電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探究

劉長(zhǎng)學(xué)

鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院 江蘇鹽城 224000

電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室一旦開(kāi)放，意味著在進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間、選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等方面，學(xué)生有了更大的選擇余地。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放后，教師的指導(dǎo)工作量之大是可想而知的。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)以學(xué)校電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為藍(lán)本的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)，以多媒體教學(xué)的方式，將實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、模擬練習(xí)內(nèi)容方到實(shí)驗(yàn)室以外的地方去完成。本文就預(yù)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、方法作以探討。

1 開(kāi)發(fā)工具的選擇

制作交互式多媒體課件首推美國(guó)Adobe公司的Authorware軟件，制作平面動(dòng)畫(huà)首推該公司的Flash軟件。另外，為了使元件、儀表等具有立體感，還需要采用該公司的圖形效果處理軟件Firework，對(duì)其表面做一定的渲染處理。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

預(yù)習(xí)系統(tǒng)包括兩部分，一是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹，二是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的模擬訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各部分的主交互框架均在Authorware環(huán)境下進(jìn)行，用到的諸如指針偏轉(zhuǎn)等動(dòng)畫(huà)都采用Flash制作。

2.1 主導(dǎo)航界面設(shè)計(jì)

主導(dǎo)航界面是提供所有電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目介紹、模擬訓(xùn)練和退出系統(tǒng)功能選擇的界面。用Authorware設(shè)計(jì)的主導(dǎo)航界面流程圖如圖1所示。其中，“背景”顯示圖標(biāo)中放置的是界面背景圖，j2是交互圖標(biāo)，配合鏈接在其后面的按鈕響應(yīng)圖標(biāo)以及寫(xiě)在各分支計(jì)算圖標(biāo)中的系統(tǒng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)界面到各功能模塊之間的跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)函數(shù)的格式是JumpFileReturn("filename")，“filename”是被調(diào)用文件的文件名；退出的系統(tǒng)函數(shù)是quit(0)。

圖1 主導(dǎo)航界面

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹部分設(shè)計(jì)

這部分主要是向?qū)W生介紹各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和要求。通過(guò)瀏覽這部分內(nèi)容，學(xué)生可以了解做實(shí)驗(yàn)前必須知道的3個(gè)問(wèn)題，即：“做什么”“為什么做”和“怎么做”。由于這部分內(nèi)容多半是文字、表格和圖片，所以用顯示圖標(biāo)靜態(tài)顯示即可完美表達(dá)。

2.3 模擬訓(xùn)練部分設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練是在計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)上訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能，這就要求模擬平臺(tái)必須具有形象逼真、交互性強(qiáng)、模擬的現(xiàn)象符合電學(xué)規(guī)律等基本特點(diǎn)。形象逼真指的是儀器儀表具有立體感，指針的偏轉(zhuǎn)動(dòng)作自然；交互性強(qiáng)指的是學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)可以直接參與實(shí)驗(yàn)的過(guò)程；所謂模擬的現(xiàn)象符合電學(xué)規(guī)律，指的是模擬出來(lái)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能與自然規(guī)律相違背，模擬出來(lái)的數(shù)據(jù)在保證正確的同時(shí)，還要“制造”出合理的誤差。

以“日光燈電路功率因數(shù)的提高”實(shí)驗(yàn)為例，介紹模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作方法。

2.3.1 初始化窗口

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)首先要對(duì)顯示窗口進(jìn)行初始化，主要工作包括：片頭(窗口大小設(shè)置、窗口背景設(shè)置、窗口標(biāo)題)、成績(jī)的初始值設(shè)置、當(dāng)前成績(jī)顯示以及操作提示。初始化工作結(jié)束之后，系統(tǒng)給出通往學(xué)生實(shí)驗(yàn)守則和模擬訓(xùn)練的交互按鈕。在“學(xué)生實(shí)驗(yàn)守則”的按鈕響應(yīng)分支中添加顯示圖標(biāo)，導(dǎo)入相關(guān)守則的內(nèi)容。初始化窗口的流程圖如圖2所示。

圖2 初始化窗口流程圖

2.3.2 模擬訓(xùn)練窗口

“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕響應(yīng)下的分支是模擬訓(xùn)練分支。分支下有幫助、儀表部分、連線、通電、關(guān)閉電源、連接補(bǔ)償電容器、通電、關(guān)閉電源、最后拆線和數(shù)據(jù)處理功能模塊。分支流程圖如圖3所示。

圖3 模擬訓(xùn)練分支流程圖

幫助：通過(guò)按鈕響應(yīng)的方式給出實(shí)驗(yàn)電路圖、參考接線圖和參考數(shù)據(jù)，供學(xué)生在模擬訓(xùn)練中遇到困難時(shí)使用。按鈕設(shè)置在平臺(tái)的右下方，點(diǎn)擊按鈕展示幫助信息的圖片，雙擊圖片對(duì)象隱藏幫助信息。

儀表和電路板：“日光燈電路功率因數(shù)的提高”實(shí)驗(yàn)中用到的儀表有交流電壓表、電流表和瓦特表，分別測(cè)量日光燈電路的電壓、電流有效值和有功功率。模擬平臺(tái)中的每個(gè)儀表都是由從低到高的5層構(gòu)件復(fù)合而成，它們是背景、刻度、指針、面板、按鈕和接線柱。電路板有兩塊，一塊是電源板，另一塊是帶補(bǔ)償電容的日光燈板。和實(shí)際電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的日光燈板相比，模擬板做了較大比例的縮小，目的是相對(duì)增大3個(gè)儀表的面板，方便讀取儀表數(shù)值。

量程選擇：選擇儀表量程，采用按鈕響應(yīng)方式。

通電：通電功能模塊中包含了通電動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、儀表示數(shù)讀取以及讀數(shù)的正誤判斷4個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)連線完成之后，下方的按鈕區(qū)會(huì)跳出通電按鈕，提供通電交互。

關(guān)閉電源：電源的接通和關(guān)閉是通過(guò)指示燈來(lái)表示的，所以采用熱區(qū)響應(yīng)、更換指示燈圖片的方式，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的效果。關(guān)閉電源之后，所有儀表指針都要?dú)w零，所以在關(guān)閉電源支路中還要加入擦除各儀表指針正偏動(dòng)畫(huà)、指針歸零動(dòng)畫(huà)的圖標(biāo)。

連接電容器：用熱區(qū)響應(yīng)顯示電容器兩端與日光燈的連接線。

本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)感性電路(日光燈電路)并聯(lián)適當(dāng)電容前后總電路的功率因數(shù)變化對(duì)比，研究功率因數(shù)提高的方法和意義，所以連接電容之后的測(cè)量數(shù)據(jù)類(lèi)型、方法與前面相同，功能模塊的設(shè)計(jì)方法也相同。

最后拆線：采用擦除圖標(biāo)擦除所有連線的顯示。

模擬訓(xùn)練平臺(tái)效果圖如圖4所示：

圖4 模擬訓(xùn)練平臺(tái)效果圖

2.3.3 動(dòng)態(tài)連線的實(shí)現(xiàn)

要達(dá)到實(shí)際實(shí)驗(yàn)臺(tái)上接線的訓(xùn)練效果，就要求模擬訓(xùn)練系統(tǒng)有較強(qiáng)的交互能力。這種能力可以采用Authorware中的熱區(qū)響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：將要連線的接線柱上方放置一個(gè)熱區(qū)，熱區(qū)的分支上擺放已畫(huà)好連接線的顯示圖標(biāo)，圖標(biāo)的過(guò)渡屬性定義為“wipe”類(lèi)型。這樣，當(dāng)這個(gè)熱區(qū)被鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)，接線柱上便會(huì)出現(xiàn)畫(huà)線的動(dòng)態(tài)效果。

2.3.4 指針的偏轉(zhuǎn)

預(yù)習(xí)系統(tǒng)中的模擬訓(xùn)練與虛擬實(shí)驗(yàn)室中的仿真練習(xí)還是有較大區(qū)別的。前者側(cè)重于實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，后者更側(cè)重于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。因而，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的參數(shù)數(shù)據(jù)可以是給定的，儀表中響應(yīng)的數(shù)據(jù)也是可以計(jì)算出來(lái)的。對(duì)照儀表的刻度盤(pán)，將響應(yīng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換成指針應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度之后，接下來(lái)的工作就非常簡(jiǎn)單了。

指針偏轉(zhuǎn)的動(dòng)畫(huà)可以用Flash制作：畫(huà)一根與儀表初始位置指針一樣長(zhǎng)的紅色直線段并轉(zhuǎn)換成影片剪輯，將注冊(cè)點(diǎn)(旋轉(zhuǎn)的中心)移到指針的最下端，用影片剪輯旋轉(zhuǎn)工具將指針指到“0”刻度，在時(shí)間軸上第12幀處插入關(guān)鍵幀，將這幀的指針轉(zhuǎn)到應(yīng)轉(zhuǎn)的刻度上去，然后將這12幀轉(zhuǎn)變成連續(xù)的動(dòng)畫(huà)并以“.swf”格式文件導(dǎo)出。

2.3.5 數(shù)據(jù)的讀取和判斷

儀表數(shù)據(jù)的正確讀取也是實(shí)驗(yàn)中必須要訓(xùn)練的基本功，因此系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)正誤判斷功能。實(shí)現(xiàn)的方法是：在提示欄中插入一個(gè)文本輸入響應(yīng)，當(dāng)從文本輸入窗口輸入的數(shù)據(jù)滿足設(shè)定條件時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行下面的內(nèi)容，否則回到上一步重新輸入，直到正確為止。

2.3.6 模擬訓(xùn)練中的考核

模擬訓(xùn)練考核包括定時(shí)考核和記分考核兩種。定時(shí)考核是在實(shí)驗(yàn)?zāi)M訓(xùn)練的開(kāi)始自動(dòng)設(shè)定一個(gè)時(shí)間值，然后倒計(jì)時(shí)，若倒計(jì)時(shí)結(jié)束而實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練過(guò)程還沒(méi)有結(jié)束，系統(tǒng)會(huì)彈出“操作不熟練，重新再來(lái)”的提示，然后跳回系統(tǒng)的起始界面。學(xué)生只有經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，才能在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練任務(wù)。記分考核是在模擬訓(xùn)練的開(kāi)始設(shè)定一個(gè)初始成績(jī)，比如100分，在接下來(lái)的訓(xùn)練中每犯一次錯(cuò)誤就扣一次分，被扣分值與所犯錯(cuò)誤的性質(zhì)有關(guān)系，一般性錯(cuò)誤扣5分，涉及妨礙人身安全或?qū)е聝x器儀表?yè)p壞的錯(cuò)誤操作扣分最多，可達(dá)50分。雖然記分考核方式不限時(shí)間，但也需要多次訓(xùn)練方能拿到95分的過(guò)關(guān)成績(jī)。

3 系統(tǒng)使用

為了使系統(tǒng)運(yùn)行速度不受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響，推薦將系統(tǒng)打包成單機(jī)版文件，壓縮后放到服務(wù)器上供學(xué)生下載使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)習(xí)系統(tǒng)是參照實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)的電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)外形設(shè)計(jì)的，所以在系統(tǒng)中預(yù)習(xí)或模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，與實(shí)際非常相似。當(dāng)完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)的模擬訓(xùn)練之后，學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)要求以及實(shí)驗(yàn)中需要注意的事項(xiàng)都有了較為全面的了解，對(duì)實(shí)驗(yàn)中儀器儀表的使用也會(huì)熟練得多。毫無(wú)疑問(wèn)，這必將大大減輕教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)的工作量，減少由于錯(cuò)誤操作而帶來(lái)儀器儀表的損壞，使實(shí)驗(yàn)室真正意義上的開(kāi)放成為現(xiàn)實(shí)。

[1] 肖看,尹仕,嚴(yán)國(guó)萍.創(chuàng)新型電工電子全開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2010,29(4):79-82.

[2] 馬瑤,石瑞英,袁菁,萬(wàn)超,李玉玲.開(kāi)放式專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索和實(shí)踐[J].高等教育發(fā)展研究,2008,25(1):43-46.

[3] 李培根.主動(dòng)實(shí)踐:培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵[J].中國(guó)高等教育,2006(11):35-37.