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摘要:虚拟实验室技术已逐渐进入到教育、教学的各个领域。文章介绍了利用Flash技术构建热力学虚拟实验室的方法,探讨了其对热力学实验教学和实验环境改善所产生的深远影响。
关键词:热力学;Flash;虚拟实验室
作者简介:徐志鹏(1971-),男,江苏南京人,哈尔滨电力职业技术学院信息系,副教授,工学硕士,主要研究方向:计算机应用;王婷(1979-),女,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨电力职业技术学院信息系,助理讲师,主要研究方向:计算机软件。(黑龙江 哈尔滨 150036)
基金项目:本文系2008黑龙江省高职高专新世纪基金项目(项目编号:J08-02)的研究成果。
传统的热力学理论教学方法是粉笔加黑板,或者PPT演示,实验教学则由教师示范演示为主。由于教学内容琐碎而深奥,许多学生学起来会感觉枯燥无味,如何在课堂内外激发学生对热力学实验的学习兴趣,是值得我们研究的课题。
近年来,随着招生规模的扩大,热力学实验室资源异常紧张,如果把计算机技术引入到热力学的教学中,利用校园网创办热力学虚拟实验室,可以成为实验教学的重要补充方式,学生无论是在校期间还是在假期,都可以利用学校的网络资源,通过互联网进行热力学的学习与交流。
一、虚拟实验室的概述
1.虚拟实验室的概念
虚拟实验室(Virtual Laboratory,VL),也称为合作实验室,最早由美国弗吉尼亚大学的William·Wolf教授在1989年提出,其初衷是为了方便不同实验室的科研人员共享彼此的数据和仪器,并能交流思想和进行远程合作。[1]所谓“虚拟实验”是相对于真实实验而言的,它利用计算机创造的虚拟实验环境来模拟现实实验中的场景、设备和仪器,最大限度地再现真实的实验过程与现象,使实验者有身临其境的感觉。通过虚拟实验室的学习实践,实验者能够认识实验设备,熟练操作实验,并通过实验现象及数据进行分析,加深理论知识的理解与消化。可见,虚拟实验室兼具了“虚拟性”与“实践性”,为用户提供了一个基于网络的信息共享与交流的虚拟实验室环境。
2. 虚拟实验的优越性
虚拟实验是实际实验的模拟与再现,与真实实验相比,有以下优越性。
(1)摆脱资金、空间、时间以及师资的束缚。真实环境中的实验仪器不但需要大量的硬件购置资金,还存在设备维护和更新的压力,并且往往需要较大的空间才能容纳,这对资金紧张或场地有限的学校来说的确是个头痛的问题。而在虚拟实验室进行实践操作,可以完全不必考虑实验室的开放时间,实验者可以充分利用自己的闲暇时间,随时随地进入实验室进行试验。在传统实验室中,由于资金、空间和时间的限制,通常可以看到多名实验者共用一台设备的情况,而虚拟实验室可以大大提高人均实验设备的拥有量,让更多的实验者参与到实验中,同时,很好地解决了师资紧张的问题。
(2)实验操作安全。在虚拟实验室中,能够避免一些实际试验存在的危险。例如一些化学、生物试验本身存在危险性,利用虚拟实验室,可以有效避免存在的潜在危险。
(3)资源的开放性和共享性。在网络中共享的虚拟实验室,便于更多的实验者学习和使用。通过网络,实验者可以相互协同,互相交流,提高了实验效率,节省了教学资源。
3.虚拟实验室的开发
用于虚拟实验室开发的工具很多,包括VRML、3DMAX、Quicktime VR、MAYA、Java和Flash等,其中,以Flash应用最为广泛。Flash是美国Macromedia公司出品的基于矢量图形的交互式多媒体创作软件,主要用于多媒体创作和网页设计等领域,功能强大。2005年Adobe耗資34亿美元并购Macromedia。
Flash中,嵌入的遵循ECMAScript标准面向对象的Actionscript,使得flash能够实现复杂的交互行为。它通过帧、层、元件、影片剪辑、场景等一系列组合,集成图形、声音、动画、影像文件等各种多媒体素材,制作出交互性强、文件体积小、易于在网络上传播的动画作品。
哈尔滨电力职业技术学院的热力学虚拟实验室系统采用的就是以Flash作为主体的开发工具。
二、虚拟实验室系统的总体设计
1.设计目标
虚拟实验室系统的主要设计目标是搭建一个基于网络的虚拟实验室平台,通过Web技术及计算机网络技术的使用,将实验资源在服务器上进行共享。学生可以通过校园网或者互联网,在此平台上自主选择需要进行的热力学试验项目。
教学设计方面,学生在学习理论知识的基础上,熟悉实验设备的使用方法,通过实践环节,加深对理论的认识与理解,增强动手实践能力,夯实学生的操作技能,增强学生自主学习能力与实践操作能力,发挥学生的主观能动性,提高学习效率。
2.开发环境
本虚拟实验室是基于网络的虚拟实验平台,虚拟实验室的硬件设备,包括作为客户端的一台普通PC机和一台服务器。考虑到今后虚拟实验室功能的扩充,采用了模块式开发方法,虚拟实验室系统具备教师及学生的注册、登录功能,此外,平台还具有评分、记录实验成绩,查看、修改成绩等功能。
本实验系统的开发,综合运用了Flash技术、Web技术、多媒体技术和数据库技术。使用了多种开发工具,如Flash、Photoshop、SQL Server 2000等。
3.系统体系结构
虚拟实验室依据“热力学”课程实验的要求进行开发,分为登录与实验两大模块。虚拟实验项目共包括热力学三个实验,分别是:喷管临界流量测定实验;饱和蒸汽压力与温度关系(P-T 特性)实验;喷管进出口压差与流量关系实验。每个实验均由实验目的、实验装置、实验步骤、虚拟实验、数据记录和整理五大模块组成。如图1所示。
三、虚拟实验室系统的开发过程
1.首页设计
进入虚拟实验室,需要学生先登录,通过数据库系统核实身份后,才能登陆到虚拟实验系统平台。因此在首页设计上,加入了“学生姓名”、“班级”及“密码”输入框。用户输入姓名、班级及密码后单击“登录”,即可进入到实验平台中。此外,还增加了用户注册功能,可供非系统用户进入系统。用户登录界面如图2所示。
2.实验项目设计
进入“热力学实验”系统后,系统将跳转至“热力学实验”页面,该页面中包含了三个热力学实验,用户可根据实际需求选择要进行的虚拟实验,页面如图3所示。在设计虚拟实验室时,为了体现模块化思想,在flash开发中分别为三个实验创建了三个场景,分别命名为“喷管临界”、“饱和蒸汽”和“喷管进出”。
这里我们以“饱和蒸汽压力和温度关系实验”为例,介绍实验的子模块及开发方法。单击“饱和蒸汽压力与温度关系实验”,进入到该实验子页面,如图4所示。在该子页中,列出了该实验包含的五个模块。设计实验时,根据实验项目创建相应的按钮元件,然后,将各个按钮元件添加到“饱和蒸汽”场景中,通过脚本语言实现页面的跳转与播放控制。脚本代码如下:on (release) {gotoAndStop(帧数);}。此外,为方便用户能够回到虚拟实验主页面,在该子页中增加了返回主页面的“back”按钮,而主页面与子页面位于不同的场景中,因此,添加跳转语句时,还应该添加跳转的场景名称。脚本代码如下:
on(release ){ gotoandstop("主场景",帧数); }
在“实验目的”、“实验装置”、 “实验步骤”及“数据记录和整理”模块中,通过多媒体及文本方式,再现了实验指导书中该实验的相关信息。学生可以在系统中明确实验原理、目的、要求、方法、操作步骤等信息。例如,单击“实验装置”,会显示出该实验中的仪器设备,并标识出仪器各部分名称,如图5所示。
当学生了解了实验目的、实验装置的使用及实验步骤后,就可以进行虚拟实验了。单击“虚拟实验”按钮,进入到虚拟实验模块。首先,电流表初始状态未归零。根据实验步骤,学生要选择电功率调节器按钮,调节电流表零位,然后接通电源。单击实验装置中蓝色按钮,控制电流表归零。这里主要采用按钮事件控制帧的播放。然后,单击电源开关,实现电源接通。此实验测试的是饱和蒸汽压力与温度的关系,因此在虚拟实验中,设置了几个主要的压力点,分别是0.02mpa、0.04mpa、0.06mpa、0.10mpa、0.12mpa、0.16mpa,如图6所示。在实验中,学生分别选中上述压力点,可以发现,在温度计上读取到的对应温度值将随着压力值的变化而变化。在温度与压力坐标轴上出现对应的点,最终会形成温度—压力关系,如图7所示。
四、结束语
热力学虚拟实验室系统为学习热力学提供了直观、逼真、形象、方便和可重复操作的虚拟实验环境,丰富了现有教育体系中教与学的表现形式,为热力学实验教学开创了一个崭新的教学模式。虚拟现实技术在教育领域的应用和发展,对转变传统教学观念,切实贯彻教学改革起到了积极的推动作用。本研究希望通过“热力学虚拟实验室”所提供的虚拟实验平台,让学习者能够不受时空制约、身临其境地操控场景中的实验对象来完成课程实验,也为同类虚拟实验室或相关学习资源的开发和应用提供思路和借鉴。
参考文献:
[1]符开耀.基于VRML的虚拟现实协同实验系统的研究[J].微计算机应用,2004,(6).
[2]王珂编.Flash MX 2004中文版应用程序培训教程[M].北京:电子工业出版社,2004.
[3]吴涛编.Flash MX 2004 ActionScript动画设计[M].北京:科学出版社,2005.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:热力学;Flash;虚拟实验室
作者简介:徐志鹏(1971-),男,江苏南京人,哈尔滨电力职业技术学院信息系,副教授,工学硕士,主要研究方向:计算机应用;王婷(1979-),女,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨电力职业技术学院信息系,助理讲师,主要研究方向:计算机软件。(黑龙江 哈尔滨 150036)
基金项目:本文系2008黑龙江省高职高专新世纪基金项目(项目编号:J08-02)的研究成果。
传统的热力学理论教学方法是粉笔加黑板,或者PPT演示,实验教学则由教师示范演示为主。由于教学内容琐碎而深奥,许多学生学起来会感觉枯燥无味,如何在课堂内外激发学生对热力学实验的学习兴趣,是值得我们研究的课题。
近年来,随着招生规模的扩大,热力学实验室资源异常紧张,如果把计算机技术引入到热力学的教学中,利用校园网创办热力学虚拟实验室,可以成为实验教学的重要补充方式,学生无论是在校期间还是在假期,都可以利用学校的网络资源,通过互联网进行热力学的学习与交流。
一、虚拟实验室的概述
1.虚拟实验室的概念
虚拟实验室(Virtual Laboratory,VL),也称为合作实验室,最早由美国弗吉尼亚大学的William·Wolf教授在1989年提出,其初衷是为了方便不同实验室的科研人员共享彼此的数据和仪器,并能交流思想和进行远程合作。[1]所谓“虚拟实验”是相对于真实实验而言的,它利用计算机创造的虚拟实验环境来模拟现实实验中的场景、设备和仪器,最大限度地再现真实的实验过程与现象,使实验者有身临其境的感觉。通过虚拟实验室的学习实践,实验者能够认识实验设备,熟练操作实验,并通过实验现象及数据进行分析,加深理论知识的理解与消化。可见,虚拟实验室兼具了“虚拟性”与“实践性”,为用户提供了一个基于网络的信息共享与交流的虚拟实验室环境。
2. 虚拟实验的优越性
虚拟实验是实际实验的模拟与再现,与真实实验相比,有以下优越性。
(1)摆脱资金、空间、时间以及师资的束缚。真实环境中的实验仪器不但需要大量的硬件购置资金,还存在设备维护和更新的压力,并且往往需要较大的空间才能容纳,这对资金紧张或场地有限的学校来说的确是个头痛的问题。而在虚拟实验室进行实践操作,可以完全不必考虑实验室的开放时间,实验者可以充分利用自己的闲暇时间,随时随地进入实验室进行试验。在传统实验室中,由于资金、空间和时间的限制,通常可以看到多名实验者共用一台设备的情况,而虚拟实验室可以大大提高人均实验设备的拥有量,让更多的实验者参与到实验中,同时,很好地解决了师资紧张的问题。
(2)实验操作安全。在虚拟实验室中,能够避免一些实际试验存在的危险。例如一些化学、生物试验本身存在危险性,利用虚拟实验室,可以有效避免存在的潜在危险。
(3)资源的开放性和共享性。在网络中共享的虚拟实验室,便于更多的实验者学习和使用。通过网络,实验者可以相互协同,互相交流,提高了实验效率,节省了教学资源。
3.虚拟实验室的开发
用于虚拟实验室开发的工具很多,包括VRML、3DMAX、Quicktime VR、MAYA、Java和Flash等,其中,以Flash应用最为广泛。Flash是美国Macromedia公司出品的基于矢量图形的交互式多媒体创作软件,主要用于多媒体创作和网页设计等领域,功能强大。2005年Adobe耗資34亿美元并购Macromedia。
Flash中,嵌入的遵循ECMAScript标准面向对象的Actionscript,使得flash能够实现复杂的交互行为。它通过帧、层、元件、影片剪辑、场景等一系列组合,集成图形、声音、动画、影像文件等各种多媒体素材,制作出交互性强、文件体积小、易于在网络上传播的动画作品。
哈尔滨电力职业技术学院的热力学虚拟实验室系统采用的就是以Flash作为主体的开发工具。
二、虚拟实验室系统的总体设计
1.设计目标
虚拟实验室系统的主要设计目标是搭建一个基于网络的虚拟实验室平台,通过Web技术及计算机网络技术的使用,将实验资源在服务器上进行共享。学生可以通过校园网或者互联网,在此平台上自主选择需要进行的热力学试验项目。
教学设计方面,学生在学习理论知识的基础上,熟悉实验设备的使用方法,通过实践环节,加深对理论的认识与理解,增强动手实践能力,夯实学生的操作技能,增强学生自主学习能力与实践操作能力,发挥学生的主观能动性,提高学习效率。
2.开发环境
本虚拟实验室是基于网络的虚拟实验平台,虚拟实验室的硬件设备,包括作为客户端的一台普通PC机和一台服务器。考虑到今后虚拟实验室功能的扩充,采用了模块式开发方法,虚拟实验室系统具备教师及学生的注册、登录功能,此外,平台还具有评分、记录实验成绩,查看、修改成绩等功能。
本实验系统的开发,综合运用了Flash技术、Web技术、多媒体技术和数据库技术。使用了多种开发工具,如Flash、Photoshop、SQL Server 2000等。
3.系统体系结构
虚拟实验室依据“热力学”课程实验的要求进行开发,分为登录与实验两大模块。虚拟实验项目共包括热力学三个实验,分别是:喷管临界流量测定实验;饱和蒸汽压力与温度关系(P-T 特性)实验;喷管进出口压差与流量关系实验。每个实验均由实验目的、实验装置、实验步骤、虚拟实验、数据记录和整理五大模块组成。如图1所示。
三、虚拟实验室系统的开发过程
1.首页设计
进入虚拟实验室,需要学生先登录,通过数据库系统核实身份后,才能登陆到虚拟实验系统平台。因此在首页设计上,加入了“学生姓名”、“班级”及“密码”输入框。用户输入姓名、班级及密码后单击“登录”,即可进入到实验平台中。此外,还增加了用户注册功能,可供非系统用户进入系统。用户登录界面如图2所示。
2.实验项目设计
进入“热力学实验”系统后,系统将跳转至“热力学实验”页面,该页面中包含了三个热力学实验,用户可根据实际需求选择要进行的虚拟实验,页面如图3所示。在设计虚拟实验室时,为了体现模块化思想,在flash开发中分别为三个实验创建了三个场景,分别命名为“喷管临界”、“饱和蒸汽”和“喷管进出”。
这里我们以“饱和蒸汽压力和温度关系实验”为例,介绍实验的子模块及开发方法。单击“饱和蒸汽压力与温度关系实验”,进入到该实验子页面,如图4所示。在该子页中,列出了该实验包含的五个模块。设计实验时,根据实验项目创建相应的按钮元件,然后,将各个按钮元件添加到“饱和蒸汽”场景中,通过脚本语言实现页面的跳转与播放控制。脚本代码如下:on (release) {gotoAndStop(帧数);}。此外,为方便用户能够回到虚拟实验主页面,在该子页中增加了返回主页面的“back”按钮,而主页面与子页面位于不同的场景中,因此,添加跳转语句时,还应该添加跳转的场景名称。脚本代码如下:
on(release ){ gotoandstop("主场景",帧数); }
在“实验目的”、“实验装置”、 “实验步骤”及“数据记录和整理”模块中,通过多媒体及文本方式,再现了实验指导书中该实验的相关信息。学生可以在系统中明确实验原理、目的、要求、方法、操作步骤等信息。例如,单击“实验装置”,会显示出该实验中的仪器设备,并标识出仪器各部分名称,如图5所示。
当学生了解了实验目的、实验装置的使用及实验步骤后,就可以进行虚拟实验了。单击“虚拟实验”按钮,进入到虚拟实验模块。首先,电流表初始状态未归零。根据实验步骤,学生要选择电功率调节器按钮,调节电流表零位,然后接通电源。单击实验装置中蓝色按钮,控制电流表归零。这里主要采用按钮事件控制帧的播放。然后,单击电源开关,实现电源接通。此实验测试的是饱和蒸汽压力与温度的关系,因此在虚拟实验中,设置了几个主要的压力点,分别是0.02mpa、0.04mpa、0.06mpa、0.10mpa、0.12mpa、0.16mpa,如图6所示。在实验中,学生分别选中上述压力点,可以发现,在温度计上读取到的对应温度值将随着压力值的变化而变化。在温度与压力坐标轴上出现对应的点,最终会形成温度—压力关系,如图7所示。
四、结束语
热力学虚拟实验室系统为学习热力学提供了直观、逼真、形象、方便和可重复操作的虚拟实验环境,丰富了现有教育体系中教与学的表现形式,为热力学实验教学开创了一个崭新的教学模式。虚拟现实技术在教育领域的应用和发展,对转变传统教学观念,切实贯彻教学改革起到了积极的推动作用。本研究希望通过“热力学虚拟实验室”所提供的虚拟实验平台,让学习者能够不受时空制约、身临其境地操控场景中的实验对象来完成课程实验,也为同类虚拟实验室或相关学习资源的开发和应用提供思路和借鉴。
参考文献:
[1]符开耀.基于VRML的虚拟现实协同实验系统的研究[J].微计算机应用,2004,(6).
[2]王珂编.Flash MX 2004中文版应用程序培训教程[M].北京:电子工业出版社,2004.
[3]吴涛编.Flash MX 2004 ActionScript动画设计[M].北京:科学出版社,2005.
(责任编辑:苏宇嵬)