利用惠斯登電橋測(cè)電阻虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王軍鋒，歸達(dá)偉

(1陜西省遠(yuǎn)程教育研究中心;2陜西廣播電視大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，陜西 西安 710068)

利用惠斯登電橋測(cè)電阻虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王軍鋒1，歸達(dá)偉2

(1陜西省遠(yuǎn)程教育研究中心;2陜西廣播電視大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，陜西 西安 710068)

針對(duì)開放教育遠(yuǎn)程環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)的困難，介紹了“惠斯登電橋測(cè)電阻”虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想及其實(shí)現(xiàn)的方法。指出該方法給遠(yuǎn)程學(xué)生提供了一個(gè)真實(shí)的仿真環(huán)境，并取得了較好的教學(xué)效果。

惠斯登電橋;測(cè)電阻;虛擬實(shí)驗(yàn);Flash

物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的掌握和理解，提高學(xué)生實(shí)踐技能及學(xué)習(xí)效果，因此在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)具有十分重要的地位［1］。

遠(yuǎn)程開放教育學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理時(shí)存在以下幾個(gè)方面困難:一是開放教育本身面授課只有普通高校課時(shí)安排的三分之一，學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)內(nèi)容不能通過實(shí)驗(yàn)來很好地理解;二是對(duì)于電學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，學(xué)生如果沒有事先對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)很好的掌握，實(shí)驗(yàn)中容易發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故;三是傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面的制約，學(xué)生多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)很少;四是開放教育學(xué)生都是在職成人，學(xué)習(xí)主要靠業(yè)余時(shí)間來完成，加之學(xué)生分布在全省各地，要統(tǒng)一集中來做物理實(shí)驗(yàn)幾乎不大可能［2-3］。

選擇網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)可以滿足全省各地學(xué)生不同時(shí)間、不同地點(diǎn)開展實(shí)踐學(xué)習(xí)的要求;可以滿足學(xué)生多次重復(fù)做實(shí)驗(yàn)的要求;可以避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中不安全事故的發(fā)生;可以不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等方面的限制，優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)，最大限度地滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要，提高學(xué)習(xí)效率，可以很好地應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育中［4］。

電阻是一切電子學(xué)元件的重要參數(shù)之一，電阻的測(cè)量，是關(guān)于材料的特性和電器裝置性能研究的最基本工作［5］。以惠斯登電橋測(cè)電阻解決了其他測(cè)量法準(zhǔn)確度不高的問題，而且可以用于測(cè)量電感、電容、頻率、壓力、溫度、形變等許多物理量，該實(shí)驗(yàn)是開放教育大學(xué)物理課程的重要實(shí)驗(yàn)之一。鑒于開放教育的特點(diǎn)以及學(xué)生的分布、時(shí)間和空間的差異以及工學(xué)矛盾突出等實(shí)際情況，我們選擇網(wǎng)絡(luò)開展惠斯登電橋測(cè)電阻虛擬實(shí)驗(yàn)，以解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)組織實(shí)施中的各種“難”題，提高教學(xué)效率，進(jìn)而提高課程教學(xué)質(zhì)量。

1 利用惠斯登電橋測(cè)電阻虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的自身要求與特點(diǎn)，本著操作模擬真實(shí)感強(qiáng)、系統(tǒng)啟動(dòng)快、運(yùn)行簡(jiǎn)便、維護(hù)便捷、有助于提高實(shí)效的原則，我們運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)了惠斯登電橋測(cè)電阻的虛擬實(shí)驗(yàn)，來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)電阻的測(cè)量，進(jìn)而掌握電阻、電壓和電流之間的關(guān)系，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。為了使學(xué)生的操作更加貼近實(shí)驗(yàn)實(shí)際，我們將整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為物理實(shí)驗(yàn)流程和計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)現(xiàn)過程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的物理流程，將實(shí)驗(yàn)操作在計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬空間中加以實(shí)現(xiàn)［1］。

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的功能設(shè)計(jì):能夠?qū)崿F(xiàn)惠斯登電橋的電路連接，能夠?qū)崿F(xiàn)粗測(cè)電阻、精測(cè)電阻，其測(cè)量電阻的范圍為1-10千歐，實(shí)驗(yàn)中我們安排測(cè)量三個(gè)阻值電阻。為了使學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)過程，我們特地在實(shí)驗(yàn)臺(tái)欄目下設(shè)置了實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航欄目，將教師操作的過程錄制成視頻，學(xué)生可以點(diǎn)擊觀看。實(shí)驗(yàn)的具體網(wǎng)址為:

http://vod.sxrtvu.edu/jpkj/dxwlsy/huisideng/index.htm.

課件名稱和分支目錄的設(shè)計(jì):在主流程線上放置兩個(gè)顯示圖標(biāo)，其中“課件名稱”用來制作標(biāo)題和界面背景;“課件分支目錄”用來制作導(dǎo)航內(nèi)容，包括“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、“?shí)驗(yàn)原理”、“實(shí)驗(yàn)儀器”、“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”、“實(shí)驗(yàn)臺(tái)”和“思考練習(xí)”6個(gè)部分。

系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì):在主流程線上放置一框架圖標(biāo)，命名為“系統(tǒng)控制”，利用6個(gè)群組圖標(biāo)分別引入計(jì)算圖標(biāo)調(diào)用上述6個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)課件頁(yè)面間的跳轉(zhuǎn)。

語音部分的制作:語音通過數(shù)字化聲音處理設(shè)備錄制，然后進(jìn)行編輯處理。目前的P C機(jī)配麥克風(fēng)大都能夠完成此項(xiàng)工作。

運(yùn)行環(huán)境:硬件要求PⅡ/賽揚(yáng)以上多媒體電腦，至少有200MB以上的剩余硬盤空間;軟件要求Microsoft Windows 98/ME/2000/XP簡(jiǎn)體中文操作系統(tǒng)，Microsoft Internet Explorer 5.50及以后版本瀏覽器，動(dòng)畫播放插件(FlashPlayer7.0)。

1.2 開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的軟件

實(shí)驗(yàn)中用到的軟件分別是Flash CS 4、Action Script 2.0、Photoshop CS 4。

Flash是美國(guó)Macromedia公司于1999年6月推出的優(yōu)秀網(wǎng)頁(yè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件。它是一種交互式動(dòng)畫設(shè)計(jì)工具，可以將音樂、聲效、動(dòng)畫以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品質(zhì)的網(wǎng)頁(yè)動(dòng)態(tài)效果。具有能使用矢量圖形和流式播放技術(shù)，所生成的動(dòng)畫(.swf)文件非常小，能把多種網(wǎng)頁(yè)元素以交互方式融合在一起，并且可以直接嵌入網(wǎng)頁(yè)的任一位置等特點(diǎn)［6］。

Action Script簡(jiǎn)稱為AS，是Flash產(chǎn)品平臺(tái)的腳本解釋語言。該語言可以實(shí)現(xiàn)Flash中內(nèi)容與內(nèi)容，內(nèi)容與用戶之間的交互。利用Flash和自帶的Action Script軟件來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的控制和交互行為的實(shí)現(xiàn)［7］。

Photoshop是由adobe公司生產(chǎn)的一個(gè)圖像處理軟件，主要有圖像編輯、圖像合成、校色調(diào)色及特效制作等功能。利用Photoshop主要為實(shí)驗(yàn)制作各種電器元件圖庫(kù)。

1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)由虛擬的QJ23型電橋、滑線式電橋、電阻箱、檢流計(jì)、滑線變阻器、直流穩(wěn)壓電源等組成，具體如圖1所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行效果示意圖

2 惠斯登電橋測(cè)電阻虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生掌握惠斯登電橋測(cè)電阻的原理，學(xué)會(huì)正確自組電橋測(cè)量電阻的方法，了解提高電橋靈敏度的幾種途徑，為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，電路圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖

它是由四個(gè)電阻R2，R3，R4和Rx聯(lián)成一個(gè)封閉四邊形，在四邊形的對(duì)角A和B上接入直流電源，對(duì)角C和D之間接入檢流計(jì)而組成，如圖所示。圖中四邊形的每一條邊稱為電橋的一個(gè)臂，而CD這條對(duì)角線就是所謂“橋”?！皹颉钡淖饔檬菍、D兩點(diǎn)的電位直接進(jìn)行比較，當(dāng)C、D兩點(diǎn)電位相等時(shí)，檢流計(jì)G中沒有電流通過，即IG=0，電橋便達(dá)到了平衡。這時(shí)有:

根據(jù)上式，即可算出待測(cè)電阻Rx的阻值。

測(cè)電阻時(shí)要重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，即可得到三個(gè)電阻值，求其平均數(shù)，即為被測(cè)電阻阻值［8］。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

學(xué)生在進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)前，先虛擬粗測(cè)所選擇電阻阻值(如圖3所示)。

圖3 粗測(cè)電阻示意圖

歐姆表的設(shè)置為:

on(press){

this.startDrag(false)

}

on(release){

this.stopDrag()

if(this.hitTest(_root.dianzu) ＆＆_root.rightbi.hitTest(_root.dianzu))

{

_root.cuce.text=_global.rx+(Math.round(Math.random()*100));

_root.dy(-40);

}

}

粗測(cè)阻值后，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，連接好電路圖后，首先要將滑動(dòng)變阻器的值設(shè)置為最大，以免在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中燒毀儀器，滑動(dòng)變阻器的設(shè)置為:

on(press){

_global.zoom=25;

zhizhen3._visible=true;

zhizhen1._visible=false;

zhizhen2._visible=false;

}

然后，對(duì)于電阻箱和電流表進(jìn)行初始化，主時(shí)間軸上的動(dòng)作代碼為:

stop()

mysound=new Sound();

mysound.attachSound("start1")

/*開關(guān)

sswitchs._visible=true;

sswitch1s._visible=false;

*/

//滑動(dòng)變阻器指針

zhizhen2._visible=false;

zhizhen3._visible=false;

//滑動(dòng)變阻器指針

_global.r1=0;

_global.r2=0;

_global.r0=0;

_global.deflection=0;

_global.zoom=1;

//指針偏轉(zhuǎn)

pin._rotation=0;

ax=0;

vx=0;

function dy1(dd){

onEnterFrame=function(){

a=dd-pin._rotation;

ax=0.05*a;

vx=(vx+ax)*0.9;

pin._rotation+=vx;

};

}

//指針結(jié)束

//Play Internal Sound Behavior

if(_global.Behaviors==null)_global.Behaviors={};

if(_global.Behaviors.Sound==null)_global.Behaviors.Sound={};

if(typeof this.createEmptyMovieClip== ＇unde fined＇){

this._parent.createEmptyMovieClip( ＇BS_start＇，new Date().getTime()-(Math.floor((new Date().getTime())/10000)*10000));

_global.Behaviors.Sound.start=new Sound(this._parent.BS_start);

}else{

this.createEmptyMovieClip( ＇_start_ ＇，new Date().getTime()-(Math.floor((new Date().getTime())/10000)*10000));

_global.Behaviors.Sound.start=new Sound(this.BS_start);

}

_global.Behaviors.Sound.start.attachSound("start");

if(false){

_global.Behaviors.Sound.start.start(0，1);

}

//End Behavior

接下來，調(diào)整電阻箱阻值，電阻箱旋鈕上的動(dòng)作設(shè)置為:

on(rollOver){

this._xscale=100;

this._yscale=100;

this.swapDepths(-16376);

}

on(rollOut)

{

this._xscale=50;

this._yscale=50;

}

on(press){

this._rotation+=36;

_global.r1=(_root.R1S.b4._rotation+360)%360/36+(_root.R1S.b3._rotation+360)%360/36*10+(_root.R1S.b2._rotation+360)%360/36*100+(_root.R1S.b1._rotation+360)%360/36*1000;

//Play Sound Behavior

_global.Behaviors.Sound.start.start(0，1);

//End Play Sound Behavior

}

當(dāng)電阻箱設(shè)置完成后，點(diǎn)擊電流表黃色按鈕就可觀察電流大小，電流計(jì)上的動(dòng)作設(shè)計(jì)語句為:

on(press){

/*_level0.biaopan1._x=370;

_level0.biaopan1._y=280;

_level0.biaopan1._xscale=100;

_level0.biaopan1._yscale=100;

_level0.biaopan1._rotation=180;*/

_global.e=12;

_global.deflection=(_global.rx/(_global.r1+_global.rx)-_global.r0/(_global.r2+_global.r0))*_global.e*_global.zoom;

trace(_global.deflection);

_root.dy1(_global.deflection);

}

on(rollOut){

_root.dy1(0);

}

當(dāng)電流表指針沒有擺動(dòng)或擺動(dòng)不大時(shí)，需要移動(dòng)滑動(dòng)變阻器來調(diào)整電阻值，對(duì)滑動(dòng)變阻器上的動(dòng)作設(shè)置分別為:

on(press){

_global.zoom=1;

zhizhen1._visible=true;

zhizhen2._visible=false;

zhizhen3._visible=false;

}

和on(press){

_global.zoom=15;

zhizhen2._visible=true;

zhizhen1._visible=false;

zhizhen3._visible=false;

}

至此，實(shí)驗(yàn)臺(tái)程序設(shè)計(jì)部分就已完成，運(yùn)行結(jié)果如圖1所示。

3 討論

通過以上實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程以及程序的運(yùn)行等方面有了一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)，對(duì)于電阻這一抽象的知識(shí)點(diǎn)有了一個(gè)清晰的理解，完全達(dá)到了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。對(duì)于遠(yuǎn)程開放教育而言，虛擬實(shí)驗(yàn)還具有以下優(yōu)點(diǎn):

3.1 給學(xué)生提供了“人人可學(xué)、處處可學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”的學(xué)習(xí)環(huán)境

采用網(wǎng)絡(luò)課件開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，很好地解決了成人學(xué)生的工學(xué)矛盾，使每個(gè)學(xué)生在辦公室、家里、甚至上班途中的公交車上都可以借助筆記本、上網(wǎng)本、3G手機(jī)等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端開展學(xué)習(xí)，而且沒有實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)次數(shù)的限制，消除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)的緊張感，使學(xué)生全身心愉快地投入到學(xué)習(xí)之中。

3.2 便于升級(jí)和擴(kuò)展

采用虛擬實(shí)驗(yàn)，方便對(duì)課件的升級(jí)，同時(shí)也利于在此基礎(chǔ)上開發(fā)其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課件。我們以惠斯登電橋測(cè)電阻虛擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，陸續(xù)開發(fā)出了電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)課件、基本放大電路基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)課件等網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，受到學(xué)生們的普遍歡迎。

3.3 節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本

采用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，沒有昂貴的實(shí)驗(yàn)室籌建和實(shí)驗(yàn)儀器的購(gòu)置費(fèi)用，也避免了使用中的維護(hù)費(fèi)用，極大地降低了實(shí)驗(yàn)和維護(hù)的成本［9］。

3.4 交互性強(qiáng)，師生交流更便捷，教學(xué)效果明顯

配合虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，學(xué)生可以在線提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由系統(tǒng)自動(dòng)判斷正誤并給出反饋，不僅減輕了指導(dǎo)教師的工作量，而且可以將實(shí)驗(yàn)作為課后作業(yè)布置些信息通過QQ群組、TAG技術(shù)關(guān)聯(lián)整合起來，便于師生互動(dòng)、交流，提高教學(xué)效果。據(jù)調(diào)查，97%的受訪學(xué)生認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)習(xí)興趣，解決工學(xué)矛盾，提高學(xué)習(xí)效率。

［1］黃斌，姚正軍，王紅杰，等.材料力學(xué)性能檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2005，20(12):573

［2］蔣琴仙，施江瀾.用遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)［J］.中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2005，(12):62

［3］瞿曌.網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)的研究與教學(xué)［J］.教育探索，2004，(11):68

［4］張瑛.《研究串聯(lián)電路》虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2006，(7-8):138

［5］用惠斯通電橋測(cè)電阻［DB/OL］.http://www.docin.com/p-44023644.html

［6］Macromedia Flash 8［DB/OL］.http://baike.baidu.com/view/179996.htm

［7］Flash動(dòng)作腳本之:了解 Action Script2.0(1)-Flash教程［DB/OL］.http://www.mb5u.com/jiaocheng/19096.html

［8］惠斯登電橋測(cè)電阻［DB/OL］.http://lxy.ccu.edu.cn/wulishiyan/hsd.aspx

［9］陸海云.虛擬實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造力量［J］.中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2006，(3):32

Design and implementation of the"Wheatstone Bridge Resistance Measurement"virtual experiment

Wang Junfeng1，Gui Dawei2
(1Distance Education Research Center of Shaanxi Province，Xi＇an 710068;2Shaanxi Radio and Television University，Xi＇an 710068，China)

In order to solve some difficulties in carrying out experiments in an open distance education environment，this paper introduces the design ideas and implementation methods of the"Wheatstone Bridge Resistance Measurement"virtual experiment.This method can provide distance education students with a realistic simulation environment and has proven effective in improving teaching results.

Wheatstone Bridge;resistance measurement;virtual experiment;Flash

G434

A

1004-5287(2011)02-0170-05

2010-11-29

王軍鋒(1971-)，男，陜西扶風(fēng)人，副教授，教育技術(shù)碩士，主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程教育。