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1多媒体教学课件制作中虚拟实验的设计陈代武(娄底师范高等专科学校计算机系湖南娄底417000国防科技大学研究学者)【摘要】虚拟实验设计是多媒体课件设计的重要内容。本文阐述了虚拟实验的特点和设计原则，通过“电流”、“欧姆定律”虚拟实验设计的实例，探讨了用Authorware设计虚拟实验的方法。【关键词】虚拟实验；课件；AuthorwareDesignofVirtualExperimentinMCAICoursewareCHENDaiwu(DepartmentofComputerScience,LoudiTeachersCollege,LoudiHunan417000)Abstract:Designofvirtualexperimentisanimportantsubstanceinthedesignofmulti-mediacourseware.Thecharacteristicsanddesignprincipleofvirtualexperimentarepresentedinthispaper.ThroughthesamplesforvirtualdesignofcurrentandOhm'sLaw,thedesignmethodofvirtualexperimentbyAuthorwareisalsostudied.Keywords:VirtualExperiment;Courseware;Authorware1、引言在计算机普及的今天，多媒体教学课件集图文声像于一体，展现出了它无可比拟的教学优势。而一般的多媒体课件中常偏重于理论内容的设计，实验内容则考虑较少。实验教学历来是教学的一个重要组成部分，真实实验在培养学生动手操作能力、观察能力、分析问题和解决问题的能力方面发挥的作用是不容否定的。但是，由于受物质和技术条件的限制，还有很多问题，不好进行真实实验，只能进行模拟实验（或称虚拟实验）。用计算机进行虚拟实验目前已在教学和科研中发挥了巨大作用，引起人们的高度重视。各种仿真系统、虚拟平台相继诞生。以三维交互技术、环境建模技术、高性能计算技术为核心的虚拟现实技术已广泛用于虚拟战场、飞行员训练等国防军事方面。在国外，已有一些优秀的仿真软件。如加拿大InteractiveImageTechnologies公司的ElectronicsWorkbench(简称EWB电子工作台)，美国Microsim公司的Pspice系列软件，美国Analogy公司的Saber软件等。像EWB软件，它具有齐全的虚拟电子设备和元器件、直观方便的操作界面和十分强大的分析功能，已在相关专业的电子技术课实验中使用。目前，虚拟实验方面的仿真软件还远不能满足教学的需求，需要广大教学工作者根据教学实际去探索、研究、开发。复旦大学沈元华教授对国内28所中上水平的大学在普通物理实验中使用计算机的情况进行调查，发现在普通物理实验中使用计算机比例仅为4.5%，远低于发达国家。这里只是说使用计算机，可推测用计算机进行虚拟实验的就更少了。其实，用计算机来设计有关虚拟实验也并非难事。作为一种尝试，本人对用Authorware6.0设计虚拟实验的方法进行了探索，并成功地设计了“电流”和“欧姆定律”虚拟演示实验。本文先阐述了虚拟实验的特点和设计原则，然后论述用Authorware6.0设计虚拟实验的方法。2图1电流实验程序流程2、虚拟实验的特点虚拟实验是利用计算机及仿真软件来模拟实验的环境及过程，让学生通过计算机操作来做实验，从中学习和掌握应从实验中获得的知识，以代替或加强传统开出的真实实验。虚拟实验一般为图形界面，操作方便，交互性强，直观形象，真实准确。其优点是显而易见的：能模拟宏观或微观领域中无法用常规实验直接观察的实验；模拟那些用真实实验有危险的实验；模拟用真实实验所需仪器非常昂贵的实验。虚拟实验可以反复使用降低了材料消耗，可以交互控制实现双向交流，可以安装复制扩大实验规模，可以缩短时间提高教学的容量。3、虚拟实验设计的原则在进行虚拟实验设计时要考虑几个原则：必要性原则，可行性原则，可控性原则，直观性原则，经济性原则。必要性原则：并不是所有的真实实验都要设计成虚拟实验，设计虚拟实验的目的是为了利用虚拟实验的优势来克服传统真实实验某些方面的局限性或缺点，所以在实验内容的选择上要考虑是否有必要设计成虚拟实验。可行性原则：由于进行虚拟实验需要一定的软硬件条件和计算机专业知识，并不是所有的真实实验均能设计成虚拟实验，它将受诸多条件限制，在进行设计时要考虑现有物质条件和技术条件。可控性原则：实验过程需要人的参与和操作，在设计虚拟实验时在要考虑人机交互，要方便人的参与和控制。直观性原则：实验过程中往往有数据的输入和输出，还将显示有关实验现象。在设计时界面要友好，显示的数据、现象要真实直观。经济性原则：设计虚拟实验往往是为了减少实验成本，扩大教学规模，使教学资源充分共享。设计时要量力而行。4、“电流”及“欧姆定律”虚拟实验设计和实现方法4.1设计目的在初中物理教学中，电流的概念、欧姆定律是非常重要的内容，它是使学生走进电学知识领域的入门知识。对于“电流”，它是看不见摸不着的东西，只能通过仪表测量，所以学生学习“电流”的概念时由于缺少感性认识很难理解。本实验设计的出发点变“抽象”为“直观”，变“微观”为“宏观”。把电流变成看得见的东西，让学生亲眼看到电荷沿回路定向移动所形成的电流。“欧姆定律”实际上是描述“电流”、“电阻”和“电压”三者之间的关系的一个经典定律。学生在学习时，对于这三者的之间的变化规律，谁引起谁变搞不清楚。设计此虚拟实验的目的是要即时动态显示电路中这三者的数值。即在移动“滑动变阻器”上滑片的同时要能够实时显示随之变化的阻值，同时“电流表”、“电压表”的读数也是会随之变化的，也要能够即时显示于屏幕上。要求具有人机交互功能，可通过鼠标拖动滑动变阻器的滑片移动来改变电阻值，数据显示直观。4.2设计方法及实验效果Authorware6.0提供了控制对象运动的5种方式，其3图2电流实验的实验效果图3欧姆定律实验程序流程中一种为“PathtoEnd”使运动对象沿曲线运动到终点。可用它来设计“电流”实验中“电荷”沿回路定向移动，再用分支图标来实现循环控制，使“电荷”在回路中循环定向移动。在“欧姆定律”的实验设计中，用Authorware6.0的系统变量：PathPosition@”IconTitle”返回当前光标处的相对值，这样可以用鼠标移动“滑动变阻器”的滑片来控制阻值的即时变化，继而实现电流表和电压表读数的实时变化。4.2.1“电流”虚拟实验的设计及演示效果①、设计方法在Authorware6.0中新建一文件，程序流程如图1所示，在“电路”、“开关”显示图标中分别画好电路图及开关，如图2所示。为了演示电荷在导线中的定向移动，导线用“矩形工具”画并以白色填充。“合上开关”移动图标运动类型为“DirecttoPoint”，其作用是产生开关的闭合的动作，使实验更加真实。“电流形成”组图标内容如图1中的Level2所示，它由多个“显示图标”和“移动图标”构成，其作用是使“电荷”沿着电路图中的回路定向移动，本实验中画了5个正电荷，并使其在电路中不同的起点沿回路定向移动一周，运动类型为“PathtoEnd”，运行时间根据回路的周长确定，此例为3秒，其标准是使学生能较清楚地观察到电荷定向移动为宜。当然，金属导体中的电流是带负电的自由电子发生定向移动形成的。移动的电荷（电子）是无限多的，移动速度接近光速，电流的方向规定为与正电荷移动的方向相同，与电子移动方向相反。有关这些教师在演示时务必向学生交待清楚，以免使学生产生误解。“分支决策”图标来实现电荷在回路中循环移动，分支属性中“Repeat”设为：“UntilClick/Keypress”。②、实验效果按上述方法设计好后，运行程序。其效果如图2所示。可以看到在正电荷沿着回路不断地循环定向移动。电流的方向，电流流经的哪些元件都直观地展现于屏幕上，这是真实实验无法做到的。这正是设计本实验的目的所在。对于微观世界的这类实验一般只凭想象在脑海中虚构，但这对于初中生来说是很困难的，通过这种虚拟实验可以帮助学生加深对物理知识的理解。4.2.2“欧姆定律”虚拟实验的设计①、设计方法新建一文件，程序流程如图3所示，在“电路”、“开关”、“合上开关”图标的内容和属性设置同“电流”实验。导线可用线条工具画成实线。电路图及开关如图4所示。在“开关”显示图标中附加一计算图标，内容为：moveable@电路:=False，moveable@开关:=False，其作用是为了使“电路”和“开关”不被移动。“滑片”显示图标中以“箭头”代替滑片，该显示图标的显示属性Layout选项卡中设置为：Positioning:OnPath，Movable:OnPath，Base:0,Initial:0,End:12。其作用是控制滑片沿轨迹运动，其相对坐标为0到12，初4图4欧姆定律实验程序流程始位置为0。“显示数据”显示图标是最关键的一步，其中用到了系统变量PathPosition@”IconTitle”，在图标中，首先通过{R:=PathPosition@”滑片”}显示当前滑片位置的值（即电阻值），并将值赋给变量R，本例设滑动变阻器的阻值为0~12欧姆，那么，当用鼠标拖动滑片从最左端向右端移动时，电阻值将从0到12欧姆之间变化，并精确到小数点后两位。用{I:=6/(4+R)}计算并实时显示出电流表的读数I的值，用{V:=I*R}计算并实时显示出电压表的读数V的值，然后调整好数值显示的位置。还有一点必须设置，该显示图标的属性对话框的Display选项卡中选中“UpdateDisplayedVariables”，以便随滑片的移动即时更新当前的电阻、电流和电压值。②、实验效果运行程序，其效果如图4所示。电路初始状态的滑动变阻器的阻值为0，电流表的读数为：1.5A，电压表的读数为：6V。然后用鼠标向右拖动滑片，会看到滑动变阻器的阻值会随之变化，电流表、电压表的读数也随之变化。它们相当于数字万用表。演示时，可分步观察。首先移动滑动变阻器，要学生观察“定阻”上的电压与通过它的电流的关系，并记录几组数据，会得出这样的结论：“在电阻一定的情况下，导体中的电流跟这段导体两端的电压成正比”。然后，观察整个回路，因电源电压（6V）不变，当移动滑动变阻器时，回路中总电阻会发生变化，那么回路中电流也会发生变化，同样记录几组数据，会得出“在电压不变的情况下，导体中电流与导体的电阻成反比”。综合以上结论，就可以得出欧姆定律：“导体中的电流，跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比”。当然这里是虚拟实验，其本身的数据是根据欧姆定律公式计算出来的，但作为一种直观演示，也是未尝不可的。5．结束语虚拟实验设计是教学课件设计的重要方面，也是实验教学改革的要求。虚拟实验在实验教学中正发挥着无可比拟的优势：它可使我们更新实验教学观念，可以构建开放性的实验教学环境，可以丰富实验教学内容，可以改进实验教学手段和方法。当然，虚拟实验不等于真实实验，它是对真实实验的一种模拟，它是对真实实验延伸和强化，是一种理想化的抽象。它的正确性、有效性和合理性依赖于真实实验和事物本身的内在规律，它和真实实验是相互促进和相互补充的。所以，虚拟实验不可能也不会完全取代真实实验，而应该“虚实结合，优势互补”。参考文献1、沈元华计算机在普通物理实验教学中的应用实验室研究与探索2002.82、吴为团郑海燕数字电路虚拟实验系统的研制青岛建筑工程学院学报2002.23、张君薇虚拟电子工作台EWB及其在电工和电子实验中的应用沈阳汽车工业学院2002.24、孙怀东试论虚拟实验在高校实验教学中的作用三明高等专科学校学报2002.65、张逸梅龙宝詹寿发虚拟现实技术与物理实验创新实验技术与管理2002.35作者简介：陈代武，1964年生，男，湖南省新化县人，本科，讲师。计算机系副主任。研究方向：多媒体教学，网络教学，流媒体技术。现在国防科技大学计