基于虚拟操作的电工实训系统设计

张工化

摘要:本文介绍一种基于虚拟操作的电工实训系统的设计,通过系统集成的软件和硬件,模拟多种电工实训教学设备,并以虚拟操作环境为平台,建立完整的电工虚拟操作实训系统,改

进教学模式,提高设备利用率和教学的效果,克服目前实训教学中存在的不足。

关键词:FLASH;电工实验柜;仿真虚拟实训

1引言

电工基础是目前教学中一门重要基础课,电类专业均会开设相关实训项目,同时继电控制系统的实训也会放

在实验柜上进行。电工实验柜接线端子数量多,开关、保险功能组件丰富,并配有多种交流仪表。在电工实训教学中,可以完成一般供电线路的连接,也能完成复杂电路连接安装。由于提供了多种继电器、控制开关等电器,还可以完成“工厂电气控制” “电机与拖动”等课程操作实训及维修电工技能考核。

实验柜采用380V或220V交流供电,学生实训操作自由度高,虽然有保险和开关连锁保护,但在安装接线过程中不免产生短路故障造成仪表损坏,涉及人身也存在一定的非安全因素。对于复杂控制电路实训,若在连线过程中发现错误,往往推倒重来。学生单位时间内占用实验柜的时间延长。使设备使用效率降低。影响教学效果。

2电工实训虚拟操作系统环节描述

针对实际中出现的上述问题,可建立软硬件一体化完整的实训训练系统,克服实际中存在的基本问题。系统的设计思想是,将实训课堂的讲解过程,设计连线环节进行压缩,并尽可能在模拟平台上完成安全性,连通性的基本测试。而在实训室内,尽可能将实训时间留给学生实际安装与检测,现象观测及方案对比等环节,提高实训室的利用率,提高学生课堂学习水平。为保证以上设计思路,实训训练系统设置如下几个环节。

2.1开放式实验指导

传统的实验书基本依靠文字和电路图讲解实验原理和过程。此种方法适合原理讲解但介绍实验过程部分时,缺乏直观展示,学生学习难度相对较大。如果要保证课堂效率,学生需要提前预习,但在脱离实验室实物环境下,独立阅读学习实验指导书,对于操作步骤,实物连接的知识仍需进入实验室后才能学会。另外由于缺乏指导,平均学习效果不太理想。

目前各院校均建立有校园网系统,如果将实验指导书部分以动态网络页面的形式移植到网络环境中,并加以多媒体化改进,便可大大提高学生预习效率,减少讲解的工作量。网络化技术解决方案如下实施。教学文档,实验指导书应电子化供学生自由浏览。电路图,原理图应利用网页技术配备文字或语音说明,供学生浏览时使用。对于实训步骤及实验环境,应提供多媒体展示。把实验操作步骤提到的元件,仪表以现场元件图片形式展现出来,减少学生实验时从书本到实物的转换时间。另外结合视频以及多媒体动态演示,将实训步骤动态的展示到学生面前这样学生对实训中需要用到的元件,操作动作,操作顺序甚至步骤背后对应的原理都有极为清楚的认知,当转移到实验室进行实训时,学生学习目的更加明确,对于怎么去做,为什么做,出现不同结果对应的意义了然于胸,避免了学生学习中出现无法将实操与理论结合起来的盲点。

采用成熟的web技术,利用互联网,任意终端均可访问网络教学资源。采用网络开放式环境是为了便于学生自主学习,学生可以自由选择学习时间及学习内容,学习手段也相对多样。这样提高了学生预习的效果,为后续的现场实训打下了良好的基础,教学效果得到显著提高。

2.2虚拟操作实训

实训性训练的重点是实训训练,而学生实训学习的难点之一就是如何将指导书的原理图用实物连接准确无误的重现。虽然学生可能通过书本或是网络平台,已经预习了实际操作步骤甚至观看了视频,但现场可能仍不能准确完成操作环节,出现错、漏、断等常见故障。如果能在网络平台上,让学生按照自己的思路完成基本连接,再对其进行审核,发现错误即要求学生并加以更正。经过这样的训练后,学生上实物平台操作时,已经掌握连接方法及正确的接线图,解决了因连接错误而引发人身及设备安全的难题。而且鉴于网络平台的开放性,每个学生都可以进行充足训练,避免了实验室中学生动手训练不平均的问题。

为了实现虚拟操作平台到实训环境的无缝连接。虚拟操作的界面应与现场实验柜具有一致性。另外线路的排查由计算机自动完成,至少应可以发现短路,断路,元件漏接等基本错误的功能。本系统为实现以上功能要求,采用FLASH平台,矢量动画技术。结合actionscript强大的编程能力,能自动计算电路的通断情况,并排查简要错误。图形界面的元件,接头的分布采用与实际机柜一致,学生通过鼠标进行交互完成点对点的虚拟连线过程。连线完毕后,后台的actionscript程序自动分析电路,如发现短路,漏元件,断路等简单错误,即可直接显示,提示学生修改。这样学生可以反复虚拟连线过程,直至获得较正确的连接图。

与虚拟教学资源类似,虚拟实验操作环境也用成熟的web技术及矢量动画视频,能方便嵌入各种网络页面中。学生利用互联网,能自由的访问网络教学资源并自由进行虚拟连线,直至正确完成这一过程。由于系统界面与图形保持与现场一致,学生在虚拟连线中获得的方案,连线经验都能较为容易的直接应用到真实连接中。特别值得一提的是,虚拟连接突破了硬件的限制,给尽可能多的学生提供了贴近真实操作的体验。

2.3实际操作

完成前期训练后,学生进入实验室,听取指导教师讲解后,进入实际操作环节,由于前两个阶段学生已经熟悉了设备的基本操作与实验流程并且已经有较为可靠的连线方案,所以教学效率应较之前为高,并且讲解部分经过压缩,尽可能多的时间留给学生进行实训锻炼,提高能力。

2.4其他

实训环境中,如有可能,在实训训练系统中加装监视系统,便于指导教师控制整个教室数十台机位。或在机柜上方设置简易LED显示,指视设备工作状态,便于教师进行课堂管理。除了硬件系统外,日常管理等软措施也应跟上,以保证的教学正常有序进行。

3系统中使用的关键技术

Flash是美国Macromedia公司(现为adobe公司收购)所设计的一种二维动画软件。通常包括Macromedia Flash,用于设计和编辑Flash文档,以及Macromedia Flash Player,用于播放Flash文档。由于软件采用可移植到多平台,所以便于嵌入到多系统中。由于FLASH动画格式*.swf为多种操作系统及浏览器支持,且具有放大不失真,视频文件体积小等优点,所以目前广泛应用各种网络视频中。虽然FLASH不断更新换代,功能逐渐强大,除了最基本的动画及视频播放以外,还能提供增强的Actionscript动态编程以及强大的交互界面,并可以访问网络及数据库。所以比较适合基于图形的虚拟实验连接使用。其中而增强的Actionscript提供与高级编程语言类似的编程环境及功能,适合实现自动电路检测等复杂应用环节,而丰富的动画及多媒体特性适合线路连接的演示及虚拟教学过程。

虚拟连线的实现,由于要在FLASH中实现虚拟连线,可以在Actionscript中建立虚拟数据以模拟电路实验柜。实验柜的元件设置基本固定,如开关,灯泡,功率表,交流电压电流表,保险等。可以对该类元件定义为pro1至proN;元件属性定义为端口属N,以及流入流出口pointout1,pointin1等;通过Actionscript编写操作函数以模拟连接及完成虚拟检测。交互界面通过将原件的两端设置为按钮对象,利用On(release)响应函数来完成连线的数据更改工作。

当实现虚拟连线前,设元件X,Y原未连接,其流入proY的pointinM为空,流出proX的pointoutN为空。当连线时,在图形界面上先点击X输出节点再点击Y输入节点,则最后一个On(release)响应函数将会改写流入proY的pointinM为pointoutN,流出proX的pointoutN为pointinM。这样两个元件就被连接至一起。如果有两端元件一端不为空,则必定为漏接,即可由程序判定为漏接,若两个节点有导线连接,同时两节点还跨接入多个元件的两端,则跨接的元件被短路,由程序判定为短接。利用此种方法可以由程序自动进行电路判别,进行简单查错。同时元件还可以设置电压,电流限制,当电路接入完毕之后,还能利用程序进行简单的电压电流估算,看是否会出现过压烧元件,过流烧保险的情况发生,从而进一步检测电路连接的正确性。进行检测的算法还有很多,实际可根据要求,选择合适的检测方案,以完成动态的显示。如果实验较多,也可以将正确的接入方法以数据化的形式记录至本地数据库中,再有FLASH经XML加以访问,供学生比对与学习。

综上所述采用Flash作为虚拟实训系统开发平台可以方便的实现系统要求的功能并可保证低开发难度,较好的网络支持能力及使用的开放性,适合目前教育现状。

4小结

本系统软硬件结合程度高,实现难度相对较低。硬件采用TEPMZ-1实验柜,计算机模拟系统采用P4及以上机型,支持网络连接。软件环境采用WINXP操作系统,IE6.0及以上版本,具备基本多媒体显示能力即可。本系统优点能在目前教学条件下大幅度提高实训教学的效率,提高实验室设备的利用率,降低实训风险,提高安全性能,并保证每个学生都能获得实训能力的提高。本系统也存在不足之处,虚拟连线功能单一,检测算法相对较简单,软硬一体化仍有改进的空间,虚拟教学实操系统成熟度有限需要在实训环境中进一步检验。

参考文献:

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