多媒体技术在“电机学”教学中的应用
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0109-02
随着社会的发展，理论和实践并重的教学理念越来越被各界重视，以培养应用型科技创新人才为教学导向的独立学院更是注重学生实践能力的培养，而教师如何转变教育观念、提高教学能力就变得刻不容缓。本文以“电机学”课程为例，对教学中多媒体技术的应用进行了深入探索。
“电机学”课程是电气工程及自动化专业一门重要的专业基础课，具有较强的理论性和实践性。其中复杂的结构和抽象的电磁场关系往往让学生学起来无所适从，尤其是对于三本类学生来说，如何让学生在少学时、内容多、实验资源欠缺的情况下，很好地学习并吸收电机学的精华知识是教师面临的一大问题。三本类学生往往理论基础不够扎实，面对这么一门抽象的课程要么不知所云，要么无从下手，最终导致学生偃旗息鼓，兴趣全无。传统的板书式教学方法更是让课堂气氛沉闷，学生学起来索然无味，教学效果很不理想[1-2]。
随着多媒体技术的应用和发展，这一问题得到了很大改善，大量结构图片、动画的介入使得学生学习起来从不知所云变得游刃有余。但是，如何恰到好处的使用多媒体技术是我们每一位老师值得深思的问题。文中作者根据多年的教学实践经验，对电机学教学规律作出了大量深入研究，对如何很好的利用SolidWorks、AutoCAD、VB等辅助工具在电机学多媒体课件制作中的应用作出了进一步探讨。
一、基于SOLIDWOKS的电机三维模型构造
电机的结构空间概念较强，理解时需要学生具备丰富的空间想象力，而电机的结构模型是学生在学习电机时的基础，如何让学生能在有限的学时内掌握各类电机的基本结构是教学的首要问题。目前，教学过程中通常采用的方法有：引入多媒体技术，借助大量结构图片和视频进行课堂教学，使学生通过图片，建立一个空间立体模型；或者进行实物教学，带领学生到电机、变压器厂实地参观；或者在实验室对电机进行拆装等，帮助学生对电机有一个形象立体的认识。但同时也存在很多问题，首先，实际电机内部结构比较复杂，学生在观察图片或实物时一般不容易抓住重点；其次，针对目前大多三本类院校存在少学时、专业学生人数多、控制教学成本等问题，实地参观和电机实物拆解学习都很难实现。
针对上述问题，作者利用SolidWorks三维软件构造出电机的三维实体模型以辅助（仿真）电机的结构教学使用，使得上述诸多问题迎刃而解。同时，借助SolidWorks软件把电机结构的三维模型制作好后，在SolidWorks环境下，可直接进行缩放、三维观察，还能直接使用三维实体零件进行仿真装配、着色、局部隐藏和剖面等操作，并动态地观察可运动零部件（如电机转子）的运动情况等。同时，为方便课堂教学，也可利用屏幕录制程序，制作成FLASH放置到PPT页面上。例如，在介绍直流电机的基本结构时，如果单纯地告诉学生直流电机由定子、转子、电刷、换向器等组成，学生会觉得比较抽象，难以理解，若借助SolidWorks软件绘制出三维的直流电机结构，如图1所示，为直流电机鼓形绕组、电刷和换向器结构三维模型示意图，该模型对电机定子和转子均做简化处理，放大电刷和换向器，突出重点，使学生在学习过程中能较好理解电机基本构成、单叠绕组连接原理、换向器与绕组的连接关系、电刷和换向器的关系等，对学生学习掌握“转子绕组首尾相连构成一个闭合回路；电刷把电枢绕组平分为两对支路；电枢在转动时，每个支路中导体不停发生变化，但每个支路中（磁极下）导体电流方向不变”等直流电机基本原理起到积极作用。这样，教学时就可以突出重点、有的放矢，极大地提高教学质量。
另一方面，为了进一步加深理解电机的内部结构，提高学生实践能力，学生还可以利用SolidWorks三维软件自己动手绘制电机结构，例如配电变压器的铁芯截面常采用多级梯形结构，铁芯结构如图2所示，铁芯直径这一重要参数很多同学难以理解，若学生利用SolidWorks软件自己动手绘制配电变压器的铁芯，则理解起来就简单多了。
二、基于AutoLISP的电机旋转磁场动画模型
学习交流电机时，需要重点分析气隙旋转磁场与定转子绕组的电磁感应作用。气隙旋转磁场是基础，对气隙旋转磁场的能否正确理解是掌握交流电机机电能量转换的关键。气隙旋转磁动势或磁场是“一个正弦分布、以同步转速向前推移的正向恒幅旋转磁动势或磁场”，旋转磁场比较抽象，尤其对于初学者来说，若不借助一定手段，很难在短时间内建立起旋转磁场的完整概念。正弦分布的恒幅旋转磁场一般使用连续的图形描述进而形成FLASH文件，但都存在操作复杂等缺点[3]，这里介绍一种全新简易的利用AutoCAD绘图软件开发电机旋转磁场的方法。
AutoCAD是一款得到广泛应用的二维绘图软件，可绘制复杂的工程图，AutoCAD内嵌AutoLISP高级开发语言，编制AutoLISP图形控制程序，可对AutoCAD绘图环境及图形进行各种操作。这里以笼型感应电机为例，利用AutoLISP建立电机旋转磁场。建立过程如下：新建一个CAD图，手工设置三个图层，分别在三个图层上绘制异步电动机定子、转子和正弦旋转磁场图，可把线条定义为多义线，并设定线宽和颜色以提高显示效果（如图3示）。然后新建一个AutoLISP文件（.lsp），利用AutoLISP函数语言编制图形控制程序，主要用到以下函数和命令。
command：AutoLISP函数，可直接调用AutoCAD的命令，进行图形控制操作； ssget：AutoLISP的实体访问函数，可手工建立选择集并命名；
layer：AutoCAD图层命令，可进行图层操作，这里主要是关闭和打开相关图层；
rotate：AutoCAD图形编辑命令，可对某个选择集中的图形对象进行旋转操作；
while：AutoLISP循环结构函数。
程序开始，利用layer图层命令依次只打开定子、转子和旋转磁场对应的图层，关闭不需要的图层，以方便复杂图形下的图形选择。然后利用ssget函数手工建立三个选择集并命名。编制循环结构，利用rotate命令对旋转磁场和转子对应图形进行小角度旋转，控制转子旋转速度略低于旋转磁场。为降低旋转转速，可编制并调用延时函数。在AutoCAD环境下加载并运行程序，即可达到预期效果。同样，该操作也可利用屏幕录制程序，制作成FLASH放置到PPT页面上。
三、基于VB的电机学互动课件制作
互动式教学能及时反馈教学效果，教师根据教学反馈实时调整教学策略，是广大教师最常见的教学方法。随着多媒体技术的广泛发展，如何能制作出高水平的互动式教学课件是我们每一位教师值得思考的问题，互动式课件要具有很强的可操作性、启发性和趣味性，对课件制作提出了更高的要求。
作者根据多年的教学经验，对电机学互动课件的制作做了大量的深入研究，对电机学的教学难点和重点部分利用VB及VB.net开发出了功能强大的互动式图形程序[4-5]。现以利用VB开发三相交流绕组的旋转磁动势动态程序为例，制作过程如下：新建一个EXE文件并设计窗体，放置一些直线控件、SHAPE控件及滚动条等。在程序中，绘制三相电流波形及利用直线控件对时间进行标记，利用SHAPE控件制作定子及转子图形，电流方向分别用“+”和“?”区别，电流大小用“+”和“?”的大小进行标示，利用SHAPE和直线控件制作绕组中三相电流标记。放置一个滚动条对时间点进行控制，当时间变化时，三相绕组中的电流发生变化，合成磁动势的方向用直线控件绘制的箭头标示。编制程序时，根据滚动条定义的时间，计算三相电流大小及合成磁动势的方向，并修改电流标记控件和合成磁动势方向标记组合控件的相关参数即可。制作完毕后为一可执行文件，在PPT上建立链接，教学时点击相应链接即可打开EXE程序，该可执行文件不受电脑操作系统、软件版本等各种因素的干扰，操作简单、方便快捷。利用VB开发的三相交流绕组旋转磁动势动态程序图如图4示。
四、结论
教学是一个师生互动的过程，本文以“电机学”课程为例对教学中多媒体技术的应用进行了详细阐述和论证。结果表明，多媒体技术的灵活运用，极大地提高了学生学习的积极性和主动性，激发了学生学习的热情，很好解决了三本院校存在的少学时、多内容、实验资源欠缺情况下的教学问题，教学效果良好。
