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(yǎng)學生動手能力及創(chuàng)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(xiàn)有的儀器進行集成，對現(xiàn)有的物理現(xiàn)象、自己的創(chuàng)新思想等進行實驗驗證、設計和創(chuàng)新．因此，只有反復進行各種實驗，且根據(jù)現(xiàn)有的實驗進行改進是培養(yǎng)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(jù)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(nèi)也相繼開發(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驗基礎之上，必須與具體的實驗儀器相配套，不利于大規(guī)模推廣．其次，如何對學生做的仿真實驗結(jié)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(tǒng)，取得良好的效果，但這種平臺需要較好的網(wǎng)絡平臺，也缺乏合適的實驗結(jié)果評價．

建構(gòu)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(gòu)的方式獲得的．我們以建構(gòu)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(yōu)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(gòu)建完全自主設計實驗的環(huán)境，并開發(fā)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(tǒng)．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(tǒng)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(shù)據(jù)．

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

5）學生處理實驗數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)處理．提供數(shù)據(jù)記錄表格和計算公式，完成在計算機上記錄和運算實驗數(shù)據(jù)，形成實驗報告．

用戶的角色包括學生、教師和系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫管理、用戶管理等．

大學物理實驗仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 大學物理實驗仿真平臺

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3．1 儀器庫的制作

利用Flash的動畫制作功能和內(nèi)嵌的面向?qū)ο蟮哪_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(tǒng)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(xiàn)為采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O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(nèi)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(nèi)容，用戶可根據(jù)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(tǒng)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(huán)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(chuàng)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(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．本儀器可以動態(tài)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(nèi)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(nèi)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(jù)需要選擇所需的樣品，并在加熱爐面板上進行參量動態(tài)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(jù)教學大綱的要求，以及設計性和創(chuàng)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(gòu)成實驗中的小儀器庫．在實驗中用戶通過從小儀器庫內(nèi)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(nèi)部接線、形狀、旋鈕的動作等都封裝在儀器內(nèi)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(shù)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(xiàn)自己的動作，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(qū)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(zhì)都包含在這n個方程中．當儀器參量改變時，如旋轉(zhuǎn)旋鈕，則由儀器的程序改變儀器中的方程．主程序計算出儀器的接線柱的電流和電勢后，由儀器根據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)、自動判斷數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)處理及標準處理的Excel模版，就能實現(xiàn)實驗報告自動評分．由于使用Excel進行數(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)頁形式的報告處理方法，而網(wǎng)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(shù)據(jù)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(guī)則．該值反映測量結(jié)果的好壞．

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

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

4）百分數(shù)．是否必須使用百分數(shù)表示，比如相對誤差．

5）最后結(jié)果的表示．判斷最后結(jié)果的表示是否正確．

第一次點擊“數(shù)據(jù)處理”，進入原始數(shù)據(jù)輸入．圖6是示波器實驗的一個原始數(shù)據(jù)的例子．

圖6 “示波器實驗”原始數(shù)據(jù)輸入

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

圖7 示波器數(shù)據(jù)處理部分

當教師給了操作分后，學生再次進入“數(shù)據(jù)處理”，則可以進行數(shù)據(jù)處理了，見圖7．完成數(shù)據(jù)處理就可以提交，沒有完成則保存．提交數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)自動給出客觀分．第3次進入“數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理部分樣式圖

4 結(jié)束語

該軟件集成了基于儀器庫仿真實驗和評分系統(tǒng)，經(jīng)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(yōu)越性明顯．學生通過使用該系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)開發(fā)［J］．數(shù)理醫(yī)學雜志，2004，17（2）：183－184．

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

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

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