大学物理实验教学辅导系统的开发设计

谭司庭，何 毅，徐富新

（中南大学 物理与电子学院，湖南 长沙410083）

1 引 言

大学物理实验对培养学生动手能力及创造性思维能力非常重要，已成为理工科学生必修基础课程之一，其核心就是要利用现有的仪器进行集成，对现有的物理现象、自己的创新思想等进行实验验证、设计和创新．因此，只有反复进行各种实验，且根据现有的实验进行改进是培养这些能力的重要条件．然而，由于高校扩招导致实验资源的紧缺，以及物理实验都是以某个具体实验进行建设的，导致学生很难根据自己的兴趣进行实验验证和新的实验设计．目前，物理仿真实验在各高校使用极为广泛，包括中国科技大学制作的大学物理仿真实验课件［1］，以及清华大学、北方交通大学、华南理工大学、电子科技大学等高校于近几年内也相继开发了具有较高水平的仿真软件［2－3］．这些软件都是建立在具体实验基础之上，必须与具体的实验仪器相配套，不利于大规模推广．其次，如何对学生做的仿真实验结果进行客观、公正的评价，也是难点．文献［4］提出了基于B／S的物理实验系统，取得良好的效果，但这种平台需要较好的网络平台，也缺乏合适的实验结果评价．

建构主义认为［5］，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境下，借助于他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的．我们以建构主义理论为指导，以学生的学习过程和需求为中心，利用Flash的动画制作的优势，从大学物理实验中抽象出若干公用的元件，制作包括力学、电学、光学的仪器库，通过这些仪器库可构建完全自主设计实验的环境，并开发了实验报告自动评价模块，方便学生自主设计，形成物理实验教学辅导系统．该软件在我校国家物理实验教学示范中心使用，取得较好的效果．

2 系统设计

物理实验的教学流程如下：

1）上课前检查预习情况，给出学生预习分．

2）教师讲课．

3）学生实验操作，输入原始数据．

4）教师查看原始数据，根据操作情况给出学生操作分，学生的原始数据不能再修改．

5）学生处理实验数据，如果未完成可以保存，全部完成且自认为正确无误时提交报告，教师对实验报告进行评阅．

6）学生可查看自己的处理是否正确．

因此，仿真实验平台应该具有如下功能：

1）实验教程．提供完整的实验讲义，相当于独立的大学物理实验电子教科书．

2）实验讲授．教师的电子教案，并配有一定的声音和动画效果．

3）实验演示．主要是仿真实验操作的录像．

4）实验仿真．真实地模拟了实验仪器和实验操作过程．

5）数据处理．提供数据记录表格和计算公式，完成在计算机上记录和运算实验数据，形成实验报告．

用户的角色包括学生、教师和系统管理员．

1）学生．可以进行实验教程、实验演示和实验仿真等操作，还可以进行成绩查阅、实验报告管理等操作．

2）教师．除了也可以进行实验教程、实验演示和实验仿真等操作，还可以实验测试设置、成绩管理、实验报告评阅和分析．

3）管理员．负责仪器库维护、数据库管理、用户管理等．

大学物理实验仿真系统结构如图1所示．

图1 大学物理实验仿真平台

3 系统实现

3．1 仪器库的制作

利用Flash的动画制作功能和内嵌的面向对象的脚本语言ActionScript制作仪器库，其脚本代码语句都遵循事先制定的统一接口标准，有良好的封装性、独立性和扩展性．

1）封装性，主要表现为采用面向对象的程序设计，将仪器的所有特性，包括仪器的形状、仪器的参量、可进行的动作等，都封装到虚拟仪器的内部，使用类和对象的概念使仿真仪器与真实仪器在属性和操作上一致．仿真仪器不仅是逼真的图形，而且其中含有功能代码．

2）独立性，每个仿真仪器是独立的SWF动画文件，所有仿真仪器合起来组成了“仪器库”，而仿真仪器的使用不依赖于具体的实验内容，用户可根据需要随意组合仿真仪器做实验．

3）扩展性，来源于程序设计是面向仪器而不是面向具体实验，这样只要是遵循事先制定的统一接口标准所制作的仿真仪器（SWF文件），就可以直接运用于仿真实验环境中．显然，扩充仿真仪器就等于增加仿真实验．

ActionScript3．0能够支持第3方提供的各种类包［6］，包括PV3D，可以在SWF文件中显示具有交互功能的三维物体．利用Autodesk公司的3DSMax软件制作仪器的三维模型，导出成为PV3D可用的DAE格式文件，并编写代码加载至模拟软件中．这些代码包括创建MovieClip元件，在元件的第1帧中加载PV3D所需类文件、初始化PV3D相关参量、为舞台添加侦听鼠标事件，然后进行鼠标事件处理等．用户可以在界面中按下并拖动鼠标实时旋转三维模型，全方位观察仪器结构．

以电压表和电流表为例．图2为C19－m A型毫安表，该表共有量程、内阻4个参量．缺省参量分别为量程Im1＝100 m A，内阻Rm1＝0．9Ω；量程Im2＝50 m A，内阻Rm2＝1．4Ω．本仪器可以动态设定4个参量，这是设定参量的示例，通过c19＿m A．swf？Im1＝100 ＆ Rm1＝0．000 9 ＆Im2＝50＆Rm2＝0．001 4，设定内阻Rm1，Rm2（kΩ），Im1，Im2（m A）量程，要求Im1＞Im2，Rm1＜Rm2．该表零点随机，测量值在0．5级内随机变化．

图2 C19－m A型毫安表

图3给出了居里点实验的加热炉及实验样品，图4为居里点加热炉的操作面板．可以根据需要选择所需的样品，并在加热炉面板上进行参量动态设置和有关操作．

图3 居里点实验样品

图4 居里点加热炉操作面板

3．2 仿真实验

在做实验时，管理员或教师可以根据教学大纲的要求，以及设计性和创新性实验的需求，通过修改INI文本文件选择必要的实验仪器，构成实验中的小仪器库．在实验中用户通过从小仪器库内选择仪器进行实验，将各仪器组装在一起就能进行实验．

以电学为例，将电学仪器的各种特性，如仪器的阻值大小、内部接线、形状、旋钮的动作等都封装在仪器内部．主程序读取各仪器的电学特性，自动形成线性或非线性方程组，并选择合适的方法求解物理量随时间变化的方程组．对于复数问题求解，实际上就是对单一频率的交流分量的求解，对非线性元件来说，直流和交流的非线性特性不同，所以先通过傅里叶变换，分离出直流和交流各分量的非线性特性．主程序解得各物理量，通知各仪器实现自己的动作，如烧表、表的指针偏转、示波器显示波形等．在使用ActionScript编写程序时，主程序只要仪器之间的接口即可计算．对电学实验来说，仪器之间是采用接线柱之间的接线来连接的．接线柱的种类较多，如同轴电缆等，应区别对待．仪器的电学特性用方程来表示，其变量是仪器的接线柱的电流和电势．方程可以是线性的，也可是非线性的．可以理解，对有n个接线柱的仪器，必须提供n个方程，仪器的所有电学性质都包含在这n个方程中．当仪器参量改变时，如旋转旋钮，则由仪器的程序改变仪器中的方程．主程序计算出仪器的接线柱的电流和电势后，由仪器根据接线柱的电流和电势的值计算自己所需的物理量，而后做出相应的动作．

仿真程序分为2种模式：指定模式和自由模式，由管理员通过修改INI文件决定，缺省的是自由模式．对自由模式来说，程序并不知道用户要干什么，此时用户可以进行任意的实验，比较适合于设计性实验和平时实验．指定模式是管理员预先将要做的内容写入INI文件，对实验的步骤进行安排．此时，用户必须按实验所需操作步骤进行实验，否则程序提示错误，并对操作扣分．这种种模式适用于预习、考试．

图5为示波器操作示意图．左上角为仿真实验操作菜单，分别可以进行仪器库管理、仪器编辑和摆放、记录数据、自动判断数据正确性、自动评分等操作．我们可以把仪器从仪器库中拿取到桌面后，进行连线，再对示波器进行简单操作．

图5 示波器操作示意图

3．3 实验报告批阅

为了避免在Excel里面内嵌Visual Basic Application语言导致Excel的不安全的问题［7］，采用Visual Basic嵌入式Excel对象的方法，该方法学生无法直接接触Excel文件，提高了安全性，同时保持了Excel的所有功能．把通用评分方法编入程序中，教师只要提供数据处理及标准处理的Excel模版，就能实现实验报告自动评分．由于使用Excel进行数据处理需要用户装有Excel软件，为了方便我们也提供网页形式的报告处理方法，而网页评分标准是由教师提供的标准Excel，程序自动生成，不需要教师编写．

评分方法主要从如下几个方面评分：

1）比较实验数据与标准值．两者相差超出给定范围则扣分，标准值可以是固定值、通过公式运算的值，甚至可以是一种规则．该值反映测量结果的好坏．

2）数据计算的正确性．学生计算结果与计算机根据学生的原始数据计算的结果比较，两者相差超出给定范围则扣分．

3）有效数字．教师可以设定有效数字的允许范围，超过该范围则扣分．

4）百分数．是否必须使用百分数表示，比如相对误差．

5）最后结果的表示．判断最后结果的表示是否正确．

第一次点击“数据处理”，进入原始数据输入．图6是示波器实验的一个原始数据的例子．

图6 “示波器实验”原始数据输入

“保存报告”是将输入的数据保存到服务器上，“提交报告”是在正确完成输入数据后，将数据上传到服务器上，在教师给了操作分后，不能再修改原始数据，这相当“教师签字”．

图7 示波器数据处理部分

当教师给了操作分后，学生再次进入“数据处理”，则可以进行数据处理了，见图7．完成数据处理就可以提交，没有完成则保存．提交数据后，系统自动给出客观分．第3次进入“数据处理”，就可以看到错误详细情况了，如图8所示．

8 学生拿到评阅客观成绩后的数据处理部分样式图

4 结束语

该软件集成了基于仪器库仿真实验和评分系统，经过3年的测试，共有21 000多人次使用，程序运行良好．基于仪器库的仿真实验程序，实际使用价值强，操作方便，其优越性明显．学生通过使用该系统能够直观地预习、预做实验，当报告提交后立即就可以拿到评阅的实验报告，及时查看正确错误的详细情况．由于客观部分是由计算机自动评阅的，教师只需抽查学生报告情况，主观部分评阅也方便快捷，工作量明显减少了．

［1］ 霍剑青，王晓蒲．大学物理仿真实验和实验教学的新模式［J］．工科物理，1998，8（增）：118－20．

［2］ 石星军．计算机仿真实验教学的探索［J］．青岛大学学报，2000，13（3）：107－110．

［3］ 延明．现代电路仿真实验教学的实践［J］．实验室研究与探索，2002，21（3）：87－88．

［4］ 向东，何毅，郭萍，等．基于B／S模式的大学物理仿真实验系统开发［J］．数理医学杂志，2004，17（2）：183－184．

［5］ 何克抗．信息技术与课程深层次整合的理论与方法［J］．中国大学教学，2005（5）：43－48．

［6］ 陈刚，羌铃铃．使用Flash ActionScript实现树节点信息局部颜色变化［J］．人工智能及识别技术，2009（14）：97－99．

［7］ 唐东炜．用VB、EXCEL实现实验数据的计算机处理［J］．中山大学学报论丛，2003，23（5）：241－243．