人才是一个非常棘手的问题。但是，通过 实践提高学生的动手能力、发现问题的能力和解决问题的能力是一种非常有必要的手段 和方法 4。但是，高校在推进实验教学的过程中，还存在一些较大的问题。 首先，高校实验设备并不能满足现代化实验教学的要求。 教学改革必须要保证设备先行，现在许多高校实验室由于存在教学资金不到位 ，难 以为学生配置高水平的教
27、学实验设备，因此，许多学生的实验水平很难满足学生对新技 术的需求。 其次，危险性实验很难在高校开展 由于很多实验正确结果往往具有很大的危险性，同时，很多实验由于学生的不正当 操作往往会造成不可预料的危险后果，这些实验一般很难在实验室展开。因此，这类实 验学生一般只能通过理论学习，不能进行实际操作。 最后，许多实验室很难满足实验实际消耗 现代实验往往要消耗大量的实验资源，这些实验资源一般只能进行一次实验操作。 因此，实验教学是一个耗费非常大资源的教学活动，因此，如何节约实验资源是实 际实 验教学的重要条件 5。 因此，如何从节约实验资源，教学资源，加强学生实验机会的目的出发，为学生提 供高质量的教学，已经是各大高校亟待解决的问题。随着计算机软件技术和网络技术的 不断发展，使得虚拟实验室在实验教学过程中的应用变成现实。 但是通过研究，我们不难看出，西方国家对虚拟实验室起步较早，同时，