大學物理實驗教學輔導系統的開發設計

譚司庭，何 毅，徐富新

（中南大學 物理與電子學院，湖南 長沙410083）

1 引 言

大學物理實驗對培養學生動手能力及創造性思維能力非常重要，已成為理工科學生必修基礎課程之一，其核心就是要利用現有的儀器進行集成，對現有的物理現象、自己的創新思想等進行實驗驗證、設計和創新．因此，只有反復進行各種實驗，且根據現有的實驗進行改進是培養這些能力的重要條件．然而，由于高校擴招導致實驗資源的緊缺，以及物理實驗都是以某個具體實驗進行建設的，導致學生很難根據自己的興趣進行實驗驗證和新的實驗設計．目前，物理仿真實驗在各高校使用極為廣泛，包括中國科技大學制作的大學物理仿真實驗課件［1］，以及清華大學、北方交通大學、華南理工大學、電子科技大學等高校于近幾年內也相繼開發了具有較高水平的仿真軟件［2－3］．這些軟件都是建立在具體實驗基礎之上，必須與具體的實驗儀器相配套，不利于大規模推廣．其次，如何對學生做的仿真實驗結果進行客觀、公正的評價，也是難點．文獻［4］提出了基于B／S的物理實驗系統，取得良好的效果，但這種平臺需要較好的網絡平臺，也缺乏合適的實驗結果評價．

建構主義認為［5］，知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境下，借助于他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式獲得的．我們以建構主義理論為指導，以學生的學習過程和需求為中心，利用Flash的動畫制作的優勢，從大學物理實驗中抽象出若干公用的元件，制作包括力學、電學、光學的儀器庫，通過這些儀器庫可構建完全自主設計實驗的環境，并開發了實驗報告自動評價模塊，方便學生自主設計，形成物理實驗教學輔導系統．該軟件在我校國家物理實驗教學示范中心使用，取得較好的效果．

2 系統設計

物理實驗的教學流程如下：

1）上課前檢查預習情況，給出學生預習分．

2）教師講課．

3）學生實驗操作，輸入原始數據．

4）教師查看原始數據，根據操作情況給出學生操作分，學生的原始數據不能再修改．

5）學生處理實驗數據，如果未完成可以保存，全部完成且自認為正確無誤時提交報告，教師對實驗報告進行評閱．

6）學生可查看自己的處理是否正確．

因此，仿真實驗平臺應該具有如下功能：

1）實驗教程．提供完整的實驗講義，相當于獨立的大學物理實驗電子教科書．

2）實驗講授．教師的電子教案，并配有一定的聲音和動畫效果．

3）實驗演示．主要是仿真實驗操作的錄像．

4）實驗仿真．真實地模擬了實驗儀器和實驗操作過程．

5）數據處理．提供數據記錄表格和計算公式，完成在計算機上記錄和運算實驗數據，形成實驗報告．

用戶的角色包括學生、教師和系統管理員．

1）學生．可以進行實驗教程、實驗演示和實驗仿真等操作，還可以進行成績查閱、實驗報告管理等操作．

2）教師．除了也可以進行實驗教程、實驗演示和實驗仿真等操作，還可以實驗測試設置、成績管理、實驗報告評閱和分析．

3）管理員．負責儀器庫維護、數據庫管理、用戶管理等．

大學物理實驗仿真系統結構如圖1所示．

圖1 大學物理實驗仿真平臺

3 系統實現

3．1 儀器庫的制作

利用Flash的動畫制作功能和內嵌的面向對象的腳本語言ActionScript制作儀器庫，其腳本代碼語句都遵循事先制定的統一接口標準，有良好的封裝性、獨立性和擴展性．

1）封裝性，主要表現為采用面向對象的程序設計，將儀器的所有特性，包括儀器的形狀、儀器的參量、可進行的動作等，都封裝到虛擬儀器的內部，使用類和對象的概念使仿真儀器與真實儀器在屬性和操作上一致．仿真儀器不僅是逼真的圖形，而且其中含有功能代碼．

2）獨立性，每個仿真儀器是獨立的SWF動畫文件，所有仿真儀器合起來組成了“儀器庫”，而仿真儀器的使用不依賴于具體的實驗內容，用戶可根據需要隨意組合仿真儀器做實驗．

3）擴展性，來源于程序設計是面向儀器而不是面向具體實驗，這樣只要是遵循事先制定的統一接口標準所制作的仿真儀器（SWF文件），就可以直接運用于仿真實驗環境中．顯然，擴充仿真儀器就等于增加仿真實驗．

ActionScript3．0能夠支持第3方提供的各種類包［6］，包括PV3D，可以在SWF文件中顯示具有交互功能的三維物體．利用Autodesk公司的3DSMax軟件制作儀器的三維模型，導出成為PV3D可用的DAE格式文件，并編寫代碼加載至模擬軟件中．這些代碼包括創建MovieClip元件，在元件的第1幀中加載PV3D所需類文件、初始化PV3D相關參量、為舞臺添加偵聽鼠標事件，然后進行鼠標事件處理等．用戶可以在界面中按下并拖動鼠標實時旋轉三維模型，全方位觀察儀器結構．

以電壓表和電流表為例．圖2為C19－m A型毫安表，該表共有量程、內阻4個參量．缺省參量分別為量程Im1＝100 m A，內阻Rm1＝0．9Ω；量程Im2＝50 m A，內阻Rm2＝1．4Ω．本儀器可以動態設定4個參量，這是設定參量的示例，通過c19＿m A．swf？Im1＝100 ＆ Rm1＝0．000 9 ＆Im2＝50＆Rm2＝0．001 4，設定內阻Rm1，Rm2（kΩ），Im1，Im2（m A）量程，要求Im1＞Im2，Rm1＜Rm2．該表零點隨機，測量值在0．5級內隨機變化．

圖2 C19－m A型毫安表

圖3給出了居里點實驗的加熱爐及實驗樣品，圖4為居里點加熱爐的操作面板．可以根據需要選擇所需的樣品，并在加熱爐面板上進行參量動態設置和有關操作．

圖3 居里點實驗樣品

圖4 居里點加熱爐操作面板

3．2 仿真實驗

在做實驗時，管理員或教師可以根據教學大綱的要求，以及設計性和創新性實驗的需求，通過修改INI文本文件選擇必要的實驗儀器，構成實驗中的小儀器庫．在實驗中用戶通過從小儀器庫內選擇儀器進行實驗，將各儀器組裝在一起就能進行實驗．

以電學為例，將電學儀器的各種特性，如儀器的阻值大小、內部接線、形狀、旋鈕的動作等都封裝在儀器內部．主程序讀取各儀器的電學特性，自動形成線性或非線性方程組，并選擇合適的方法求解物理量隨時間變化的方程組．對于復數問題求解，實際上就是對單一頻率的交流分量的求解，對非線性元件來說，直流和交流的非線性特性不同，所以先通過傅里葉變換，分離出直流和交流各分量的非線性特性．主程序解得各物理量，通知各儀器實現自己的動作，如燒表、表的指針偏轉、示波器顯示波形等．在使用ActionScript編寫程序時，主程序只要儀器之間的接口即可計算．對電學實驗來說，儀器之間是采用接線柱之間的接線來連接的．接線柱的種類較多，如同軸電纜等，應區別對待．儀器的電學特性用方程來表示，其變量是儀器的接線柱的電流和電勢．方程可以是線性的，也可是非線性的．可以理解，對有n個接線柱的儀器，必須提供n個方程，儀器的所有電學性質都包含在這n個方程中．當儀器參量改變時，如旋轉旋鈕，則由儀器的程序改變儀器中的方程．主程序計算出儀器的接線柱的電流和電勢后，由儀器根據接線柱的電流和電勢的值計算自己所需的物理量，而后做出相應的動作．

仿真程序分為2種模式：指定模式和自由模式，由管理員通過修改INI文件決定，缺省的是自由模式．對自由模式來說，程序并不知道用戶要干什么，此時用戶可以進行任意的實驗，比較適合于設計性實驗和平時實驗．指定模式是管理員預先將要做的內容寫入INI文件，對實驗的步驟進行安排．此時，用戶必須按實驗所需操作步驟進行實驗，否則程序提示錯誤，并對操作扣分．這種種模式適用于預習、考試．

圖5為示波器操作示意圖．左上角為仿真實驗操作菜單，分別可以進行儀器庫管理、儀器編輯和擺放、記錄數據、自動判斷數據正確性、自動評分等操作．我們可以把儀器從儀器庫中拿取到桌面后，進行連線，再對示波器進行簡單操作．

圖5 示波器操作示意圖

3．3 實驗報告批閱

為了避免在Excel里面內嵌Visual Basic Application語言導致Excel的不安全的問題［7］，采用Visual Basic嵌入式Excel對象的方法，該方法學生無法直接接觸Excel文件，提高了安全性，同時保持了Excel的所有功能．把通用評分方法編入程序中，教師只要提供數據處理及標準處理的Excel模版，就能實現實驗報告自動評分．由于使用Excel進行數據處理需要用戶裝有Excel軟件，為了方便我們也提供網頁形式的報告處理方法，而網頁評分標準是由教師提供的標準Excel，程序自動生成，不需要教師編寫．

評分方法主要從如下幾個方面評分：

1）比較實驗數據與標準值．兩者相差超出給定范圍則扣分，標準值可以是固定值、通過公式運算的值，甚至可以是一種規則．該值反映測量結果的好壞．

2）數據計算的正確性．學生計算結果與計算機根據學生的原始數據計算的結果比較，兩者相差超出給定范圍則扣分．

3）有效數字．教師可以設定有效數字的允許范圍，超過該范圍則扣分．

4）百分數．是否必須使用百分數表示，比如相對誤差．

5）最后結果的表示．判斷最后結果的表示是否正確．

第一次點擊“數據處理”，進入原始數據輸入．圖6是示波器實驗的一個原始數據的例子．

圖6 “示波器實驗”原始數據輸入

“保存報告”是將輸入的數據保存到服務器上，“提交報告”是在正確完成輸入數據后，將數據上傳到服務器上，在教師給了操作分后，不能再修改原始數據，這相當“教師簽字”．

圖7 示波器數據處理部分

當教師給了操作分后，學生再次進入“數據處理”，則可以進行數據處理了，見圖7．完成數據處理就可以提交，沒有完成則保存．提交數據后，系統自動給出客觀分．第3次進入“數據處理”，就可以看到錯誤詳細情況了，如圖8所示．

8 學生拿到評閱客觀成績后的數據處理部分樣式圖

4 結束語

該軟件集成了基于儀器庫仿真實驗和評分系統，經過3年的測試，共有21 000多人次使用，程序運行良好．基于儀器庫的仿真實驗程序，實際使用價值強，操作方便，其優越性明顯．學生通過使用該系統能夠直觀地預習、預做實驗，當報告提交后立即就可以拿到評閱的實驗報告，及時查看正確錯誤的詳細情況．由于客觀部分是由計算機自動評閱的，教師只需抽查學生報告情況，主觀部分評閱也方便快捷，工作量明顯減少了．

［1］ 霍劍青，王曉蒲．大學物理仿真實驗和實驗教學的新模式［J］．工科物理，1998，8（增）：118－20．

［2］ 石星軍．計算機仿真實驗教學的探索［J］．青島大學學報，2000，13（3）：107－110．

［3］ 延明．現代電路仿真實驗教學的實踐［J］．實驗室研究與探索，2002，21（3）：87－88．

［4］ 向東，何毅，郭萍，等．基于B／S模式的大學物理仿真實驗系統開發［J］．數理醫學雜志，2004，17（2）：183－184．

［5］ 何克抗．信息技術與課程深層次整合的理論與方法［J］．中國大學教學，2005（5）：43－48．

［6］ 陳剛，羌鈴鈴．使用Flash ActionScript實現樹節點信息局部顏色變化［J］．人工智能及識別技術，2009（14）：97－99．

［7］ 唐東煒．用VB、EXCEL實現實驗數據的計算機處理［J］．中山大學學報論叢，2003，23（5）：241－243．