系统结构特点

3．2．3　系统结构特点

在构建虚拟实验系统时，充分考虑到系统的有序性、反馈性和整体性，将系统在开放性、动态性以及集成性三个方面进行优化和完善。

1）开放的系统结构

系统结构的开放性是系统优化和完善的第一条件。在传统实验系统中，系统的结构是相对封闭的，各部分的功能、参数设置和调节都是依附于各硬件而固定，任何一部分的改动都会使得整个系统结构发生混乱，因此无法轻易地将系统进行升级和优化。在虚拟实验系统中，系统的结构是开放的，而开放的前提是系统的有序性。系统的有序性会帮助系统在开放过程中所产生的混乱重新回归到新的平衡状态。只有在这样一个前提下，系统才能在不断的往复中逐步优化和完善。

（1）系统资源开放

系统资源开放指的是系统中的各种实验仪器设备、实验材料，甚至是实验室条件、人力资源等不再局限于某一个实验项目、某一个实验室或某一次实验的使用。系统的资源开放在一定范围内节省了资源，同时在更大的范围内将有限的实验资源开放给更多的实验者和实验项目。

（2）系统设计开放

系统设计开放指的是系统的设计过程不是固定由仪器生产厂家来完成，整个系统的设计、调试和参数设置过程由仪器生产厂家、实验设计者、实验操作者共同参与。因此，系统对于不同的实验项目和不同的实验设计方案具有更大的适用性和灵活性^[48]。

2）动态的系统结构^[49]、[50]

动态的系统结构指的是基于信息反馈而形成的回环式系统结构。在运行过程中，系统的反馈机制不断地将信息回送到设计阶段、控制阶段和结果阶段，再由各个阶段重新调节和完善。整个系统的设计是在信息反馈的基础上进行的基于动态设计、动态控制和动态结果的过程。

（1）为动态设计而设计

在虚拟实验系统中，动态的系统结构使得系统的设计步骤不是固定在仪器设备生产之前，而是在实验项目运行过程中，根据实验项目执行中的新现象和新问题的出现，不断将新信息反馈到实验项目操作者和设计者，对系统进行设计更新，以满足实验运行中新的要求。

（2）为动态控制而设计

在虚拟实验系统中，实验项目的操作是由计算机来帮助实验操作人员进行实验步骤和过程控制，由于实验步骤和过程是相对灵活的，相应地，实验的控制过程也是灵活的，会根据实验步骤和过程的不同变化而对系统进行动态控制，保证了实验过程的正常运行。

（3）为动态结果而设计

在虚拟实验系统中，由于系统结构构架、实验项目设计、实验过程控制等前期过程都是可以依据不同的实验要求和不同的实验设计思路而变动的，因此，在实验结束后，实验结果的分析与处理、存储与输出等都有很大的不同，并且，在探究型的实验中，实验结果是不在控制之中的，是会有很大变化的，在对实验结果进行分析、处理、存储、输出等操作时，基于了动态的设计方案，做到对不同性质和方式的实验结果作出正确合适的处理，满足实验的最后需求。

3）集成的系统结构

所谓集成的系统结构，就是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术将各个分离的设备（如计算机、仪器设备、实验材料）、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理。在集成的虚拟实验系统中，多采用软件程序集成、系统功能集成、仪器软面板集成、网络集成等各种集成技术。而实现系统结构整体上的集成性，关键在于解决系统之间的互联和互操作性问题，它是一个关于多协议和面向各种应用的多体系结构构建的问题。系统集成的本质就是最优化的综合统筹设计，在这样一个基于集成性的系统构建中，需要解决各类设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等与子系统、系统设计、维护与管理以及设计人员、设计思想沟通协调等相关的一切面向集成的问题^[51]、[52]。考虑系统的集成性需要从系统的整体与部分之间的关系来分析，下面从虚拟实验系统的具有整体和部分之间相应关系的四个方面来分析其集成的系统结构。

（1）软件程序集成

软件程序是虚拟实验系统的重要内容，是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中，将软件程序部分按层次化和模块化的设计模式进行集成，其模式描述和思想分析将在后续小节中作详细阐述。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块，分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系，各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体，每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分，各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。

（2）系统功能集成

系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的，系统功能集成是系统结构集成的重要体现，系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中，软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。

（3）仪器软面板集成

仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中，仪器设备一般会自带一个显示屏，以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板，这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定、不能修改和设置的。在虚拟实验系统中，各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上，这种面板由软件程序来形成和设置，由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制，面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义，可以将多个仪器的面板组合在一起，也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。

（4）网络集成

网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中，通过网络可以突破时间和空间的限制，将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成实验项目。在谈集成性问题时，一定是和相应的分散度联系在一起的，就如同整体和部分之间的关系，每一个整体都可以看作是更大的整体的一部分，而每一个部分又都可以看成是更多个小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。