低壓斷路器教學(xué)演示裝置的研制

王吉紅　

低壓斷路器教學(xué)演示裝置的研制

王吉紅

（應(yīng)急管理部消防救援局昆明訓(xùn)練總隊，云南 昆明 650208）

研發(fā)一些制作簡單、成本低廉的教學(xué)演示裝置應(yīng)用到課堂中，既可以加強學(xué)員對知識點的理解和掌握，又能夠提升課堂教學(xué)效率。筆者通過對低壓斷路器的結(jié)構(gòu)和功能進行分解，研制了一種制作簡便的低壓斷路器教學(xué)演示裝置（專利號ZL201520279781.2）。把該裝置用于課堂教學(xué)，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂教學(xué)效果。

低壓斷路器；教學(xué)；演示；模型

引言

低壓斷路器俗稱為自動空氣開關(guān)，其主要作用是接通和分斷負載電路，也可用來控制不頻繁啟動的電動機[1]。低壓斷路器具有過載、短路、欠電壓保護等多種保護功能，動作值可調(diào)、分斷能力高、操作方便、安全等優(yōu)點，它相當于開關(guān)、過電流繼電器、熱繼電器、失壓繼電器以及漏電保護器等低壓電器的部分或全部的功能之和，是低壓配電網(wǎng)中一種重要的保護電器，也是家庭中使用最為廣泛的一種預(yù)防電氣火災(zāi)的保護設(shè)備。

目前，大多數(shù)教師對于低壓斷路器工作原理這部分知識的教學(xué)主要采用動畫演示、知識點和原理圖講解等教學(xué)方法，由于書面知識的理論性、靜態(tài)性、不直觀性使得課堂教學(xué)中學(xué)員難懂、教師難教，課堂氣氛沉悶，教學(xué)效果差強人意。引入演示裝置進行教學(xué)可以把理論與實物及模型進行有機結(jié)合，化抽象為具體，化枯燥為生動，把工作原理清楚地展示在學(xué)員面前，有益于增強授課的科學(xué)性、精彩性、趣味性，培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)嚴謹?shù)木?，但目前市場上缺少低壓斷路器的教學(xué)演示設(shè)備，開發(fā)一套成本低廉、制作簡單、演示效果直觀明顯的教學(xué)模型，可以使學(xué)員在演示裝置的輔助作用下，較為輕松地學(xué)習(xí)斷路器原理，又能大幅縮短學(xué)習(xí)時間，能夠較大程度地提高學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)效率。

1　研制教學(xué)演示裝置的過程

1.1　研制教學(xué)演示裝置技術(shù)路線

研發(fā)低壓斷路器教學(xué)演示裝置的技術(shù)路線大致分為五個階段：教學(xué)需求分析、教學(xué)演示裝置設(shè)計、裝置試制、裝置改良、裝置樣品制作，具體技術(shù)路線見圖1。

圖1 研制教學(xué)演示裝置技術(shù)路線

1.2　教學(xué)演示裝置功能設(shè)計

低壓斷路器的工作原理：主觸點是靠手動操作或電動合閘，主觸點閉合后，自由脫扣機構(gòu)將主觸點鎖在合閘位置上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯(lián)，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯(lián)。當電路發(fā)生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機構(gòu)動作，主觸點斷開主電路。當電路過載時，熱脫扣器的熱元件發(fā)熱使雙金屬片上彎曲，推動自由脫扣機構(gòu)動作。當電路欠電壓時，欠電壓脫扣器的銜鐵釋放，使自由脫扣機構(gòu)動作。分勵脫扣器則作為遠距離控制用，在正常工作時，其線圈是斷電的，在需要遠距離控制時，按下停止按鈕，使線圈通電，銜鐵帶動自由脫扣機構(gòu)動作，使主觸點斷開。

低壓斷路器教學(xué)演示裝置可設(shè)計制作在一塊展板上，如圖2所示，由低壓斷路器實物與工作原理模型兩個部分組成。實物部分可以用160～280 V交流電演示低壓斷路器的過壓、欠壓和過載保護，學(xué)員可以清楚地看到斷路器對電路的保護作用。工作原理部分可用0～24 V的安全直流電演示低壓斷路器實際工作過程，學(xué)員可以通過設(shè)計斷路器工作模型清楚地看到斷路器內(nèi)部工作原理，也可以自己動手演示操作，加深記憶和理解。

1－電源插頭；2－總開關(guān)；3－保險絲；4－160～280 V交流調(diào)壓器；5－交流電流表；6－交流電壓表；7－小燈；8－電熱絲；9－低壓斷路器；10－小燈開關(guān)；11－電熱絲開關(guān)；12－24 V直流調(diào)壓器；13－短路測試開關(guān)；14－直流電流表；15－直流電壓表；16－遠程控制斷路開關(guān)；17－12 V直流小燈；18－12 V電熱絲；19－小燈開關(guān)；20－電熱絲開關(guān)；21－彈簧；22－熱脫扣器（雙金屬片）；23－欠電壓脫扣器；24－過電流脫扣器；25－遠程控制脫扣器；26－自由脫扣機構(gòu)；27－脫扣器控制開關(guān)；28－主觸點。

1.3　教學(xué)演示裝置工作過程

演示斷路器過載保護作用：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器4至220 V位置（可觀察交流電壓表6進行調(diào)節(jié)），合上斷路器9，閉合開關(guān)10，這時小燈7正常工作，閉合開關(guān)11，斷路器9過載跳閘，小燈7熄滅。

演示斷路器過壓保護作用：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器4至220 V位置（可觀察交流電壓表6進行調(diào)節(jié)），合上斷路器9，閉合開關(guān)10，這時小燈7正常工作，緩慢調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器4至260 V，斷路器9過壓跳閘，小燈7熄滅。

演示斷路器欠壓保護作用：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器4至220 V位置（可觀察交流電壓表6進行調(diào)節(jié)），合上斷路器9，閉合開關(guān)10，這時小燈7正常工作，緩慢調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器4至160 V，斷路器9欠壓跳閘，小燈7熄滅。

演示過載保護動作：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器12至12 V位置（可觀察交流電壓表15進行調(diào)節(jié)），按下脫鉤器控制開關(guān)27，觸點28處于接觸狀態(tài)，閉合開關(guān)20，這時電熱絲18正常工作，一段時間后，雙金屬片22向下發(fā)生彎曲，頂住自由脫扣器，自由脫扣器向下脫落，脫鉤器控制開關(guān)27復(fù)位，主觸點28斷開。

演示短路保護動作：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器12至12 V位置（可觀察交流電壓表15進行調(diào)節(jié)），按下脫鉤器控制開關(guān)27，觸點28處于接觸狀態(tài)，閉合短路測試開關(guān)13，過電流脫扣器24的銜鐵吸住自由脫扣器，自由脫扣器向下脫落，脫鉤器控制開關(guān)27復(fù)位，主觸點28斷開。

演示過壓保護動作：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器12至12 V位置（可觀察交流電壓表15進行調(diào)節(jié)），按下脫鉤器控制開關(guān)27，觸點28處于接觸狀態(tài)，閉合開關(guān)19，這時小燈17正常工作，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器12升高電壓，過電流脫扣器24的銜鐵吸住自由脫扣器，自由脫扣器向下脫落，脫鉤器控制開關(guān)27復(fù)位，主觸點28斷開。

演示欠壓保護動作：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器12至12 V位置（可觀察交流電壓表15進行調(diào)節(jié)），按下脫鉤器控制開關(guān)27，觸點28處于接觸狀態(tài)，閉合開關(guān)19，這時小燈17正常工作，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器12降低電壓，欠電壓脫扣器23的銜鐵放開自由脫扣器，自由脫扣器在彈簧彈力下脫落，脫鉤器控制開關(guān)27復(fù)位，主觸點28斷開。

演示遠程控制斷路動作：把電源連接線1插到普通220 V交流電源上，打開總開關(guān)2，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器12至12 V位置（可觀察交流電壓表15進行調(diào)節(jié)），按下脫鉤器控制開關(guān)27，觸點28處于接觸狀態(tài)，閉合遠程控制斷路開關(guān)16，遠程控制脫扣器254的銜鐵吸住自由脫扣器，自由脫扣器向下脫落，脫鉤器控制開關(guān)27復(fù)位，主觸點28斷開。

2　課堂使用評價

2.1　課堂試用測試方法

依照消防救援局昆明訓(xùn)練總隊人才培養(yǎng)方案要求，需要學(xué)員掌握“火災(zāi)科學(xué)基本理論、消防安全技術(shù)與方法”，具備“電氣安全檢查能力、火災(zāi)隱患排查能力”。選取消防救援局昆明訓(xùn)練總隊的兩個學(xué)員中隊共143名學(xué)員作為研究對象。其中，選取一個中隊70人為觀察組，其余73人為對照組。在“電氣技術(shù)”課程“電壓斷路器”知識模塊教學(xué)課堂中采用不同教學(xué)方法在學(xué)員中進行授課，對照組采用理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式進行教學(xué)，教師先對低壓斷路器工作原理進行理論講解，再使用“低壓斷路器教學(xué)模型”進行演示操作，讓學(xué)員觀察模型結(jié)構(gòu)，親自動手操作，教師對學(xué)員提出的問題進行答疑，指導(dǎo)演示、糾正操作。對照組采用理論講授方式教學(xué)授課，教師根據(jù)教學(xué)大綱的要求備課并制作斷路器相關(guān)知識內(nèi)容的PPT。在課堂教學(xué)過程中，對學(xué)習(xí)目標、重點和難點進行了講解，教師對學(xué)員提出的問題進行答疑[2,3]。

2.2　課堂試用情況分析

參加研究的143名學(xué)員，分為實驗組和對照組，參加了“電氣技術(shù)”課程“電壓斷路器”知識模塊的考核。在學(xué)習(xí)結(jié)束后，所有學(xué)員均需要完成一份編制的《課堂調(diào)查問卷》。問題包括對本次課堂的學(xué)習(xí)情況，對斷路器這部分知識的掌握情況，對教學(xué)模型的使用情況，對課堂氛圍的評價等方面，回收有效問卷139份。

對實驗組和對照組的學(xué)員考核成績進行分析，實驗組和對照組的學(xué)員考試沒有顯著差異，對基本知識的掌握情況都達到了教學(xué)目標。但在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)熱情、課堂活躍度上存在差異。

在“你對本次課堂的整體評價”一項中，對照組選擇“很滿意”的有19人，占比27.1%；選擇“基本滿意”的有35人，占比50.0%；選擇“一般”的有14人，占比20.0%；選擇“不滿意”的有2人，占比2.8%。在實驗組中，選擇“很滿意”的有25人，占比36.2%；選擇“基本滿意”的有38人，占比55.1%；選擇“一般”的有6人，占比8.7%；選擇“不滿意”的有0人。實驗組選擇“很滿意”和“基本滿意”的人員占比均有所上升，選擇“一般”的人員占比下降。

在“你對本次課的課堂教學(xué)氣氛評價是”一項中，對照組選擇“很熱烈”的有2人，占比2.9%；選擇“熱烈”的有18人，占比25.7%；選擇“一般”的有38人，占比54.3%；選擇“枯燥乏味”的有12人，占比17.1%。實驗組選擇“很熱烈”的有19人，占比27.5%；選擇“熱烈”的有37人，占比53.6%；選擇“一般”的有13人，占比18.8%；選擇“枯燥乏味”的有0人。實驗組中選擇“很熱烈”和“熱烈”的人員占比均有所上升，選擇“一般”的人員占比下降，如圖3所示。

圖3 調(diào)查問卷分析對比

2.3　課堂試用效果評價

在課堂上采用“低壓斷路器教學(xué)演示模型”配合理論知識進行講授，學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情均有所提高。教師在進行理論講解后，讓學(xué)員在模擬實踐過程中將理論認知融入到操作過程中，掌握并運用所學(xué)知識獲得技能和體驗，從而對低壓斷路器的工作原理有更為直觀和形象的掌握。

學(xué)員們對基于“低壓斷路器教學(xué)演示模型”的教學(xué)非常滿意，學(xué)員對“低壓斷路器教學(xué)演示模型”理論+實踐練習(xí)相結(jié)合的混合式教學(xué)表現(xiàn)出較高的滿意度，學(xué)員聽完理論知識后，可以立即在老師的指導(dǎo)下進行分組操作演示，學(xué)員能較為深刻地掌握知識和技能，有學(xué)習(xí)的成就感與獲得感。此外，學(xué)員在操作演示的時候可以與教師、同學(xué)交流，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。

3　制作成本估算

制作該教學(xué)掩飾裝置的費用主要包括物料費用和人工費用，其中物料費用包括：PVC展示板約150元，2 P空氣開關(guān)約50元，交流調(diào)壓器約80元，電流表約30元，電壓表約30元，線材約60元，電磁鐵約30元，插頭、開關(guān)、小燈、保險絲、電熱絲、彈簧、雙金屬片等元器件約70元。人工費用包括利用銅片板材加工脫扣器等部件，整體制作費用每臺約為300元。故制作一臺“低壓斷路器教學(xué)演示模型”需要800元左右，如制作5臺以上，制作費用可降至500元左右，大批量生產(chǎn)制作，費用更低。

4　結(jié)束語

在教學(xué)中使用演示裝置，通常會受到學(xué)員的熱烈歡迎。設(shè)計研發(fā)一些成本低廉、制作簡單、便于攜帶、可以現(xiàn)場操作、工作過程可視的教學(xué)模型，將晦澀難懂的知識直觀化，學(xué)員能近距離觀察和動手操作，直觀感受強烈，增強學(xué)員的感性認識，對提高教學(xué)效果起到事半功倍的作用。本套“低壓斷路器教學(xué)演示模型”技術(shù)方案將演示裝置集中在一塊面板上，一方面是使用160～280 V交流電演示低壓斷路器的過壓、欠壓和過載保護，學(xué)員可以清楚地看到斷路器對電路的保護作用，另一方面用0～24 V的安全直流電演示低壓斷路器實際工作過程，學(xué)員可以通過設(shè)計斷路器工作模型清楚地看到斷路器內(nèi)部工作原理。為方便學(xué)員觀察和實際動手演示，壓斷路器模型部分是安裝在面板上且是裸露的，可調(diào)直流變壓器12把220 V交流電轉(zhuǎn)換為0～24 V的直流安全電壓輸送至斷路器模型進行供電，確保學(xué)員可以近距離觀察和演示安全，適合教師在課堂上演示使用，也可學(xué)員動手操作。

[1]高學(xué)義. 低壓斷路器及其參數(shù)簡介[J]. 內(nèi)蒙古石油化工，2014，40(19): 103-104.

[2]符晨星，楊玲媛，尹華.MOOC背景下的“普通動物學(xué)”教學(xué)改革[J]. 教師，2017(34):96-97.

[3]張宏宇. 消防專業(yè)教學(xué)演示裝置設(shè)計及制作研究[J]. 廣東化工，201(20): 189.

Development of Teaching Demonstration Device for Low Voltage Circuit Breakers

Developing simple and cost-effective teaching demonstration devices for classroom use can not only enhance students' understanding and mastery of knowledge points, but also improve classroom teaching efficiency. The author has developed a teaching demonstration device for low-voltage circuit breakers (patent number: ZL201520279781.2) by decomposing the structure and function of low-voltage circuit breakers. The use of this device in classroom teaching enlivens the classroom atmosphere, stimulates students' interest in learning, and improves the effectiveness of classroom teaching.

low voltage circuit breakers; teaching; demonstration; model

TM58

A

1008-1151(2023)07-0089-03

2022-11-18

王吉紅（1981－），男，云南曲靖人，應(yīng)急管理部消防救援局昆明訓(xùn)練總隊教研十五室主任，高級專業(yè)技術(shù)職務(wù)，研究方向為建筑消防設(shè)施與消防安全教育。