大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔導(dǎo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

譚司庭，何 毅，徐富新

（中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）

1 引 言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力及創(chuàng)造性思維能力非常重要，已成為理工科學(xué)生必修基礎(chǔ)課程之一，其核心就是要利用現(xiàn)有的儀器進(jìn)行集成，對(duì)現(xiàn)有的物理現(xiàn)象、自己的創(chuàng)新思想等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新．因此，只有反復(fù)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，且根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)是培養(yǎng)這些能力的重要條件．然而，由于高校擴(kuò)招導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)資源的緊缺，以及物理實(shí)驗(yàn)都是以某個(gè)具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建設(shè)的，導(dǎo)致學(xué)生很難根據(jù)自己的興趣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．目前，物理仿真實(shí)驗(yàn)在各高校使用極為廣泛，包括中國(guó)科技大學(xué)制作的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)課件［1］，以及清華大學(xué)、北方交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、電子科技大學(xué)等高校于近幾年內(nèi)也相繼開(kāi)發(fā)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，必須與具體的實(shí)驗(yàn)儀器相配套，不利于大規(guī)模推廣．其次，如何對(duì)學(xué)生做的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行客觀、公正的評(píng)價(jià)，也是難點(diǎn)．文獻(xiàn)［4］提出了基于B／S的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，取得良好的效果，但這種平臺(tái)需要較好的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，也缺乏合適的實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)．

建構(gòu)主義認(rèn)為［5］，知識(shí)不是通過(guò)教師傳授得到的，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，借助于他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過(guò)意義建構(gòu)的方式獲得的．我們以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，以學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和需求為中心，利用Flash的動(dòng)畫(huà)制作的優(yōu)勢(shì)，從大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中抽象出若干公用的元件，制作包括力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)的儀器庫(kù)，通過(guò)這些儀器庫(kù)可構(gòu)建完全自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，并開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊，方便學(xué)生自主設(shè)計(jì)，形成物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔導(dǎo)系統(tǒng)．該軟件在我校國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心使用，取得較好的效果．

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)流程如下：

1）上課前檢查預(yù)習(xí)情況，給出學(xué)生預(yù)習(xí)分．

2）教師講課．

3）學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，輸入原始數(shù)據(jù)．

4）教師查看原始數(shù)據(jù)，根據(jù)操作情況給出學(xué)生操作分，學(xué)生的原始數(shù)據(jù)不能再修改．

5）學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果未完成可以保存，全部完成且自認(rèn)為正確無(wú)誤時(shí)提交報(bào)告，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)閱．

6）學(xué)生可查看自己的處理是否正確．

因此，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該具有如下功能：

1）實(shí)驗(yàn)教程．提供完整的實(shí)驗(yàn)講義，相當(dāng)于獨(dú)立的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)電子教科書(shū)．

2）實(shí)驗(yàn)講授．教師的電子教案，并配有一定的聲音和動(dòng)畫(huà)效果．

3）實(shí)驗(yàn)演示．主要是仿真實(shí)驗(yàn)操作的錄像．

4）實(shí)驗(yàn)仿真．真實(shí)地模擬了實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程．

5）數(shù)據(jù)處理．提供數(shù)據(jù)記錄表格和計(jì)算公式，完成在計(jì)算機(jī)上記錄和運(yùn)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告．

用戶的角色包括學(xué)生、教師和系統(tǒng)管理員．

1）學(xué)生．可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教程、實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)驗(yàn)仿真等操作，還可以進(jìn)行成績(jī)查閱、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理等操作．

2）教師．除了也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教程、實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)驗(yàn)仿真等操作，還可以實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)置、成績(jī)管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)閱和分析．

3）管理員．負(fù)責(zé)儀器庫(kù)維護(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、用戶管理等．

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3．1 儀器庫(kù)的制作

利用Flash的動(dòng)畫(huà)制作功能和內(nèi)嵌的面向?qū)ο蟮哪_本語(yǔ)言ActionScript制作儀器庫(kù)，其腳本代碼語(yǔ)句都遵循事先制定的統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，有良好的封裝性、獨(dú)立性和擴(kuò)展性．

1）封裝性，主要表現(xiàn)為采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，將儀器的所有特性，包括儀器的形狀、儀器的參量、可進(jìn)行的動(dòng)作等，都封裝到虛擬儀器的內(nèi)部，使用類(lèi)和對(duì)象的概念使仿真儀器與真實(shí)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(dú)立性，每個(gè)仿真儀器是獨(dú)立的SWF動(dòng)畫(huà)文件，所有仿真儀器合起來(lái)組成了“儀器庫(kù)”，而仿真儀器的使用不依賴于具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用戶可根據(jù)需要隨意組合仿真儀器做實(shí)驗(yàn)．

3）擴(kuò)展性，來(lái)源于程序設(shè)計(jì)是面向儀器而不是面向具體實(shí)驗(yàn)，這樣只要是遵循事先制定的統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)所制作的仿真儀器（SWF文件），就可以直接運(yùn)用于仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中．顯然，擴(kuò)充仿真儀器就等于增加仿真實(shí)驗(yàn)．

ActionScript3．0能夠支持第3方提供的各種類(lèi)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(dǎo)出成為PV3D可用的DAE格式文件，并編寫(xiě)代碼加載至模擬軟件中．這些代碼包括創(chuàng)建MovieClip元件，在元件的第1幀中加載PV3D所需類(lèi)文件、初始化PV3D相關(guān)參量、為舞臺(tái)添加偵聽(tīng)鼠標(biāo)事件，然后進(jìn)行鼠標(biāo)事件處理等．用戶可以在界面中按下并拖動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)三維模型，全方位觀察儀器結(jié)構(gòu)．

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(nèi)阻4個(gè)參量．缺省參量分別為量程Im1＝100 m A，內(nèi)阻Rm1＝0．9Ω；量程Im2＝50 m A，內(nèi)阻Rm2＝1．4Ω．本儀器可以動(dòng)態(tài)設(shè)定4個(gè)參量，這是設(shè)定參量的示例，通過(guò)c19＿m A．swf？Im1＝100 ＆ Rm1＝0．000 9 ＆Im2＝50＆Rm2＝0．001 4，設(shè)定內(nèi)阻Rm1，Rm2（kΩ），Im1，Im2（m A）量程，要求Im1＞Im2，Rm1＜Rm2．該表零點(diǎn)隨機(jī)，測(cè)量值在0．5級(jí)內(nèi)隨機(jī)變化．

圖2 C19－m A型毫安表

圖3給出了居里點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的加熱爐及實(shí)驗(yàn)樣品，圖4為居里點(diǎn)加熱爐的操作面板．可以根據(jù)需要選擇所需的樣品，并在加熱爐面板上進(jìn)行參量動(dòng)態(tài)設(shè)置和有關(guān)操作．

圖3 居里點(diǎn)實(shí)驗(yàn)樣品

圖4 居里點(diǎn)加熱爐操作面板

3．2 仿真實(shí)驗(yàn)

在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，管理員或教師可以根據(jù)教學(xué)大綱的要求，以及設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的需求，通過(guò)修改INI文本文件選擇必要的實(shí)驗(yàn)儀器，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)中的小儀器庫(kù)．在實(shí)驗(yàn)中用戶通過(guò)從小儀器庫(kù)內(nèi)選擇儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將各儀器組裝在一起就能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

以電學(xué)為例，將電學(xué)儀器的各種特性，如儀器的阻值大小、內(nèi)部接線、形狀、旋鈕的動(dòng)作等都封裝在儀器內(nèi)部．主程序讀取各儀器的電學(xué)特性，自動(dòng)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(shí)間變化的方程組．對(duì)于復(fù)數(shù)問(wèn)題求解，實(shí)際上就是對(duì)單一頻率的交流分量的求解，對(duì)非線性元件來(lái)說(shuō)，直流和交流的非線性特性不同，所以先通過(guò)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(shí)現(xiàn)自己的動(dòng)作，如燒表、表的指針偏轉(zhuǎn)、示波器顯示波形等．在使用ActionScript編寫(xiě)程序時(shí)，主程序只要儀器之間的接口即可計(jì)算．對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，儀器之間是采用接線柱之間的接線來(lái)連接的．接線柱的種類(lèi)較多，如同軸電纜等，應(yīng)區(qū)別對(duì)待．儀器的電學(xué)特性用方程來(lái)表示，其變量是儀器的接線柱的電流和電勢(shì)．方程可以是線性的，也可是非線性的．可以理解，對(duì)有n個(gè)接線柱的儀器，必須提供n個(gè)方程，儀器的所有電學(xué)性質(zhì)都包含在這n個(gè)方程中．當(dāng)儀器參量改變時(shí)，如旋轉(zhuǎn)旋鈕，則由儀器的程序改變儀器中的方程．主程序計(jì)算出儀器的接線柱的電流和電勢(shì)后，由儀器根據(jù)接線柱的電流和電勢(shì)的值計(jì)算自己所需的物理量，而后做出相應(yīng)的動(dòng)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(guò)修改INI文件決定，缺省的是自由模式．對(duì)自由模式來(lái)說(shuō)，程序并不知道用戶要干什么，此時(shí)用戶可以進(jìn)行任意的實(shí)驗(yàn)，比較適合于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和平時(shí)實(shí)驗(yàn)．指定模式是管理員預(yù)先將要做的內(nèi)容寫(xiě)入INI文件，對(duì)實(shí)驗(yàn)的步驟進(jìn)行安排．此時(shí)，用戶必須按實(shí)驗(yàn)所需操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則程序提示錯(cuò)誤，并對(duì)操作扣分．這種種模式適用于預(yù)習(xí)、考試．

圖5為示波器操作示意圖．左上角為仿真實(shí)驗(yàn)操作菜單，分別可以進(jìn)行儀器庫(kù)管理、儀器編輯和擺放、記錄數(shù)據(jù)、自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)正確性、自動(dòng)評(píng)分等操作．我們可以把儀器從儀器庫(kù)中拿取到桌面后，進(jìn)行連線，再對(duì)示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單操作．

圖5 示波器操作示意圖

3．3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告批閱

為了避免在Excel里面內(nèi)嵌Visual Basic Application語(yǔ)言導(dǎo)致Excel的不安全的問(wèn)題［7］，采用Visual Basic嵌入式Excel對(duì)象的方法，該方法學(xué)生無(wú)法直接接觸Excel文件，提高了安全性，同時(shí)保持了Excel的所有功能．把通用評(píng)分方法編入程序中，教師只要提供數(shù)據(jù)處理及標(biāo)準(zhǔn)處理的Excel模版，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)評(píng)分．由于使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理需要用戶裝有Excel軟件，為了方便我們也提供網(wǎng)頁(yè)形式的報(bào)告處理方法，而網(wǎng)頁(yè)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是由教師提供的標(biāo)準(zhǔn)Excel，程序自動(dòng)生成，不需要教師編寫(xiě)．

評(píng)分方法主要從如下幾個(gè)方面評(píng)分：

1）比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值．兩者相差超出給定范圍則扣分，標(biāo)準(zhǔn)值可以是固定值、通過(guò)公式運(yùn)算的值，甚至可以是一種規(guī)則．該值反映測(cè)量結(jié)果的好壞．

2）數(shù)據(jù)計(jì)算的正確性．學(xué)生計(jì)算結(jié)果與計(jì)算機(jī)根據(jù)學(xué)生的原始數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果比較，兩者相差超出給定范圍則扣分．

3）有效數(shù)字．教師可以設(shè)定有效數(shù)字的允許范圍，超過(guò)該范圍則扣分．

4）百分?jǐn)?shù)．是否必須使用百分?jǐn)?shù)表示，比如相對(duì)誤差．

5）最后結(jié)果的表示．判斷最后結(jié)果的表示是否正確．

第一次點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”，進(jìn)入原始數(shù)據(jù)輸入．圖6是示波器實(shí)驗(yàn)的一個(gè)原始數(shù)據(jù)的例子．

圖6 “示波器實(shí)驗(yàn)”原始數(shù)據(jù)輸入

“保存報(bào)告”是將輸入的數(shù)據(jù)保存到服務(wù)器上，“提交報(bào)告”是在正確完成輸入數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上，在教師給了操作分后，不能再修改原始數(shù)據(jù)，這相當(dāng)“教師簽字”．

圖7 示波器數(shù)據(jù)處理部分

當(dāng)教師給了操作分后，學(xué)生再次進(jìn)入“數(shù)據(jù)處理”，則可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理了，見(jiàn)圖7．完成數(shù)據(jù)處理就可以提交，沒(méi)有完成則保存．提交數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)自動(dòng)給出客觀分．第3次進(jìn)入“數(shù)據(jù)處理”，就可以看到錯(cuò)誤詳細(xì)情況了，如圖8所示．

8 學(xué)生拿到評(píng)閱客觀成績(jī)后的數(shù)據(jù)處理部分樣式圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該軟件集成了基于儀器庫(kù)仿真實(shí)驗(yàn)和評(píng)分系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)3年的測(cè)試，共有21 000多人次使用，程序運(yùn)行良好．基于儀器庫(kù)的仿真實(shí)驗(yàn)程序，實(shí)際使用價(jià)值強(qiáng)，操作方便，其優(yōu)越性明顯．學(xué)生通過(guò)使用該系統(tǒng)能夠直觀地預(yù)習(xí)、預(yù)做實(shí)驗(yàn)，當(dāng)報(bào)告提交后立即就可以拿到評(píng)閱的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，及時(shí)查看正確錯(cuò)誤的詳細(xì)情況．由于客觀部分是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)閱的，教師只需抽查學(xué)生報(bào)告情況，主觀部分評(píng)閱也方便快捷，工作量明顯減少了．

［1］ 霍劍青，王曉蒲．大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式［J］．工科物理，1998，8（增）：118－20．

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

［6］ 陳剛，羌鈴鈴．使用Flash ActionScript實(shí)現(xiàn)樹(shù)節(jié)點(diǎn)信息局部顏色變化［J］．人工智能及識(shí)別技術(shù)，2009（14）：97－99．

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