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岩石力学虚拟实验系统的开发

[摘要]针对岩石力学中三大基础实验,利用Flash软件及其编程技术开发的岩石虚拟实验系统,突破了时空的限制,把实验设备、教学内容、教师指导和学习者的思考及操作有机融合为一体,探索了岩石力学实验教学的新模式。
　　[关键词]岩石力学 虚拟系统 Flash
　　
　　近年来,随着国内各高等学校招生规模不断扩大,给高校实验教学造成了一定压力,学生人均实验次数明显减少。为解决上述问题,支持我校岩石力学精品多媒体课程建设,本着创新和探索精神开发了此实验系统。从当前国内外教学方式来看,多媒体教学势必成为以后教学的主要方式。因此,精品多媒体课程处于大量紧缺之中,虚拟实验系统有着很好的应用前景。

　　本系统利用Flash软件及其编程技术作为主要工具开发了此实验系统。Flash软件是美国Macromedia公司开发研制的一种矢量动画制作软件,矢量动画的优点是:文件体积小,图像清晰,任意放大和缩小图像不矢真,便于网络传输,Flash集成的ActionScript(动作脚本语言)使动画具有很强的交互性。同时,Flash软件对图形具有良好的控制能力,在动画中图形可根据鼠标的操作和程序设定作出相应的变化,如移动、鼠标响应、鼠标拖动等。
　　一、系统开发目标
　　岩石力学是一门实践性和理论性很强的课程,由于受教学的课时限制,不可能让每个学生都能进行实验操作,造成教师和学生在讲授、学习本课程实验时都有一定的困难。加之目前实验设备和资源的不足,因此开发网络虚拟实验系统事在必行,同时网络虚拟实验系统可以实现资源共享,便于远程学习与交流。更重要的是它打破了时间、地域的限制,使人们可以不受时间和地域的影响进行学习与交流。
　　开发该系统的目标是:尽可能采用最新的计算机多煤体技术,将文字、图像、动画等相结合,使岩石力学的大部分章节的实验原理、实验过程等课堂上不易讲授的内容在计算机上显示出来,使之成为岩石力学与工程课程教学的重要辅助手段,以缩短教学时间,提高教学质量。
　　二、开发设计过程
　　该虚拟实验系统包括四个部分:岩石单轴压缩虚拟实验、岩石单轴抗拉强度虚拟实验、岩石点载荷虚拟实验和岩石三轴压缩虚拟实验。其中每个实验又分为六个部分:实验原理、实验目的、实验仪器及设备、实验演示、实验操作和数据分析。内容详细分明,严格按照实验过程进行阅读和操作。能够真正使实验者在网上学习到实验的操作规程和步骤,并能亲自在网上模拟实验室中的各种现场操作。
　　实验原理,实验目的和数据分析都属于文字与图表的说明性板块。在制作中将相关文字与图表逐桢添加,然后有控制地逐桢显示。
　　实验设备与仪器中要添加仪器图片,并能使用户有选择性地查看相关仪器图片说明。这里我们运用了Flash中的ActionScript编程语言,实现了鼠标响应事件,使用户通过鼠标操作就能够有选择行地查看图片,正确的认识和使用实验仪器。实验演示的制作用到了Flash中的动画编制功能。首先,依照真实仪器设备创建简单的虚拟实验模拟设备模型;然后,按照实验操作规程,一步一步地将实验过程以动画的方式完整地演示出来,并加入文字注解说明,将操作步骤和相关注意事项同步显示出来。在动画演示的时候留有足够的时间间隔,使用户能够了解实验的每一个操作步骤和注意事项。实验操作用了鼠标响应功能来控制实验进程。同时,为了确保用户在提示下能正确的操作,我们用影片剪辑和按钮剪辑相互封套的方式实现模块间的对话。这样,系统就可以自己检查用户的操作,只有操作正确才能进行下一步,使用户能够真正掌握实验步骤和注意事项。
　　三、关键技术与编程实现
　　实验操作板块的开发是整个虚拟实验系统重点和难点。在这个板块里,需要用户自己亲自操作虚拟实验设备,并且关键是要能够实现系统的自检核对功能,保证用户实现正确操作。这里用到了较多的ActionScript编程语言,鼠标响应,拖动,按钮控制,模块内部和模块之间对话等操作。例如,在虚拟岩石单轴压缩实验中,需要实验者将岩石试件放入实验用的液压设备中,在此过程中用到的动作脚本语言为:
　　岩石试件的拖放:
　　on(press)
　　{startDrag(“试件”);}
　　on(release)
　　{stopDrag();
　　if(_root.试件._x>490&&_root.试件._x<580&&_root.试件._y>370
　　&&_root.试件._y<510)
　　gotoAndPlay(483);}
　　压力杆的拖动:
　　on(press)
　　{startDrag(“”,false,93,99.7,93,111.2);}
　　on(release)
　　{stopDrag();
　　if(_y>100) v=1;}
　　四、开发设计结果
　　按照预期的目标,将每个虚拟实验系统分为六个模块:实验原理、实验目的、实验仪器及设备、实验演示、实验操作和数据分析。其中的实验原理、实验目的和实验数据分析,经过资料收集与整理,内容详尽分明。确保了使用者在网上能够真正学习到实验的操作规程和步骤,并能亲自在网上模拟实验室中的各种现场操作。在开发制作过程中,实现了文字和图形的动态变化和显示,图形和文字的模块化,模块和模块之间的对话控制,还实现了响应鼠标,自动控制,判断和传递信息等交互功能。
　　五、结语
　　此系统开创了岩石力学实验教学的新模式,为岩石力学实验改革提供了有力工具,实现了实验教学内容在时间和空间上得到延伸;达到了进行开放性教学模式的目的,实现了远程教育的功能;解决了我校扩招后给岩石力学实验教学带来的压力;培养了学生的创新思维与思考能力。
　　
　　参考文献:
　　[1]胡丰等.利用Flash技术开发理论力学网络作业.力学与实践,2006,(1).
　　[2]蔡美峰等.岩石力学与工程.北京:科学出版社,2002.
　　[4]李强,陈波,张静珊.闪客动画.成都:四川电子音像出版中心,2004.