利用惠斯登电桥测电阻虚拟实验的设计与实现

王军锋，归达伟

(1陕西省远程教育研究中心;2陕西广播电视大学现代教育技术中心，陕西 西安 710068)

利用惠斯登电桥测电阻虚拟实验的设计与实现

王军锋1，归达伟2

(1陕西省远程教育研究中心;2陕西广播电视大学现代教育技术中心，陕西 西安 710068)

针对开放教育远程环境下开展实验的困难，介绍了“惠斯登电桥测电阻”虚拟实验的设计思想及其实现的方法。指出该方法给远程学生提供了一个真实的仿真环境，并取得了较好的教学效果。

惠斯登电桥;测电阻;虚拟实验;Flash

物理教学中的实验教学能够加深学生对物理知识的掌握和理解，提高学生实践技能及学习效果，因此在整个教学环节具有十分重要的地位［1］。

远程开放教育学生在学习大学物理时存在以下几个方面困难:一是开放教育本身面授课只有普通高校课时安排的三分之一，学生对于学习内容不能通过实验来很好地理解;二是对于电学实验来说，学生如果没有事先对实验操作要点很好的掌握，实验中容易发生实验事故;三是传统物理实验教学受实验时间、实验场地、实验设备等方面的制约，学生多次重复实验的机会很少;四是开放教育学生都是在职成人，学习主要靠业余时间来完成，加之学生分布在全省各地，要统一集中来做物理实验几乎不大可能［2-3］。

选择网络虚拟实验可以满足全省各地学生不同时间、不同地点开展实践学习的要求;可以满足学生多次重复做实验的要求;可以避免传统实验中不安全事故的发生;可以不受实验设备、实验场地等方面的限制，优化教学结构，最大限度地满足学生实验需要，提高学习效率，可以很好地应用于远程教育中［4］。

电阻是一切电子学元件的重要参数之一，电阻的测量，是关于材料的特性和电器装置性能研究的最基本工作［5］。以惠斯登电桥测电阻解决了其他测量法准确度不高的问题，而且可以用于测量电感、电容、频率、压力、温度、形变等许多物理量，该实验是开放教育大学物理课程的重要实验之一。鉴于开放教育的特点以及学生的分布、时间和空间的差异以及工学矛盾突出等实际情况，我们选择网络开展惠斯登电桥测电阻虚拟实验，以解决大学物理实验组织实施中的各种“难”题，提高教学效率，进而提高课程教学质量。

1 利用惠斯登电桥测电阻虚拟实验的设计

根据大学物理实验的自身要求与特点，本着操作模拟真实感强、系统启动快、运行简便、维护便捷、有助于提高实效的原则，我们运用虚拟现实技术，开发了惠斯登电桥测电阻的虚拟实验，来帮助学生学习电阻的测量，进而掌握电阻、电压和电流之间的关系，为进一步学习打下良好的基础。为了使学生的操作更加贴近实验实际，我们将整个实验分为物理实验流程和计算机虚拟实现过程，根据实验的物理流程，将实验操作在计算机产生的虚拟空间中加以实现［1］。

1.1 虚拟实验的设计

实验的功能设计:能够实现惠斯登电桥的电路连接，能够实现粗测电阻、精测电阻，其测量电阻的范围为1-10千欧，实验中我们安排测量三个阻值电阻。为了使学生了解网络实验过程，我们特地在实验台栏目下设置了实验导航栏目，将教师操作的过程录制成视频，学生可以点击观看。实验的具体网址为:

http://vod.sxrtvu.edu/jpkj/dxwlsy/huisideng/index.htm.

课件名称和分支目录的设计:在主流程线上放置两个显示图标，其中“课件名称”用来制作标题和界面背景;“课件分支目录”用来制作导航内容，包括“实验目的”、“实验原理”、“实验仪器”、“实验内容”、“实验台”和“思考练习”6个部分。

系统控制的设计:在主流程线上放置一框架图标，命名为“系统控制”，利用6个群组图标分别引入计算图标调用上述6个部分，实现课件页面间的跳转。

语音部分的制作:语音通过数字化声音处理设备录制，然后进行编辑处理。目前的P C机配麦克风大都能够完成此项工作。

运行环境:硬件要求PⅡ/赛扬以上多媒体电脑，至少有200MB以上的剩余硬盘空间;软件要求Microsoft Windows 98/ME/2000/XP简体中文操作系统，Microsoft Internet Explorer 5.50及以后版本浏览器，动画播放插件(FlashPlayer7.0)。

1.2 开发虚拟实验应用的软件

实验中用到的软件分别是Flash CS 4、Action Script 2.0、Photoshop CS 4。

Flash是美国Macromedia公司于1999年6月推出的优秀网页动画设计软件。它是一种交互式动画设计工具，可以将音乐、声效、动画以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品质的网页动态效果。具有能使用矢量图形和流式播放技术，所生成的动画(.swf)文件非常小，能把多种网页元素以交互方式融合在一起，并且可以直接嵌入网页的任一位置等特点［6］。

Action Script简称为AS，是Flash产品平台的脚本解释语言。该语言可以实现Flash中内容与内容，内容与用户之间的交互。利用Flash和自带的Action Script软件来实现实验的控制和交互行为的实现［7］。

Photoshop是由adobe公司生产的一个图像处理软件，主要有图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作等功能。利用Photoshop主要为实验制作各种电器元件图库。

1.3 虚拟实验台

虚拟实验台由虚拟的QJ23型电桥、滑线式电桥、电阻箱、检流计、滑线变阻器、直流稳压电源等组成，具体如图1所示。

图1 虚拟实验台运行效果示意图

2 惠斯登电桥测电阻虚拟实验的实现

2.1 实验原理

学习该实验的目的是让学生掌握惠斯登电桥测电阻的原理，学会正确自组电桥测量电阻的方法，了解提高电桥灵敏度的几种途径，为进一步的学习打下基础，电路图如图2所示。

图2 实验电路图

它是由四个电阻R2，R3，R4和Rx联成一个封闭四边形，在四边形的对角A和B上接入直流电源，对角C和D之间接入检流计而组成，如图所示。图中四边形的每一条边称为电桥的一个臂，而CD这条对角线就是所谓“桥”。“桥”的作用是将C、D两点的电位直接进行比较，当C、D两点电位相等时，检流计G中没有电流通过，即IG=0，电桥便达到了平衡。这时有:

根据上式，即可算出待测电阻Rx的阻值。

测电阻时要重复实验3次，即可得到三个电阻值，求其平均数，即为被测电阻阻值［8］。

2.2 虚拟实验的实现

学生在进入正式实验前，先虚拟粗测所选择电阻阻值(如图3所示)。

图3 粗测电阻示意图

欧姆表的设置为:

on(press){

this.startDrag(false)

}

on(release){

this.stopDrag()

if(this.hitTest(_root.dianzu) ＆＆_root.rightbi.hitTest(_root.dianzu))

{

_root.cuce.text=_global.rx+(Math.round(Math.random()*100));

_root.dy(-40);

}

}

粗测阻值后，进入虚拟实验台，连接好电路图后，首先要将滑动变阻器的值设置为最大，以免在实际实验中烧毁仪器，滑动变阻器的设置为:

on(press){

_global.zoom=25;

zhizhen3._visible=true;

zhizhen1._visible=false;

zhizhen2._visible=false;

}

然后，对于电阻箱和电流表进行初始化，主时间轴上的动作代码为:

stop()

mysound=new Sound();

mysound.attachSound("start1")

/*开关

sswitchs._visible=true;

sswitch1s._visible=false;

*/

//滑动变阻器指针

zhizhen2._visible=false;

zhizhen3._visible=false;

//滑动变阻器指针

_global.r1=0;

_global.r2=0;

_global.r0=0;

_global.deflection=0;

_global.zoom=1;

//指针偏转

pin._rotation=0;

ax=0;

vx=0;

function dy1(dd){

onEnterFrame=function(){

a=dd-pin._rotation;

ax=0.05*a;

vx=(vx+ax)*0.9;

pin._rotation+=vx;

};

}

//指针结束

//Play Internal Sound Behavior

if(_global.Behaviors==null)_global.Behaviors={};

if(_global.Behaviors.Sound==null)_global.Behaviors.Sound={};

if(typeof this.createEmptyMovieClip== ＇unde fined＇){

this._parent.createEmptyMovieClip( ＇BS_start＇，new Date().getTime()-(Math.floor((new Date().getTime())/10000)*10000));

_global.Behaviors.Sound.start=new Sound(this._parent.BS_start);

}else{

this.createEmptyMovieClip( ＇_start_ ＇，new Date().getTime()-(Math.floor((new Date().getTime())/10000)*10000));

_global.Behaviors.Sound.start=new Sound(this.BS_start);

}

_global.Behaviors.Sound.start.attachSound("start");

if(false){

_global.Behaviors.Sound.start.start(0，1);

}

//End Behavior

接下来，调整电阻箱阻值，电阻箱旋钮上的动作设置为:

on(rollOver){

this._xscale=100;

this._yscale=100;

this.swapDepths(-16376);

}

on(rollOut)

{

this._xscale=50;

this._yscale=50;

}

on(press){

this._rotation+=36;

_global.r1=(_root.R1S.b4._rotation+360)%360/36+(_root.R1S.b3._rotation+360)%360/36*10+(_root.R1S.b2._rotation+360)%360/36*100+(_root.R1S.b1._rotation+360)%360/36*1000;

//Play Sound Behavior

_global.Behaviors.Sound.start.start(0，1);

//End Play Sound Behavior

}

当电阻箱设置完成后，点击电流表黄色按钮就可观察电流大小，电流计上的动作设计语句为:

on(press){

/*_level0.biaopan1._x=370;

_level0.biaopan1._y=280;

_level0.biaopan1._xscale=100;

_level0.biaopan1._yscale=100;

_level0.biaopan1._rotation=180;*/

_global.e=12;

_global.deflection=(_global.rx/(_global.r1+_global.rx)-_global.r0/(_global.r2+_global.r0))*_global.e*_global.zoom;

trace(_global.deflection);

_root.dy1(_global.deflection);

}

on(rollOut){

_root.dy1(0);

}

当电流表指针没有摆动或摆动不大时，需要移动滑动变阻器来调整电阻值，对滑动变阻器上的动作设置分别为:

on(press){

_global.zoom=1;

zhizhen1._visible=true;

zhizhen2._visible=false;

zhizhen3._visible=false;

}

和on(press){

_global.zoom=15;

zhizhen2._visible=true;

zhizhen1._visible=false;

zhizhen3._visible=false;

}

至此，实验台程序设计部分就已完成，运行结果如图1所示。

3 讨论

通过以上实验，学生已经对整个实验原理、实验过程以及程序的运行等方面有了一个完整的认识，对于电阻这一抽象的知识点有了一个清晰的理解，完全达到了传统实验的实验效果。对于远程开放教育而言，虚拟实验还具有以下优点:

3.1 给学生提供了“人人可学、处处可学、时时可学”的学习环境

采用网络课件开展实验教学，很好地解决了成人学生的工学矛盾，使每个学生在办公室、家里、甚至上班途中的公交车上都可以借助笔记本、上网本、3G手机等移动网络终端开展学习，而且没有实验时间和实验次数的限制，消除了传统实验室开展实验的紧张感，使学生全身心愉快地投入到学习之中。

3.2 便于升级和扩展

采用虚拟实验，方便对课件的升级，同时也利于在此基础上开发其他网络实验课件。我们以惠斯登电桥测电阻虚拟实验为基础，陆续开发出了电位差计测电动势网络课件、基本放大电路基础网络课件等网络实验，受到学生们的普遍欢迎。

3.3 节约实验成本

采用网络虚拟实验，没有昂贵的实验室筹建和实验仪器的购置费用，也避免了使用中的维护费用，极大地降低了实验和维护的成本［9］。

3.4 交互性强，师生交流更便捷，教学效果明显

配合虚拟实验的网络管理系统，学生可以在线提交实验结果，由系统自动判断正误并给出反馈，不仅减轻了指导教师的工作量，而且可以将实验作为课后作业布置些信息通过QQ群组、TAG技术关联整合起来，便于师生互动、交流，提高教学效果。据调查，97%的受访学生认为，虚拟实验能够激发学习兴趣，解决工学矛盾，提高学习效率。

［1］黄斌，姚正军，王红杰，等.材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发［J］.实验力学，2005，20(12):573

［2］蒋琴仙，施江澜.用远程教育系统实现网上虚拟实验［J］.中国远程教育，2005，(12):62

［3］瞿曌.网上虚拟实验的研究与教学［J］.教育探索，2004，(11):68

［4］张瑛.《研究串联电路》虚拟实验的设计与实现［J］.中小学信息技术教育，2006，(7-8):138

［5］用惠斯通电桥测电阻［DB/OL］.http://www.docin.com/p-44023644.html

［6］Macromedia Flash 8［DB/OL］.http://baike.baidu.com/view/179996.htm

［7］Flash动作脚本之:了解 Action Script2.0(1)-Flash教程［DB/OL］.http://www.mb5u.com/jiaocheng/19096.html

［8］惠斯登电桥测电阻［DB/OL］.http://lxy.ccu.edu.cn/wulishiyan/hsd.aspx

［9］陆海云.虚拟实验的创造力量［J］.中国远程教育，2006，(3):32

Design and implementation of the"Wheatstone Bridge Resistance Measurement"virtual experiment

Wang Junfeng1，Gui Dawei2
(1Distance Education Research Center of Shaanxi Province，Xi＇an 710068;2Shaanxi Radio and Television University，Xi＇an 710068，China)

In order to solve some difficulties in carrying out experiments in an open distance education environment，this paper introduces the design ideas and implementation methods of the"Wheatstone Bridge Resistance Measurement"virtual experiment.This method can provide distance education students with a realistic simulation environment and has proven effective in improving teaching results.

Wheatstone Bridge;resistance measurement;virtual experiment;Flash

G434

A

1004-5287(2011)02-0170-05

2010-11-29

王军锋(1971-)，男，陕西扶风人，副教授，教育技术硕士，主要研究方向:网络与远程教育。