電工基礎實驗預習系統的設計探究

劉長學

鹽城工學院電氣工程學院 江蘇鹽城 224000

電工基礎實驗室一旦開放，意味著在進出實驗室的時間、選做實驗項目等方面，學生有了更大的選擇余地。與傳統實驗教學相比，實驗室開放后，教師的指導工作量之大是可想而知的。解決這個問題的方法是設計一個以學校電工基礎實驗臺為藍本的實驗預習系統，以多媒體教學的方式，將實驗預習、模擬練習內容方到實驗室以外的地方去完成。本文就預習系統的設計思想、方法作以探討。

1 開發工具的選擇

制作交互式多媒體課件首推美國Adobe公司的Authorware軟件，制作平面動畫首推該公司的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，對其表面做一定的渲染處理。

2 系統的設計

預習系統包括兩部分，一是實驗項目介紹，二是實驗項目的模擬訓練。在設計過程中，各部分的主交互框架均在Authorware環境下進行，用到的諸如指針偏轉等動畫都采用Flash制作。

2.1 主導航界面設計

主導航界面是提供所有電工基礎實驗的項目介紹、模擬訓練和退出系統功能選擇的界面。用Authorware設計的主導航界面流程圖如圖1所示。其中，“背景”顯示圖標中放置的是界面背景圖，j2是交互圖標，配合鏈接在其后面的按鈕響應圖標以及寫在各分支計算圖標中的系統函數，實現界面到各功能模塊之間的跳轉。跳轉函數的格式是JumpFileReturn("filename")，“filename”是被調用文件的文件名；退出的系統函數是quit(0)。

圖1 主導航界面

2.2 實驗項目介紹部分設計

這部分主要是向學生介紹各實驗項目的內容和要求。通過瀏覽這部分內容，學生可以了解做實驗前必須知道的3個問題，即：“做什么”“為什么做”和“怎么做”。由于這部分內容多半是文字、表格和圖片，所以用顯示圖標靜態顯示即可完美表達。

2.3 模擬訓練部分設計

模擬訓練是在計算機模擬平臺上訓練實驗技能，這就要求模擬平臺必須具有形象逼真、交互性強、模擬的現象符合電學規律等基本特點。形象逼真指的是儀器儀表具有立體感，指針的偏轉動作自然；交互性強指的是學生通過鼠標、鍵盤可以直接參與實驗的過程；所謂模擬的現象符合電學規律，指的是模擬出來的實驗現象不能與自然規律相違背，模擬出來的數據在保證正確的同時，還要“制造”出合理的誤差。

以“日光燈電路功率因數的提高”實驗為例，介紹模擬訓練系統的設計和制作方法。

2.3.1 初始化窗口

模擬訓練系統首先要對顯示窗口進行初始化，主要工作包括：片頭(窗口大小設置、窗口背景設置、窗口標題)、成績的初始值設置、當前成績顯示以及操作提示。初始化工作結束之后，系統給出通往學生實驗守則和模擬訓練的交互按鈕。在“學生實驗守則”的按鈕響應分支中添加顯示圖標，導入相關守則的內容。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 模擬訓練窗口

“開始實驗”按鈕響應下的分支是模擬訓練分支。分支下有幫助、儀表部分、連線、通電、關閉電源、連接補償電容器、通電、關閉電源、最后拆線和數據處理功能模塊。分支流程圖如圖3所示。

圖3 模擬訓練分支流程圖

幫助：通過按鈕響應的方式給出實驗電路圖、參考接線圖和參考數據，供學生在模擬訓練中遇到困難時使用。按鈕設置在平臺的右下方，點擊按鈕展示幫助信息的圖片，雙擊圖片對象隱藏幫助信息。

儀表和電路板：“日光燈電路功率因數的提高”實驗中用到的儀表有交流電壓表、電流表和瓦特表，分別測量日光燈電路的電壓、電流有效值和有功功率。模擬平臺中的每個儀表都是由從低到高的5層構件復合而成，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，另一塊是帶補償電容的日光燈板。和實際電工基礎實驗臺上的日光燈板相比，模擬板做了較大比例的縮小，目的是相對增大3個儀表的面板，方便讀取儀表數值。

量程選擇：選擇儀表量程，采用按鈕響應方式。

通電：通電功能模塊中包含了通電動作、儀表指針偏轉、儀表示數讀取以及讀數的正誤判斷4個環節。當連線完成之后，下方的按鈕區會跳出通電按鈕，提供通電交互。

關閉電源：電源的接通和關閉是通過指示燈來表示的，所以采用熱區響應、更換指示燈圖片的方式，即可實現相應的效果。關閉電源之后，所有儀表指針都要歸零，所以在關閉電源支路中還要加入擦除各儀表指針正偏動畫、指針歸零動畫的圖標。

連接電容器：用熱區響應顯示電容器兩端與日光燈的連接線。

本實驗是根據感性電路(日光燈電路)并聯適當電容前后總電路的功率因數變化對比，研究功率因數提高的方法和意義，所以連接電容之后的測量數據類型、方法與前面相同，功能模塊的設計方法也相同。

最后拆線：采用擦除圖標擦除所有連線的顯示。

模擬訓練平臺效果圖如圖4所示：

圖4 模擬訓練平臺效果圖

2.3.3 動態連線的實現

要達到實際實驗臺上接線的訓練效果，就要求模擬訓練系統有較強的交互能力。這種能力可以采用Authorware中的熱區響應來實現：將要連線的接線柱上方放置一個熱區，熱區的分支上擺放已畫好連接線的顯示圖標，圖標的過渡屬性定義為“wipe”類型。這樣，當這個熱區被鼠標點擊時，接線柱上便會出現畫線的動態效果。

2.3.4 指針的偏轉

預習系統中的模擬訓練與虛擬實驗室中的仿真練習還是有較大區別的。前者側重于實驗的過程，后者更側重于實驗的結果。因而，模擬訓練系統中的參數數據可以是給定的，儀表中響應的數據也是可以計算出來的。對照儀表的刻度盤，將響應的數值轉換成指針應該轉動的角度之后，接下來的工作就非常簡單了。

指針偏轉的動畫可以用Flash制作：畫一根與儀表初始位置指針一樣長的紅色直線段并轉換成影片剪輯，將注冊點(旋轉的中心)移到指針的最下端，用影片剪輯旋轉工具將指針指到“0”刻度，在時間軸上第12幀處插入關鍵幀，將這幀的指針轉到應轉的刻度上去，然后將這12幀轉變成連續的動畫并以“.swf”格式文件導出。

2.3.5 數據的讀取和判斷

儀表數據的正確讀取也是實驗中必須要訓練的基本功，因此系統應具有數據正誤判斷功能。實現的方法是：在提示欄中插入一個文本輸入響應，當從文本輸入窗口輸入的數據滿足設定條件時，繼續執行下面的內容，否則回到上一步重新輸入，直到正確為止。

2.3.6 模擬訓練中的考核

模擬訓練考核包括定時考核和記分考核兩種。定時考核是在實驗模擬訓練的開始自動設定一個時間值，然后倒計時，若倒計時結束而實驗訓練過程還沒有結束，系統會彈出“操作不熟練，重新再來”的提示，然后跳回系統的起始界面。學生只有經過反復訓練，才能在設定的時間內完成整個實驗的訓練任務。記分考核是在模擬訓練的開始設定一個初始成績，比如100分，在接下來的訓練中每犯一次錯誤就扣一次分，被扣分值與所犯錯誤的性質有關系，一般性錯誤扣5分，涉及妨礙人身安全或導致儀器儀表損壞的錯誤操作扣分最多，可達50分。雖然記分考核方式不限時間，但也需要多次訓練方能拿到95分的過關成績。

3 系統使用

為了使系統運行速度不受網絡傳輸速度的影響，推薦將系統打包成單機版文件，壓縮后放到服務器上供學生下載使用。

4 結束語

預習系統是參照實驗室中真實的電工基礎實驗臺外形設計的，所以在系統中預習或模擬實驗的過程，與實際非常相似。當完成一個實驗的模擬訓練之后，學生對該實驗的內容、實驗原理、實驗要求以及實驗中需要注意的事項都有了較為全面的了解，對實驗中儀器儀表的使用也會熟練得多。毫無疑問，這必將大大減輕教師現場指導的工作量，減少由于錯誤操作而帶來儀器儀表的損壞，使實驗室真正意義上的開放成為現實。

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