王 璁，屠幼萍

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

“高電壓技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)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(qiáng)電場(chǎng)下的特性、電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù)和電力系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合。而實(shí)踐課程內(nèi)容與電力系統(tǒng)工程實(shí)際聯(lián)系緊密，實(shí)踐過(guò)程中涉及較多電介質(zhì)中的電現(xiàn)象和電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。因此，在實(shí)踐教學(xué)中最大的困難在于如何形象準(zhǔn)確地描述上述內(nèi)容，如各種電場(chǎng)條件下微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及放電的形成過(guò)程。

1 高電壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

“高電壓技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中所涉及到的電氣設(shè)備價(jià)格昂貴且體積龐大，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)需投入大量經(jīng)費(fèi)和配套設(shè)施。加之高電壓實(shí)驗(yàn)有電壓等級(jí)高、電流大以及需要建設(shè)單獨(dú)接地網(wǎng)的特點(diǎn)，具有一定的危險(xiǎn)性，所以實(shí)驗(yàn)室需要有保護(hù)裝置和較大的實(shí)驗(yàn)空間。因此多數(shù)高校在該課程中開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少，且多為演示實(shí)驗(yàn)。

我們參考其他學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)［1-3］，提出利用網(wǎng)絡(luò)流媒體技術(shù)(Flash)來(lái)構(gòu)建高電壓虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案。學(xué)生利用虛擬技術(shù)仿真或虛構(gòu)實(shí)驗(yàn)情景，以鼠標(biāo)的點(diǎn)擊拖動(dòng)，將微機(jī)上虛擬的各種儀器，按實(shí)驗(yàn)要求和過(guò)程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括原材料的添加，實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理分析等。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系是較早開(kāi)始虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的院系。該系早在1988年就創(chuàng)立了微電子在線實(shí)驗(yàn)室。十年后該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)投入教學(xué)使用測(cè)試后得到了師生的好評(píng)。上海交通大學(xué)國(guó)家工科物理教學(xué)基地物理實(shí)驗(yàn)中心的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)室是面向大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，正在建設(shè)和完善中。福建廣播電視大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試運(yùn)行以來(lái)取得了很好的效果。國(guó)內(nèi)許多高校相繼開(kāi)發(fā)了一批新的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)構(gòu)建

考慮到我校的虛擬平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育，我們采用Flash+Access相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

Flash軟件能夠通過(guò)幾十K字節(jié)就能做出復(fù)雜的交互式矢量動(dòng)畫，利于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交互式操作。平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access管理，存儲(chǔ)了各種設(shè)備的出廠數(shù)據(jù)和歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1是平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖。目前實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)大項(xiàng)中包括了氣體放電、絕緣油的擊穿、介質(zhì)損耗測(cè)量和泄漏電流測(cè)量等。大項(xiàng)中包含多個(gè)小項(xiàng)，便于學(xué)生了解電氣設(shè)備的測(cè)試技術(shù)和方法。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access2007設(shè)計(jì)，考慮到了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，我們將每個(gè)子項(xiàng)單獨(dú)分開(kāi)制表。表中存儲(chǔ)相應(yīng)的出廠數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為Flash調(diào)用的依據(jù)。圖2是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)圖。

圖2 平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)圖

3 Flash動(dòng)畫制作步驟

(1)需求分析—需求分析是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)，其重點(diǎn)是收集分析用戶(學(xué)生)對(duì)課件的要求。例如，本課程的一些難點(diǎn)內(nèi)容包括氣體放電和小橋理論等，往往在理論教學(xué)過(guò)程中無(wú)法用文字形象地表現(xiàn)其微觀發(fā)展過(guò)程，而采用交互課件的話，可以通過(guò)文字、模型、實(shí)物圖片以及動(dòng)畫的形式，讓學(xué)生具有直觀的認(rèn)識(shí)。

(2)腳本設(shè)計(jì)—腳本設(shè)計(jì)能夠決定動(dòng)畫最終整體思路、場(chǎng)景過(guò)程、素材選擇和教學(xué)效果。通常腳本設(shè)計(jì)分為文字腳本編寫和場(chǎng)景腳本創(chuàng)作。本平臺(tái)文字腳本編寫首先明確了教學(xué)內(nèi)容和重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，例如在氣體放電實(shí)驗(yàn)中著重體現(xiàn)了不同電極結(jié)構(gòu)對(duì)氣體放電的影響;場(chǎng)景選擇上盡量采用直觀簡(jiǎn)潔的背景，便于學(xué)生使用時(shí)方便選擇。

(3)素材準(zhǔn)備—素材是制作動(dòng)畫的基本要素，包括了文字、圖像、聲音和視頻等。在動(dòng)畫制作之前應(yīng)盡可能地準(zhǔn)備詳盡的素材。由于使用該平臺(tái)的對(duì)象為本科生，而他們只是在課本中學(xué)習(xí)了相關(guān)設(shè)備知識(shí)，并未接觸到實(shí)物。因此，平臺(tái)中除了為實(shí)驗(yàn)提供了文字說(shuō)明外，還對(duì)其涉及的相關(guān)電氣設(shè)備配備了圖片及說(shuō)明。

(4)動(dòng)畫制作—運(yùn)用Flash制作動(dòng)畫的過(guò)程包括:研究動(dòng)畫過(guò)程，根據(jù)腳本設(shè)計(jì)關(guān)鍵幀;根據(jù)場(chǎng)景和圖形規(guī)劃相關(guān)圖層;設(shè)計(jì)第一幀，并將相關(guān)圖形或文字放置于各個(gè)圖層第一幀;制作中間幀，完成場(chǎng)景轉(zhuǎn)換過(guò)程;輸入命令控制語(yǔ)句，例如開(kāi)始和暫停等;進(jìn)行性能測(cè)試，觀看演示效果。

(5)動(dòng)畫調(diào)試—?jiǎng)赢嬛谱魍戤吅?，通過(guò)播放器進(jìn)行本地播放演示，考察動(dòng)畫的播放性能，評(píng)估其邏輯是否合理，功能是否完備。然后載入平臺(tái)中，通過(guò)局域網(wǎng)中其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行下載播放測(cè)試，考察其遠(yuǎn)程播放性能。

(6)動(dòng)畫組裝—制作完畢的一系列動(dòng)畫課件組成了一個(gè)高電壓虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)最終需在教學(xué)中應(yīng)用，因此測(cè)試和調(diào)試完畢的課件需及時(shí)通過(guò)平臺(tái)發(fā)布上網(wǎng)。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)的模型構(gòu)建

我們以氣體放電虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)設(shè)計(jì)先選擇相應(yīng)模型，把三種放電模型做成按鍵元件，用戶點(diǎn)擊按鍵元件后發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令現(xiàn)實(shí)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(shè)置放電參數(shù)。對(duì)擊穿有影響的因素有:電壓所加電壓的幅值及波形、通過(guò)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(shù)不適合多參數(shù)計(jì)算，因此這里只選用了電壓大小和電極距離二個(gè)參數(shù)。

5 氣體擊穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

我們以氣體擊穿實(shí)驗(yàn)的板板模型為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖5所示。

圖5 板板模型的氣體放電實(shí)驗(yàn)

界面中提供電源電壓和電極板距離選擇，然后點(diǎn)擊演示，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證達(dá)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(chǎng)中擊穿電壓為30kV/cm計(jì)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(shí)系統(tǒng)將提示該電壓無(wú)法擊穿此間隙。而當(dāng)我們選擇極間距離為1cm，電壓為150kV時(shí)，由于該電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jiàn)學(xué)生根據(jù)不同的放電模型可選擇相應(yīng)的電壓及電極距離進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)之前可以更好地預(yù)習(xí)和認(rèn)知。

6 結(jié)語(yǔ)

本文中將Flash技術(shù)應(yīng)用于高電壓虛擬實(shí)驗(yàn)室的制作中，集成了文字、聲音、圖形和動(dòng)畫等多種媒體素材，使知識(shí)的傳播更加生動(dòng)。同時(shí)，利用校園網(wǎng)絡(luò)發(fā)布該虛擬實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)成遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，使其變成不受時(shí)間和空間限制的虛擬教室。目前高壓虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)尚處于探索過(guò)程。在這個(gè)探索過(guò)程中，還需要完善各項(xiàng)功能、增加實(shí)踐內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)和增強(qiáng)素材的表現(xiàn)力，力爭(zhēng)構(gòu)建一種新型的實(shí)踐教學(xué)模式。

［1］ 廖俊杰，F(xiàn)lash在多媒體教學(xué)課件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用［J］.北京:中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)，2007(5)

［2］ 徐志鵬;王婷;王光艷，F(xiàn)lash技術(shù)在熱力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用［J］.哈爾濱:中國(guó)電力教育，2010(7)

［3］ 張志敏，李賢敏.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008