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1、本文档相关内容参见视频1-4“国家精品课程电机学及其后续全面建设”项目建设报告摘 要通过对电机学现代教学问题长达十年的持续研究，在电机学的教学理论、教学方法、现代信息技术应用等方面，实现了全面的创新。创建了独具特色的电机学动画模型库，研制了有限元和状态方程求解可视化教学软件，研究开发了多媒体辅助教学软件系统，2005年电机学课程成功申报国家级精品课程，进而围绕教学软件的进一步深化，开放型实验的设计建设、教材建设等项目开展后续全面建设，并取得显著效果。六次在国内外学术会议上（IEEE Fie98、Fie2001等）作专题发言，介绍电机学教改成果，受到广泛欢迎。有关成果对电气工程同类课程的教改有重
2、要促进作用。一、项目建设简况1指导思想和定位针对电机学课程具有复杂的电磁场理论与实际设备结构及运行紧密结合的特点，综合应用多媒体技术、网络信息技术、创新实验平台设计开发等手段，对本课程从教育学习实践创新的教学全过程进行全面建设，使学生在很好的掌握各类电机的基本工作原理和基本的分析方法的基础上，了解电气工程相关实际应用及科研创新成果与本课程比较具体的联系，引导有能力的学生及早参加相关的科研活动，培养科技创新的兴趣和能力。2项目建设主要内容为满足新时期创新型人才培养目标，达到重基础、宽口径的专业知识结构教学要求，对电机学课程教学进行系统的研究和改革，从教学思想、教学方法和手段、实验与实践、教学团队
3、的培养等方面进行全面建设，解决传统课程内容复杂繁多，一直被学生公认的难教难学课程的教学问题，创建多渠道、信息丰富的学生学习平台，解决理论教学与传统工程实践的跨越，为学生参与科研实际搭建创新平台。（1）多手段、宽信息的多媒体课件，不仅解决电机学课堂教学中对电机内、外部空间三维结构、复杂时-空函数等动态展示这些教与学的难点问题，而且通过自行开发的科技文献同步检索系统将电机领域最新科技成果引入课堂。自主设计开发的电机学教学用“电机学动画模型库”、“ppt课件”、“课堂实物教学模型”及“网上资源”相结合的教学资料，可方便地实现不同教学内容及要求；针对每一章的重点内容开发了“相关文献和专利的专用数据库检
4、索系统”，拓宽了学生的思维和眼界，使课堂教学变得丰富多采，生动有趣，极大提高了学生的学习兴趣和学习效果。（2）集多媒体辅助学习系统及教学录像为一体的课外辅助网络教学系统，构成学生课外学习的第二课堂。为了提高学生课外预习及复习效果，学生可以登录电机学精品课程网站自由浏览、下载电机学多媒体教学软件及主讲教师的全部电机学课程教学录像。（3）实现理论教学与企业工程实践紧密衔接的辅助实习系统，弥补了电机理论到现场实际间的跳跃。课题组以实际300MW大型汽轮发电机结构及冷却、抽水蓄能发电机、灯泡惯流水轮发电机为对象开发的多媒体辅助实习系统，解决了学生即使在发电厂、电机生产厂也难以看到电机内部复杂结构及冷却
5、系统，有效地弥补了现场实习的不足。 （4）设计开放性实训系统，为学生参与科研、培养创新思维及能力提供创新实验平台。课题组自行设计、研制以模拟大型汽轮发电机、水轮发电机、永磁电机结构及非线性特性的各类模型机，以及满足不同电机需求的动态微机综合测试平台；设计开发36伏电机特性、控制系统，给学生创造一个安全可靠的动手平台，吸引优秀拔尖学生参加科研，施展兴趣才华，培养相互合作、互相学习的良好科研作风。（5）与多媒体教学相配合的教材改革与推广，将新的教学思想、知识结构体系、新的表征手段提供给教师和学生，并向国内外推广，服务于社会。出版四个光盘教材:1) 电机学多媒体教学软件，电力出版社，ISBN978-
6、7-900226730，2007年。2)汽轮发电机结构及冷却系统，ISBN7-980041-36-4/TM-00，电力工业部电化教育中心，2000年。3)汽轮发电机故障分析多媒体教程，ISBN7-980041-38-4/TM-02，电力工业部电化教育中心，2000年。4)与香港理工大学合作正在共同开发英文版电机学多媒体教学软件，准备向国际有相关专业的大学推广。撰写两本教材：1)电机与运动控制系统，与清华大学合作，清华大学出版社，2006年。2)电机学，汤蕴璆、罗应立等编著，机械工业出版社，2008年。（普通高等教育十一五国家级规划教材）6对青年教师实施理论水平及教学水平能力的培养。高度重视教学
7、队伍的建设与提高，要求教学科研同步进行，由德高望重的老教师牵头，坚持定期开展教学研讨及青年教师听课制度，形成一套良好的教师培养制度。课题组先后有多名教师获得奖励。1）罗应立，北京市高等学校教学名师奖，2006年；2）罗应立，北京市师德先进个人称号，2006年；3）刘晓芳，北京市第一届青年教师讲课比赛，优秀奖，1995年；4）马波，北京市第三届青年教师讲课比赛，理科二等奖，2000年；5）王昊，华北电力大学青年教师讲课比赛，二等奖，2007年；6）王昊，华北电力大学年度教学特等奖，2006年。3教学内容基础性、前沿性和实践性基础性：研究多种不同类型交直流电机及变压器能量转换、能量传递的共同性问题
8、，主要是在空间按一定方式分布的绕组电流产生磁场的问题、交变磁场与绕组相互作用的问题，以及通过电磁转距的作用实现电能与机械能的转换等基础性的共性问题。前沿性和实践性：根据电力系统及电机调速系统当前科研的发展，后续课程要涉及发电机及电动机在非正常运行条件下或非传统供电电源（例如变频电源）条件下的运行分析，所以要求本课程要在突出基本内容的情况下，介绍基本内容与后续课程和当前科研的联系。为更好地掌握基本内容，适当利用信息技术和数值分析可视化技术的成果，解决学生的认识难点问题，从而达到用相对较少的学时，更好地掌握重点难点内容。这样不但在教学内容方面具有时代性，而且在认知规律研究及教育技术应用方面具有前沿
9、性和时代性。二、 课程建设过程1提高认识、知难而进、下决心解决电机学教学难题(1) 认识电机学在电力类专业教学中的重要地位电机学教学内容覆盖了发、输、供、用电各环节的主要设备，是电力类专业工程技术人员所必不可少的技术基础知识。电机学内容对后续课程的学习有关键的影响当前电力系统的一些热门研究课题与电机学密不可分下定决心解决电机学难教难学的问题(2) 分析电机学教学中所存在的主要问题电机旋转磁场产生机理及其特性；同步机的电枢反应；同步机电磁转矩产生机理及影响因素，功角特性；同步机输出无功的能力、运行状态及其与励磁的关系；双反应理论及同步电机参数；变压器的磁势平衡及归算算法；变压器及同步机的突然短路
10、，参数对短路电流的影响；对称分量法、序阻抗、不对称运行分析。(3) 实验教学方面存在的主要问题(4)实践教学环节所存在的问题2学习现代认知理论、应用现代教育技术，制订解决方案（1） 电机学难教难学的原因分析1）知识结构及其基本特点三维、时变及非线性问题，从电机学教学内容所存在的难教难学问题的共同特点来分析，这些内容往往都涉及到以下三个问题：电机磁路及绕组的复杂结构及电流和磁场在三维空间的分布；电流和磁场随时间的变化；激磁电流大小与它所建立磁场磁通大小之间的非线性关系。归纳起来，就是电流和磁场的三维、时变与非线性的问题。2）学生的认知特点分析本科学生经过物理、电路及相关数学内容的学习，有以下优势
11、：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
12、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
13、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。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
14、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
15、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
