羅應(yīng)立電機(jī)學(xué)培訓(xùn)VIP

1、“國家精品課程電機(jī)學(xué)及其后續(xù)全面建設(shè)”項目建設(shè)報告摘 要通過對電機(jī)學(xué)現(xiàn)代教學(xué)問題長達(dá)十年的持續(xù)研究，在電機(jī)學(xué)的教學(xué)理論、教學(xué)方法、現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用等方面，實(shí)現(xiàn)了全面的創(chuàng)新。創(chuàng)建了獨(dú)具特色的電機(jī)學(xué)動畫模型庫，研制了有限元和狀態(tài)方程求解可視化教學(xué)軟件，研究開發(fā)了多媒體輔助教學(xué)軟件系統(tǒng)，2005年電機(jī)學(xué)課程成功申報國家級精品課程，進(jìn)而圍繞教學(xué)軟件的進(jìn)一步深化，開放型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計建設(shè)、教材建設(shè)等項目開展后續(xù)全面建設(shè)，并取得顯著效果。六次在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議上（IEEE Fie98、Fie2001等）作專題發(fā)言，介紹電機(jī)學(xué)教改成果，受到廣泛歡迎。有關(guān)成果對電氣工程同類課程的教改有重要促進(jìn)作用。一、項目建設(shè)簡況

2、1指導(dǎo)思想和定位針對電機(jī)學(xué)課程具有復(fù)雜的電磁場理論與實(shí)際設(shè)備結(jié)構(gòu)及運(yùn)行緊密結(jié)合的特點(diǎn)，綜合應(yīng)用多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計開發(fā)等手段，對本課程從教育學(xué)習(xí)實(shí)踐創(chuàng)新的教學(xué)全過程進(jìn)行全面建設(shè)，使學(xué)生在很好的掌握各類電機(jī)的基本工作原理和基本的分析方法的基礎(chǔ)上，了解電氣工程相關(guān)實(shí)際應(yīng)用及科研創(chuàng)新成果與本課程比較具體的聯(lián)系，引導(dǎo)有能力的學(xué)生及早參加相關(guān)的科研活動，培養(yǎng)科技創(chuàng)新的興趣和能力。2項目建設(shè)主要內(nèi)容為滿足新時期創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，達(dá)到重基礎(chǔ)、寬口徑的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)教學(xué)要求，對電機(jī)學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的研究和改革，從教學(xué)思想、教學(xué)方法和手段、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐、教學(xué)團(tuán)隊的培養(yǎng)等方面進(jìn)行全面建設(shè)，解

3、決傳統(tǒng)課程內(nèi)容復(fù)雜繁多，一直被學(xué)生公認(rèn)的難教難學(xué)課程的教學(xué)問題，創(chuàng)建多渠道、信息豐富的學(xué)生學(xué)習(xí)平臺，解決理論教學(xué)與傳統(tǒng)工程實(shí)踐的跨越，為學(xué)生參與科研實(shí)際搭建創(chuàng)新平臺。（1）多手段、寬信息的多媒體課件，不僅解決電機(jī)學(xué)課堂教學(xué)中對電機(jī)內(nèi)、外部空間三維結(jié)構(gòu)、復(fù)雜時-空函數(shù)等動態(tài)展示這些教與學(xué)的難點(diǎn)問題，而且通過自行開發(fā)的科技文獻(xiàn)同步檢索系統(tǒng)將電機(jī)領(lǐng)域最新科技成果引入課堂。自主設(shè)計開發(fā)的電機(jī)學(xué)教學(xué)用“電機(jī)學(xué)動畫模型庫”、“ppt課件”、“課堂實(shí)物教學(xué)模型”及“網(wǎng)上資源”相結(jié)合的教學(xué)資料，可方便地實(shí)現(xiàn)不同教學(xué)內(nèi)容及要求；針對每一章的重點(diǎn)內(nèi)容開發(fā)了“相關(guān)文獻(xiàn)和專利的專用數(shù)據(jù)庫檢索系統(tǒng)”，拓寬了學(xué)生的思維和

4、眼界，使課堂教學(xué)變得豐富多采，生動有趣，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。（2）集多媒體輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)及教學(xué)錄像為一體的課外輔助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)成學(xué)生課外學(xué)習(xí)的第二課堂。為了提高學(xué)生課外預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)效果，學(xué)生可以登錄電機(jī)學(xué)精品課程網(wǎng)站自由瀏覽、下載電機(jī)學(xué)多媒體教學(xué)軟件及主講教師的全部電機(jī)學(xué)課程教學(xué)錄像。（3）實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與企業(yè)工程實(shí)踐緊密銜接的輔助實(shí)習(xí)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了電機(jī)理論到現(xiàn)場實(shí)際間的跳躍。課題組以實(shí)際300MW大型汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及冷卻、抽水蓄能發(fā)電機(jī)、燈泡慣流水輪發(fā)電機(jī)為對象開發(fā)的多媒體輔助實(shí)習(xí)系統(tǒng)，解決了學(xué)生即使在發(fā)電廠、電機(jī)生產(chǎn)廠也難以看到電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)，有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)場實(shí)習(xí)的

5、不足。 （4）設(shè)計開放性實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，為學(xué)生參與科研、培養(yǎng)創(chuàng)新思維及能力提供創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺。課題組自行設(shè)計、研制以模擬大型汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)及非線性特性的各類模型機(jī)，以及滿足不同電機(jī)需求的動態(tài)微機(jī)綜合測試平臺；設(shè)計開發(fā)36伏電機(jī)特性、控制系統(tǒng)，給學(xué)生創(chuàng)造一個安全可靠的動手平臺，吸引優(yōu)秀拔尖學(xué)生參加科研，施展興趣才華，培養(yǎng)相互合作、互相學(xué)習(xí)的良好科研作風(fēng)。（5）與多媒體教學(xué)相配合的教材改革與推廣，將新的教學(xué)思想、知識結(jié)構(gòu)體系、新的表征手段提供給教師和學(xué)生，并向國內(nèi)外推廣，服務(wù)于社會。出版四個光盤教材:1) 電機(jī)學(xué)多媒體教學(xué)軟件，電力出版社，ISBN978-7-900226730，20

6、07年。2)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)，ISBN7-980041-36-4/TM-00，電力工業(yè)部電化教育中心，2000年。3)汽輪發(fā)電機(jī)故障分析多媒體教程，ISBN7-980041-38-4/TM-02，電力工業(yè)部電化教育中心，2000年。4)與香港理工大學(xué)合作正在共同開發(fā)英文版電機(jī)學(xué)多媒體教學(xué)軟件，準(zhǔn)備向國際有相關(guān)專業(yè)的大學(xué)推廣。撰寫兩本教材：1)電機(jī)與運(yùn)動控制系統(tǒng)，與清華大學(xué)合作，清華大學(xué)出版社，2006年。2)電機(jī)學(xué)，湯蘊(yùn)璆、羅應(yīng)立等編著，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年。（普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材）6對青年教師實(shí)施理論水平及教學(xué)水平能力的培養(yǎng)。高度重視教學(xué)隊伍的建設(shè)與提高，要求教學(xué)科

7、研同步進(jìn)行，由德高望重的老教師牽頭，堅持定期開展教學(xué)研討及青年教師聽課制度，形成一套良好的教師培養(yǎng)制度。課題組先后有多名教師獲得獎勵。1）羅應(yīng)立，北京市高等學(xué)校教學(xué)名師獎，2006年；2）羅應(yīng)立，北京市師德先進(jìn)個人稱號，2006年；3）劉曉芳，北京市第一屆青年教師講課比賽，優(yōu)秀獎，1995年；4）馬波，北京市第三屆青年教師講課比賽，理科二等獎，2000年；5）王昊，華北電力大學(xué)青年教師講課比賽，二等獎，2007年；6）王昊，華北電力大學(xué)年度教學(xué)特等獎，2006年。3教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性、前沿性和實(shí)踐性基礎(chǔ)性：研究多種不同類型交直流電機(jī)及變壓器能量轉(zhuǎn)換、能量傳遞的共同性問題，主要是在空間按一定方式分布

8、的繞組電流產(chǎn)生磁場的問題、交變磁場與繞組相互作用的問題，以及通過電磁轉(zhuǎn)距的作用實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)性的共性問題。前沿性和實(shí)踐性：根據(jù)電力系統(tǒng)及電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)前科研的發(fā)展，后續(xù)課程要涉及發(fā)電機(jī)及電動機(jī)在非正常運(yùn)行條件下或非傳統(tǒng)供電電源（例如變頻電源）條件下的運(yùn)行分析，所以要求本課程要在突出基本內(nèi)容的情況下，介紹基本內(nèi)容與后續(xù)課程和當(dāng)前科研的聯(lián)系。為更好地掌握基本內(nèi)容，適當(dāng)利用信息技術(shù)和數(shù)值分析可視化技術(shù)的成果，解決學(xué)生的認(rèn)識難點(diǎn)問題，從而達(dá)到用相對較少的學(xué)時，更好地掌握重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容。這樣不但在教學(xué)內(nèi)容方面具有時代性，而且在認(rèn)知規(guī)律研究及教育技術(shù)應(yīng)用方面具有前沿性和時代性。二、 課程建設(shè)過

9、程1提高認(rèn)識、知難而進(jìn)、下決心解決電機(jī)學(xué)教學(xué)難題(1) 認(rèn)識電機(jī)學(xué)在電力類專業(yè)教學(xué)中的重要地位電機(jī)學(xué)教學(xué)內(nèi)容覆蓋了發(fā)、輸、供、用電各環(huán)節(jié)的主要設(shè)備，是電力類專業(yè)工程技術(shù)人員所必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)知識。電機(jī)學(xué)內(nèi)容對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有關(guān)鍵的影響當(dāng)前電力系統(tǒng)的一些熱門研究課題與電機(jī)學(xué)密不可分下定決心解決電機(jī)學(xué)難教難學(xué)的問題(2) 分析電機(jī)學(xué)教學(xué)中所存在的主要問題電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生機(jī)理及其特性；同步機(jī)的電樞反應(yīng)；同步機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，功角特性；同步機(jī)輸出無功的能力、運(yùn)行狀態(tài)及其與勵磁的關(guān)系；雙反應(yīng)理論及同步電機(jī)參數(shù)；變壓器的磁勢平衡及歸算算法；變壓器及同步機(jī)的突然短路，參數(shù)對短路電流的影響；對稱

10、分量法、序阻抗、不對稱運(yùn)行分析。(3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面存在的主要問題(4)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所存在的問題2學(xué)習(xí)現(xiàn)代認(rèn)知理論、應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，制訂解決方案（1） 電機(jī)學(xué)難教難學(xué)的原因分析1）知識結(jié)構(gòu)及其基本特點(diǎn)三維、時變及非線性問題，從電機(jī)學(xué)教學(xué)內(nèi)容所存在的難教難學(xué)問題的共同特點(diǎn)來分析，這些內(nèi)容往往都涉及到以下三個問題：電機(jī)磁路及繞組的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及電流和磁場在三維空間的分布；電流和磁場隨時間的變化；激磁電流大小與它所建立磁場磁通大小之間的非線性關(guān)系。歸納起來，就是電流和磁場的三維、時變與非線性的問題。2）學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)分析本科學(xué)生經(jīng)過物理、電路及相關(guān)數(shù)學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，有以下優(yōu)勢：對基本電磁定律已有較好的掌

11、握；對電氣量隨時間的變化及相關(guān)運(yùn)算一般都比較熟練；對數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)較內(nèi)行。但尚有以下不足：對時空交叉的問題知識準(zhǔn)備很少，尤其對電機(jī)、變壓器中，涉及電流與磁場在三維空間分布及同時隨時間變化的這類問題則從未接觸過；實(shí)驗(yàn)方面在物理及電路中，對靜止電路的實(shí)驗(yàn)接觸較多，但對運(yùn)動的電氣設(shè)備的試驗(yàn)都幾乎未涉及。3）教學(xué)環(huán)節(jié)缺少用以了解電機(jī)變壓器基本結(jié)構(gòu)及實(shí)際運(yùn)行知識的實(shí)踐環(huán)節(jié)，所以，對書上的結(jié)構(gòu)圖缺乏感性知識，對電流與磁場的時空分布問題就更難理解。4）教育技術(shù)傳統(tǒng)教法用粉筆、黑板加少量掛圖表達(dá)電流及磁場的空間分布同時隨時間變化這樣的問題十分困難，這是造成“難教”的一個重要原因。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，所存在的主要問

12、題是，在實(shí)驗(yàn)講義所述原理線路圖中的儀器儀表符號與實(shí)際的儀器儀表脫節(jié)，實(shí)際儀器儀表設(shè)備的內(nèi)部線路與外部電路聯(lián)系不起來，這樣，學(xué)生就無法從總體上弄清實(shí)驗(yàn)接線及實(shí)驗(yàn)過程的注意事項，從而造成被動照搬實(shí)驗(yàn)講義的局面。出現(xiàn)上述情況的原因在于，缺乏必要的手段，用以建立原理線路圖中儀器儀表符號與實(shí)物之間聯(lián)系，以及實(shí)物內(nèi)部線路與外部接線聯(lián)系。例如，實(shí)驗(yàn)中晶閘管直流電源，在指示書上只有一個直流電源符號，操作注意事項雖很嚴(yán)格，但因?qū)W生對內(nèi)部接線不清楚，往往因盲目操作，忽略注意事項而出錯。（2） 電機(jī)學(xué)機(jī)輔教學(xué)的實(shí)施方案方案有以下三個基本目標(biāo)：1）應(yīng)用多媒體技術(shù)，動畫可視化及人機(jī)交互，計算機(jī)模擬等多項技術(shù)，解決典型基

13、本內(nèi)容方面的難教難學(xué)的問題；2）大幅度改革教材內(nèi)容，緊跟電氣技術(shù)發(fā)展步伐，讓學(xué)生盡可能多地接觸新的科技成果；3）進(jìn)一步系統(tǒng)改革教學(xué)過程及教學(xué)方法，通過該課程教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生的能力和鍛煉素質(zhì)，尤其是培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在本項目中，主要目標(biāo)是應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，解決電機(jī)學(xué)教學(xué)的問題；同時兼顧教材內(nèi)容的調(diào)整及學(xué)生能力的培養(yǎng)。為達(dá)此目標(biāo)，項目組制訂的具體實(shí)施方案包括以下內(nèi)容：1）應(yīng)用多媒體技術(shù)及三維動畫技術(shù)，介紹電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)及簡化模型中磁路及繞組在空間的分布；2）應(yīng)用計算機(jī)模擬技術(shù)及可視化技術(shù)，直觀形象地表示磁場在空間的分布及隨時間的變化；3）應(yīng)用人機(jī)交互及動畫技術(shù)，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的種種問題，以便更好地

14、培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的能力。4）設(shè)計可供學(xué)生靈活選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容及學(xué)習(xí)進(jìn)度，方便地檢查學(xué)習(xí)效果的課件體系，以便盡可能滿足不同特點(diǎn)學(xué)生的需求。3本項目所解決的主要問題本課題在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)補(bǔ)充這三個方面已解決了包括機(jī)輔教學(xué)課件從設(shè)計、制作的一系列問題，制作了具有特色的電機(jī)學(xué)機(jī)輔教學(xué)課件，經(jīng)過兩年多的應(yīng)用，已取得明顯的效果。同時，對涉及機(jī)輔教學(xué)的一些理論問題進(jìn)行了深入研究，為現(xiàn)代教育技術(shù)在電氣工程教學(xué)中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。（1） 在電機(jī)學(xué)理論教學(xué)方面所解決的主要問題在理論教學(xué)方面所解決的主要問題如下：1）根據(jù)科技發(fā)展及后續(xù)課程需要重新確定重點(diǎn)內(nèi)容（詳見第三部分）2）根據(jù)學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)創(chuàng)

15、新知識表示方法（詳見第三部分）3）創(chuàng)建多種形態(tài)的三維動畫，根本解決電機(jī)變壓器的三維空間電磁量分布的認(rèn)知問題，構(gòu)思用三維虛擬動畫讓學(xué)生方便地看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看到旋轉(zhuǎn)部份與靜止部份的區(qū)別；三維剖切動畫建立模型電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)圖與簡化平面圖之間的聯(lián)系。（2） 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面所解決的主要問題這部份主要是用液晶投影系統(tǒng)介紹以下內(nèi)容1）線路圖中的儀器儀表、設(shè)備的符號與實(shí)際儀器儀表及設(shè)備的對應(yīng)；2）儀器儀表及設(shè)備的外部接線柱、接線標(biāo)志與其內(nèi)部電路的對應(yīng)關(guān)系。3）實(shí)驗(yàn)室的電源系統(tǒng)及安全保護(hù)裝置；4）實(shí)驗(yàn)操作過程及其注意事項。這套系統(tǒng)既用于實(shí)驗(yàn)開始前的講解部分，也用在實(shí)驗(yàn)過程中供學(xué)生查詢。3.3 在實(shí)踐教學(xué)補(bǔ)充方面解

16、決的主要問題在這一部分主要介紹實(shí)際的汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其冷卻系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)部分，應(yīng)用了多種動畫創(chuàng)意，展示了內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中，定轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻回路的結(jié)構(gòu)，即使在現(xiàn)場，也不易看到，不易看清楚，而在本課件中，則借助透明動畫、剖切動畫、局部放大動畫及交互拆裝動畫等動畫可視化技術(shù)，將其表示得一目了然。通過實(shí)踐補(bǔ)充，不但增加了實(shí)踐知識，而且提高了對電機(jī)學(xué)重要性的認(rèn)識，提高了學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了理論教學(xué)取得更好效果。三、電機(jī)學(xué)多媒體輔助教學(xué)軟件簡介1 概述 電機(jī)學(xué)多媒體輔助教學(xué)課件覆蓋了一般電機(jī)學(xué)、電機(jī)與拖動等教材中的典型重點(diǎn)難點(diǎn)問題。這些問題多涉及到空間結(jié)構(gòu)、電磁量的時空分布以及飽和、諧波等?，F(xiàn)以

17、交流電機(jī)的脈振磁場和旋轉(zhuǎn)磁場為例，介紹如何實(shí)現(xiàn)對知識結(jié)構(gòu)的描述，如何利用三維動畫及人機(jī)交互等技術(shù)并適當(dāng)結(jié)合有限元等數(shù)值仿真技術(shù)，將內(nèi)涵的知識結(jié)構(gòu)和界面的美感緊密結(jié)合。課件具有激發(fā)興趣、易于理解、易于記憶和便于應(yīng)用這種綜合的效果。電機(jī)學(xué)或電機(jī)與拖動是一門典型的難教、難學(xué)的課程。我校從1994年開始，持續(xù)開展電機(jī)學(xué)多媒體輔助教學(xué)的研究，先后開發(fā)了多個版本的電機(jī)學(xué)課件，同時，還開發(fā)了大型汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方面的培訓(xùn)軟件。近年來在課堂教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)，以及電力系統(tǒng)培訓(xùn)中投入應(yīng)用，取得了很好的效果1-3。但是，前幾年基本上限于在校內(nèi)用于教學(xué)和培訓(xùn)。1992年教指委西安會議給了我們很大的鼓勵。

18、會后，有10余個兄弟院校選用了這個課件。有的兄弟院校在使用后，還給我們提出了寶貴的改進(jìn)意見。以下結(jié)合實(shí)例介紹課件的基本內(nèi)容及其特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹如何利用三維動畫及人機(jī)交互等技術(shù)并適當(dāng)結(jié)合有限元等數(shù)值仿真技術(shù)，將重點(diǎn)、難點(diǎn)問題化為學(xué)生覺得很有興趣、易于理解、易于記憶的問題。2電機(jī)學(xué)多媒體課件的主要內(nèi)容2.1 確定課件內(nèi)容的依據(jù)考慮到多媒體課件的設(shè)計制作所需工作量很大，同時，考慮到多媒體課件的應(yīng)用是在輔助教學(xué)的范疇，所以在選擇課件內(nèi)容時，凡是通過常規(guī)教學(xué)方式容易解決的問題，基本都不作為多媒體課件的主要內(nèi)容。在分析國內(nèi)多個版本電機(jī)學(xué)及電機(jī)與拖動教材的內(nèi)容，進(jìn)一步分析電力系統(tǒng)分析、電動機(jī)調(diào)速控制等后續(xù)課程

19、需求，進(jìn)而仔細(xì)研究不同類型學(xué)生認(rèn)知難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，初步選擇內(nèi)容，根據(jù)試用情況，又多次進(jìn)行了調(diào)整。2.2 課件內(nèi)容所涉及的主要問題當(dāng)前的課件主要涉及以下幾個方面的問題：各類電機(jī)及變壓器的基本結(jié)構(gòu)及典型繞組結(jié)構(gòu)的動畫模型；交、直流電機(jī)的3維及2維教學(xué)模型及基本工作原理；交流電機(jī)的脈振磁場、旋轉(zhuǎn)磁場及同步電機(jī)電樞反應(yīng)的動畫可視化；交、直流電機(jī)電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理的直觀表示；異步電動機(jī)、直流電動機(jī)的工作特性與調(diào)速；磁路基本定律及其飽和、磁滯、渦流問題的直觀表示；交流電機(jī)空間諧波的動畫模擬；基于交互式有限元分析的電機(jī)磁場分布的可視化程序?；诮换ナ絼討B(tài)分析的電機(jī)動態(tài)過程可視化程序。上述每一個方面，通常

20、又包含多個重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，而每一個問題往往又包括多個動畫及人機(jī)交互界面的設(shè)計。所以這里雖然僅僅歸納出8個方面，但每一個方面的具體內(nèi)容是很多的。例如，上述第一方面關(guān)于結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，就包括同步電機(jī)、異步電動機(jī)以及直流電動機(jī)的總體結(jié)構(gòu)以及簡化結(jié)構(gòu)，共計數(shù)十幅動畫。圖1圖3是同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的典型動畫禎。圖1 同步電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)動畫模擬圖2 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)部件 圖3 同步電機(jī)的主要部件3 電機(jī)學(xué)多媒體課件的結(jié)構(gòu)與知識表示3.1 課件的體系為了使用方便，課件內(nèi)容的編排仍然參考傳統(tǒng)教材的體系，分為磁路和變壓器，交流電機(jī)的共同問題，同步電機(jī)，異步電機(jī)以及直流電機(jī)這五大部分。直流電機(jī)部分也可以放到前面。3.2 知識

21、結(jié)構(gòu)與知識表示為了使課件具有激發(fā)興趣、易于理解、易于記憶和便于應(yīng)用這種綜合的效果，在對重點(diǎn)難點(diǎn)問題進(jìn)行介紹時，特別注意介紹相關(guān)的知識結(jié)構(gòu)、知識框架，以及新的框架與學(xué)生已經(jīng)掌握的知識結(jié)構(gòu)的有機(jī)聯(lián)系。在對框架中的具體問題進(jìn)行描述時，側(cè)重點(diǎn)放在激發(fā)興趣、建立物理概念及物理概念與數(shù)學(xué)模型之間的接口。以下以交流電機(jī)脈振磁場、旋轉(zhuǎn)磁場為例，說明課件的知識結(jié)構(gòu)和知識表示方法。3.3 交流電機(jī)脈振磁場與旋轉(zhuǎn)磁場的知識結(jié)構(gòu)與知識表示交流電機(jī)電樞電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場問題是電機(jī)理論中最重要也是最困難的問題之一。與本科生、研究生的多門后續(xù)課程以至研究工作都有密切聯(lián)系。以往電機(jī)教學(xué)中的大量難點(diǎn)問題的出現(xiàn)與未能掌握旋轉(zhuǎn)磁場的

22、知識有關(guān)。在本課件中采取了從磁場（磁力線）的分布到氣隙磁動勢的分布，從物理概念到數(shù)學(xué)模型的順序。采用以下環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對知識結(jié)構(gòu)的表示。 通過特殊設(shè)計的動畫建立脈振磁場及旋轉(zhuǎn)磁場的概念； 通過交互式有限元分析及講解，認(rèn)識磁力線在空間的分布及其隨時間的變化； 通過老師講解，結(jié)合觀察動畫，建立氣隙磁勢的概念； 建立氣隙磁場的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步掌握脈振磁勢及旋轉(zhuǎn)磁勢的特點(diǎn)。1脈振磁場及旋轉(zhuǎn)磁場概念的建立（1） 認(rèn)識電樞磁場的磁路、磁極和磁力線分布課件中采用只有一個線圈的電樞繞組通直流電時的磁場作為實(shí)例，采用和簡單電磁鐵的磁場相比較的方法進(jìn)行介紹。圖4是專門設(shè)計的動畫模型。圖5是磁力線分布。 a) b)c)

23、d)圖4 電樞磁場的磁路與磁極 圖5 電樞磁場的磁力線 (2) 認(rèn)識電樞單個線圈的脈振磁場在認(rèn)識電樞繞組通直流電時的磁場的磁路、磁極和磁力線分布特點(diǎn)之后，進(jìn)一步通過圖6認(rèn)識電樞單個線圈脈振磁場的磁極分布區(qū)域的變化情況。通過圖7認(rèn)識矩形波脈振磁場及其基波的特點(diǎn)。a) b) c)圖6 脈振磁場磁極分布區(qū)域的變化 圖7 脈振磁場的基波（3）認(rèn)識旋轉(zhuǎn)磁場 在建立了單相電流磁場的磁路、磁極及磁場脈振的概念后，通過圖8所示動畫容易建立起旋轉(zhuǎn)磁場的基本概念。原來所謂旋轉(zhuǎn)磁場實(shí)際上是定子內(nèi)圓N極與S極的極性區(qū)域在隨時間周期性變化，而且，在兩極電機(jī)中，電流變化一個周期，磁場就轉(zhuǎn)過一圈。在老師的引導(dǎo)下，可以進(jìn)一步

24、認(rèn)識到旋轉(zhuǎn)磁場的其它重要性質(zhì)，例如當(dāng)某相電流達(dá)到最大值的瞬間，三相合成磁場的軸線與該相繞組軸線重合等。 圖8 旋轉(zhuǎn)磁場的直觀表示2通過有限元可視化及教師講解進(jìn)一步認(rèn)識脈振磁場及旋轉(zhuǎn)磁場的特點(diǎn)為了進(jìn)一步認(rèn)識脈振磁場及旋轉(zhuǎn)磁場的特點(diǎn)，在課件中嵌入了有限元分析可視化程序。使用者完全不必了解后臺的程序及算法，只須在圖9 a)所示界面輸入定子槽數(shù)、電機(jī)的極數(shù)、A相電流相位及所需畫出的磁力線條數(shù)的最大值，就可以在數(shù)秒中內(nèi)完成有限元分析，并按要求畫出相應(yīng)的磁力線分布。圖9 b)與c)就是對應(yīng)于不同相位的磁場分布圖。a) b) c)圖9 脈振磁場及旋轉(zhuǎn)磁場有限元分析可視化的界面3氣隙磁勢概念的建立由氣隙磁場發(fā)

25、展到氣隙磁勢通過教師講解，結(jié)合觀察動畫，可以進(jìn)一步方便地引入氣隙磁勢的概念。將磁場的磁通密度沿定子內(nèi)圓表面的分布與氣隙磁勢沿同一表面的分布統(tǒng)一起來。4通過坐標(biāo)展開動畫及教師講解建立磁場空間分布圖與數(shù)學(xué)表達(dá)式的接口為了全面地定量地認(rèn)識脈振磁勢及旋轉(zhuǎn)磁勢的特點(diǎn)，需要借助于數(shù)學(xué)工具。同時，為了進(jìn)一步分析脈振磁勢及旋轉(zhuǎn)磁勢的諧波，或分析不對稱情況下的橢圓型磁勢，采用數(shù)學(xué)方法也是方便的。此外，一旦建立起磁場空間分布圖與數(shù)學(xué)表達(dá)式之間的接口，也就建立起了多媒體課件與傳統(tǒng)教材的接口。所以，在了解磁通密度和磁勢沿定子內(nèi)圓表面的空間分布之后，還需要進(jìn)一步掌握氣隙磁勢的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在課件中利用圖10 所示定子鐵心

26、展開動畫來形象地表示定子內(nèi)圓的圓弧坐標(biāo)與通常采用的用以表示磁勢分布的直線坐標(biāo)的關(guān)系。通過該動畫一方面容易得到脈振磁勢及旋轉(zhuǎn)磁勢的數(shù)學(xué)表達(dá)，另一方面，可以方便地掌握如圖11所示三個脈振磁勢合成旋轉(zhuǎn)磁勢的動畫的物理意義。 圖10 定子鐵心展開動畫 圖11 脈振磁勢合成旋轉(zhuǎn)磁勢的動畫模擬3.4 關(guān)于知識結(jié)構(gòu)與知識表示的一般性結(jié)論從上面所介紹的脈振磁場及旋轉(zhuǎn)磁場的例子可以看出，大部分圖形和動畫是根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)、難點(diǎn)結(jié)合計算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢重新設(shè)計的。設(shè)計時，既要簡潔明了，又要反映專業(yè)教學(xué)的基本要求，還要便于制作，美觀大方。實(shí)際上，有些動畫是經(jīng)過數(shù)十次的修改才定型的。經(jīng)過這樣一個過程后，所設(shè)計的多媒體課

27、件往往與現(xiàn)有教材的圖形并不相同。一些兄弟院校同行曾經(jīng)多次問到，課件配那套教材。應(yīng)該認(rèn)為，從知識的表達(dá)方式看，和那套教材都不太相同；而從重點(diǎn)難點(diǎn)問題的計算機(jī)輔助教學(xué)的角度看，和大部分教材都可以銜接上。四、實(shí)施效果及項目建設(shè)成果1 應(yīng)用效果通過學(xué)生實(shí)際使用，取得了十分明顯的效果：（1）在理論教學(xué)方面，對多數(shù)學(xué)生而言已較好地解決了現(xiàn)行教材中的大部分重點(diǎn)難點(diǎn)問題；例如，對旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生機(jī)理及其特點(diǎn)，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)后都有很深刻的印象并建立起較牢固的概念。而在以前，這是最難掌握的內(nèi)容。（2）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，多數(shù)學(xué)生改變了盲目被動接線及一步一步照書本被動操作的局面，大大提高了主動性及做實(shí)驗(yàn)的興趣。（3）在補(bǔ)

28、充實(shí)踐環(huán)節(jié)方面，幫助學(xué)生增加了大量實(shí)際知識。（4）促進(jìn)了教學(xué)改革，在電機(jī)學(xué)學(xué)時減少的情況下，本課件成為保證教學(xué)質(zhì)量的一個必不可少的措施。（5）大大提高了學(xué)生將電機(jī)學(xué)的許多內(nèi)容由枯燥繁瑣的文字?jǐn)⑹龊凸酵茖?dǎo)變?yōu)樯鷦佑腥ぃ庇^形象，且通過人機(jī)交互直接參與調(diào)節(jié)參數(shù)，進(jìn)行探索的教學(xué)環(huán)境，所以，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及主動精神。2. 同行專家評價至今已有約十多批國內(nèi)外專家看過了電機(jī)學(xué)機(jī)輔教學(xué)課件運(yùn)行或演示，獲得了一致好評，其中漸江大學(xué)韓禎祥教授認(rèn)為該課件值得推廣，建議寫文章在國際電機(jī)會議發(fā)表并在會上演示；莫斯科動力學(xué)院機(jī)電學(xué)教研室主任庫茲頁佐夫教授認(rèn)為非常好，說俄羅斯還沒有這樣好的課件；香港大學(xué)倪以信

29、教授認(rèn)為，該課件對解決電機(jī)學(xué)教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)問題中很有意義。3. 與國外同類課件的對比課題組成員曾在1998年10月赴美國參加IEEE“教育前沿”會議（Frontier in Education Conference），在會上見到了電氣工程教育培訓(xùn)方面的獲獎的唯一多媒體課件，內(nèi)容是關(guān)于電廠設(shè)備。經(jīng)仔細(xì)對比發(fā)現(xiàn)，我們的課件在動畫可視化技術(shù)應(yīng)用及針對重點(diǎn)難點(diǎn)問題采用多媒體教學(xué)方面有自己的獨(dú)特優(yōu)勢。而IEEE獲獎?wù)n件主要是用照片、錄像與聲音文字，其優(yōu)點(diǎn)在于可供學(xué)生訪問的相關(guān)知識點(diǎn)及Internet站點(diǎn)很多，但在涉及內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理方面，他們不太可能花大量人力進(jìn)行設(shè)計制作。所以，應(yīng)該認(rèn)為我們的課件與IEEE

30、獲獎?wù)n件是各有自己的優(yōu)勢與特色。4. 項目建設(shè)成果 曾獲省部級及以上獎勵: 1）國家級精品課程，教育部，2005年。2）北京市級精品課程，北京市教委，2004年。3）電氣工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)優(yōu)秀團(tuán)隊，河北省教育廳，2007年。 4）用現(xiàn)代信息技術(shù)綜合改造電力基礎(chǔ)教學(xué)，北京市教育成果二等獎，2001。 5）大型汽輪發(fā)電機(jī)計算機(jī)輔助培訓(xùn)系統(tǒng)，（內(nèi)蒙古）省部級科技進(jìn)步三等獎，2002。 出版四個光盤教材:1) 電機(jī)學(xué)多媒體教學(xué)軟件，電力出版社，ISBN978-7-900226730，2007年。2)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)，ISBN7-980041-36-4/TM-00，電力工業(yè)部電化教育中心，20

31、00年。3)汽輪發(fā)電機(jī)故障分析多媒體教程，ISBN7-980041-38-4/TM-02，電力工業(yè)部電化教育中心，2000年。4)與香港理工大學(xué)合作正在共同開發(fā)英文版電機(jī)學(xué)多媒體教學(xué)軟件，準(zhǔn)備向國際有相關(guān)專業(yè)的大學(xué)推廣。撰寫兩本教材：1)電機(jī)與運(yùn)動控制系統(tǒng)，與清華大學(xué)合作，清華大學(xué)出版社，2006年。2)電機(jī)學(xué)，湯蘊(yùn)璆、羅應(yīng)立等編著，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年。（普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材）課題組先后有多名教師獲得獎勵：1）羅應(yīng)立，北京市高等學(xué)校教學(xué)名師獎，2006年；2）羅應(yīng)立，北京市師德先進(jìn)個人稱號，2006年；3）劉曉芳，北京市第一屆青年教師講課比賽，優(yōu)秀獎，1995年；4）馬波，北京市第三屆青年教師講課比賽，理科二等獎，2000年；5）王昊，華北電力大學(xué)青年教師講課比賽，二等獎，2007年；6）王昊，華北電力大學(xué)年度教學(xué)特等獎，2006年。發(fā)表主要教學(xué)論文：1）羅應(yīng)立，計及學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的某些電磁問題的可視化及交互實(shí)驗(yàn)（英）,IEEE Fie98。(EI收錄)2）Luo yingli,Teaching strategy and courseware design for the active and creative learning in electrical en