基于Flash的高电压虚拟实验室探索

王 璁，屠幼萍

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

“高电压技术”是电气工程及其自动化专业一门重要的专业必修课，该课程主要讲述各类电介质在强电场下的特性、电气设备绝缘试验技术和电力系统过电压与绝缘配合。而实践课程内容与电力系统工程实际联系紧密，实践过程中涉及较多电介质中的电现象和电气设备现场试验等。因此，在实践教学中最大的困难在于如何形象准确地描述上述内容，如各种电场条件下微观粒子的运动及放电的形成过程。

1 高电压实验教学现状

“高电压技术”课程实验项目中所涉及到的电气设备价格昂贵且体积庞大，因此实验时需投入大量经费和配套设施。加之高电压实验有电压等级高、电流大以及需要建设单独接地网的特点，具有一定的危险性，所以实验室需要有保护装置和较大的实验空间。因此多数高校在该课程中开设的实验项目偏少，且多为演示实验。

我们参考其他学科虚拟实验室的建设［1-3］，提出利用网络流媒体技术(Flash)来构建高电压虚拟实验平台的方案。学生利用虚拟技术仿真或虚构实验情景，以鼠标的点击拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求和过程组装成一个完整的实验系统，并完成整个实验，包括原材料的添加，实验条件的设置、数据采集以及实验结果的处理分析等。

美国麻省理工学院的电子工程和计算机科学系是较早开始虚拟实验教学应用的院系。该系早在1988年就创立了微电子在线实验室。十年后该虚拟实验系统投入教学使用测试后得到了师生的好评。上海交通大学国家工科物理教学基地物理实验中心的数据采集实验室是面向大学物理实验教学的虚拟实验系统，正在建设和完善中。福建广播电视大学的虚拟实验室，测试运行以来取得了很好的效果。国内许多高校相继开发了一批新的虚拟实验系统用于教学和科研。

2 虚拟实验室的平台构建

考虑到我校的虚拟平台用于实现远程教育，我们采用Flash+Access相结合的技术进行开发。

Flash软件能够通过几十K字节就能做出复杂的交互式矢量动画，利于网络进行传输和交互式操作。平台的数据库采用Access管理，存储了各种设备的出厂数据和历史试验数据。

图1是平台整体结构图。目前实验室设计大项中包括了气体放电、绝缘油的击穿、介质损耗测量和泄漏电流测量等。大项中包含多个小项，便于学生了解电气设备的测试技术和方法。

图1 虚拟实验室平台整体结构图

数据库采用Access2007设计，考虑到了系统的扩展性，我们将每个子项单独分开制表。表中存储相应的出厂数据和试验数据，作为Flash调用的依据。图2是实验平台数据库设计图。

图2 平台数据库设计图

3 Flash动画制作步骤

(1)需求分析—需求分析是整个平台的基础，其重点是收集分析用户(学生)对课件的要求。例如，本课程的一些难点内容包括气体放电和小桥理论等，往往在理论教学过程中无法用文字形象地表现其微观发展过程，而采用交互课件的话，可以通过文字、模型、实物图片以及动画的形式，让学生具有直观的认识。

(2)脚本设计—脚本设计能够决定动画最终整体思路、场景过程、素材选择和教学效果。通常脚本设计分为文字脚本编写和场景脚本创作。本平台文字脚本编写首先明确了教学内容和重要的教学环节，例如在气体放电实验中着重体现了不同电极结构对气体放电的影响;场景选择上尽量采用直观简洁的背景，便于学生使用时方便选择。

(3)素材准备—素材是制作动画的基本要素，包括了文字、图像、声音和视频等。在动画制作之前应尽可能地准备详尽的素材。由于使用该平台的对象为本科生，而他们只是在课本中学习了相关设备知识，并未接触到实物。因此，平台中除了为实验提供了文字说明外，还对其涉及的相关电气设备配备了图片及说明。

(4)动画制作—运用Flash制作动画的过程包括:研究动画过程，根据脚本设计关键帧;根据场景和图形规划相关图层;设计第一帧，并将相关图形或文字放置于各个图层第一帧;制作中间帧，完成场景转换过程;输入命令控制语句，例如开始和暂停等;进行性能测试，观看演示效果。

(5)动画调试—动画制作完毕后，通过播放器进行本地播放演示，考察动画的播放性能，评估其逻辑是否合理，功能是否完备。然后载入平台中，通过局域网中其它计算机进行下载播放测试，考察其远程播放性能。

(6)动画组装—制作完毕的一系列动画课件组成了一个高电压虚拟实验平台。该平台最终需在教学中应用，因此测试和调试完毕的课件需及时通过平台发布上网。

4 虚拟实验的模型构建

我们以气体放电虚拟实验为例讨论模型构建。

气体放电的形式有很多，在这里我们结合课程内容选取了几种具有典型代表性质的气体击穿模型:板板模型、板棒模型和棒棒模型，如图3所示。

构建模型时设计先选择相应模型，把三种放电模型做成按键元件，用户点击按键元件后发出对应的指令现实模型选择。构建思路如图4所示。

图3 典型的气体击穿模型

图4 模型选择构建

在确定了击穿模型后，可以设置放电参数。对击穿有影响的因素有:电压所加电压的幅值及波形、通过电流的大小、所加电压的频率、气体的压力等，但是由于Flash技术不适合多参数计算，因此这里只选用了电压大小和电极距离二个参数。

5 气体击穿实验教学实例

我们以气体击穿实验的板板模型为例进行说明，如图5所示。

图5 板板模型的气体放电实验

界面中提供电源电压和电极板距离选择，然后点击演示，系统从数据库中调用相应数据进行验证达到何种状态。例如，平板间隙之间距离为5cm，所施加电压为100kV，根据空气在均匀场中击穿电压为30kV/cm计算得到击穿15cm的空气间隙，至少需要150kV的交流电压，因此此时系统将提示该电压无法击穿此间隙。而当我们选择极间距离为1cm，电压为150kV时，由于该电压远远超过平板间隙的击穿电压。根据汤森定理，该空气间隙将产生电子崩，直至击穿，如图6所示。

图6 板板模型击穿

由此可见学生根据不同的放电模型可选择相应的电压及电极距离进行模拟实验，在进入实验室实验之前可以更好地预习和认知。

6 结语

本文中将Flash技术应用于高电压虚拟实验室的制作中，集成了文字、声音、图形和动画等多种媒体素材，使知识的传播更加生动。同时，利用校园网络发布该虚拟实验室，构成远程教学系统，使其变成不受时间和空间限制的虚拟教室。目前高压虚拟实验室的建设尚处于探索过程。在这个探索过程中，还需要完善各项功能、增加实践内容知识点和增强素材的表现力，力争构建一种新型的实践教学模式。

［1］ 廖俊杰，Flash在多媒体教学课件开发中的应用［J］.北京:中国集体经济，2007(5)

［2］ 徐志鹏;王婷;王光艳，Flash技术在热力学虚拟实验室的应用［J］.哈尔滨:中国电力教育，2010(7)

［3］ 张志敏，李贤敏.基于网络的虚拟实验室的研究［J］.北京:实验技术与管理，2008