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巖石力學虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)論文
[摘要]針對巖石力學中三大基礎實驗,利用Flash軟件及其編程技術開發(fā)的巖石虛擬實驗系統(tǒng),突破了時空的限制,把實驗設備、教學內(nèi)容、教師指導和學習者的思考及操作有機融合為一體,探索了巖石力學實驗教學的新模式。
[關鍵詞]巖石力學 虛擬系統(tǒng) Flash
近年來,隨著國內(nèi)各高等學校招生規(guī)模不斷擴大,給高校實驗教學造成了一定壓力,學生人均實驗次數(shù)明顯減少。為解決上述問題,支持我校巖石力學精品多媒體課程建設,本著創(chuàng)新和探索精神開發(fā)了此實驗系統(tǒng)。從當前國內(nèi)外教學方式來看,多媒體教學勢必成為以后教學的主要方式。因此,精品多媒體課程處于大量緊缺之中,虛擬實驗系統(tǒng)有著很好的應用前景。
本系統(tǒng)利用Flash軟件及其編程技術作為主要工具開發(fā)了此實驗系統(tǒng)。Flash軟件是美國Macromedia公司開發(fā)研制的一種矢量動畫制作軟件,矢量動畫的優(yōu)點是:文件體積小,圖像清晰,任意放大和縮小圖像不矢真,便于網(wǎng)絡傳輸,Flash集成的ActionScript(動作腳本語言)使動畫具有很強的交互性。同時,Flash軟件對圖形具有良好的控制能力,在動畫中圖形可根據(jù)鼠標的操作和程序設定作出相應的變化,如移動、鼠標響應、鼠標拖動等。
一、系統(tǒng)開發(fā)目標
巖石力學是一門實踐性和理論性很強的課程,由于受教學的課時限制,不可能讓每個學生都能進行實驗操作,造成教師和學生在講授、學習本課程實驗時都有一定的困難。加之目前實驗設備和資源的不足,因此開發(fā)網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)事在必行,同時網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)資源共享,便于遠程學習與交流。更重要的是它打破了時間、地域的限制,使人們可以不受時間和地域的影響進行學習與交流。
開發(fā)該系統(tǒng)的目標是:盡可能采用最新的計算機多煤體技術,將文字、圖像、動畫等相結合,使巖石力學的大部分章節(jié)的實驗原理、實驗過程等課堂上不易講授的內(nèi)容在計算機上顯示出來,使之成為巖石力學與工程課程教學的重要輔助手段,以縮短教學時間,提高教學質(zhì)量。
二、開發(fā)設計過程
該虛擬實驗系統(tǒng)包括四個部分:巖石單軸壓縮虛擬實驗、巖石單軸抗拉強度虛擬實驗、巖石點載荷虛擬實驗和巖石三軸壓縮虛擬實驗。其中每個實驗又分為六個部分:實驗原理、實驗目的、實驗儀器及設備、實驗演示、實驗操作和數(shù)據(jù)分析。內(nèi)容詳細分明,嚴格按照實驗過程進行閱讀和操作。能夠真正使實驗者在網(wǎng)上學習到實驗的操作規(guī)程和步驟,并能親自在網(wǎng)上模擬實驗室中的各種現(xiàn)場操作。
實驗原理,實驗目的和數(shù)據(jù)分析都屬于文字與圖表的說明性板塊。在制作中將相關文字與圖表逐楨添加,然后有控制地逐楨顯示。
實驗設備與儀器中要添加儀器圖片,并能使用戶有選擇性地查看相關儀器圖片說明。這里我們運用了Flash中的ActionScript編程語言,實現(xiàn)了鼠標響應事件,使用戶通過鼠標操作就能夠有選擇行地查看圖片,正確的認識和使用實驗儀器。實驗演示的制作用到了Flash中的動畫編制功能。首先,依照真實儀器設備創(chuàng)建簡單的虛擬實驗模擬設備模型;然后,按照實驗操作規(guī)程,一步一步地將實驗過程以動畫的方式完整地演示出來,并加入文字注解說明,將操作步驟和相關注意事項同步顯示出來。在動畫演示的時候留有足夠的時間間隔,使用戶能夠了解實驗的每一個操作步驟和注意事項。實驗操作用了鼠標響應功能來控制實驗進程。同時,為了確保用戶在提示下能正確的操作,我們用影片剪輯和按鈕剪輯相互封套的方式實現(xiàn)模塊間的對話。這樣,系統(tǒng)就可以自己檢查用戶的操作,只有操作正確才能進行下一步,使用戶能夠真正掌握實驗步驟和注意事項。
三、關鍵技術與編程實現(xiàn)
實驗操作板塊的開發(fā)是整個虛擬實驗系統(tǒng)重點和難點。在這個板塊里,需要用戶自己親自操作虛擬實驗設備,并且關鍵是要能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自檢核對功能,保證用戶實現(xiàn)正確操作。這里用到了較多的ActionScript編程語言,鼠標響應,拖動,按鈕控制,模塊內(nèi)部和模塊之間對話等操作。例如,在虛擬巖石單軸壓縮實驗中,需要實驗者將巖石試件放入實驗用的液壓設備中,在此過程中用到的動作腳本語言為:
巖石試件的拖放:
on(press)
{startDrag(“試件”);}
on(release)
{stopDrag();
if(_root.試件._x>490&&_root.試件._x<580&&_root.試件._y>370
&&_root.試件._y<510)
gotoAndPlay(483);}
壓力桿的拖動:
on(press)
{startDrag(“”,false,93,99.7,93,111.2);}
on(release)
{stopDrag();
if(_y>100) v=1;}
四、開發(fā)設計結果
按照預期的目標,將每個虛擬實驗系統(tǒng)分為六個模塊:實驗原理、實驗目的、實驗儀器及設備、實驗演示、實驗操作和數(shù)據(jù)分析。其中的實驗原理、實驗目的和實驗數(shù)據(jù)分析,經(jīng)過資料收集與整理,內(nèi)容詳盡分明。確保了使用者在網(wǎng)上能夠真正學習到實驗的操作規(guī)程和步驟,并能親自在網(wǎng)上模擬實驗室中的各種現(xiàn)場操作。在開發(fā)制作過程中,實現(xiàn)了文字和圖形的動態(tài)變化和顯示,圖形和文字的模塊化,模塊和模塊之間的對話控制,還實現(xiàn)了響應鼠標,自動控制,判斷和傳遞信息等交互功能。
五、結語
此系統(tǒng)開創(chuàng)了巖石力學實驗教學的新模式,為巖石力學實驗改革提供了有力工具,實現(xiàn)了實驗教學內(nèi)容在時間和空間上得到延伸;達到了進行開放性教學模式的目的,實現(xiàn)了遠程教育的功能;解決了我校擴招后給巖石力學實驗教學帶來的壓力;培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維與思考能力。
參考文獻:
[1]胡豐等.利用Flash技術開發(fā)理論力學網(wǎng)絡作業(yè).力學與實踐,2006,(1).
[2]蔡美峰等.巖石力學與工程.北京:科學出版社,2002.
[4]李強,陳波,張靜珊.閃客動畫.成都:四川電子音像出版中心,2004.
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