（电力电子与电力传动专业论文）电力电子学交互式虚拟实验及远程教育研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h el o n gh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r a i d e d i n s t r u c t i o n ，t h ef o r mo fc o m p u t e r a i d e di n s t r u c t i o nh a sd e v e l o p e d i n t om u l t i m e d i af o r m n o w a d a y s ，m a n yc o l l a g e sh a v e a d o p t e dt h e m u i t i m e d i ai n t e r a c t i r ei n s t r u c t i o nm e t h o d ，a n dt h i sm e t h o dh a sm a d ea b i gd i f f e r e n c et ot h ee f f i c i e n c yo ft h el e a r n i n ga n dt e a c h i n g n o w ，t h em o s ta d v a n c e dc a is o f t w a r ei np o w e re l e c t r o n i c si st h e i n t e r a c t i v ep o w e re l e c t r o n i c so n l i n e t e x t p r o g r a m m e db y s y d n e yu n i v e r s i t y b yt h eu s eo ft h ea c t i o n s c r i p ti nf l a s h ，w h i c hi so n eo ft h em o s t f a m o u sp r o d u c t so fm a c r o m e d i a ，w ec a ne m u l a t et h ee f f e c to ft h e 【n t e r a c t i v ev i r t u a le x p e r i m e n tr e a l i z e db yc o m p l e xj a v a o nt h eb a s i so ft h er e a l i z a t i o no fm u l t i m e d i ai n t e r a c t i v ev i r t u a i e x p e r i m e n t s i np o w e re l e c t r o n i c s ，w ec a n p r o c e e dt ob u i i dt h es y s t e m o fl o n g d i s t a n c ee d u c a t i o ni np o w e re l e c t r o n i c s o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sm e t h o do ft h er e a l i z a t i o no ft h e s e v i r t u a le x p e r i m e n t sa n dl o n g d i s t a n c ee d u c a t i o ni np o w e re l e c t r o n i c s w ilid om a k ead if f e r e n c et ot h ea n a l o g o u sd e v e l o p m e n ti no t h e r si m il a re n g i n e e r i n gc o u r s e s k e y w o r d s ：p o w e r e l e c t r o n i c s i n t e m c f i x e ，v i r t u a le x p e r i m e n t 1 0 n g - d i s t a n c ee d u c a t i o n f l a s h ，a c t i o n s c n p t 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪言 1 1 计算机辅助教学的背景 计算机辅助教学( c a i ) 至今已经有了3 0 多年的发展历史。c a i 课件逐渐 由单一的文本形式发展成了多媒体的形式，而且在由单机环境向分布式发展，目 前已进入了多媒体网络化交互式教学阶段。而目前流行的多媒体c a i 网络化教 学是使用计算机作为工具、利用网络技术、多媒体技术和现代教学技术进行教学 活动的一种崭新的教学形式。 利用多媒体编制的各类c a i 课件，是由计算机，声像设备和电子投影设备 进行的广播式或交互式教学活动。与传统教学模式相比多媒体c a i 课件具有生 动、形象、主动、灵活、因材施教、资源共享等特点。能根据学生的经历、学习 风格采取不同的教学策略，并能根据反馈信息为学生提供学习指导。教学形式从 面对面的教师教、学生听的单一课堂教学方式，变成广播式学习，个别化学习和 协同式学习等多种教学形式，实现了课堂教学的变革。 具体来说。利用多媒体辅助教学较之以往的教学方式具有如下的优点。 首先，是节约了备课的时间。利用电脑备课，可根据需要直接将现成的影视、 图文等材料输入电脑。任意组合。与传统的备课方式相比，所用时f i 自j 更少，而且 可利用的资料种类更加丰富。 其次，是节约了讲课的时间。传统课堂授课边板书边讲解，既费时又费劲。 用多媒体技术授课，能够将音、图、文等同步传输，只要在电脑上输入有关信息， 并可按自己的教学意图设计流程。上课时，只要按动鼠标就能将你要讲的内容调 到大屏幕上，非常的方便。 第三，教学效果好增强了吸引力。过去课堂教学通常以教师“讲得怎样” 来衡量，现在，却是以学生“学得怎样”柬衡量。多媒体能直观形象地表达动念 的过程，教师和学生处于主动的人机对话的学习状态，易于唤起学生的学习兴趣。 另外，利用多媒体辅助教学还可以集中学生的注意力。多媒体技术的超级连 接和随意转换使教师可以灵活控制前后内容之间的衔接，既可单独讲解某知识 点又可串起来f j 百后连贯学习使学生获得的知识连贯、系统克服了以往教学 中学生注意力容易分散的弊端【1 1 。 总之多媒体c a i 网络化教学的诞生是教学形式的一场革命。这种教学形 式教学信息内涵丰富，精简课时，提高教学质量和教学管理效率，可以预测它将 华中科技大学硕士学位论文 成为2 1 世纪教育的重要模式之一 2 1 。 1 2 计算机辅助教学的现状 目前，我国很多地方都已经开始运用了多媒体进行教学。因为这种教学方式 无疑是目前最直接，最能增强学生感性认识，而且也是最经济的一种教学手段。 但是现在制作这些多媒体课件的大多是限于中学的物理，化学和数学等方面。在 大学的高等教育中，教师或是学生对这方面的热情要稍低一些。 另外，即使是运用了多媒体，很爹隋况下教师只是把自己的讲义作成了p p t ( m i c r o s o f t 公司出品的o f f i c e 办公集成软件中的p o w e r p o i n t 软件) ，采用了放 幻灯片的方式。但是，一个优秀的c a i 课件应充分地发挥计算机多媒体的特点。 在制作过程中应注重视听教学的特征，突出启发教学，还应注重教学过程的科学 性和合理性，应做到构图合理、美观，画面清晰、稳定，色彩分明、色调悦目， 动画流畅，真实感强，解说、音乐清晰动听，功能丰富，演播运行安全可靠。所 以，这种多媒体辅助教学方法只是在很多时候节省了老师写黑板的时间，并没有 较之原来有很大程度上的更形象化，更便于学生接受。所以从严格意义上说这并 不能算是一种交互式很强的多媒体辅助教学。 1 3 本章小结 计算机辅助教学软件( c i a ) 的发展已经有很长的一段时间，它给课堂教和 学的效率的提高都提供了很好的支持。 目前，我国很多学校中都采用了多媒体的辅助教学方式，但是技术含量都不 高，而且多媒体的辅助教学从严格意义上讲并不能算很好的实现了交互。 2 华中科技大学硕士学位论文 第二章 电力电子学引入交互式教学方式的理论分析 2 1 引入交互式教学方式的必要性 众所周知，教学过程是教师和学生双方共同活动所形成的过程。其中存在这 教师的“教”和学生的“学”这样一对矛盾的对立统一。从学生的“学”这一方 面来说，它属于学习活动，应当遵循人类学习过程的认知规律。而从教师的“教” 这一方面来说，它属于教学活动，正如美国著名教育心理学家罗伯特m 加涅 所指出的，教学活动只是一种旨在影响学习者内部心理过程的外部刺激。加涅这 是由此认识出发，提出了“教学活动必须与学习者内部心理过程相适应”的观点。 显然，科学的提法应当是把“学”看成是认知过程( 也包括情感过程) ，而把“教” 看作是影响和促进“学”的一种外部条件。把“教”和“学”二者合在一起统称 之为认知过程或认识过程的做法是不可取的、不科学的p j 。 传统的教学系统是由教师、学生和教材( 教学内容) 这三个要素构成的，在 现代化教学环境下还要多增加一个要素，这就是教学媒体。所以在教学中引入多 媒体交互式的辅助教学方式，就是要更好的从适应学生心理接受过程的角度出 发，影响和促进学生的学习效率【4 li s 】。 电力电子学是高等学校工科电气信息类、电气工程及其自动化专业、自 动化专业的学生所必修的一门专业必修基础课程。它主要是以电工、电子学和控 制理论最基本的原理为起点，完整、系统地讲述了电力电子变换和控制技术的基 础知识、新技术的发展和应用前景【6 】。 具体对于电力电子学课程的教学来说，原来静态的教学方法在很大程度 上限制了学生的学习效率和接受效果。 特别是在讲述电路的开关器件的工作过程和实时的电流、电压变化情况时， 老师一般都要花很多的时间在黑板上画出波形图，而且只能画出开关器件在典型 的导通角( 如6 0 0 或9 0 0 ) 时的波形，而这使得老师和学生都重复花费了很多无 谓的时间。 即使是在采用了用p o w e r p o i n t 软件制作的课件之后，通过幻灯片的播放， 也只能是演示事先画出的几个典型导通角时的波形图而已，也不能算高性能的交 互式。 所以，要提高学生在电力电子学这门课上的学习效率，教学方法和模式 华中科技大学硕士学位论文 上的问题就是首要解决的内容。而在其中引入交互式很强的多媒体辅助软件就势 在必行。 2 2电力电子学计算机辅助教学的发展现状 据已掌握的资料来看目前电力电子学最前沿的交互式课件是由悉尼大学用 3 蝌a 语。苦菜编写镪镪i 矾e r a c t i v ep o w e re l e c t r o n l c so n l l i v et e 盯，该 辅助软件能完成对所讲授电路的简单仿真，在实时表示电路中的电流流向的同 时，动态描绘出各点电流或是电压的波形。同时能允许用户随意输入参数，提供 实时观察的电路工作情况，进而使学生深入了解电路中的开关器件的工作原理。 我们本专业老师和同学也曾经在电力电子学的多媒体辅助教学软件的实现 方面作过很多尝试和努力。最开始是在1 9 9 9 年暑，曾经筹划着用名为a u t h o r w a r e 的课件制作软件制作电力电子学的多媒体辅助教学课件，但是当时只是在软件工 程方面做了个文档，实际东西只是到了乔面。 圆为，目前悉昆大学钓j m e r a c t f y ep o 舵re l e c t r o n 【c so n u n et d 口 中的交互式部分是用j a v a 语言来编写的。所以，9 6 级的学生在毕业设计时，计 划用j a v a 语言来实现交互式辅助教学软件。但很遗憾的是，因为j a v a 的入门 比较难，而且j a v a 的窗口式开发软件对系统的要求很高，所以当时只是把悉尼 大学电力电子学网上交互式教学f 匹r 4 c 册忸p d 陋r 皿e c 豫d w c so n l i n e t e x t 中的源代码中的英文文本换成了中文，而其中的有关于a p p l e t 的部分， 是原封不动的照搬过来。 之后的两年中，也有考虑过用m a t l a b ( 专业仿真软件) 来完成。但是， m a t l a b 对于交互地画出电力电子电路中具体某一点的( 动态或静态) 波形来 说可以说是非常理想的。我们可以用m a t l a b 可以编写个界面，上面有通常 v b 的大部分控件。通过窗口输入或读入文件的方式，在内部调用各种函数计算， 并直接调用，画图输出。9 7 级的同学在做毕业设计时，曾经尝试着这么做，但 是没有做出什么成果。其主要原因一个是实现过程太复杂，二是即使实现了，软 件的扩展范围也很窄。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3 建构主义知识论对多媒体教学设计的启发 在传统的教学中，教学思想主要基于一种脱离于学习者的理性主义的理念， 认为世界是由客观实体、其特征及客观事物关系构成的，认为教学的目标就是帮 助学习者习得这些事物及特征，使外部客观事物内化为内在的认知结构。这种观 念影响下的传统课堂的特点为：以教师为中心，教师讲，学生听，主要靠教师向 学生输灌作为认知主题。学生在教学过程中自始至终处于被动状态，其主动性、 积极性难以发挥，既不能保证教学的质量和效率，又不利于培养学生的发散思维、 批判性思维和创造思维，即不利于创造性人才的成长【7 j i 。 2 0 世纪9 0 年代，关于传统教育改革的呼声日渐强烈，基于建构主义理论基 础之上的教学改革也开始涌现。而采用多媒体互动教学软件成为了实现这种教学 改革的重要手段之一。 建构主义理论提供了有关怎样学习自然知识的学习理论和认识论，最重要的 是它使得教育的重点转向了那些精彩的、生动活泼的个体一一学习者【9 。 f 如建构主义的奠基人之一维科1 7 1 0 年就指出的那样：就像上帝的真理是 由上帝自己创造和组合之后才能了解的那样，人的真理也是由人类行为的建构和 塑造才得以认识的。这段话是的第一条建构主义思想的论述。维科还进一步指出 所有的知识都是学习者建构的，对目前事物的认识，完全基于过去所建构的知识 和经验【10 1 。半个多世纪之后，哲学家康德发表了自己的建构主义知识论思想，他 的思想赋予了学习者在知识论中的主体作用，并强调认知主体内部的主动建构知 识的作用。可以说康德的这些思想是当代建构主义的起源。 基于建构主义理论搭建的建构主义课堂一般具有以下四个特征： ( i ) 凸显学生中心。 一堂有成效的、建构主义的课堂是由学生中心、主动学习组成的。在这样的 谋掌上，教师给学生提供体验的机会允许建立假定，做出预测，确定目标，进 行研究、调车、想象和创造，联系先前知识、进行反思【1 l 】。教师的角色就是促进 这个过程。 ( 2 ) 强比过程教学。 建构主义课堂基本的策珞和活动包括使用过程教学方法。a p p l e b e e ( 1 9 9 3 ) 谈到：比起强调最终结果的特点，过程导向谋堂更注重语言和问题解决策略。当 华中科技大学硕士学位论文 学生以整个班级、小组的一部分或个体而与教师或其它同学进行互动时，他们便 在各种不同环境中练习使用语言，同时形成和发展各种不同的技能q 1 2 】。我 们可以看到建构主义教学是一种破例的、特别有趣的教学方式，因为学生参与到 他们喜欢的学习活动中，更多的是师生交往成为可能。它扩大了教师的影响力。 ( 3 ) 体现相互协商。 协商是建构主义课堂的一个重要特征，它把教师和学生的共同目标联系起 来。协商课程实际上指的是精心策划，邀请学生提出和修订教学纲要，目的是他 们在学习过程和学习结果方面有真f 可获得的东西。建构主义教师一般给学生提 供自主选择权，反对一般的告诉学生做什么，而是相信和邀请他们参与建构过程， 允许他们参与自己学习的决定。这样学习者将更加努力学习，取得更好成效。因 为在协商中，学习者对所学内容建立一种主人翁感，因此有责任感【1 5 l 。 ( 4 ) 注重师生互动。 建构主义课堂的另一个品质就是互动的本质。学生一学生和学生一教师的真 实对话在建构课堂是非常重要的。在“真实谈话”中，控制是不存在的，但是相 互作用、共同合作、共同探讨和参与是突出的。因此，在课堂上注重听和说的建 构主义活动不仅促进建构主义思想，而且创造出师生间和谐互动的重要关系。 总的来说，建构主义课堂，在有限的时间内，可以创造出自主的学习者和好 提问、调查、推理的思考者或是思想家，它使教师解放出来，在教学领域做出决 定，促进学生掌握终身学习的能力，同时也促进自己专业的发展。因此基于建构 主义理论的教学改革是高教改革的重要趋势之- - 1 6 】f 1 7 】【1 8 】。 对于电力电子学课程多媒体交互式教学辅助软件的开发，在一定程度上是深 受建构主义理论启发的，一种真正的多媒体交互式教学辅助软件是创建出民主、 和谐、互动课堂氛围的“硬件”手段，是构建真正意义上的建构主义课堂的基本 前提之一。 2 4 本章小结 电力电子学是高等学校很多学科的专业基础必修课，原来的教学条件和 教学模式很大程度上制约了学生的学习和老师的授课效率。 6 华中科技大学硕士学位论文 而在电力电子学多媒体交互式辅助教学软件的开发方面，国内的发展相 对缓慢，直都没有开发出符合实际的具有很强交互能力的教学辅助软件。 最后，本章还讨论了建构主义知识论对电力电子学多媒体教学设计的启发意 义。 7 华中科技大学硕士学位论文 第三章 电力电子学多媒体交互式教学软件的设计 3 1 优秀多媒体交互式辅助教学软件的特点 一个优秀的多媒体交互式辅助软件，既要注重传授基础理论知识，又要注重 对学生能力的培养，还要考虑媒体的选择，充分利用多媒体的效果去呈现教学内 容和信g t l9 1 。 具体说来在制作一个优秀的电力电子学多媒体交互式教学辅助软件时应该 具备以下几点： ( 1 ) 应有较好的软件脚本 软件脚本的设计非常重要，它必须在充分了解学生的学习心理和方式的基础 上，针对性很强地对教学方式进行描述，决定内容的耿舍与组织，做到中心明确、 重点突出、层次分明，并注重于启发学生应用知识去分析问题、创造性地解决问 题【2 0 l 。 因此，脚本的创作一定要由具有丰富教学实践经验的教师来支持完成。 ( 2 ) 应选一个合适的制作工具 为了创作出一个成功的多媒体交互式教学辅助软件，工具选择得好可以大大 地加快开发进程节省开发人力和资金，有利于将主要精力投入到脚本和软件的 设计中去。 选择多媒体制作工具，主要应从以下几个方面综合考虑：编程环境、超级链 接能力、媒体集成能力、动画创作能力、易学习性、易使用性、文档是否丰富等。 ( 3 ) 应充分发挥交互作用 与其他教学媒体相比，多媒体交互式教学辅助软件的最大优点莫过于其中的 交互性，这是它区别于其他教学模式的一个重要方面。 因此，必须充分利用多媒体技术提供的多种输入输出功能，使多媒体交互式 教学辅助软件具有很强的交互性。而对于电力电子学来说，这一点也是非常重要 的，因为我们要解决的一大难题就是如何能让学生观察到任何条件下( 如导通角 等在变化时) 的电路状态。 3 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 应使用超文本结构 将超文本结构引入到多媒体交互式教学辅助软件中来，给多媒体课件的设计 方法带来了很大的改变。它使学生更容易得到他们所想要学习的信息。 这种超文本的结构给学生从一部分跳转到另一部分提供了极大的方便。它允 许学生有选择地学习其中感兴趣的部分而忽略其他部分，允许学生挂起正在阅读 的部分而去读一些辅助内容，然后再返回来继续阅读【2 “。 ( j ) 应能激发学生的兴趣 一个好的多媒体交互式教学辅助软件要有最佳的视听综合效果，应当尽量地 发挥多媒体的优势，使课件图文并茂，叫人过目不忘。 课件应向学生提供形式多样、风格各异的图象，丰富多彩、生动多变的画面， 占简意赅的讲解，悦耳动听的音乐等，使其达到百看不厌、常看常新的学习效果。 ( 6 ) 应有良好的用户界面 一个优秀的多媒体交互式教学辅助软件，从学生使用的角度来说，应该是一 看就能灵活自如地使用，而无须去学习专门的操作方法。 因此，设计一个人机交互的友好界面也非常重要，这样能使软件得以很好 地推广和普及，否则软件本身使用上的困难给学生心理上造成的障碍，同时还会 大大地降低课件本身的教学效果。 ( 7 ) 应该具备容易修改的特点 目前的教学课件大多以比较高级的语言编写，程序复杂，容量大，表现了智 能比的人机交互功能和丰富多彩的内容。而这些课件修改起来很费劲，而且要重 新打包，非常麻烦。这对于没有很好计算机只是的广大教师来说，确实是非常不 方便f 删。 ( 8 ) 还要考虑到适合远程教育的要求 远程教育是当今教育模式的一种发展方向。因而，在制作多媒体交互式教 学辅助软件时要努力能够适应于远程教育的需要，在做这方面整体计划的时候也 要很好的兼顾这方面的因素。 9 华中科技大学硕士学位论文 3 2 开发工具的选择 俗话说：“公欲善其事，必先利其器。”所以，要针对电力电子学开发一个优 秀的、适应性和交互性都很强的教学辅助软件，首先就应该选择一个合适的软件 开发工具。以前在开发此类软件时遇到的问题和困难大都是因为开发工具选择不 当引起的。所以选择一个合适的开发工具是首要解决的问题。 币如上面所叙述的选择多媒体制作工具，主要要考虑到它的：编程环境、超 级链接能力、媒体集成能力、动画创作能力、易学习性、易使用性、文档是否丰 富等因素。 目f i i ，制作课件的软件有不少，最常用的有如下的几种。 ( 1 ) m a c r o m e d i aa u t h o r w a r e 由m a c r o m e d i a 公司开发的a u t h o r w a r e 软件，是面向w e b 和在线学习的具有 领导地位的可视化媒体创作工具。它在丰富的媒体支持、创作能力、w e b 创作和 出版、学生的学习情况跟踪和课程管理上都提供了重大的增强。 a u t h o r w a r e 允许开发者在w e b ，l a n s 和c d - r o m 上创建多媒体项目。它是一 个优秀的基于流程图标的交互式多媒体创作工具，它不仅可以利用自身的图标和 函数来设计程序，而且还能够利用控件、接口和自定义函数u c d 实现许多复杂的 功能。 但是，从a u t h o r w a r e 的实际使用情况来看，虽然a u t h o r w a r e 完成很浅层次 的交互式是很方便的，但是总的说来，用它来做动画不是很理想，或者说是做不 出特别是要完成根据你输入的数据，动态地画出波形和电路相应的电流流向或 开关动作。 而此问题的唯一的解决办法是使用自定义函数( 即外部扩展函数) 。大多数 的制作系统都带有充许用户进行开发的接口a u t h o r w a r e 也不例外，a u t h o r w a r e 的自定义函数的开发比较灵活，它并不限于哪一种编程语言作为开发工具，但是 需要符合a u t h o r w a r e 本身的格式，在通常情况下，可以使用c 或c + + 语言开发， 编程的时候也尽可能的使用w i n d o w s 的a p i 函数。在程序编写完毕后，将程序编 译成d l l 文件的形式。( 所谓的d l l ，即是d y n a m i cl i n kl i b r a r i e s 的英文缩写， 动态谜接库的意思。) 调用动态链接库的时候，用户需要对库内的函数的参数、 返回疽等进行说明。除了d l l 文件，a u t h o r w a r e 也充许用户将文件编译成u c d 1 0 华中科技大学硕士学位论文 格式的文件( u c d 是u s e rc o d ef i l e 的意思，即是用户代码文件) 。该格式文件 的编写要求按照a u t h o r w a r e 规定的格式来编写，其内部包含对函数的说明【2 “。 可以看出这种实现方法比较复杂。 另一方面，要用a u t h o r w a r e 实现远程教学，不是很方便，它的解决办法只 能是把这个课件文件打包成若干个子块文件，然后在a u t h o r w a r e w e b p l a y e r 软件 的控制下一边下载一边播放，虽然这样做的目的是使课件演示时不会产生明显的 延迟现象。但是在目前国内的网速环境下还是不太适用的。 ( 2 ) m a t l a b 【a t l a b 是目前在工科科研中频繁使用的一个强大的综合性很强的专业仿真 软件【2 6 】。 对于交互的描绘出电路中具体某一点的( 动态或静态) 波形，可以说m a t l a b 软件是较理想的，我们可以用姒t l a b 编个界面，上面有通常v b 的大部分控件， 通过窗口输入或读入文件的方式，在内部调用各种函数计算，并直接调用画图输 出。 但具体针对电力电子学的多媒体交互式教学辅助软件来说，用m a t l a b 来做 开发有几个缺点。 首先，虽然用姒t l a b 做具体的仿真是没问题的，而且波形很精确，但是， 用户在使用这个辅助软件时的主要目的是理解电力电子电路的工作过程，而不是 做电路的精确仿真，波形没必要那么完美或是复杂，所以用m a t l a b 来开发显得 有点大材小用。 第二，m a t l a b 画电流、电压的具体波形可以，但是在开发软件的其它方面 的内容时就不是很方便。 第三，用m a t l a b 开发的多媒体交互式教学辅助软件，那给用户使用时，用 户必需要先安装姒t l a b 所以从经济利益、知识产权和方便性等多方面来考虑， 用a t l a b 来开发多媒体交互式教学辅助软件是不太合适的。 最后，用, 姒t l a b 开发的多媒体交互式教学辅助软件，同样是不易实现网络 的教学。 ( 3 ) j a v a j a v a 环境可用来开发能在任何计算平台上运行的应用软件。它实际上是一 华中科技大学硕士学位论文 种非常基本且结构紧凑的技术，而它对w o r l dw i d ew e b 以及商业的总体影响已 可同电子表格对p c 机的影响相比拟。它使开发人员具有“编写一次到处运行t m ” 的巨大能力。由于j a v a 具有可缩放性因而我们可以把j a v a 应用于小应用软件 或大应用软件，把它芯片组以及大型计算机和服务器，并使它为各种不同的应用 领域服务。 j a v a 编程语言自诞生起，为网络用户创造了无数客户端的小应用程序，由 于这类应用效果良好、数量巨大，以至于许多用户想到j a v a 编程语言时，会在 脑海中出现一个不完全正确的印象j a v a 是用来编写小的客户端程序的。其 实，随着技术的进步，j a v a 语言正在逐步改变自己执行效率较低、无法担任企 业关键计算任务的形象，不断向计算技术的核心地带前进。今天的j a v a 技术正 沿着网络渗入各个应用领域【2 7 】。 对于j a v a 来说，与其它编程语言争夺企业计算主力编程工具的优势在于： 其一，j a v a 在进行面向对象的编程工作时，比其它的编程语言如c + + 更加简 单，因此保证了编程的高效率，减少了编程投入： 其二，j a v a 虚拟机技术所提供的“一次编程，到处使用”的跨平台能力非常 适合网络环境，这给j a v a 在网络服务器端的发展提供了便利条件： 其三，j a v a 拥有强大的提供商和支持者队伍，该队伍包括i b m 、o r a c l e 、 n o v e l l 、s y b a s e 和n e t s c a p e 等公司，甚至微软也支持j a v a 虽然是以w i n d o w s 为中心的技术 2 ”。 虽然悉尼大学的删4 c t i 陋p o w e re l e c t r o ：v i c so n l i n et e x t 中的交互式 部分是用j a v a 语言来编写的，但是这并不表示j a v a 就是最合适的开发工具。 首先用j a v a 来开发电力电子学的多媒体交互式教学辅助软件，入门比较 难，因此不太适合集体协作来完成整个庞大的辅助软件系统。 第二，j a v a 的图形功能并不是很理想，任何一个视觉对象都必须由编程来完 成。所以用户接触到的界匾不易做得很美观和专业。 第三，j a v a 的开发工具使用起来不是很方便。j a v a 的开发一般都是先编写 程序文本，再在d o s 状态下去生成a p p l e t 。虽然目前有一些j a v a 的视窗开发工 具，但是这些程序对系统的要求都很高。 所以以此看来j a v a 并不是最理想的开发工具。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) j a v a s c r i p t 虽然j a v a s c r i p t 语言和j a v a 语言是相关的，但它们之间的联系并不像想象 中的那样紧密。 首先，它们是两个公司开发的不同的两个产品，j a v a 是s u n 公司推出的面 向对象的程序设计语言，特别适合于i n t e r n e t 应用程序开发；而j a v a s c r i p t 是 n e t s c a p e 公司的产品，是为了扩展n e t s c a p en a v i g a t o r 功能，而开发的一种可 以嵌入w e b 页面中的基于对象和事件驱动的解释性语言。 其次，j a v a s c r i p t 是基于对象的，而j a v a 是面向对象的，即j a v a 是一种 真正的面向对象的语言，即使是开发简单的程序，必须设计对象。j a v a s c r i p t 是种脚本语言，它可以用来制作与网络无关的，与用户交互作用的复杂软件。它 是一种基于对象和事件驱动的编程语占。因而它本身提供了非常丰富的内部对象 供设计人员使用。 第三，嵌入方式不一样。在h t m l 文档中两种编程语言的标识不同， j a v a s c r i p t 使用 来标识，而j a v a 使用 来标识1 3 0 1 。 微软公司从它的i n t e r n e te x p l o r e r3 o 版开始支持j a v a s c r i p t 。m i c r o s o f t 把自己实现的j a v a s c r i p t 规范叫做j s c r i p t 。这个规范与n e t s c a p en a v i g a t o r 浏览器中的j a v a s c r i p t 规范在基本功能上和语法上是一致的，但是在个别的对 象实现方面还是有一定的差别。 ( 5 ) m a c r o m e d i af l a s h 由m a c r o m e d i a 公司开发的f l a s h 软件是交互式矢量图和w e b 动画的标准。 网页设计者通常使用f l a s h 创建漂亮的、可改变尺寸的、以及极其紧密的导航界 面、技术说明以及其他奇特的效果【3 l l 【3 2 】。 除此之外，它的另一大优点在于，它的输出文件体积非常小，一个有音乐的 5 分钟短片还不到5 0 0 k b ，这在目前大容量可移动存储设备尚未能普及和国内网 速现状的今天，确实有它的优势。 在实现远程教学的时候，最大的限制是s p e e d ( 速度) 和f i l es i z e ( 文件 大小) 所以往往希望自己的文件越小越好，但是文件一小，就很难实现各种复 杂动画了而j a v a 对初学者来说很难掌握。那么，f l a s h 就是一个相对来说两 全其美的办法。因为它，小小的几k 字节就能做出复杂的矢量动画，由于是矢量 华中科技大学硕士学位论文 动画，即使放大n 倍，图像依然清晰。 从这方面来说，f l a s h 确实是即方便又有效率的。但是同样，用f l a s h 来开 发多媒体辅助软件也存在着一些问题。 主要是，我们现在要实现的动画是专业形的，f l a s h 的操作即类似于 p o t o s h o p ( 即层的操作) ，又有很强的c o r a l d r a w 的概念( 即矢量的概念) ，适应 于一般化的动画制作，换句话说做一般比较不错的，比较酷的片头没问题，但是 要实现专业形的动画，或是很强的交互式有一定难度。因为据已经掌握的资料， 还没有人在这方面尝试过，或是做出成绩。而且很少有人能对f l a s h 中的脚本语 言进行深入的编程。 综合比较几个开发工具各方面的利弊之后，总的来说，利用m a c r o m e d i a f l a s h 来开发电力电子学的多媒体交互式辅助教学软件是最为合适的。 3 3f l a s h 在虚拟实验开发中的可行性 目前，f l a s h 已成为一种网上二维动画事实标准。但是目前在流行的用f l a s h 制作出的动画往往只浮于表面，即只是在帧问做一些剪辑，偶尔有少量的编程。 但实际上f l a s h 的核心就是其中强大的动作脚本语言a c t i o n s c r i p t 。 f l a s h 中的动作脚本语言a c t i o n s c r i p t 像其它脚本语言一样具有丰富的语 言元素，包括常量、变量、运算符、表达式、函数、属性、动作、对象和电影剪 辑等等。 a c t i o n s c r i p t 和j a v a 一样都是一种面向对象的编程方法，那就意味着，都 可以利用子类对父类的继承关系来简化编程的复杂性。而j a v a 中必须用编程来 编写出父类对象，而在面向多媒体时，很多父类的对象是图形化的，或干脆就是 一个m o v i e c l i p ( m c ) 。所以如果用f l a s h 来编写，在很多时候就能用一种图形化 的方式来绘制对象，所以在可视化方面j a v a 是远远不及f l a s h 来的方便的。 另外，a c t i o n s c r i p t 的编写相对j a v a 来说要容易掌握得多。在f l a s h 中， 我们可以使用它的动作面板给按钮、电影剪辑或帧设置动作。使用正常模式的动 作面板，可以通过鼠标单击和拖放操作创建动作脚本，无需手工编写。如果对动 作脚本语言比较熟悉，也可以使用专家模式动作面板手工编写脚本。很多动作的 设置只要求有少量的编程经验，有些动作的应用则要求比较熟悉编程语言，用于 1 4 华中科技大学硕士学位论文 高级开发。 所以在众多软件工具中，我们选择了f l a s h 作为开发工具，因而利用 a c t i o n s c r i d t 的深入编程做高级开发也就是完成这个虚拟实验的关键所在。 具体说来，通过对f l a s h 中的动作脚本语言a c t i o n s c r i p t 的深入编程来开 发电力电子学的多媒体交互式辅助教学软件，具有以下几条优点： ( 1 ) 文件小。我们曾经做过一个对比实验，将一个a v i 格式的有关字体变 化的动画( 8 0 0 k ) 采用f l a s h 制作，文件大小仅仅2 0 k 。这意味着我们用小小的 一张磁盘就可以放入相当数目的课件，下载、携带、演示、异地修改非常方便! ( 2 ) 无级缩放不变形。由于f l a s h 是矢量动画，所以，即使放大若干倍也 同样的清晰。这是任何其它动画格式所不能比的。 ( 3 ) 入门比较简单。由于采用了“对象+ 层+ 时间轴+ 关键帧”技术，只 要掌握一些基本原理，学习起来比其它编程软件要容易得多。 ( 4 ) 交互式多媒体集成。f l a s h 中既可以编制一个动画，也可以集合文本、 图形、图像、音效、音乐等多种媒体，加上强大的交互武控制( 包括按钮的多种 动态变换、任意播放控制与跳转设置等等) ，完全可以用来独立编制多媒体交互 式课件。 ( 5 ) 有非常方便的素材库。系统自己带有一些素材( 分为图像、按钮、声 音、影片片断等四类) ，你可以随时以“素材库”方式打开其它的f l a 格式文件， 将其中的所有组件作为素材来使用，真正傲到“资源共享”。 ( 6 ) 它还有良好的“包装”功能，其播放文件只能播放而不能编辑，从而 保护知识产权! ( 7 ) 可以打包成可执，厅文件。可以在没有安装浏览器插件、没有安装f l a s h 播放器的环境中运行，比影片文件仅大2 0 0 k 左右【3 3 】。 华中科技大学硕士学位论文 3 4 多媒体交互式教学辅助软件要实现的效果 根掘电力电子学的实际教学内容和教学情况，电力电子学多媒体交互式教学 辅助软件的核心部分是对各个电力电子电路的多媒体动态仿真，也就是各个电力 电子电路的多媒体交互式虚拟实验。 虚拟试验的界面和仿真效果要从视觉上超过悉尼大学用j a v a 语言来编写的 嵌i e r a c t i v ep 徘e re l e 翻r o n i c s l _ i n et e x t ，具诲试慕。商j 达撕譬逶 求： ( 1 ) 整个软件系统是由对各个电力电子电路的多媒体动态仿真所搭建而成， 并辅有具体的说明和解释文本。 ( 2 ) 具体对每个电路仿真，要能实时地、动态地演示或是描绘出当f ； 界面 所给出的电力电子电路的各工作点波形( 包括电压和电流波形) 的变化。 ( 3 ) 在当前界面所给出的电力电子电路中用动态箭头，描绘出即时的电流 流向。 ( 4 ) 在当前界面所给出的电力电子电路中用“+ ”和“一”表示出输入电 压的即时方向。 ( 5 ) 要能允许用户随意输入和改变当前界面所给出的电力电子电路中可控 器件导通角的值，或是其它参数，并动态显示出相应的仿真波形。 ( 6 ) 能对当前界面所给出的电力电子电路中波形的仿真过程能进行实时控 制，如能控制波形动态显示速度，能暂停和中途停止等等。 ( 7 ) 各个电力电子电路应该相互联接，能够使用户很方便的在各个电力电 子电路的仿真界面间相互切换。 3 5 多媒体交互式辅助软件的整体设计思路 以各个电力电子电路多媒体交互式虚拟实验为其核心的电力电子学的辅 助教学软件是一个庞大的系统。 但是就如任一高楼大厦都是由一砖一瓦砌成，我们要完成的任务也是一样， 首先应该先针对具体的某一个电路的一种状态设计出其相对应的能满足各项要 求的多媒体交互式虚拟实验，然后制定出相应的设计标准，这就好像先造出用于 华中科技大学硕士学位论文 盖房子的一块砖。 这其中，程序标准化问题是个关键，因为电路仿真程序编出来以后，往往比 较长，比如在单相桥式整流感性负载电路的仿真中，程序就有上千行。如果很多 人合作参与这个工作，那么就应该是所有人编出来程序符合同一标准。这才能积 少成多，程序的兼容性和模块的兼容性才能得以体现。 要解决这个问题，就必需对程序标准化，制定出一系列的设计标准。 然后，我们可以遵循第一步的设计方法，依照制定的标准把实验拓展成针对 这一电路的，在不同条件或状态下的，交互式虚拟实验，再制定出相应的这个小 系统的设计标准，这就好像用砖头砌好了一个小的房间。 以单相桥式整流电路这个小系统为例，依据同样的编程模式，我们可以设计 出不控整流电阻负载电路，单相桥式可控整流电阻负载电路，单相桥式可控整流 感性负载电路，和单相桥式可控整流大电感负载电路等4 个同一电路在不同状态 和条件下的仿真程序。 这4 个程序可以是独立存在，并和一个m e n u “菜单”s w f e x e 文件在一起相 互链接，组成一个单相桥式电路，在不同负载情况下的小的仿真系统；也可以将 这j 个小文件综合到一个文件中来，不同的部分可以放在不同的s e c e n 场景中， 并且相互可以切换。 图1 程序整体设计方案图 1 7 华中科技大学硕士学位论文 最后，我们可以再按照同样的思路把整个楼房建起来，即设计出各种电路在 各种条件下的交互式虚拟实验，并把它有机的联接起来。联接的方式可以有很多 种，可以直接用f l a s h 联接，也可以用网页或是p p t 等等，这些方式的选择就要 看这个多媒体交互式虚拟实验的用途了，看是为了网络教学，还是现场辅助教学 等。当然这几种形式也可以同时交叉使用。这样整个电力电子学的虚拟实验 辅助软件就完成了。其整体设计方案图如图l 所示。 3 6 本章小结 本章具体讨论了一个优秀的电力电子学多媒体交互式辅助教学软件应该具 备的八个特点。 另外，还探讨了在开发电力电子学多媒体交互式辅助教学软件时，最合适使 用的开发工具应该是m a c r o m e d i a 公司出品的f l a s h 软件，并详细分析了f l a s h 中的a c t i o n s c r i p t 在虚拟实验开发中的可行性。 最后，根据电力电子学多媒体交互式辅助教学软件要达到的预期效果，提出 了软件开发的整体思路和设计思想。 华中科技大学硕士学位论文 第四章 开发电力电子学交互式虚拟实验的核心技术 在整个电力电子交互式辅助软件这个大厦的建造过程中最重要的，也是最难 的就是设计出一块砖和搭建出一个小的房间。因为在这个小的系统搭建出来以 后，按照既定的思路和制定出的统一标准，就可以很多人协同作战，把程序拓展 到整个课程这个大系统。而在软件基础开发要解决的问题中最为突出的就是要解 决后面提出的几个问题： 4 1 动态波形显示问题的解决 要动态显示波形。最简单的例子就是要 动态显示一个正弦波。要使正弦波形在人的 视觉上是动态的显示或是描绘出来( 如图2 所示) ，有两点是值得我们注意的： 图2 正弦波形的动态绘制 ( 1 ) 人的眼睛从视觉上感觉到是连续的，动态的原因并不真是这个波形真 的是一个点接着一个点的画的。 因为动画中每一帧的时间长度已经固定为1 1 2 秒，所以可以一次，或者说 在一帧内画出多个点出来。只要人在视觉上感觉它是均匀的、连续的就可以了。 实际上再小的差别，人眼是感觉不出来的，所以没有必要达到那样的精度。 ( 2 ) 在控制波形动态显示的步长的时候，不能采用在显示帧之间插入空白 帧的做法，来延时。否则当波形在较慢的速度画出时，会有很明显的不连续的感 觉。 根据上述的两点，在实际编程的时候可以采用的方法是： 先把波形给初始化出来，即波形在动态显示的一开始实际上就已经画出来 了，只是组成波形的每一个点( 每一个点都是一个o v i e c l i p ) 都处于不可见的 那一帧。然后在后面两帧的循环中，不断的使一些点的m o v i e c l i p 播放到可见帧。 因为波形是由一个个独立的点来组成的，所以显示的