王 璁，屠幼萍

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206)

“高電壓技術”是電氣工程及其自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，該課程主要講述各類電介質(zhì)在強電場下的特性、電氣設備絕緣試驗技術和電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合。而實踐課程內(nèi)容與電力系統(tǒng)工程實際聯(lián)系緊密，實踐過程中涉及較多電介質(zhì)中的電現(xiàn)象和電氣設備現(xiàn)場試驗等。因此，在實踐教學中最大的困難在于如何形象準確地描述上述內(nèi)容，如各種電場條件下微觀粒子的運動及放電的形成過程。

1 高電壓實驗教學現(xiàn)狀

“高電壓技術”課程實驗項目中所涉及到的電氣設備價格昂貴且體積龐大，因此實驗時需投入大量經(jīng)費和配套設施。加之高電壓實驗有電壓等級高、電流大以及需要建設單獨接地網(wǎng)的特點，具有一定的危險性，所以實驗室需要有保護裝置和較大的實驗空間。因此多數(shù)高校在該課程中開設的實驗項目偏少，且多為演示實驗。

我們參考其他學科虛擬實驗室的建設［1-3］，提出利用網(wǎng)絡流媒體技術(Flash)來構(gòu)建高電壓虛擬實驗平臺的方案。學生利用虛擬技術仿真或虛構(gòu)實驗情景，以鼠標的點擊拖動，將微機上虛擬的各種儀器，按實驗要求和過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，并完成整個實驗，包括原材料的添加，實驗條件的設置、數(shù)據(jù)采集以及實驗結(jié)果的處理分析等。

美國麻省理工學院的電子工程和計算機科學系是較早開始虛擬實驗教學應用的院系。該系早在1988年就創(chuàng)立了微電子在線實驗室。十年后該虛擬實驗系統(tǒng)投入教學使用測試后得到了師生的好評。上海交通大學國家工科物理教學基地物理實驗中心的數(shù)據(jù)采集實驗室是面向大學物理實驗教學的虛擬實驗系統(tǒng)，正在建設和完善中。福建廣播電視大學的虛擬實驗室，測試運行以來取得了很好的效果。國內(nèi)許多高校相繼開發(fā)了一批新的虛擬實驗系統(tǒng)用于教學和科研。

2 虛擬實驗室的平臺構(gòu)建

考慮到我校的虛擬平臺用于實現(xiàn)遠程教育，我們采用Flash+Access相結(jié)合的技術進行開發(fā)。

Flash軟件能夠通過幾十K字節(jié)就能做出復雜的交互式矢量動畫，利于網(wǎng)絡進行傳輸和交互式操作。平臺的數(shù)據(jù)庫采用Access管理，存儲了各種設備的出廠數(shù)據(jù)和歷史試驗數(shù)據(jù)。

圖1是平臺整體結(jié)構(gòu)圖。目前實驗室設計大項中包括了氣體放電、絕緣油的擊穿、介質(zhì)損耗測量和泄漏電流測量等。大項中包含多個小項，便于學生了解電氣設備的測試技術和方法。

圖1 虛擬實驗室平臺整體結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫采用Access2007設計，考慮到了系統(tǒng)的擴展性，我們將每個子項單獨分開制表。表中存儲相應的出廠數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，作為Flash調(diào)用的依據(jù)。圖2是實驗平臺數(shù)據(jù)庫設計圖。

圖2 平臺數(shù)據(jù)庫設計圖

3 Flash動畫制作步驟

(1)需求分析—需求分析是整個平臺的基礎，其重點是收集分析用戶(學生)對課件的要求。例如，本課程的一些難點內(nèi)容包括氣體放電和小橋理論等，往往在理論教學過程中無法用文字形象地表現(xiàn)其微觀發(fā)展過程，而采用交互課件的話，可以通過文字、模型、實物圖片以及動畫的形式，讓學生具有直觀的認識。

(2)腳本設計—腳本設計能夠決定動畫最終整體思路、場景過程、素材選擇和教學效果。通常腳本設計分為文字腳本編寫和場景腳本創(chuàng)作。本平臺文字腳本編寫首先明確了教學內(nèi)容和重要的教學環(huán)節(jié)，例如在氣體放電實驗中著重體現(xiàn)了不同電極結(jié)構(gòu)對氣體放電的影響;場景選擇上盡量采用直觀簡潔的背景，便于學生使用時方便選擇。

(3)素材準備—素材是制作動畫的基本要素，包括了文字、圖像、聲音和視頻等。在動畫制作之前應盡可能地準備詳盡的素材。由于使用該平臺的對象為本科生，而他們只是在課本中學習了相關設備知識，并未接觸到實物。因此，平臺中除了為實驗提供了文字說明外，還對其涉及的相關電氣設備配備了圖片及說明。

(4)動畫制作—運用Flash制作動畫的過程包括:研究動畫過程，根據(jù)腳本設計關鍵幀;根據(jù)場景和圖形規(guī)劃相關圖層;設計第一幀，并將相關圖形或文字放置于各個圖層第一幀;制作中間幀，完成場景轉(zhuǎn)換過程;輸入命令控制語句，例如開始和暫停等;進行性能測試，觀看演示效果。

(5)動畫調(diào)試—動畫制作完畢后，通過播放器進行本地播放演示，考察動畫的播放性能，評估其邏輯是否合理，功能是否完備。然后載入平臺中，通過局域網(wǎng)中其它計算機進行下載播放測試，考察其遠程播放性能。

(6)動畫組裝—制作完畢的一系列動畫課件組成了一個高電壓虛擬實驗平臺。該平臺最終需在教學中應用，因此測試和調(diào)試完畢的課件需及時通過平臺發(fā)布上網(wǎng)。

4 虛擬實驗的模型構(gòu)建

我們以氣體放電虛擬實驗為例討論模型構(gòu)建。

氣體放電的形式有很多，在這里我們結(jié)合課程內(nèi)容選取了幾種具有典型代表性質(zhì)的氣體擊穿模型:板板模型、板棒模型和棒棒模型，如圖3所示。

構(gòu)建模型時設計先選擇相應模型，把三種放電模型做成按鍵元件，用戶點擊按鍵元件后發(fā)出對應的指令現(xiàn)實模型選擇。構(gòu)建思路如圖4所示。

圖3 典型的氣體擊穿模型

圖4 模型選擇構(gòu)建

在確定了擊穿模型后，可以設置放電參數(shù)。對擊穿有影響的因素有:電壓所加電壓的幅值及波形、通過電流的大小、所加電壓的頻率、氣體的壓力等，但是由于Flash技術不適合多參數(shù)計算，因此這里只選用了電壓大小和電極距離二個參數(shù)。

5 氣體擊穿實驗教學實例

我們以氣體擊穿實驗的板板模型為例進行說明，如圖5所示。

圖5 板板模型的氣體放電實驗

界面中提供電源電壓和電極板距離選擇，然后點擊演示，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應數(shù)據(jù)進行驗證達到何種狀態(tài)。例如，平板間隙之間距離為5cm，所施加電壓為100kV，根據(jù)空氣在均勻場中擊穿電壓為30kV/cm計算得到擊穿15cm的空氣間隙，至少需要150kV的交流電壓，因此此時系統(tǒng)將提示該電壓無法擊穿此間隙。而當我們選擇極間距離為1cm，電壓為150kV時，由于該電壓遠遠超過平板間隙的擊穿電壓。根據(jù)湯森定理，該空氣間隙將產(chǎn)生電子崩，直至擊穿，如圖6所示。

圖6 板板模型擊穿

由此可見學生根據(jù)不同的放電模型可選擇相應的電壓及電極距離進行模擬實驗，在進入實驗室實驗之前可以更好地預習和認知。

6 結(jié)語

本文中將Flash技術應用于高電壓虛擬實驗室的制作中，集成了文字、聲音、圖形和動畫等多種媒體素材，使知識的傳播更加生動。同時，利用校園網(wǎng)絡發(fā)布該虛擬實驗室，構(gòu)成遠程教學系統(tǒng)，使其變成不受時間和空間限制的虛擬教室。目前高壓虛擬實驗室的建設尚處于探索過程。在這個探索過程中，還需要完善各項功能、增加實踐內(nèi)容知識點和增強素材的表現(xiàn)力，力爭構(gòu)建一種新型的實踐教學模式。

［1］ 廖俊杰，F(xiàn)lash在多媒體教學課件開發(fā)中的應用［J］.北京:中國集體經(jīng)濟，2007(5)

［2］ 徐志鵬;王婷;王光艷，F(xiàn)lash技術在熱力學虛擬實驗室的應用［J］.哈爾濱:中國電力教育，2010(7)

［3］ 張志敏，李賢敏.基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室的研究［J］.北京:實驗技術與管理，2008