罗应立电机学培训1讲解.docx
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罗应立电机学培训1讲解
“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（IEEEFie98、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，ISBN978-7-900226－73－0，2007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，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
①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。
②电机学内容对后续课程的学习有关键的影响
③当前电力系统的一些热门研究课题与电机学密不可分
④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
①电机旋转磁场产生机理及其特性；
②同步机的电枢反应；
③同步机电磁转矩产生机理及影响因素，功角特性；
④同步机输出无功的能力、运行状态及其与励磁的关系；
⑤双反应理论及同步电机参数；
⑥变压器的磁势平衡及归算算法；
⑦变压器及同步机的突然短路，参数对短路电流的影响；
⑧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：
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
电机学多媒体辅助教学课件覆盖了一般电机学、电机与拖动等教材中的典型重点难点问题。
这些问题多涉及到空间结构、电磁量的时空分布以及饱和、谐波等。
现以交流电机的脉振磁场和旋转磁场为例，介绍如何实现对知识结构的描述，如何利用三维动画及人机交互等技术并适当结合有限元等数值仿真技术，将内涵的知识结构和界面的美感紧密结合。
课件具有激发兴趣、易于理解、易于记忆和便于应用这种综合的效果。
电机学或电机与拖动是一门典型的难教、难学的课程。
我校从1994年开始，持续开展电机学多媒体辅助教学的研究，先后开发了多个版本的电机学课件，同时，还开发了大型汽轮发电机和水轮发电机结构及运行方面的培训软件。
近年来在课堂教学及实践环节，以及电力系统培训中投入应用，取得了很好的效果[1-3]。
但是，前几年基本上限于在校内用于教学和培训。
1992年教指委西安会议给了我们很大的鼓励。
会后，有10余个兄弟院校选用了这个课件。
有的兄弟院校在使用后，还给我们提出了宝贵的改进意见。
以下结合实例介绍课件的基本内容及其特点，重点介绍如何利用三维动画及人机交互等技术并适当结合有限元等数值仿真技术，将重点、难点问题化为学生觉得很有兴趣、易于理解、易于记忆的问题。
2．电机学多媒体课件的主要内容
2.1确定课件内容的依据
考虑到多媒体课件的设计制作所需工作量很大，同时，考虑到多媒体课件的应用是在辅助教学的范畴，所以在选择课件内容时，凡是通过常规教学方式容易解决的问题，基本都不作为多媒体课件的主要内容。
在分析国内多个版本电机学及电机与拖动教材的内容，进一步分析电力系统分析、电动机调速控制等后续课程需求，进而仔细研究不同类型学生认知难点的基础上，初步选择内容，根据试用情况，又多次进行了调整。
2.2课件内容所涉及的主要问题
当前的课件主要涉及以下几个方面的问题：
各类电机及变压器的基本结构及典型绕组结构的动画模型；
交、直流电机的3维及2维教学模型及基本工作原理；
交流电机的脉振磁场、旋转磁场及同步电机电枢反应的动画可视化；
交、直流电机电磁力、电磁转矩产生机理的直观表示；
异步电动机、直流电动机的工作特性与调速；
磁路基本定律及其饱和、磁滞、涡流问题的直观表示；
交流电机空间谐波的动画模拟；
基于交互式有限元分析的电机磁场分布的可视化程序。
基于交互式动态分析的电机动态过程可视化程序。
上述每一个方面，通常又包含多个重点、难点问题，而每一个问题往往又包括多个动画及人机交互界面的设计。
所以这里虽然仅仅归纳出8个方面，但每一个方面的具体内容是很多的。
例如，上述第一方面关于结构的内容，就包括同步电机、异步电动机以及直流电动机的总体结构以及简化结构，共计数十幅动画。
图1~图3是同步电机结构的典型动画祯。
图1同步电机的总体结构动画模拟
图2同步电机的结构部件
图3同步电机的主要部件
3．电机学多媒体课件的结构与知识表示
3.1课件的体系
为了使用方便，课件内容的编排仍然参考传统教材的体系，分为磁路和变压器，交流电机的共同问题，同步电机，异步电机以及直流电机这五大部分。
直流电机部分也可以放到前面。
3.2知识结构与知识表示
为了使课件具有激发兴趣、易于理解、易于记忆和便于应用这种综合的效果，在对重点难点问题进行介绍时，特别注意介绍相关的知识结构、知识框架，以及新的框架与学生已经掌握的知识结构的有机联系。
在对框架中的具体问题进行描述时，侧重点放在激发兴趣、建立物理概念及物理概念与数学模型之间的接口。
以下以交流电机脉振磁场、旋转磁场为例，说明课件的知识结构和知识表示方法。
3.3交流电机脉振磁场与旋转磁场的知识结构与知识表示
交流电机电枢电流产生旋转磁场问题是电机理论中最重要也是最困难的问题之一。
与本科生、研究生的多门后续课程以至研究工作都有密切联系。
以往电机教学中的大量难点问题的出现与未能掌握旋转磁场的知识有关。
在本课件中采取了从磁场（磁力线）的分布到气隙磁动势的分布，从物理概念到数学模型的顺序。
采用以下环节实现对知识结构的表示。
通过特殊设计的动画建立脉振磁场及旋转磁场的概念；
通过交互式有限元分析及讲解，认识磁力线在空间的分布及其随时间的变化；
通过老师讲解，结合观察动画，建立气隙磁势的概念；
建立气隙磁场的数学模型，进一步掌握脉振磁势及旋转磁势的特点。
1．脉振磁场及旋转磁场概念的建立
（1）认识电枢磁场的磁路、磁极和磁力线分布
课件中采用只有一个线圈的电枢绕组通直流电时的磁场作为实例，采用和简单电磁铁的磁场相比较的方法进行介绍。
图4是专门设计的动画模型。
图5是磁力线分布。
a）b）
c）d）
图4电枢磁场的磁路与磁极图5电枢磁场的磁力线
（2）认识电枢单个线圈的脉振磁场
在认识电枢绕组通直流电时的磁场的磁路、磁极和磁力线分布特点之后，进一步通过图6认识电枢单个线圈脉振磁场的磁极分布区域的变化情况。
通过图7认识矩形波脉振磁场及其基波的特点。
a）b）c）
图6脉振磁场磁极分布区域的变化
图7脉振磁场的基波
（3）认识旋转磁场
在建立了单相电流磁场的磁路、磁极及磁场脉振的概念后，通过图8所示动画容易建立起旋转磁场的基本概念。
原来所谓旋转磁场实际上是定子内圆N极与S极的极性区域在随时间周期性变化，而且，在两极电机中，电流变化一个周期，磁场就转过一圈。
在老师的引导下，可以进一步认识到旋转磁场的其它重要性质，例如当某相电流达到最大值的瞬间，三相合成磁场的轴线与该相绕组轴线重合等。
图8旋转磁场的直观表示
2．通过有限元可视化及教师讲解进一步认识脉振磁场及旋转磁场的特点
为了进一步认识脉振磁场及旋转磁场的特点，在课件中嵌入了有限元分析可视化程序。
使用者完全不必了解后台的程序及算法，只须在图9a）所示界面输入定子槽数、电机的极数、A相电流相位及所需画出的磁力线条数的最大值，就可以在数秒中内完成有限元分析，并按要求画出相应的磁力线分布。
图9b）与c）就是对应于不同相位的磁场分布图。
a）
b）c）
图9脉振磁场及旋转磁场有限元分析可视化的界面
3．气隙磁势概念的建立——由气隙磁场发展到气隙磁势
通过教师讲解，结合观察动画，可以进一步方便地引入气隙磁势的概念。
将磁场的磁通密度沿定子内圆表面的分布与气隙磁势沿同一表面的分布统一起来。
4．通过坐标展开动画及教师讲解建立磁场空间分布图与数学表达式的接口
为了全面地定量地认识脉振磁势及旋转磁势的特点，需要借助于数学工具。
同时，为了进一步分析脉振磁势及旋转磁势的谐波，或分析不对称情况下的椭圆型磁势，采用数学方法也是方便的。
此外，一旦建立起磁场空间分布图与数学表达式之间的接口，也就建立起了多媒体课件与传统教材的接口。
所以，在了解磁通密度和磁势沿定子内圆表面的空间分布之后，还需要进一步掌握气隙磁势的数学表达式。
在课件中利用图10所示定子铁心展开动画来形象地表示定子内圆的圆弧坐标与通常采用的用以表示磁势分布的直线坐标的关系。
通过该动画一方面容易得到脉振磁势及旋转磁势的数学表达，另一方面，可以方便地掌握如图11所示三个脉振磁势合成旋转磁势的动画的物理意义。
图10定子铁心展开动画图11脉振磁势合成旋转磁势的动画模拟
3.4关于知识结构与知识表示的一般性结论
从上面所介绍的脉振磁场及旋转磁场的例子可以看出，大部分图形和动画是根据学生的认知特点、难点结合计算机技术的优势重新设计的。
设计时，既要简洁明了，又要反映专业教学的基本要求，还要便于制作，美观大方。
实际上，有些动画是经过数十次的修改才定型的。
经过这样一个过程后，所设计的多媒体课件往往与现有教材的图形并不相同。
一些兄弟院校同行曾经多次问到，课件配那套教材。
应该认为，从知识的表达方式看，和那套教材都不太相同；而从重点难点问题的计算机辅助教学的角度看，和大部分教材都可以衔接上。
四、实施效果及项目建设成果
1．应用效果
通过学生实际使用，取得了十分明显的效果：
（1）在理论教学方面，对多数学生而言已较好地解决了现行教材中的大部分重点难点问题；例如，对旋转磁场的产生机理及其特点，大部分学生学习后都有很深刻的印象并建立起较牢固的概念。
而在以前，这是最难掌握的内容。
（2）在实验教学方面，多数学生改变了盲目被动接线及一步一步照书本被动操作的局面，大大提高了主动性及做实验的兴趣。
（3）在补充实践环节方面，帮助学生增加了大量实际知识。
（4）促进了教学改革，在电机学学时减少的情况下，本课件成为保证教学质量的一个必不可少的措施。
（5）大大提高了学生将电机学的许多内容由枯燥繁琐的文字叙述和公式推导变为生动有趣，直观形象，且通过人机交互直接参与调节参数，进行探索的教学环境，所以，大大提高了学生的学习兴趣及主动精神。
2.同行专家评价
至今已有约十多批国内外专家看过了电机学机辅教学课件运行或演示，获得了一致好评，其中渐江大学韩祯祥教授认为该课件值得推广，建议写文章在国际电机会议发表并在会上演示；莫斯科动力学院机电学教研室主任库兹页佐夫教授认为非常好，说俄罗斯还没有这样好的课件；香港大学倪以信教授认为，该课件对解决电机学教学重点难点问题中很有意义。
3.与国外同类课件的对比
课题组成员曾在1998年10月赴美国参加IEEE“教育前沿”会议（FrontierinEducationConference），在会上见到了电气工程教育培训方面的获奖的唯一多媒体课件，内容是关于电厂设备。
经仔细对比发现，我们的课件在动画可视化技术应用及针对重点难点问题采用多媒体教学方面有自己的独特优势。
而IEEE获奖课件主要是用照片、录像与声音文字，其优点在于可供学生访问的相关知识点及Internet站点很多，但在涉及内部结构及原理方面，他们不太可能花大量人力进行设计制作。
所以，应该认为我们的课件与IEEE获奖课件是各有自己的优势与特色。
4.项目建设成果
曾获省部级及以上奖励:
1）国家级精品课程，教育部，2005年。
2）北京市级精品课程，北京市教委，2004年。
3）电气工程专业基础课程教学优秀团队，河北省教育厅，2007年。
4）用现代信息技术综合改造电力基础教学，北京市教育成果二等奖，2001。
5）大型汽轮发电机计算机辅助培训系统，（内蒙古）省部级科技进步三等奖，2002。
出版四个光盘教材:
1）电机学多媒体教学软件，电力出版社，ISBN978-7-900226－73－0，2007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）
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。
发表主要教学论文：
1）罗应立，计及学生认知特点的某些电磁问题的可视化及交互实验（英）,IEEEFie98。
（EI收录）
2）Luoyingli,Teachingstrategya
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