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摘要：“水轮机控制系统”是能源动力学科的核心专业课程。通过“水轮机控制系统”多媒体课件制作的实践总结了课件制作的基本指导思想、系统结构和总体设计思路，并探讨了课件具体制作过程和方法。实践表明，引入数字化建模技术、计算机仿真技术制作多媒体课件将控制过程与控制特性生动地再现，增强了学习的互动性、自主性、创造性。
关键词：水轮机控制系统；多媒体课件；仿真技术；虚拟现实
作者简介：程远楚（1962-），男，湖北仙桃人，武汉大学动力与机械学院，教授。（湖北 武汉 430072）
基金项目：本文系湖北省教学改革项目（项目编号：JG2008018）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0060-02
“水轮机控制系统（水轮机调节）”是能源动力工程与自动化专业的一门核心课程，主要介绍水轮机控制系统的基本工作原理、典型结构形式与实现方法、控制系统数学模型、控制系统稳定性分析与性能、水力机组过渡过程分析与安全保障、水轮机控制系统的设计与试验等方面的内容。涉及的知识面广，内容涵盖水力、机械、电气、电子、计算机和液压传动等方面，工程性、实践性、技术性强，教学要求高。
随着计算机的发展，多媒体技术被大量引入日常教学中，将课程内容做成融文字、声音、图像、视频、3D动画为一体的演示材料，具有表现力强、信息量大、交互性强等特点。将原本静止的平面和单调的语言、文字用有声有色、有动有静的动画形式表现出来，使学生更有兴趣，也更易理解课程内容。[1-3]本文介绍“水轮机控制系统”课件制作的指导思想、设计思路和方法。
一、 课件设计基本指导思想
现代化的教学手段在信息量、视觉效果等方面比传统的粉笔加黑板更具有优势，尤其在介绍实际工程案例的内容时。目前的多媒体课件虽增加了图形的演示功能，但仍为传统的呈现——应答反应式教学模式。这种多媒体课件沿用了传统的教学思想，重视教师教的设计而忽视学生学习活动的设计，只是把大量信息搬上计算机屏幕，学生仅限于通过教师的安排或软件预置的知识网络浏览各种信息。这种学习过程属接受学习，以识别、记忆为主，不能激发学生的学习主动性和创造性。且由于信息量大、重点不突出，学生难于长时间保持注意力，学习效果往往不理想。[4]
因此，在多媒体课件的制作过程中应注重调动学生的学习主动性和积极性，强调内容的系统性、实用性、学习过程的自主性与交互性、形象性与趣味性，有效提高教学质量和学习效果。具体为：
1.合理选择课件内容丰富，注重基础知识与和技术前沿的有机结合
水轮机控制技术的发展十分迅速，各类新技术、新概念和新内容不断涌现，且呈现多学科领域的交叉与融合。课件内容即要反映当前技术与工程实际的发展状态，又要注重对基础知识的讲解，夯实学生理论基础，适应新技术的高速发展。为此，课件依托教材选择中国水利水电出版社的《水轮机自动调节》，该教材内容反映了水电控制设备设计、制造和运行的新技术与新进展，增加了有关水轮机控制系统的最新研究成果，详细介绍了水轮机微机调速器的结构、原理、实现方法、控制算法、调节模式以及具体实现；讨论分析了各类不同伺服系统的原理、结构与特点；引入目前使用最广泛的计算机仿真工具MATLAB技术，介绍了如何利用MATLAB软件进行水轮机调节系统分析。有关水轮机调节系统试验的内容按照最新国家标准进行讨论，增加了水轮机调节系统故障分析的内容，对各类常见故障进行了分析与讨论，增强了教材的工程实用性。该教材注重基本概念与基本方法的讲解。改变了以往教材中以某一具体设备展开讨论的惯例，在教材编写过程中强调对水轮机控制系统不同实现方法的分析与整合，提炼共性特征，根据系统基本结构与基本概念进行展开，讨论其基本的实现方法、工作原理与技术手段，避免以偏概全。教材系统性强，有利于拓展学生视野，提高科学分析实际问题的能力。
2.强调教学过程的交互性与趣味性，合理选择多媒体技术
这是对多媒体 CAI 课件的一个基本要求，在设计中多媒体教学课件如果有较强的交互性，便于学生按照自己的兴趣和意愿选择教学内容、学习途径，根据自己的学习进度自行调控，并随时验证学习的成效。为了充分考虑互动性与趣味性，课件中必须包含必要的工程图、结构简图、彩图、三维图、视频和动画等。为形象地描述或揭示系统各环节间的关系、控制过程和控制特性与控制参数间的关系，引入数字化建模技术、计算机仿真技术制作多媒体课件，将控制过程与控制特性生动地再现，增强学习的互动性、自主性、创造性。
3.注意学生的参与性
多媒体教学课件的辅助性在教与学两个方面同等重要。从辅助教师“教”的方面讲，在课件的内容上应考虑能将所教知识充分传送给学生，要对知识进行精心地分析和组织，形式上还要形象直观、浅显易懂，达到应有的效果。从辅助学生“学”的方面讲，多媒体教学课件应能启发学生积极思考，帮助学生发现、探索和巩固知识，增长见识，形成个性，激发学生的学习兴趣，引导学生发展创新性思维，培养创新能力。因而，课件应具备良好的吸引力，并有相关知识的拓展联接，能充分发挥学生的认知主体作用。[5]
二、课件总体设计与工具选择
课件总体设计包括课件系统结构设计、页面（教学）内容设计和页面风格设计几方面的内容。
教学内容的选取主要根据教学大纲的要求。按照教材，教学内容分为九章，每章独立构成一个教学课件。一方面，以知识点为单位，对每一个知识点设计适合本教学单元需要的课件，使之可以独立用于教学。另一方面，便于教学内容的更新。
在课件制作过程中，必须注重课堂中知识传授的整体性、连续性；同时也要注意知识的层次性，使其条理清楚、循序渐进。
根据上述思路，每个课件均由如下几部分构成：学习安排、学习要求、学习重点、内容讲解、思考题与习题、概念索引、应用实例与工程图片。 当前的多媒体课件有多种工具软件可供利用。如利用方正奥思、Authorware、Driector、FrontPage以及PowerPoint等软件开发制作多媒体课件和演示文档。方正奥思多媒体创作工具5.0（Founder Author Tool 5.0简称方正奥思5.0）是北大方正技术研究院研制的一个可视化、交互式多媒体创作工具。它具有直观、简便、友好的用户界面和很强的编辑功能，支持多种媒体文件格式，并且提供丰富多彩的图文过渡方式和动态特技效果。主要用于：多媒体课件、多媒体演示教学系统、电子出版物、多媒体演示查询系统、多媒体信息管理系统等。该文件较适合文科课件的制作。Macromedia公司的Authorware5.x是一个超前的网络和在线教学的可视化多媒体创作和演示工具，是目前在各种教育、演示活动中使用最多的多媒体工具之一，其特点是轻松集成文本、图像、动画、音频和视频，可以直接插入GIF动画和Flash动画。利用其制作的多媒体教学软件可以制作成光盘发行物，也可以应用在基于Web的远程教育。早期使用的电子课件即是基于Authorware开发的，效果不错，但其开发的电子课件不便于移植。PowerPoint是制作演示文稿的好工具，但用它制作的课件交互性较差，对利用计算机网络进行远程教育支持不足，但课件的移植性较好，且简单好用。Frontpage主要用于创作Web网页，其特点是简单易学，很多操作都与Word和Powerpoint相似，熟练掌握Word的人员很容易上手，其作品只需在网络浏览器下就可以演示，可以通过表单操作实现在线交互。但因其许多功能必须在Frontpage扩展服务功能的支持下才能再现，从而使其应用受到了很大的限制。Director 是强大的多媒体制作软件，但要想掌握它得花大量的时间，而且用它制作多媒体软件的周期也比较长。
为保证课件的开放性，便于内容的及时更新，本课件制作工具主要采用PowerPoint，其文字与图形公式部分采用PowerPoint制作。硬件部分的仿真演示采用MultiSim电路仿真软件实现，控制过程的建模和各环节本质特性的分析采用MATLAB软件实现，机械部件与结构的展示则采用Solidworks。
三、多媒体课件制作
PowerPoint2003制作交互性课件是用“超链接”实现导航、内部或外部跳转，用“幻灯片放映/自定义动画”功能可以将叠加在画面中的静止物体活动起来，而利用自定义动画的“计时”选项的“触发器”可以制作弹出式菜单、动画播放控制、交互式练习题等。
教学内容均在PPT中展开，讲述到有关硬件电路时，硬件部分的仿真演示采用MultiSim电路仿真软件实现，仿真过程以动画的形式嵌入PPT中播放。其步骤如下：将仿真过程制作成Flash动画；在PowerPoint的主菜单中—选择—工具栏—控件工具箱；在控件工具箱中选择“其他控件”，找到Shockwave Flash Object控件；在幻灯片需要插入Flash动画的地方画一个框；在框中点击鼠标右键，点击属性，然后出现Shockwave Flash Object属性设置栏；左键双击“自定义”，在弹出的对话框中，在影片后URL（M）的输入栏中，填上要插入的swf档案的路径和文件名。
PPT中同时给出电路仿真软件的使用方法，仿真过程也可以在MultiSim中实现，可以让学生了解电路仿真的过程。
控制过程的建模和各环节本质特性的分析采用MATLAB软件实现，其仿真过程以动画的形式嵌入PPT中播放，步骤与电路仿真动画制作过程相同。
PPT中同时给出MATLAB仿真软件的使用方法，仿真过程也可以在MATLAB中实现，可以让学生了解水轮机调节系统MATLAB仿真的过程。图1给出了控制参数对调节过程影响的MATLAB仿真结果。
机械与液压部件采用SolidWorks与VRP平台进行三维与过程展示，图2为调速器液压随动系统的三维拆解图。
四、结论
根据本文的指导思想与基本方法制作的“水轮机控制系统”多媒体教学课件已试用三年，并进行了不断地完善。多媒体课件将文字、声音、图像、图片、动画相结合，同时引入仿真技术再现控制过程与控制特性，使课堂教学更加生动、形象，提高了教学效果。
参考文献：
[1]陈华，覃玉荣，陈海强.多媒体课堂教学的问题及对策[J].广西科学院学报，2007，23（3）：25-27.
[2]陈志.多媒体课件（CAI）的应用和开发[J].教学与管理，2002，（30）：78-79.
[3]陶汉中，李菊香.关于“工程流体力学”课程多媒体教学的思考[J].中国电力教育，2010，（18）：58-61.
[4]潘虹，郑源.水轮机课程教学改革的研究与探索[J].中国电力教育，2012，（8）：66-67.
[5]贺军荪，刘佩芬，陈延枫.电工技术多媒体课件的制作[J].中国电力教育，2008，（8）：86-87.
（责任编辑：李杰）
关键词：水轮机控制系统；多媒体课件；仿真技术；虚拟现实
作者简介：程远楚（1962-），男，湖北仙桃人，武汉大学动力与机械学院，教授。（湖北 武汉 430072）
基金项目：本文系湖北省教学改革项目（项目编号：JG2008018）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0060-02
“水轮机控制系统（水轮机调节）”是能源动力工程与自动化专业的一门核心课程，主要介绍水轮机控制系统的基本工作原理、典型结构形式与实现方法、控制系统数学模型、控制系统稳定性分析与性能、水力机组过渡过程分析与安全保障、水轮机控制系统的设计与试验等方面的内容。涉及的知识面广，内容涵盖水力、机械、电气、电子、计算机和液压传动等方面，工程性、实践性、技术性强，教学要求高。
随着计算机的发展，多媒体技术被大量引入日常教学中，将课程内容做成融文字、声音、图像、视频、3D动画为一体的演示材料，具有表现力强、信息量大、交互性强等特点。将原本静止的平面和单调的语言、文字用有声有色、有动有静的动画形式表现出来，使学生更有兴趣，也更易理解课程内容。[1-3]本文介绍“水轮机控制系统”课件制作的指导思想、设计思路和方法。
一、 课件设计基本指导思想
现代化的教学手段在信息量、视觉效果等方面比传统的粉笔加黑板更具有优势，尤其在介绍实际工程案例的内容时。目前的多媒体课件虽增加了图形的演示功能，但仍为传统的呈现——应答反应式教学模式。这种多媒体课件沿用了传统的教学思想，重视教师教的设计而忽视学生学习活动的设计，只是把大量信息搬上计算机屏幕，学生仅限于通过教师的安排或软件预置的知识网络浏览各种信息。这种学习过程属接受学习，以识别、记忆为主，不能激发学生的学习主动性和创造性。且由于信息量大、重点不突出，学生难于长时间保持注意力，学习效果往往不理想。[4]
因此，在多媒体课件的制作过程中应注重调动学生的学习主动性和积极性，强调内容的系统性、实用性、学习过程的自主性与交互性、形象性与趣味性，有效提高教学质量和学习效果。具体为：
1.合理选择课件内容丰富，注重基础知识与和技术前沿的有机结合
水轮机控制技术的发展十分迅速，各类新技术、新概念和新内容不断涌现，且呈现多学科领域的交叉与融合。课件内容即要反映当前技术与工程实际的发展状态，又要注重对基础知识的讲解，夯实学生理论基础，适应新技术的高速发展。为此，课件依托教材选择中国水利水电出版社的《水轮机自动调节》，该教材内容反映了水电控制设备设计、制造和运行的新技术与新进展，增加了有关水轮机控制系统的最新研究成果，详细介绍了水轮机微机调速器的结构、原理、实现方法、控制算法、调节模式以及具体实现；讨论分析了各类不同伺服系统的原理、结构与特点；引入目前使用最广泛的计算机仿真工具MATLAB技术，介绍了如何利用MATLAB软件进行水轮机调节系统分析。有关水轮机调节系统试验的内容按照最新国家标准进行讨论，增加了水轮机调节系统故障分析的内容，对各类常见故障进行了分析与讨论，增强了教材的工程实用性。该教材注重基本概念与基本方法的讲解。改变了以往教材中以某一具体设备展开讨论的惯例，在教材编写过程中强调对水轮机控制系统不同实现方法的分析与整合，提炼共性特征，根据系统基本结构与基本概念进行展开，讨论其基本的实现方法、工作原理与技术手段，避免以偏概全。教材系统性强，有利于拓展学生视野，提高科学分析实际问题的能力。
2.强调教学过程的交互性与趣味性，合理选择多媒体技术
这是对多媒体 CAI 课件的一个基本要求，在设计中多媒体教学课件如果有较强的交互性，便于学生按照自己的兴趣和意愿选择教学内容、学习途径，根据自己的学习进度自行调控，并随时验证学习的成效。为了充分考虑互动性与趣味性，课件中必须包含必要的工程图、结构简图、彩图、三维图、视频和动画等。为形象地描述或揭示系统各环节间的关系、控制过程和控制特性与控制参数间的关系，引入数字化建模技术、计算机仿真技术制作多媒体课件，将控制过程与控制特性生动地再现，增强学习的互动性、自主性、创造性。
3.注意学生的参与性
多媒体教学课件的辅助性在教与学两个方面同等重要。从辅助教师“教”的方面讲，在课件的内容上应考虑能将所教知识充分传送给学生，要对知识进行精心地分析和组织，形式上还要形象直观、浅显易懂，达到应有的效果。从辅助学生“学”的方面讲，多媒体教学课件应能启发学生积极思考，帮助学生发现、探索和巩固知识，增长见识，形成个性，激发学生的学习兴趣，引导学生发展创新性思维，培养创新能力。因而，课件应具备良好的吸引力，并有相关知识的拓展联接，能充分发挥学生的认知主体作用。[5]
二、课件总体设计与工具选择
课件总体设计包括课件系统结构设计、页面（教学）内容设计和页面风格设计几方面的内容。
教学内容的选取主要根据教学大纲的要求。按照教材，教学内容分为九章，每章独立构成一个教学课件。一方面，以知识点为单位，对每一个知识点设计适合本教学单元需要的课件，使之可以独立用于教学。另一方面，便于教学内容的更新。
在课件制作过程中，必须注重课堂中知识传授的整体性、连续性；同时也要注意知识的层次性，使其条理清楚、循序渐进。
根据上述思路，每个课件均由如下几部分构成：学习安排、学习要求、学习重点、内容讲解、思考题与习题、概念索引、应用实例与工程图片。 当前的多媒体课件有多种工具软件可供利用。如利用方正奥思、Authorware、Driector、FrontPage以及PowerPoint等软件开发制作多媒体课件和演示文档。方正奥思多媒体创作工具5.0（Founder Author Tool 5.0简称方正奥思5.0）是北大方正技术研究院研制的一个可视化、交互式多媒体创作工具。它具有直观、简便、友好的用户界面和很强的编辑功能，支持多种媒体文件格式，并且提供丰富多彩的图文过渡方式和动态特技效果。主要用于：多媒体课件、多媒体演示教学系统、电子出版物、多媒体演示查询系统、多媒体信息管理系统等。该文件较适合文科课件的制作。Macromedia公司的Authorware5.x是一个超前的网络和在线教学的可视化多媒体创作和演示工具，是目前在各种教育、演示活动中使用最多的多媒体工具之一，其特点是轻松集成文本、图像、动画、音频和视频，可以直接插入GIF动画和Flash动画。利用其制作的多媒体教学软件可以制作成光盘发行物，也可以应用在基于Web的远程教育。早期使用的电子课件即是基于Authorware开发的，效果不错，但其开发的电子课件不便于移植。PowerPoint是制作演示文稿的好工具，但用它制作的课件交互性较差，对利用计算机网络进行远程教育支持不足，但课件的移植性较好，且简单好用。Frontpage主要用于创作Web网页，其特点是简单易学，很多操作都与Word和Powerpoint相似，熟练掌握Word的人员很容易上手，其作品只需在网络浏览器下就可以演示，可以通过表单操作实现在线交互。但因其许多功能必须在Frontpage扩展服务功能的支持下才能再现，从而使其应用受到了很大的限制。Director 是强大的多媒体制作软件，但要想掌握它得花大量的时间，而且用它制作多媒体软件的周期也比较长。
为保证课件的开放性，便于内容的及时更新，本课件制作工具主要采用PowerPoint，其文字与图形公式部分采用PowerPoint制作。硬件部分的仿真演示采用MultiSim电路仿真软件实现，控制过程的建模和各环节本质特性的分析采用MATLAB软件实现，机械部件与结构的展示则采用Solidworks。
三、多媒体课件制作
PowerPoint2003制作交互性课件是用“超链接”实现导航、内部或外部跳转，用“幻灯片放映/自定义动画”功能可以将叠加在画面中的静止物体活动起来，而利用自定义动画的“计时”选项的“触发器”可以制作弹出式菜单、动画播放控制、交互式练习题等。
教学内容均在PPT中展开，讲述到有关硬件电路时，硬件部分的仿真演示采用MultiSim电路仿真软件实现，仿真过程以动画的形式嵌入PPT中播放。其步骤如下：将仿真过程制作成Flash动画；在PowerPoint的主菜单中—选择—工具栏—控件工具箱；在控件工具箱中选择“其他控件”，找到Shockwave Flash Object控件；在幻灯片需要插入Flash动画的地方画一个框；在框中点击鼠标右键，点击属性，然后出现Shockwave Flash Object属性设置栏；左键双击“自定义”，在弹出的对话框中，在影片后URL（M）的输入栏中，填上要插入的swf档案的路径和文件名。
PPT中同时给出电路仿真软件的使用方法，仿真过程也可以在MultiSim中实现，可以让学生了解电路仿真的过程。
控制过程的建模和各环节本质特性的分析采用MATLAB软件实现，其仿真过程以动画的形式嵌入PPT中播放，步骤与电路仿真动画制作过程相同。
PPT中同时给出MATLAB仿真软件的使用方法，仿真过程也可以在MATLAB中实现，可以让学生了解水轮机调节系统MATLAB仿真的过程。图1给出了控制参数对调节过程影响的MATLAB仿真结果。
机械与液压部件采用SolidWorks与VRP平台进行三维与过程展示，图2为调速器液压随动系统的三维拆解图。
四、结论
根据本文的指导思想与基本方法制作的“水轮机控制系统”多媒体教学课件已试用三年，并进行了不断地完善。多媒体课件将文字、声音、图像、图片、动画相结合，同时引入仿真技术再现控制过程与控制特性，使课堂教学更加生动、形象，提高了教学效果。
参考文献：
[1]陈华，覃玉荣，陈海强.多媒体课堂教学的问题及对策[J].广西科学院学报，2007，23（3）：25-27.
[2]陈志.多媒体课件（CAI）的应用和开发[J].教学与管理，2002，（30）：78-79.
[3]陶汉中，李菊香.关于“工程流体力学”课程多媒体教学的思考[J].中国电力教育，2010，（18）：58-61.
[4]潘虹，郑源.水轮机课程教学改革的研究与探索[J].中国电力教育，2012，（8）：66-67.
[5]贺军荪，刘佩芬，陈延枫.电工技术多媒体课件的制作[J].中国电力教育，2008，（8）：86-87.
（责任编辑：李杰）