自由落體運動多媒體教學演示平臺的設計與開發

王文煒 郭興婷 于 慶 程揚碩 陳 丹 李 林

(衡陽師范學院物理與電子信息科學系，湖南 衡陽 421008)

引言

重力加速度是物理學中一個重要的參量。重力加速度的測量不僅在物理中具有重要意義，而且對研究地層結構和探查地下資源都有實用價值[1]。因而做好重力加速度實驗及教學授課也是十分必要的。本設計針對于現有教學儀器僅有說明書而不包含相應教學課件的局限，及VC++制作課件過程中編程復雜、CPU 資源消耗較大的問題，提出了在自由落體運動多媒體教學平臺中以VC++為主體，結合調用PowerPoint 和Flash 動畫的設計開發。由于VC++并不是一款每個人都能夠掌握的軟件，因而通過VC++調用PowerPoint，修改課件則不需要修改VC++源程序，只要修改powerpoint 中須修改的內容即可。該實驗教學平臺還可以同步顯示自由落體實驗中小球的下落過程，及測得加速度數據及繪制時間、位移曲線。該演示儀在教學過程中能夠真實、科學地將自由落體運動規律演示出來，不但簡化了VC++編程，而且還具備了操作簡單、容易上手、動感十足的優點。該多媒體教學實驗平臺使學生不但能夠掌握課程要求的知識技能，而且還可以培養學生的實驗興趣，提高教學質量。

1 自由落體教學演示儀的教學實驗平臺總體框架

自由落體教學演示實驗教學平臺以VC++為主體，調用Powerpoint 和Flash 動畫共同構建了自由落體多媒體教學演示儀的教學實驗平臺。本教學實驗演示平臺主要有三部分構成：①通過VC++本身設計制作的小球同步顯示、繪制位移與時間曲線、顯示小球測得的重力加速度值部分；②利用VC++調用PowerPoint 和Flash動畫制作的動感課件部分；③利用VC++本身編寫的使用幫助。該實驗平臺功能結構圖如圖1所示。通過點擊教學試驗平臺上相應的菜單或工具欄圖標，可以快速的切換實驗界面及理論知識課件界面，對于無論是否了解該儀器的操作人員均能夠使用，既方便快捷又生動形象。

2 自由落體教學演示儀的教學實驗平臺具體實施

利用VC++中的MFC 函數構建的自由落體實驗平臺，具有美觀、方便、快捷的特點，在一定程度上為程序運行提供了良好的基礎。實驗平臺主界面主要包括“課件”、“小球演示實驗”、“幫助”、“退出課堂”、“翻到課件首頁”、“翻到課件末頁”、“課件上一頁”、“課件下一頁”等功能。點擊自由落體教學演示儀的教學實驗平臺，即可進入實驗項目的視圖界面，在不同界面可以快速進行切換，其實驗平臺主界面如下圖2 所示。

課件部分采用VC++調用flash 動畫及PoverPoint 設計而成。其可以根據課堂需求翻頁，能夠快速翻到課件的最前一頁及課件的最后一頁，亦可在授課過程中進行前后翻頁，能夠按照任課老師的需要自行調節。PowerPoint 和Flash 動畫是目前制作課件最常用的軟件，其中PowerPoint 是一款操作簡單、容易上手，有豐富頁面過度效果的一款軟件，但在表現手段和交互性上略顯不足，網絡保護功能差，容易被盜用；而Flash 是一個實踐性、藝術性、創新性很強的動畫制作軟件，其內容豐富、工具繁多、動畫效果豐富多彩，但是其在文字、圖像處理，特別是動作腳本中存在不足[2-3]。本設計采用flash 動畫及PoverPoint 相結合的設計來編寫相應自由落體課件的，其彌補了兩個應用軟件之間的不足，且保證了課堂教學真實、有趣。

小球演示實驗部分采用VC++為主體編寫設計而成。實驗平臺利用開關線程的方法設計的小球同步演示部分，在很大程度上使演示實驗更加接近于小球真實下落的過程，極大地減小了實驗誤差，使實驗更具真實性、科學性。同時通過控制拖拽光電門的個數，從而利用不同的計算方式計算得到重力加速度，通過比較可從不同的角度來說明重力加速度規律及驗證測量得到的重力加速度是否正確。只要用鼠標點擊平臺上的小手拖拽光電門，即可在某個點上顯示對應的重力加速度和下落到該點時間，實驗效果更直觀。繪制曲線部分根據采集的數據，通過理論計算繪制相對應的位移與時間曲線規律，直觀地將重力加速的規律演示出來，無需過多解釋即可令實驗人員觀察得到重力加速度規律。如若想結束實驗回到理論課堂，點擊小球演示實驗上的退出按鈕即可關閉小球演示實驗部分。

使用幫助是以VC++為主體編寫的使用說明，其對該自由落體運動教學演示儀使用操作進行了詳盡說明，操作者無需擔心不會操作該儀器及演示實驗平臺，其擴大了該重力加速的測量儀能夠使用范圍及應用前景。

3 自由落體教學演示儀的教學實驗平臺應用

完成實驗平臺的設計與制作后，即開始對實驗平臺進行測試，其操作過程如下：（1）在實驗平臺菜單上按下課件開始按鈕，即可進入自由落體的PowerPoint 課件，任課教師既可開始授課，也可對PowerPoint 課件進行修改，但是操作這些之前，必須保證使用的計算機上裝有PowerPoint 軟件，否則會打開出錯。進入課件后，可通過菜單上的“翻到課件首頁”、“翻到課件末頁”、“課件上一頁”、“課件下一頁”對課件進行簡單操作。若想開始試驗，點擊“小球演示實驗”按鈕，彈出實驗界面對話框。（2）做實驗之前應該首先做好儀器硬件準備工作，確認電源已經供電，儀器是否可以正常工作。若儀器可以正常工作，則調節儀器平衡按鈕，使儀器保持在鉛直狀態，然后等待測量重力加速度的實驗開始。（3）在實驗平臺菜單上按下小球演示實驗按鈕進入小球實驗操作界面后，首先點擊“串口測試”按鈕，對串口是否正常工作進行測試，觀察串口是否可以正常使用，如果串口沒有問題，則可繼續下一步實驗；按下“打開串口”按鈕后，在小球釋放裝置內放入小球，開始重力加速度測試實驗；在小球下落的同時，單片機將采集得到的時間及位移發送給計算機，實驗平臺上的小球則會同步下落，并繪制相對應的時間與位移關系曲線，其一次實驗后小球實驗界面如圖3所示。如果需要進行下一次實驗，則按下“清空數據”按鈕，實驗測得的數據及繪制的曲線將會清空，即可進行下一次實驗。也可多次試驗后，再進行清空，但是由于使用線程編寫程序執行操作時占用CPU 資源，多次測量可能影響CPU 工作速度，所以建議最好一次實驗進行一次數據及曲線清空，以免發上顯示延時。（4）若想結束實驗，點擊小球演示界面上的“退出”，即可關閉小球演示實驗界面，回到實驗平臺主界面。根據自己的需要選擇繼續試驗還是退出實驗。

4 結論

通過實驗測量得到的數據及繪制的曲線可知，該實驗平臺能夠真實地反應出小球同步下落的過程，并可以將小球重力加速度規律通過曲線直觀地展示出來。經過長期測試，該儀器比較穩定的，能夠提供較為精確的數據，及繪制正確的時間、位移規律曲線。該實驗教學演示平臺能夠使學生置身于尋找規律的情景之中，使原本平淡的課堂教學變得真實、有趣，極大地提高了實驗教學效果。

[1]李繼紅.張清早.用落體法測重力加速的的實驗方案選擇.2009（3）：36-37.

[2]黃海平.讓Flash 在PowerPoint 課件中閃酷[J].電腦學習，2009（8）：49-50.

[3]董玉新.PowerPoint 中調用Flash 的方法及特點[J].濱州職業學院學報，2007（8）：36-38.