化工原理基于flash仿真实验的研究

前言

据了解，目前国内好多高校都根据自身的教学需求建立了仿真实验室。典型的有：中国科技大学在仿真实验室的建设和使用方面形成的如物理实验仿真实验软件，广播电视大学物理仿真实验、几何光学设计实验平台、大学物理仿真实验远程教学系统，同济大学建筑学院的可以对建筑景观、结构进行仿真的仿真显示实验室等，化工原理仿真实验现在也有许多高校建立了仿真实验系统，如天津大学化工原理仿真实验，浙江大学化工原理仿真实验。

化工原理仿真实验通过利用计算机图形技术在显示器屏幕上创建一个虚拟的化工原理实验装置环境，通过计算机的输人设备（鼠标或键盘）来表达对实验装置的操作过程，再借助于实验装置的数学模型和计算机的数值计算能力来模拟实验装置各种参数在操作过程的变化，构成了一个有效的仿真实验系统。学习者通过仿真系统的操作，可以对实验过程获得直接的感性体验，尤其对实验步骤和操作程序产生深刻的印象。本次设计以flash软件为平台,对新购置的化工原理实验装置，进行实验装置流程认识、实验操作步骤等内容进行动画设计与仿真模拟,为化工原理实验这一实践教学环节提供辅助教学，以提高实验教学效果与效率。基于flash平台仿真的实验项目有:离心泵性能测定实验、流体阻力实验、传热综合实验。

1 总论

1.1仿真实验的概述

1.1.1 仿真实验的定义

关于“仿真实验”的概念，人们往往从不同层面给予了不同的定义和表述。

从技术层面上看，仿真实验可以表述为：在计算机系统中采用仿真技术、数字建模技术和多媒体技术实现的各种仿真环境的软件，实验者可以像在真实环境中一样完成各种指定的实验项目，所取得的效果也等价甚至优于在真实环境中所取得的效果。

从功能角度来看，仿真实验是一个创造和引导模拟实验的交互环境，也就是实验场所。它可以辅助、部分替代传统实验各操作环节的相关操作环境。以上的解释和定义分别从不同侧面揭示了仿真实验的内涵，为我们更好的把握仿真实验的定义提供了依据。所谓“仿真实验”，是相对于真实实验而存在的，两者的主要差别在于：实验过程中所触及的对象与事物是否真实。在真实实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的；而在仿真实验中，不存在实物形态的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟的实验仪器及设备进行操作。

以技能训练为主的实验教学中，相应的辅助软件却甚少。而仿真实验软件正是属于技能领域学习软件。应用于教学的仿真实验软件是以教学理论、计算机技术等为基础，采用面向对象的思想构建的、能实时操作的、非实在的实验空间。在这个环境中，学生可以像在真实环境中一样来完成各种实验项目，其本质是由计算机模拟实现的一个过程，提供一个虚拟的实验环境。

随着现代教育技术的发展，仿真实验已经成为计算机辅助教学的一个新的发展方向，它除了具备计算机辅助教学软件的一般特点之外，主要还有以下特征：

①仿真性

仿真实验中的实验环境和实验仪器具有高度的真实感，学生在计算机上进行操作如同置身于真实的实验环境，对真实的实验仪器进行操作。

②交互性

仿真实验使实验变成学生与计算机的双向交流，学生利用鼠标或键盘可以自己对仪器进行操作，自由选择实验内容和实验进程等，可以极大地调动学生的学习积极性。

③开放性、经济性、灵活性

仿真实验易于扩充维护，操作方便，可以随时开放，反复实践。能有效降低实验仪器的耗费量，避免设备的重复购置，提高办学效率。而且仿真实验灵活方便，可移植，便于实现资源共享。

1.1.2 仿真实验的分类

根据仿真实验的功能来分：

演示型仿真实验

演示型仿真实验是对实验现象的演示。作为实验者，只能从观众的角度观察实验。设计演示型实验可采取多种方法，许多教学软件都采用这种方式。也可用Flash或其它多媒体软件制作动画、３Ｄ模型进行演示。这种演示型实验没有动手的体验，因此缺乏真实感。目前许多高校物理实验网站中都采用的这种演示型实验软件来辅助实验教学，主要用于实验课前预习。

操作型仿真实验

在操作型仿真实验中，实验者能够控制、参与实验，是实验的主导者。它需要和用户交互来完成具体实验操作，交互性是操作型仿真实验的一个重要的特点。因此，操作型仿真实验也可称为交互式仿真实验。使用者能对其中的仿真仪器进行相应的操作，并实时显示实验现象与结果。操作型实验的制作方法就要复杂一些，对于实验操作过程的仿真，必须考虑在特定的事件发生时，如何调出相应的事件、如何触发和如何实现等问题。

1.2 文献综述

1.2.1 flash仿真实验的特点

flash仿真实验是根据教学目标而设计、表现特定教学内容、反映特殊教学策略的教学软件。它可以用来存储、传递和处理教学信息，能让学生进行交互操作并对学生的学习情况做出反馈。Flash具有强大的动画编辑功能，这使得设计者可以随心所欲地设计出高品质的动画。Flash把动画、声效、交互方式融合在一起，排版容易，界面美观。Flash生成的动画文件占地小，消耗资源少，播放方便，利于传输。

仿真教学是以仿真技术为基础、用实时运行的动态数学模型代替真实装置进行教学的一种崭新的教学理念。化工仿真技术是指过程系统的数字仿真,以起初的物体或系

统规律为依据建立数学模型,在计算机上建立虚拟的操作环境,控制原理、手段、界面和操作场景都和现代化工生产实时控制极为相似.

任何一种化工产品的生产过程都是由若干个单元操作及化学反应过程组合而成的，所以单元操作时化工类及相关专业人员必须具备的基础知识，它也是《化工原理》课程的主要内容。平时教师教课，使用粉笔，黑板和教师的语言来表达相当费时费力的。采用flash制作的化工原理仿真实验可以直观生动的表达单元操作涩北的内部结构和操作过程，演示丰富的实验现象，使得《化工原理》的教学达到事半功倍的效果。化工原理仿真实验运行过程可以控制其实际的过程，能过按教师的教学节奏和进行程序。对一些疑难问题，可以随时返回到相关的知识点重复讲解，因此化工原理仿真实验有良好的交互性。

flash仿真实验可以解决一些在实际操作中可直观形象地表达教学主题，教师可以将平时讲课中很难甚至根本无法画出的各种仪器的立体图形展示出来，可以使得学习者在实验前对实验装置和实验操作和流程有一定基础的了解，可激发学生的学习兴趣，培养学生的能力和提高学生素质，可以优化教学过程，使教学起到事半功倍的效果。

1.2.2 flash仿真实验的产生和发展方向

20世纪中叶以来，以计算机信息科学技术、生命科学、空间科学、材料科学等为代表的新的科学技术革命，极大地加速了科学技术的发展和各学科之间的相互交叉与渗透，新的综合化趋势已成为科学发展的主流。学校培养人才的思路必然要适应这些变化，课程体系、教学内容、教学方法及手段必须由封闭型向开放型转变，更主要的是要培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力，特别是与科学技术发展相适应的综合能力。

许多高校也开始结合计算机技术通过FLASH软件以及一些辅助软件，例如CAD，作出动画效果，这样实验者就可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练等值于甚至优于在真实环境中取得的效果对于一些仿真实验就应运而生了。据了解，目前国内好多高校都根据自身的教学需求建立了仿真实验室。典型的有：中国科技大学在仿真实验室的建设和使用方面形成的如物理实验仿真实验软件，广播电视大学物理仿真实验、几何光学设计实验平台、大学物理仿真实验远程教学系统，同济大学建筑学院的可以对建筑景观、结构进行仿真的仿真显示实验室等，化工原理仿真实验现在也有许多高校建立了仿真实验系统，如天津大学化工原理仿真

实验，浙江大学化工原理仿真实验。

1.3 flash的概述

1.3.1 flash 8.0的功能简介

Flash8.0是美国Macromedia公司出品的基于矢量图形的交互式多媒体创作的软件，设计人员和开发人员可使用它来创建演示文稿、应用程序和其它允Flash 许用户交互的内容。Flash 可以包含简单的动画、视频内容、复杂演示文稿和应用程序以及介于它们之间的任何内容。Flash的前身是Future Wave公司的Future Splash，是世界上第一个商用的二维矢量动画软件，用于设计和编辑Flash文档。Future Splash 只是由简单的工具和时间线组成。Macromedia Flash是美国Macromedia公司开发的一种二维动画软件，首次引入了库的概念。通常，使用 Flash 创作的各个内容单元称为应用程序，即使它们可能只是很简单的动画。您也可以通过添加图片、声音、视频和特殊效果，构建包含丰富媒体的 Flash 应用程序。Flash 包含了许多种功能，如预置的拖放用户界面组件，可以轻松地将 ActionScript 添加到文档的内置行为，以及可以添加到媒体对象的特殊效果。这些功能使 Flash 不仅功能强大，而且易于使用。完成 Flash 文档的创作后，可以使用"文件">"发布"命令发布它。这会创建文件的一个压缩版本，其扩展名为 .swf (SWF)。然后，就可以使用 Flash Player 在 Web 浏览器中播放 SWF 文件，或者将其作为独立的应用程序进行播放。

1.3.2 flash 8.0工具的优点

Flash 8.0不仅是很好的矢量动画制作软件，而且也是很好的绘图软件。用它设计仿真实验有以下几大优势：

1 可以使图形任意变形，如绘制一直线后，可轻而易举地变形出各种曲线，绘制矩形或圆形可变形得到各种封闭图形；

2 可以任意截取图形部分加以利用，如要利用一段弧线，只要在圆上画一条线，然后选取弧线就可将相应弧线单独离开使用；

3 flash 8.0 的色彩管理模式强大，可进行任意色彩组合，绘出的画面绚丽多彩；

4 可以配上悦耳动听的同步音乐，flash 8.0 还支持MP3数据流式音频文件；

5 flash 8.0 的变形特效可让你轻易做到字体变形、图形变形；透明度特效可让你利用图形透明度的改变，轻松制作出淡出淡入得效果；遮罩特效可创造通过一般的

方法很难创建的图形对象；

6 在制作动画时可以用 ActionScript 加入脚本，对动画实现交互和精确的控制。

7 对HTML文本中内嵌图像和swf（swf中的独立swf）的支持。

8 基于屏幕的可视开发环境、可视编程环境、数据绑定、Web 服务和 XML 的预建数据连接器、项目管理功能源代码控制系统等.

2 化工基础仿真实验制作

根据各个仿真实验的不同，在模块上有些不同，但是在主体设计上思想一般相同，其设计思想如下：

1.实验分析

了解各个实验的流程，分析每个实验的每个部件。

2.用CAD软件制作出大概图形框架.

3.用photoshop软件把各个部件做出相应的图像和颜色

各个部件最好用不同的图层，这样有不合适的地方更改时好改。

4.用flash软件制作动画

各部件最好能以单独的文件存在。以便在图库或共享图库打开时，能减少等待时间和作品里各图之间的相互影响。

把制作的各个部件每个占用一个图层，便于修改，把各个作品按实验要求在场景中摆好，注意层的上下位置的问题，下面的图层所有的图在层的最前面。

5.当完成各种布局后，进行测试，可以直接测试（按enter键），可以以执行文件测试（ctrl+enter），建议以后中方式进行测试，后一种测试交互操作，效果更好。如果发现有错误，回到文件，进行修改，直到满意为止，然后可以以各种不同的文件发布。

以流体阻力实验的仿真制作过程为例，说明基于flash仿真的实现步骤

2.1流体阻力实验装置

实验室的装置图如下：

图1 实验装置图

2.2 CAD制作流体阻力的框架图

Flash仿真实验制作分为两大部分:制作主图部分和制作动画部分。制图部分我们用AutoCAD 2007 软件和photoshop cs2 软件工作制作主图，制作动画部分用flash 8.0软件制作动画。

2.2.1 AutoCAD 2007 的界面组成

双击Auto2007 CAD 的图标就可以启动AutoCAD 2007 ，

图2 Auto2007 CAD 的进入界面

其工作界面如图所示。

1.标题栏

2.下拉菜单

3.工具栏

4.状态栏

5.命令窗口

6.绘图区

7.坐标系及其图标

图3 Auto2007 CAD 工作界面

2.2.2 绘图命令

在进入AutoCAD 2007 窗口后，AutoCAD 2007 的绘制命令以默认的方式在屏幕左侧显示出来，如图所示。下面介绍工具栏中常用的按钮。

图4 Auto2007 CAD 绘图命令

1.直线的绘制

2.圆的绘制

3.圆弧的绘制

4.多段线

5.样条曲线

6.矩形

7.正多边形

8.剖面线

9.文本

2.2.3 修改命令

在进入AutoCAD 2007 窗口后，AutoCAD 2007 的绘制命令以默认的方式在屏幕左侧显示出来，如图所示。下面介绍工具栏中常用的按钮。

图5 Auto2007 CAD 修改命令

1.删除

2.复制

3.镜像

4.偏移

5.阵列

6.移动对象命令

7.旋转

8.比例缩放

9.拉伸

10.拉长

11.修建命令

12.延伸

13.打断

14.合并

15.倒角

16.圆角

17.炸开命令

2.2.4 AutoCAD 2007制作实验整体仪器的框架

有些实验的部件很多，小部件很密，需要用 AutoCAD 2007来把整体的框架显现出来，这样使得下一步用photoshop作图时部件的大小和位置都很合适，如阻力实验，图如下：

图6 局部阻力的CAD框架

2.2.5 把CAD图转化为位做出图的图（.bmp）格式

因为在下一步进行图形的涂色或是别的情况，photoshop还有flash都打不开CAD 图本身的*.Dwg格式，必须把它转化为位图格式，操作方法为在CAD软件的“文件”菜单栏里选择“输出”命令选择位图.Bmp格式，如图所示：

图7 把CAD图转化为位做出图的图

2.3用photoshop制作每个部件的图和相应的颜色

2.3.1 直管的绘制

直管想要有立体感，就必须把颜色弄为渐变。操作步骤如下：

1.在新建的画布上用矩形选择工具画出一个矩形框；

2.选定相应的颜色，一般直管都是银灰色，选择渐变工具如下图：

图8 渐变操作

选定合适的渐变效果后，我们就可以做出如下图的效果。

图9 直管

如果对颜色还是觉得不合适，可以通过“调整色阶”来确定出你想要的效果。

2.3.2 U型管的绘制

在photoshop cs2 里不会直接绘制U型管，需要从AutoCAD 2007 里做好U型管，然后在photoshop cs2 进行修改成我们想要的图片*.Jpg的格式。做出的效果如下图所示：

图10 U型管

2.3.3水箱的绘制

水箱的绘制有两种画法，第一种是需要从AutoCAD 2007 里做好U型管，然后在photoshop cs2 进行修改成我们想要的图片*.Jpg的格式；第二种就是直接在photoshop cs2 里绘制，绘制出框架，然后涂上你想要的颜色。下图就是后一种方法做出的效果。

图11 水箱

2.3.4 流量计的绘制

根据实物图的样子，用photoshop 把仪表的图像绘出来。下图所示；

图12 流量计

2.3.5 仪表框的绘制

根据实物图的样子，用photoshop 把仪表的图像绘出来。下图所示；

图13 仪表框

2.3.6 收集网络上做的较好的素材

比如离心泵的素材；

图14 离心泵

还有真空表；

图15 真空表

2.3.7 各个图层拼合图像

每个部件作为一个图层，就想一张透明的玻璃那样，把所有的部件的各个图层来拼合出想要的图像。

图16 多图层合成图像

最后拼合出基本成型的主图，例如流体阻力图：

图17 流体阻力基本成型图

2.3.8 插入背景图片

在原有的基本主图上添加背景图片会使图像更具有立体感，更逼真。例如阻力实验的主图插入背景后如下图：

图18 流体阻力完整图

2.4用flash制作仿真动画

2.4.1手指指示动画的制做

1.手工绘制一只手，存为图形；

2.创建第一个关键帧，把手放到一个位置；

3.创建第二个关键帧，把手放在指定的位置；

4.创建第三个关键帧，把手的位置放到一个关键帧的位置；

5.在每两个关键帧之间创建补间动画。

图19 手动画的制作

2.4.2 箭头动画制作

箭头动画在流程演示里很重要的角色。

1.根据实验确定液体或是气体的流向，顺着管道使箭头移动；

2.先在起点把箭头的关键帧上，在转弯处插上关键帧；

3.通过任意变形工具把箭头旋转相应的方向，重复上一步；

4.在关键帧之间创建补间动画。

图20 箭头动画的制作

2.4.3阀门的动画的制作

1.创建第一个关键帧，把阀门状态显示为关闭状态；

2.创建第二个关键帧，把阀门状态显示为打开状态；

3.创建补间动画，在补间动画设置参数，设置为下图所示的参数：

图21 阀门动画制作的属性

真空表指针转动的动画也和阀门的制作方法一样。

2.4.4 文字的输入

首先新建一个新的图层，这个图层只作为文字的图层。用【文本工具】可以直接输入文字，在【文本工具】的【属性】面板中可以改变文字的字体、大小、颜色、排列方式等属性，十分方便。

文本工具的使用方法：在工具箱中选择【文本工具】，将鼠标指针移至舞台，鼠标指针变成十字形，按住鼠标左键并拖动就会插入文本框，此时光标开始闪烁，表明可以输入文字了，即可在文本框中输入文字。

文本输入完成后，可以对其进行设置。在Flash 8.0 中可以很方便地调整文本的属性。通过【文本工具】的【属性】面板进行设置，可以改变文字的字体、大小、颜色、样式、对齐方式、字体呈现方式、改变文本方向、字符位置编辑格式选项、自动

调整字距等。可以在输入文本前进行预设，也可以在输入文本后选择需要设置的文本进行设置。

创建一个关键帧，这个帧上写上文字，就能实现文字动画，如果想取消文字，在取消的位置帧上插入空白关键帧即可实验。

2.4.5 多图成的绘制

对象较多的时候，需要在多个图层中来制作。图层就像一种透明的玻璃，具有便于重叠和管理对象的功能。利用图层的这些特性，能够单独改变或移动不同图层中的对象。利用图层可以更好地组织课件中的对象，另外，在制作动画元件时，将不同的元件放在不同的图层上，会便于对元件进行管理和编辑。在图层上绘制和编辑对象时，不会影响其他图层上的对象。在舞台上没有内容的区域，可以透过该图层看到下面的图层。创建Flash 文档后，时间轴中会出现一个图层。在制作动画的过程中，可以根据需要命名图层、插入图层和删除图层。

2.4.6 动画的实现

把一个部件放一个图层，整个动画由很多图层组成，就是上一步说说的多图成绘制。把由photoshop做好的图形放在flash的最下面一层依次放好每一层，每一层上的控制的部件互不干扰，在各自的帧时做不同的变化，结合上面的方法，我们就能作出完整的动画模式了，结合下图过滤实验实例：

t

图22 动画的实现

2.4.7声音的导入

在flash动画时如果没有声音，会使课件缺少吸引力。如果能将一些声音（声效、背景音乐、解说词等）添加到制作的课件中，将会使课件更加丰富多彩和具有感染力。导入声音的方法，类似于导入位图的方法，选择【文件】中的【导入】，后点击【导入到舞台】，弹出【导入】对话框，在对话框中选择要导入的声音文件，单击【打开】按钮，会出现声音文件的导入进度条，进度完成后，声音文件就会被导入Flash 文档中并存放在库中。

声音文件导入后存放在库中，将其从【库】面板中拖放到舞台中就可以进行编辑了。编辑声音的方法如下：

选择要插入声音文件的帧，从【库】面板中拖放到舞台，声音就会出现在时间轴中，延续帧使声音的波形在时间轴显示完整，在声音的【属性】面板的【同步】下拉列表框中选择“数据流”选项，单击【属性】面板的【编辑】按钮，打开【编辑封套】对话框，单击【编辑封套】对话框中的“缩小”按钮，使声音完全显示出来，拖动“开始时间”和“停止时间”控件，改变声音的起始点和终止点。上下拖动声道的封套手柄来改变对应的声道音量。编辑完成后，单击【开始播放】按钮测试编辑后的效果。

或是点击ctrl+R将录制的声音导入，导入后，该文件自动在库中形成一个声音文件，修改其属性，将其设置为MP3，调节取样频率，在过程中可以通过试听。

图23 声音的导入

2.4.8文件的导出与发布

在flash8.0的动画中，任何一帧都是由众多图层组成的影像。单帧的影像可以导出正单一的矢量图形文件或是其他文件，其中矢量图形可以继续由flash8.0或是其他绘图软件进行编辑，以下是在flash8.0中导出影像文件的类型，包括下列12种格式：

1.Windows Metafile(.wmf)

2.Flash Player(.swf)

3.Generator Template(.swf)

4.FutureSplash Player(.spl)

5.Enhanced Metafile(.emf)

6.EPS 3.0(.eps)

7.Abode Illustrator(.ai)

8.AutoCAD DXF(.dxf)

9.Bitmap(.bmp)

10.JPEG Image(.jpg)

11.GIF Image(.gif)

12.PNG(.png)

图24 文件的导出与发布