多媒體技術在“電機學”教學中的應用

姜宏偉?梁芬?唐鳴

摘要：實踐教學是三本院校最重要的特點，以“電機學”課程為例，基于多媒體技術，采用SolidWorks、AutoCAD、VB等多種開發工具為電機學的教學環節設計了課件，課件具有生動、直觀、互動性強等特點，一定程度上解決了三本院校存在的少學時、多內容、實驗資源欠缺情況下的教學問題，教學效果良好。

關鍵詞：電機學；教學；多媒體技術

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0109-02

隨著社會的發展，理論和實踐并重的教學理念越來越被各界重視，以培養應用型科技創新人才為教學導向的獨立學院更是注重學生實踐能力的培養，而教師如何轉變教育觀念、提高教學能力就變得刻不容緩。本文以“電機學”課程為例，對教學中多媒體技術的應用進行了深入探索。

“電機學”課程是電氣工程及自動化專業一門重要的專業基礎課，具有較強的理論性和實踐性。其中復雜的結構和抽象的電磁場關系往往讓學生學起來無所適從，尤其是對于三本類學生來說，如何讓學生在少學時、內容多、實驗資源欠缺的情況下，很好地學習并吸收電機學的精華知識是教師面臨的一大問題。三本類學生往往理論基礎不夠扎實，面對這么一門抽象的課程要么不知所云，要么無從下手，最終導致學生偃旗息鼓，興趣全無。傳統的板書式教學方法更是讓課堂氣氛沉悶，學生學起來索然無味，教學效果很不理想[1-2]。

隨著多媒體技術的應用和發展，這一問題得到了很大改善，大量結構圖片、動畫的介入使得學生學習起來從不知所云變得游刃有余。但是，如何恰到好處的使用多媒體技術是我們每一位老師值得深思的問題。文中作者根據多年的教學實踐經驗，對電機學教學規律作出了大量深入研究，對如何很好的利用SolidWorks、AutoCAD、VB等輔助工具在電機學多媒體課件制作中的應用作出了進一步探討。

一、基于SOLIDWOKS的電機三維模型構造

電機的結構空間概念較強，理解時需要學生具備豐富的空間想象力，而電機的結構模型是學生在學習電機時的基礎，如何讓學生能在有限的學時內掌握各類電機的基本結構是教學的首要問題。目前，教學過程中通常采用的方法有：引入多媒體技術，借助大量結構圖片和視頻進行課堂教學，使學生通過圖片，建立一個空間立體模型；或者進行實物教學，帶領學生到電機、變壓器廠實地參觀；或者在實驗室對電機進行拆裝等，幫助學生對電機有一個形象立體的認識。但同時也存在很多問題，首先，實際電機內部結構比較復雜，學生在觀察圖片或實物時一般不容易抓住重點；其次，針對目前大多三本類院校存在少學時、專業學生人數多、控制教學成本等問題，實地參觀和電機實物拆解學習都很難實現。

針對上述問題，作者利用SolidWorks三維軟件構造出電機的三維實體模型以輔助（仿真）電機的結構教學使用，使得上述諸多問題迎刃而解。同時，借助SolidWorks軟件把電機結構的三維模型制作好后，在SolidWorks環境下，可直接進行縮放、三維觀察，還能直接使用三維實體零件進行仿真裝配、著色、局部隱藏和剖面等操作，并動態地觀察可運動零部件（如電機轉子）的運動情況等。同時，為方便課堂教學，也可利用屏幕錄制程序，制作成FLASH放置到PPT頁面上。例如，在介紹直流電機的基本結構時，如果單純地告訴學生直流電機由定子、轉子、電刷、換向器等組成，學生會覺得比較抽象，難以理解，若借助SolidWorks軟件繪制出三維的直流電機結構，如圖1所示，為直流電機鼓形繞組、電刷和換向器結構三維模型示意圖，該模型對電機定子和轉子均做簡化處理，放大電刷和換向器，突出重點，使學生在學習過程中能較好理解電機基本構成、單疊繞組連接原理、換向器與繞組的連接關系、電刷和換向器的關系等，對學生學習掌握“轉子繞組首尾相連構成一個閉合回路；電刷把電樞繞組平分為兩對支路；電樞在轉動時，每個支路中導體不停發生變化，但每個支路中（磁極下）導體電流方向不變”等直流電機基本原理起到積極作用。這樣，教學時就可以突出重點、有的放矢，極大地提高教學質量。

另一方面，為了進一步加深理解電機的內部結構，提高學生實踐能力，學生還可以利用SolidWorks三維軟件自己動手繪制電機結構，例如配電變壓器的鐵芯截面常采用多級梯形結構，鐵芯結構如圖2所示，鐵芯直徑這一重要參數很多同學難以理解，若學生利用SolidWorks軟件自己動手繪制配電變壓器的鐵芯，則理解起來就簡單多了。

二、基于AutoLISP的電機旋轉磁場動畫模型

學習交流電機時，需要重點分析氣隙旋轉磁場與定轉子繞組的電磁感應作用。氣隙旋轉磁場是基礎，對氣隙旋轉磁場的能否正確理解是掌握交流電機機電能量轉換的關鍵。氣隙旋轉磁動勢或磁場是“一個正弦分布、以同步轉速向前推移的正向恒幅旋轉磁動勢或磁場”，旋轉磁場比較抽象，尤其對于初學者來說，若不借助一定手段，很難在短時間內建立起旋轉磁場的完整概念。正弦分布的恒幅旋轉磁場一般使用連續的圖形描述進而形成FLASH文件，但都存在操作復雜等缺點[3]，這里介紹一種全新簡易的利用AutoCAD繪圖軟件開發電機旋轉磁場的方法。

AutoCAD是一款得到廣泛應用的二維繪圖軟件，可繪制復雜的工程圖，AutoCAD內嵌AutoLISP高級開發語言，編制AutoLISP圖形控制程序，可對AutoCAD繪圖環境及圖形進行各種操作。這里以籠型感應電機為例，利用AutoLISP建立電機旋轉磁場。建立過程如下：新建一個CAD圖，手工設置三個圖層，分別在三個圖層上繪制異步電動機定子、轉子和正弦旋轉磁場圖，可把線條定義為多義線，并設定線寬和顏色以提高顯示效果（如圖3示）。然后新建一個AutoLISP文件（.lsp），利用AutoLISP函數語言編制圖形控制程序，主要用到以下函數和命令。

command：AutoLISP函數，可直接調用AutoCAD的命令，進行圖形控制操作；

ssget：AutoLISP的實體訪問函數，可手工建立選擇集并命名；

layer：AutoCAD圖層命令，可進行圖層操作，這里主要是關閉和打開相關圖層；

rotate：AutoCAD圖形編輯命令，可對某個選擇集中的圖形對象進行旋轉操作；

while：AutoLISP循環結構函數。

程序開始，利用layer圖層命令依次只打開定子、轉子和旋轉磁場對應的圖層，關閉不需要的圖層，以方便復雜圖形下的圖形選擇。然后利用ssget函數手工建立三個選擇集并命名。編制循環結構，利用rotate命令對旋轉磁場和轉子對應圖形進行小角度旋轉，控制轉子旋轉速度略低于旋轉磁場。為降低旋轉轉速，可編制并調用延時函數。在AutoCAD環境下加載并運行程序，即可達到預期效果。同樣，該操作也可利用屏幕錄制程序，制作成FLASH放置到PPT頁面上。

三、基于VB的電機學互動課件制作

互動式教學能及時反饋教學效果，教師根據教學反饋實時調整教學策略，是廣大教師最常見的教學方法。隨著多媒體技術的廣泛發展，如何能制作出高水平的互動式教學課件是我們每一位教師值得思考的問題，互動式課件要具有很強的可操作性、啟發性和趣味性，對課件制作提出了更高的要求。

作者根據多年的教學經驗，對電機學互動課件的制作做了大量的深入研究，對電機學的教學難點和重點部分利用VB及VB.net開發出了功能強大的互動式圖形程序[4-5]?，F以利用VB開發三相交流繞組的旋轉磁動勢動態程序為例，制作過程如下：新建一個EXE文件并設計窗體，放置一些直線控件、SHAPE控件及滾動條等。在程序中，繪制三相電流波形及利用直線控件對時間進行標記，利用SHAPE控件制作定子及轉子圖形，電流方向分別用“+”和“·”區別，電流大小用“+”和“·”的大小進行標示，利用SHAPE和直線控件制作繞組中三相電流標記。放置一個滾動條對時間點進行控制，當時間變化時，三相繞組中的電流發生變化，合成磁動勢的方向用直線控件繪制的箭頭標示。編制程序時，根據滾動條定義的時間，計算三相電流大小及合成磁動勢的方向，并修改電流標記控件和合成磁動勢方向標記組合控件的相關參數即可。制作完畢后為一可執行文件，在PPT上建立鏈接，教學時點擊相應鏈接即可打開EXE程序，該可執行文件不受電腦操作系統、軟件版本等各種因素的干擾，操作簡單、方便快捷。利用VB開發的三相交流繞組旋轉磁動勢動態程序圖如圖4示。

四、結論

教學是一個師生互動的過程，本文以“電機學”課程為例對教學中多媒體技術的應用進行了詳細闡述和論證。結果表明，多媒體技術的靈活運用，極大地提高了學生學習的積極性和主動性，激發了學生學習的熱情，很好解決了三本院校存在的少學時、多內容、實驗資源欠缺情況下的教學問題，教學效果良好。

參考文獻：

[1]姜宏偉，等.基于SolidWorks的電機結構和繞組三維模型圖課件制作及教學應用[J].鄭州經濟管理干部學院學報，2006，（3）：78-80.

[2]湯蘊璆，等.電機學[M].北京：機械工業出版社，2012：69-190.

[3]李勇，等.基于Flash的電機學教學重難點動畫演示課件的制作[J].中國現代教育裝備，2012，（13）：4-8.

[4]李春葆，等.VB.NET 2005 程序設計教程[M].北京：清華大學出版社，2009：213-230.

[5]姜宏偉，等.計算機輔助電機設計[M].北京：中國電力出版社，2009：122-277.

（責任編輯：韓曉英）