基于教學(xué)能力大賽的“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)設(shè)計與實施
--以“功率因數(shù)的提高”為例

洪 曄 歐陽劍 馮明庫

廣東技術(shù)師范大學(xué) 廣東廣州 510665

教學(xué)能力大賽是激發(fā)教師教學(xué)熱情、提高教師教學(xué)水平、促進(jìn)教學(xué)改革發(fā)展、推動教學(xué)質(zhì)量提高的重要途徑,近年來受到各大院校的高度重視[1]。大賽重點考察對教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計與實施情況,教學(xué)設(shè)計是教學(xué)過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),對整個教學(xué)實施過程起到指導(dǎo)作用,其優(yōu)劣直接影響教學(xué)成效。本文以教學(xué)能力大賽為依托,選取“電工電子技術(shù)”課程“功率因數(shù)的提高”作為教學(xué)內(nèi)容,從教學(xué)分析、教學(xué)過程、教學(xué)反思等方面闡述課程的設(shè)計與實施過程。

一、教學(xué)分析

(一)教學(xué)背景

“電工電子技術(shù)”課程是高等院校工科非電類專業(yè)必修的核心基礎(chǔ)課,具有教學(xué)對象量大面廣、教學(xué)內(nèi)容多、知識點關(guān)聯(lián)度較高、與數(shù)學(xué)及物理等學(xué)科聯(lián)系較為緊密、邏輯性及工程應(yīng)用性強(qiáng)等特點,學(xué)生想學(xué)好、學(xué)透十分不易。對此,需要綜合運(yùn)用多種信息化教學(xué)手段,創(chuàng)新教學(xué)方案設(shè)計,構(gòu)建高效課堂,切實提高教學(xué)質(zhì)量。

“功率因數(shù)的提高”節(jié)選自“電工電子技術(shù)”課程的重要教學(xué)單元--正弦交流電路[2]。功率因數(shù)是正弦交流電路的重要物理量之一,功率因數(shù)的高低直接影響電源設(shè)備容量的利用程度。生產(chǎn)、生活中存在大量感性負(fù)載,導(dǎo)致功率因數(shù)普遍較低。提高電網(wǎng)的功率因數(shù)不僅能提高電源設(shè)備容量的利用率,并且能減少線路的有功功率損耗,達(dá)到節(jié)能省電的目的[3]。掌握提高功率因數(shù)的方法,了解提高功率因數(shù)的意義,對實際生產(chǎn)、生活具有較強(qiáng)的實用價值。

(二)教學(xué)理念與目標(biāo)

在教學(xué)中遵循“以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)、以知識為主線、以應(yīng)用為導(dǎo)向”的教學(xué)理念,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生在課堂參與中獲得知識、感悟應(yīng)用。

課程的教學(xué)目標(biāo)包括知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。知識目標(biāo)包括理解正弦交流電路功率因數(shù)的概念、掌握提高功率因數(shù)的方法、了解提高功率因數(shù)的意義及應(yīng)用。能力目標(biāo)包括分析正弦交流電路及利用電路知識解決實際應(yīng)用問題的能力;培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、思考辨析和系統(tǒng)總結(jié)的能力。素質(zhì)目標(biāo)包括激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的原動力,形成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、求真務(wù)實、探索進(jìn)取的治學(xué)觀念,提高創(chuàng)新實踐意識,增強(qiáng)社會責(zé)任感和家國使命感。

(三)教學(xué)重難點分析與對策

提高功率因數(shù)的方法是本次教學(xué)的重點及難點。由于無功功率、功率因數(shù)角等概念比較抽象,從無功補(bǔ)償?shù)慕嵌冉忉屘岣吖β室驍?shù)的方法,學(xué)生很難有直觀的認(rèn)識[4]。針對這一問題,采用啟發(fā)式教學(xué)法,以一問一答的形式層層推進(jìn),鼓勵學(xué)生積極思考,同時以動畫形式展示相量圖,有助于學(xué)生更好地理解電路各物理量的變化規(guī)律。增加仿真驗證實驗,化抽象為直觀,引導(dǎo)學(xué)生從端口電流的直觀變化更好地理解電容的無功補(bǔ)償作用。

(四)教學(xué)方法與手段

借助現(xiàn)代信息化技術(shù),綜合運(yùn)用案例分析、啟發(fā)引導(dǎo)、仿真實驗、智慧教學(xué)等多種教學(xué)方法開展教學(xué)方案設(shè)計與實施。案例分析法通過導(dǎo)入節(jié)電器的生活案例,引出“智能節(jié)電器能大幅度省電嗎”這一問題,從功率因數(shù)提高的角度探討其原因及改進(jìn)措施,真正實現(xiàn)學(xué)以致用。啟發(fā)引導(dǎo)法是指在知識精講環(huán)節(jié),以一問一答的形式層層推進(jìn),引導(dǎo)學(xué)生積極思考并參與到課堂互動,探究什么是功率因數(shù)及提高功率因數(shù)的方法。仿真實驗法是指運(yùn)用Multisim軟件開展仿真驗證實驗,使學(xué)生體驗到抽象概念的實驗效果,幫助學(xué)生更好地掌握教學(xué)重點和難點。智慧教學(xué)法是指通過多媒體課件展示豐富的教學(xué)元素,采用雨課堂智慧教具實現(xiàn)教學(xué)過程的師生互聯(lián)、互動,有效提高教學(xué)效果。

二、教學(xué)過程

本次教學(xué)的主要環(huán)節(jié)包括課程導(dǎo)入、知識精講、實驗驗證、知識應(yīng)用、內(nèi)容小結(jié)等五個方面,具體實施過程闡述如下:

(一)課程導(dǎo)入

(1)導(dǎo)入生活案例。近年來,我國許多地區(qū)出現(xiàn)用電緊張情況。結(jié)合2022年全社會用電量的圖表數(shù)據(jù),指出城鄉(xiāng)居民生活用電量同比增速較快,說明家庭用電度數(shù)不斷增加。教師拋出問題:針對這一現(xiàn)狀,能否找到有效的方法節(jié)省家庭用電量?調(diào)研發(fā)現(xiàn),各大電商平臺推出了結(jié)構(gòu)簡單、外觀小巧的網(wǎng)紅產(chǎn)品“智能節(jié)電器”,商家宣稱只要把節(jié)電器與家用電器連入同一個排插,就可以提高電路的功率因數(shù),達(dá)到省電效果。教師進(jìn)一步提出問題:家用智能節(jié)電器真的能大幅度省電嗎?通過“節(jié)能省電”這一熱點話題及生活案例引發(fā)問題思考,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生帶著問題,開始課程學(xué)習(xí)。

(2)明確學(xué)習(xí)內(nèi)容。介紹本次教學(xué)的主要內(nèi)容,包括“功率因數(shù)的概念”“提高功率因數(shù)的方法”和“提高功率因數(shù)的意義及應(yīng)用”,指出“提高功率因數(shù)的方法”是學(xué)習(xí)的重點和難點。

(3)回顧已學(xué)知識。復(fù)習(xí)正弦交流電路電壓、電流、相位差、視在功率、有功功率、無功功率、功率三角形等知識點,強(qiáng)調(diào)視在功率、有功功率和無功功率的區(qū)別與聯(lián)系,為后續(xù)介紹功率因數(shù)相關(guān)知識做好鋪墊。

(二)知識精講

(1)功率因數(shù)的概念。由功率三角形中有功功率(P)與視在功率(S)的關(guān)系引出功率因數(shù)(cosφ)的概念,并介紹其表示方法、取值范圍和用途(圖1)。引導(dǎo)學(xué)生思考,功率因數(shù)的取值有哪些要求?通過舉例說明,功率因數(shù)越高,電源設(shè)備容量的利用率就越高。然而,日光燈、冰箱、洗衣機(jī)等常用設(shè)備大多數(shù)屬于感性負(fù)載,功率因數(shù)普遍較低,因此需要設(shè)法提高感性負(fù)載的功率因數(shù)。

圖1 功率因數(shù)的概念

在此基礎(chǔ)上,以動畫的形式展示并聯(lián)電容前后的相量圖,直觀地呈現(xiàn)電路功率因數(shù)角、端口電流、有功功率、無功功率、視在功率等物理量的變化(圖2),幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)概念。從相量圖中可以觀察到,并聯(lián)電容前,功率因數(shù)角為φ1,并聯(lián)電容后,功率因數(shù)角減小為φ,意味著提高了功率因數(shù)cosφ,并且降低了電路的端口電流I。同時,結(jié)合并聯(lián)電容前后的功率三角形關(guān)系進(jìn)一步分析功率的變化規(guī)律,并聯(lián)電容后,電路的有功功率保持不變,無功功率減小,視在功率也減小,電容元件確實起到無功補(bǔ)償作用。

圖2 感性負(fù)載功率因數(shù)提高的定性分析

圖3 感性負(fù)載功率因數(shù)提高的實驗驗證

(三)實驗驗證

緊接著,教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考,并聯(lián)電容值應(yīng)該如何選取,是不是越大越好?為了探究這一問題,采用Multisim軟件搭建仿真電路實驗,通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電容值(C),觀察總電路的功率因數(shù)角(φ)、功率因數(shù)(cosφ)及端口電流(I)的變化趨勢[6]。學(xué)生通過分析測試數(shù)據(jù),嘗試總結(jié)實驗規(guī)律:隨著并聯(lián)電容值的增加,功率因數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,而端口電流的變化規(guī)律正好相反,說明并聯(lián)電容值并不是越大越好,需要根據(jù)電路的實際情況進(jìn)行合理設(shè)計。通過仿真實驗化抽象概念為直觀現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生多角度、多維度、深層次地認(rèn)識問題,幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)重難點。

(四)知識應(yīng)用

(1)提高功率因數(shù)的意義。教師結(jié)合無功功率補(bǔ)償裝置的應(yīng)用實例,分析提高電網(wǎng)功率因數(shù)的意義,幫助學(xué)生加深對知識點的理解和認(rèn)識。在電網(wǎng)的工程應(yīng)用中,電力工程設(shè)計師需要根據(jù)電路實際情況選擇合適的電容器,構(gòu)成無功功率補(bǔ)償裝置,廣泛應(yīng)用于變電站、企業(yè)等多種場景,提高電網(wǎng)的功率因數(shù)和電源設(shè)備容量的利用率。同時,電能在經(jīng)歷長距離輸送時,線路自身的電阻也會消耗有功功率。提高電網(wǎng)的功率因數(shù)可以降低線路電流,從而降低線路的有功功率損耗,達(dá)到省電效果。

(2)智能節(jié)電器案例分析。課前,教師在雨課堂平臺發(fā)布小組任務(wù),學(xué)生已通過調(diào)研家庭用電電費(fèi)單數(shù)據(jù),了解到居民生活用電以有功功率作為計費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合功率因數(shù)的相關(guān)知識,引導(dǎo)學(xué)生分析家用智能節(jié)電器能否實現(xiàn)大幅度省電。其一,使用家用節(jié)電器相當(dāng)于在電器兩端并聯(lián)電容,然而,依靠一個電容值單一、結(jié)構(gòu)簡單的節(jié)電器難以匹配不同的家用設(shè)備,并且家用設(shè)備出廠前已通過優(yōu)化設(shè)計使其功率因數(shù)調(diào)整到合適水平。其二,假設(shè)節(jié)電器能夠提高家用線路的功率因數(shù)并降低線路電流,由于家用線路電阻較小,能夠降低的有功功率損耗也較小。因此,使用家用節(jié)電器不能夠達(dá)到大幅度省電的效果,相反,如果操作不當(dāng),還有可能導(dǎo)致安全隱患。通過案例分析,引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)思考辨析、利用電路知識解決實際應(yīng)用問題的能力。

(3)思政拓展。在講解功率因數(shù)相關(guān)知識時,充分挖掘思政元素。在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動下,節(jié)能省電已成為全社會的自覺意識。引發(fā)思考:既然采用家用節(jié)電器難以實現(xiàn)大幅度省電效果,我們能夠為國家的節(jié)能事業(yè)做哪些貢獻(xiàn)?結(jié)合課程內(nèi)容與生活實際,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到節(jié)能省電并非要求不用電,而是應(yīng)當(dāng)學(xué)會科學(xué)用電,從我做起,從隨手關(guān)一盞燈到合理、安全地使用大功率設(shè)備,都能為雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻(xiàn)一份力量。充分利用課程知識點與學(xué)生生活聯(lián)系的緊密性,增強(qiáng)社會責(zé)任感和家國使命感。

(五)內(nèi)容小結(jié)

教師結(jié)合本次教學(xué)的重難點設(shè)計并發(fā)布難度適中的課堂測驗題,學(xué)生通過雨課堂平臺進(jìn)行限時答題,教師根據(jù)答題情況及時了解學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況。在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生自主梳理歸納本次教學(xué)的主要知識點,理清知識脈絡(luò),培養(yǎng)系統(tǒng)總結(jié)的能力。課后,學(xué)生通過雨課堂平臺完成作業(yè)及預(yù)習(xí)任務(wù),達(dá)到溫故知新的目的。同時,教師推送個性化學(xué)習(xí)資源,鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生開展課外拓展學(xué)習(xí)和創(chuàng)新訓(xùn)練,提高創(chuàng)新實踐意識。

三、教學(xué)反思

根據(jù)課堂師生互動與智慧平臺答題情況,絕大部分學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度較好,但仍有少數(shù)學(xué)生由于基礎(chǔ)較為薄弱,導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。對此,需要在后續(xù)的教學(xué)過程中實施精準(zhǔn)施教,對基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生加強(qiáng)輔導(dǎo)與指引,促使教與學(xué)共同進(jìn)步。同時,教師仍需加強(qiáng)對課程知識應(yīng)用元素的挖掘和探討,著眼于貼近學(xué)生實際生活的例子,善于利用以“知識點”為基礎(chǔ)積累素材資料,豐富案例、圖形、聲音、視頻等多維信息的素材資料庫,幫助學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)真正實現(xiàn)學(xué)以致用,切實提高教學(xué)效果與質(zhì)量。

結(jié)語

教師綜合運(yùn)用多種信息化教學(xué)方法,對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計與策劃,充分調(diào)動學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的積極性和主動性,課堂獲得感和教學(xué)滿意度明顯提升。通過將智能節(jié)電器的案例引入教學(xué),貼近學(xué)生生活實際,顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,愿意主動參與探索新知。在知識精講環(huán)節(jié),采用一問一答的方式引導(dǎo)學(xué)生揭開功率因數(shù)提高的神秘面紗,并通過仿真驗證實驗化抽象為直觀,幫助學(xué)生更好地理解教學(xué)重點和難點,培養(yǎng)求真務(wù)實、探索進(jìn)取的治學(xué)觀念。同時,結(jié)合應(yīng)用舉例及節(jié)電器工作原理分析,引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)用電、助力雙碳目標(biāo)達(dá)成的價值導(dǎo)向。教師在開展教學(xué)設(shè)計與實施的過程中也得到了充分鍛煉,加深對課程知識體系、教學(xué)設(shè)計方法、課堂組織形式的新認(rèn)識,提高了教學(xué)能力和專業(yè)水平。