发布时间 : 星期二 文章罗应立电机学培训1 - 图文更新完毕开始阅读
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本科学生经过物理、电路及相关数学内容的学习，有以下优势：对基本电磁定律已有较好的掌握；对电气量随时间的变化及相关运算一般都比较熟练；对数学公式的推导较内行。但尚有以下不足：对时空交叉的问题知识准备很少，尤其对电机、变压器中，涉及电流与磁场在三维空间分布及同时随时间变化的这类问题则从未接触过；实验方面在物理及电路中，对静止电路的实验接触较多，但对运动的电气设备的试验都几乎未涉及。
3）教学环节
缺少用以了解电机变压器基本结构及实际运行知识的实践环节，所以，对书上的结构图缺乏感性知识，对电流与磁场的时空分布问题就更难理解。
4）教育技术
传统教法用粉笔、黑板加少量挂图表达电流及磁场的空间分布同时随时间变化这样的问题十分困难，这是造成“难教”的一个重要原因。
在实验教学方面，所存在的主要问题是，在实验讲义所述原理线路图中的仪器仪表符号与实际的仪器仪表脱节，实际仪器仪表设备的内部线路与外部电路联系不起来，这样，学生就无法从总体上弄清实验接线及实验过程的注意事项，从而造成被动照搬实验讲义的局面。
出现上述情况的原因在于，缺乏必要的手段，用以建立原理线路图中仪器仪表符号与实物之间联系，以及实物内部线路与外部接线联系。例如，实验中晶闸管直流电源，在指示书上只有一个直流电源符号，操作注意事项虽很严格，但因学生对内部接线不清楚，往往因盲目操作，忽略注意事项而出错。
（2） 电机学机辅教学的实施方案 方案有以下三个基本目标：
1）应用多媒体技术，动画可视化及人机交互，计算机模拟等多项技术，解决典型基本内容方面的难教难学的问题；
2）大幅度改革教材内容，紧跟电气技术发展步伐，让学生尽可能多地接触新的科技成果；
3）进一步系统改革教学过程及教学方法，通过该课程教学，全面培养学生的能力和锻炼素质，尤其是培养创新能力。
在本项目中，主要目标是应用现代教育技术，解决电机学教学的问题；同时兼顾教材内容的调整及学生能力的培养。
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为达此目标，项目组制订的具体实施方案包括以下内容：
1）应用多媒体技术及三维动画技术，介绍电机的实际结构及简化模型中磁路及绕组在空间的分布；
2）应用计算机模拟技术及可视化技术，直观形象地表示磁场在空间的分布及随时间的变化；
3）应用人机交互及动画技术，解决实验教学方面的种种问题，以便更好地培训实验技术方面的能力。
4）设计可供学生灵活选择学习内容及学习进度，方便地检查学习效果的课件体系，以便尽可能满足不同特点学生的需求。 3．本项目所解决的主要问题
本课题在理论教学、实验教学及实践环节补充这三个方面已解决了包括机辅教学课件从设计、制作的一系列问题，制作了具有特色的电机学机辅教学课件，经过两年多的应用，已取得明显的效果。同时，对涉及机辅教学的一些理论问题进行了深入研究，为现代教育技术在电气工程教学中的进一步推广应用打下了基础。
（1） 在电机学理论教学方面所解决的主要问题 在理论教学方面所解决的主要问题如下：
1）根据科技发展及后续课程需要重新确定重点内容（详见第三部分） 2）根据学生认知特点创新知识表示方法（详见第三部分）
3）创建多种形态的三维动画，根本解决电机变压器的三维空间电磁量分布的认知问题，构思用三维虚拟动画让学生方便地看到内部结构，看到旋转部份与静止部份的区别；三维剖切动画建立模型电机实际结构图与简化平面图之间的联系。 （2） 在实验教学方面所解决的主要问题 这部份主要是用液晶投影系统介绍以下内容
1）线路图中的仪器仪表、设备的符号与实际仪器仪表及设备的对应； 2）仪器仪表及设备的外部接线柱、接线标志与其内部电路的对应关系。 3）实验室的电源系统及安全保护装置； 4）实验操作过程及其注意事项。
这套系统既用于实验开始前的讲解部分，也用在实验过程中供学生查询。 3.3 在实践教学补充方面解决的主要问题
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在这一部分主要介绍实际的汽轮发电机和水轮发电机的结构及其冷却系统。在结构部分，应用了多种动画创意，展示了内部的复杂结构，其中，定转子内部冷却回路的结构，即使在现场，也不易看到，不易看清楚，而在本课件中，则借助透明动画、剖切动画、局部放大动画及交互拆装动画等动画可视化技术，将其表示得一目了然。
通过实践补充，不但增加了实践知识，而且提高了对电机学重要性的认识，提高了学习兴趣，促进了理论教学取得更好效果。
三、电机学多媒体辅助教学软件简介
1． 概述
电机学多媒体辅助教学课件覆盖了一般电机学、电机与拖动等教材中的典型重点难点问题。这些问题多涉及到空间结构、电磁量的时空分布以及饱和、谐波等。现以交流电机的脉振磁场和旋转磁场为例，介绍如何实现对知识结构的描述，如何利用三维动画及人机交互等技术并适当结合有限元等数值仿真技术，将内涵的知识结构和界面的美感紧密结合。课件具有激发兴趣、易于理解、易于记忆和便于应用这种综合的效果。电机学或电机与拖动是一门典型的难教、难学的课程。
我校从1994年开始，持续开展电机学多媒体辅助教学的研究，先后开发了多个版本的电机学课件，同时，还开发了大型汽轮发电机和水轮发电机结构及运行方面的培训软件。近年来在课堂教学及实践环节，以及电力系统培训中投入应用，取得了很好的效果[1-3]。但是，前几年基本上限于在校内用于教学和培训。1992年教指委西安会议给了我们很大的鼓励。会后，有10余个兄弟院校选用了这个课件。有的兄弟院校在使用后，还给我们提出了宝贵的改进意见。
以下结合实例介绍课件的基本内容及其特点，重点介绍如何利用三维动画及人机交互等技术并适当结合有限元等数值仿真技术，将重点、难点问题化为学生觉得很有兴趣、易于理解、易于记忆的问题。 2．电机学多媒体课件的主要内容
2.1 确定课件内容的依据
考虑到多媒体课件的设计制作所需工作量很大，同时，考虑到多媒体课件的应用是在辅助教学的范畴，所以在选择课件内容时，凡是通过常规教学方式容易解决的问题，基本都不作为多媒体课件的主要内容。在分析国内多个版本电机学及电机
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与拖动教材的内容，进一步分析电力系统分析、电动机调速控制等后续课程需求，进而仔细研究不同类型学生认知难点的基础上，初步选择内容，根据试用情况，又多次进行了调整。
2.2 课件内容所涉及的主要问题
当前的课件主要涉及以下几个方面的问题：
①各类电机及变压器的基本结构及典型绕组结构的动画模型； ②交、直流电机的3维及2维教学模型及基本工作原理；
③交流电机的脉振磁场、旋转磁场及同步电机电枢反应的动画可视化； ④交、直流电机电磁力、电磁转矩产生机理的直观表示； ⑤异步电动机、直流电动机的工作特性与调速； ⑥磁路基本定律及其饱和、磁滞、涡流问题的直观表示； ⑦交流电机空间谐波的动画模拟；
⑧基于交互式有限元分析的电机磁场分布的可视化程序。 ⑨基于交互式动态分析的电机动态过程可视化程序。
上述每一个方面，通常又包含多个重点、难点问题，而每一个问题往往又包括多个动画及人机交互界面的设计。所以这里虽然仅仅归纳出8个方面，但每一个方面的具体内容是很多的。例如，上述第一方面关于结构的内容，就包括同步电机、异步电动机以及直流电动机的总体结构以及简化结构，共计数十幅动画。图1~图3是同步电机结构的典型动画祯。
图1 同步电机的总体结构动画模拟
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