真空技术虚拟仿真实验在教学中的应用

真空技术实验是近代物理实验中比较重要的一个实验[1]。通过该实验学生可以了解获得真空的常用方法，学会机械泵和油扩散泵的工作结构和使用方法，掌握真空系统的操作及真空的测量方法，通过制作放电管，掌握放电管充气方法，并通过观察放电管辉光放电现象，学习使用单色仪测量放电管光谱，并进行光谱分析。在真空技术实验中，为了让学生清楚地了解真空系统的结构和每一个器件的作用，更好地观察抽低真空和抽高真空过程中气流的走向，实验设备中采用了玻璃真空系统。在整个真空系统中有7个放置在不同位置、起不同作用的阀门。有热偶规、电离规、机械泵、扩散泵、放电管的工作原理和实验流程。在启动真空系统之前，必须先对整个真空系统进行全面了解。尤其是各个阀门的位置和作用必须一一弄清原理和作用，方可进行操作。否则一旦出现误操作，将影响实验的正常进行，甚至造成严重事故。

为了让学生在正式动手操作仪器前，能够对实验系统的构成和实验流程有更好地了解。从去年开始，在学校实验平台上放置了利用 3DVIA制作[2]的真空技术仿真实验，让学生进行课前预习和课后对比分析。利用软件提供的和真实环境一致的虚拟环境，学生可以把自己置身于真实的实验系统中。在人机交互的虚拟环境中，熟悉实验流程，模拟真实实验操作的全过程。对不熟练及复杂的操作可以反复练习，直到熟练为止。通过课前仿真训练，不但让学生直观地掌握实验的真实过程，提高学生的学习兴趣，还大大地降低了仪器的损坏率。最主要的是，通过虚拟仿真实验在教学中应用，改善了原有的老师讲学生听的传统教学模式[3,4]，探索出了一条真实实验和虚拟仿真相结合，提高学生实验兴趣，提高教学效果的有效途径。

1 真空技术虚拟仿真实验系统构成和实验操作流程

虚拟仿真真空系统构成如图1所示，利用3DVIA软件制作了具有三维效果的玻璃真空系统，包括：真空管路、氦气瓶、定量阀门、高压电源、复合真空计、放电管、测量真空度的热偶规管、电离规管、以及抽真空用的机械泵和扩散泵等。整个虚拟仿真实验系统的仪器放置与真实实验完全对应。学生在预习的过程中，可以利用软件进行虚拟仿真操作练习，充分了解实验流程和步骤，深入理解真空系统的工作原理，为课堂实际操作打好基础。

图1 虚拟仿真真空实验系统

在进行仿真实验的模拟操作过程中，系统会根据学生当前操作步骤进行提示，方便学生判断当前的操作是否正确，以及下一步要进行的操作过程。具体的实验流程如图2所示：

图2 仿真实验流程图

2 实验内容和过程的动态展示

利用虚拟仿真软件制作的与实际真空系统类似的玻璃材质真空管道，可以让学生直观地了解真空系统的构成和气体流动。真空系统中的气体定量活塞、开关阀门、机械泵、扩散泵、热偶真空计和电离真空计的位置设置如图3所示。真空系统中用到的开关活塞（图3红圈标出的位置）比较多，每一个活塞对真空系统中气体流向和真空度的控制都很重要。学生可以通过虚拟仿真实验，熟悉不同位置活塞的作用和对系统真空状态的影响。随着不同位置活塞的开关变化，学生可以观察玻璃真空系统中气体的流动状态（利用绿色箭头代表的气体流动方向），更好地掌握抽低真空和抽高真空过程中气流通道和气流走向，以及低真空和高真空的实现方法与过程。

图3 气流方向与阀门设置

在实验进行过程中，每一个步骤都有箭头提示，如图4所示。总共有18个实验步骤，每一个步骤要满足合适的条件，才能进行下一个步骤，如果没有达到要求，要重复前面的操作。按照以下流程完成虚拟实验：(1)确认水循环已打开；(2)关闭放气阀A；(3)打开机械泵，观看动画了解机械泵原理；(4)打开阀门 B，观察空气的流向变化；(5)打开真空计，旋至加热，观察指针示数,当真空度达到限定值4Pa以上，打开E阀门；(6)当真空度达到限定的2Pa，关闭E和B阀门，打开D和C阀门；(7)打开冷却水；(8)开扩散泵，通过动画学习扩散泵工作原理；(9)待真空计示数达到设置要求后，打开灯丝开关，加热；(10)调整复合真空计读数；(11)关闭阀门C，关闭扩散泵；(12)打开阀门G，开始充氦气；(13)打开定量阀F，观看动画了解定量阀结构；(14)打开高压电源，观察放电管放电现象；(15)关闭高压电源，关闭氦气气阀，关闭阀门D；(16)关闭机械泵电源；(17)打开放气阀A放气；(18)关闭水循环，结束实验。

图4 实验操作流程提示

3 实验仪器内部工作原理的剖析展示

由于真空系统中很多装置都是密封结构，在讲解其工作原理的过程中遇到很大困难。为了解决这一难题，运用3DVIA软件制作了相应的三维动画文件，例如金属阀门，其内部结构如图5所示。金属阀门的工作原理可以通过动画展示出来。通电时A与B相通，C被切断；断电时A与C相通，B被切断。通过这样的动画演示，金属阀门工作原理一目了然。另一个是用于测量低真空度的热偶规管，如图6所示，利用三维动画可以展示热偶规的工作原理，F为加热丝（铂丝），J为热偶（康铜—镍铬丝）。动画展示在加热电流恒定不变的情况下，随着压力的增加，加热丝F的温度变化，使得热偶输出的热电动势也随之变化的过程。

图5 金属阀门工作原理图

图6 热偶规管工作原理图

4 实验器的交互性和可操作性

在真空技术虚拟仿真实验中，对应实际仪器的仿真设备都可以进行模拟操作，如图7所示。例如，高压电源开关状态设置、复合真空计开关状态设置，在不满足一定真空条件下，开关保持锁定状态，只有满足一定真空条件才可以打开开关，进行功能旋钮的操作，并有提示进行相应的旋钮调整，还可以根据需要选择不同的量程来练习。

图7 高压电源和复合真空计面板设计

利用虚拟真空软件，在真空系统中的真空度超过设定的阈值时，才可以打开高压电源开关，进而打开氦气瓶的阀门开关，并对定量阀进行模拟操作。真空管中会通入一定量的氦气后，可观察到氦气的辉光放电效果，如图8所示。

图8 氦气阀门、压力表及氦辉光放电效果图

5 结论

通过真空技术虚拟仿真实验的应用，学生可以对真空技术实验进行课前预习和课后总结分析，是实验教学的一种有效的补充。通过软件的练习，可以清楚地展示真空系统各部件的组成和作用，以及实现低真空和高真空的气流走向。通过三维动画演示，把金属阀门、热偶真空计等内部结构剖析展示，促进了学生对真空系统工作原理的深入理解。通过实验仪器交互的操作，可以让学生有现场操作的真实感受。通过对软件的熟悉和练习，加深了对实验原理和实验内容的了解，节约了宝贵的课堂实训时间，降低了实验仪器的损坏率。提高了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果。随着网络技术的发展，虚拟仿真实验将具有广泛的应用前景。目前，该仿真软件已经在大连理工大学实践教学管理平台上供学生使用。网址：http://202.118.65.73/student/index.php。