基于虛擬操作的電工實訓系統設計

張工化

摘要:本文介紹一種基于虛擬操作的電工實訓系統的設計,通過系統集成的軟件和硬件,模擬多種電工實訓教學設備,并以虛擬操作環境為平臺,建立完整的電工虛擬操作實訓系統,改

進教學模式,提高設備利用率和教學的效果,克服目前實訓教學中存在的不足。

關鍵詞:FLASH;電工實驗柜;仿真虛擬實訓

1引言

電工基礎是目前教學中一門重要基礎課,電類專業均會開設相關實訓項目,同時繼電控制系統的實訓也會放

在實驗柜上進行。電工實驗柜接線端子數量多,開關、保險功能組件豐富,并配有多種交流儀表。在電工實訓教學中,可以完成一般供電線路的連接,也能完成復雜電路連接安裝。由于提供了多種繼電器、控制開關等電器,還可以完成“工廠電氣控制” “電機與拖動”等課程操作實訓及維修電工技能考核。

實驗柜采用380V或220V交流供電,學生實訓操作自由度高,雖然有保險和開關連鎖保護,但在安裝接線過程中不免產生短路故障造成儀表損壞,涉及人身也存在一定的非安全因素。對于復雜控制電路實訓,若在連線過程中發現錯誤,往往推倒重來。學生單位時間內占用實驗柜的時間延長。使設備使用效率降低。影響教學效果。

2電工實訓虛擬操作系統環節描述

針對實際中出現的上述問題,可建立軟硬件一體化完整的實訓訓練系統,克服實際中存在的基本問題。系統的設計思想是,將實訓課堂的講解過程,設計連線環節進行壓縮,并盡可能在模擬平臺上完成安全性,連通性的基本測試。而在實訓室內,盡可能將實訓時間留給學生實際安裝與檢測,現象觀測及方案對比等環節,提高實訓室的利用率,提高學生課堂學習水平。為保證以上設計思路,實訓訓練系統設置如下幾個環節。

2.1開放式實驗指導

傳統的實驗書基本依靠文字和電路圖講解實驗原理和過程。此種方法適合原理講解但介紹實驗過程部分時,缺乏直觀展示,學生學習難度相對較大。如果要保證課堂效率,學生需要提前預習,但在脫離實驗室實物環境下,獨立閱讀學習實驗指導書,對于操作步驟,實物連接的知識仍需進入實驗室后才能學會。另外由于缺乏指導,平均學習效果不太理想。

目前各院校均建立有校園網系統,如果將實驗指導書部分以動態網絡頁面的形式移植到網絡環境中,并加以多媒體化改進,便可大大提高學生預習效率,減少講解的工作量。網絡化技術解決方案如下實施。教學文檔,實驗指導書應電子化供學生自由瀏覽。電路圖,原理圖應利用網頁技術配備文字或語音說明,供學生瀏覽時使用。對于實訓步驟及實驗環境,應提供多媒體展示。把實驗操作步驟提到的元件,儀表以現場元件圖片形式展現出來,減少學生實驗時從書本到實物的轉換時間。另外結合視頻以及多媒體動態演示,將實訓步驟動態的展示到學生面前這樣學生對實訓中需要用到的元件,操作動作,操作順序甚至步驟背后對應的原理都有極為清楚的認知,當轉移到實驗室進行實訓時,學生學習目的更加明確,對于怎么去做,為什么做,出現不同結果對應的意義了然于胸,避免了學生學習中出現無法將實操與理論結合起來的盲點。

采用成熟的web技術,利用互聯網,任意終端均可訪問網絡教學資源。采用網絡開放式環境是為了便于學生自主學習,學生可以自由選擇學習時間及學習內容,學習手段也相對多樣。這樣提高了學生預習的效果,為后續的現場實訓打下了良好的基礎,教學效果得到顯著提高。

2.2虛擬操作實訓

實訓性訓練的重點是實訓訓練,而學生實訓學習的難點之一就是如何將指導書的原理圖用實物連接準確無誤的重現。雖然學生可能通過書本或是網絡平臺,已經預習了實際操作步驟甚至觀看了視頻,但現場可能仍不能準確完成操作環節,出現錯、漏、斷等常見故障。如果能在網絡平臺上,讓學生按照自己的思路完成基本連接,再對其進行審核,發現錯誤即要求學生并加以更正。經過這樣的訓練后,學生上實物平臺操作時,已經掌握連接方法及正確的接線圖,解決了因連接錯誤而引發人身及設備安全的難題。而且鑒于網絡平臺的開放性,每個學生都可以進行充足訓練,避免了實驗室中學生動手訓練不平均的問題。

為了實現虛擬操作平臺到實訓環境的無縫連接。虛擬操作的界面應與現場實驗柜具有一致性。另外線路的排查由計算機自動完成,至少應可以發現短路,斷路,元件漏接等基本錯誤的功能。本系統為實現以上功能要求,采用FLASH平臺,矢量動畫技術。結合actionscript強大的編程能力,能自動計算電路的通斷情況,并排查簡要錯誤。圖形界面的元件,接頭的分布采用與實際機柜一致,學生通過鼠標進行交互完成點對點的虛擬連線過程。連線完畢后,后臺的actionscript程序自動分析電路,如發現短路,漏元件,斷路等簡單錯誤,即可直接顯示,提示學生修改。這樣學生可以反復虛擬連線過程,直至獲得較正確的連接圖。

與虛擬教學資源類似,虛擬實驗操作環境也用成熟的web技術及矢量動畫視頻,能方便嵌入各種網絡頁面中。學生利用互聯網,能自由的訪問網絡教學資源并自由進行虛擬連線,直至正確完成這一過程。由于系統界面與圖形保持與現場一致,學生在虛擬連線中獲得的方案,連線經驗都能較為容易的直接應用到真實連接中。特別值得一提的是,虛擬連接突破了硬件的限制,給盡可能多的學生提供了貼近真實操作的體驗。

2.3實際操作

完成前期訓練后,學生進入實驗室,聽取指導教師講解后,進入實際操作環節,由于前兩個階段學生已經熟悉了設備的基本操作與實驗流程并且已經有較為可靠的連線方案,所以教學效率應較之前為高,并且講解部分經過壓縮,盡可能多的時間留給學生進行實訓鍛煉,提高能力。

2.4其他

實訓環境中,如有可能,在實訓訓練系統中加裝監視系統,便于指導教師控制整個教室數十臺機位。或在機柜上方設置簡易LED顯示,指視設備工作狀態,便于教師進行課堂管理。除了硬件系統外,日常管理等軟措施也應跟上,以保證的教學正常有序進行。

3系統中使用的關鍵技術

Flash是美國Macromedia公司(現為adobe公司收購)所設計的一種二維動畫軟件。通常包括Macromedia Flash,用于設計和編輯Flash文檔,以及Macromedia Flash Player,用于播放Flash文檔。由于軟件采用可移植到多平臺,所以便于嵌入到多系統中。由于FLASH動畫格式*.swf為多種操作系統及瀏覽器支持,且具有放大不失真,視頻文件體積小等優點,所以目前廣泛應用各種網絡視頻中。雖然FLASH不斷更新換代,功能逐漸強大,除了最基本的動畫及視頻播放以外,還能提供增強的Actionscript動態編程以及強大的交互界面,并可以訪問網絡及數據庫。所以比較適合基于圖形的虛擬實驗連接使用。其中而增強的Actionscript提供與高級編程語言類似的編程環境及功能,適合實現自動電路檢測等復雜應用環節,而豐富的動畫及多媒體特性適合線路連接的演示及虛擬教學過程。

虛擬連線的實現,由于要在FLASH中實現虛擬連線,可以在Actionscript中建立虛擬數據以模擬電路實驗柜。實驗柜的元件設置基本固定,如開關,燈泡,功率表,交流電壓電流表,保險等。可以對該類元件定義為pro1至proN;元件屬性定義為端口屬N,以及流入流出口pointout1,pointin1等;通過Actionscript編寫操作函數以模擬連接及完成虛擬檢測。交互界面通過將原件的兩端設置為按鈕對象,利用On(release)響應函數來完成連線的數據更改工作。

當實現虛擬連線前,設元件X,Y原未連接,其流入proY的pointinM為空,流出proX的pointoutN為空。當連線時,在圖形界面上先點擊X輸出節點再點擊Y輸入節點,則最后一個On(release)響應函數將會改寫流入proY的pointinM為pointoutN,流出proX的pointoutN為pointinM。這樣兩個元件就被連接至一起。如果有兩端元件一端不為空,則必定為漏接,即可由程序判定為漏接,若兩個節點有導線連接,同時兩節點還跨接入多個元件的兩端,則跨接的元件被短路,由程序判定為短接。利用此種方法可以由程序自動進行電路判別,進行簡單查錯。同時元件還可以設置電壓,電流限制,當電路接入完畢之后,還能利用程序進行簡單的電壓電流估算,看是否會出現過壓燒元件,過流燒保險的情況發生,從而進一步檢測電路連接的正確性。進行檢測的算法還有很多,實際可根據要求,選擇合適的檢測方案,以完成動態的顯示。如果實驗較多,也可以將正確的接入方法以數據化的形式記錄至本地數據庫中,再有FLASH經XML加以訪問,供學生比對與學習。

綜上所述采用Flash作為虛擬實訓系統開發平臺可以方便的實現系統要求的功能并可保證低開發難度,較好的網絡支持能力及使用的開放性,適合目前教育現狀。

4小結

本系統軟硬件結合程度高,實現難度相對較低。硬件采用TEPMZ-1實驗柜,計算機模擬系統采用P4及以上機型,支持網絡連接。軟件環境采用WINXP操作系統,IE6.0及以上版本,具備基本多媒體顯示能力即可。本系統優點能在目前教學條件下大幅度提高實訓教學的效率,提高實驗室設備的利用率,降低實訓風險,提高安全性能,并保證每個學生都能獲得實訓能力的提高。本系統也存在不足之處,虛擬連線功能單一,檢測算法相對較簡單,軟硬一體化仍有改進的空間,虛擬教學實操系統成熟度有限需要在實訓環境中進一步檢驗。

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