基于教学能力大赛的“电工电子技术”课程教学设计与实施--以“功率因数的提高”为例

洪 晔 欧阳剑 冯明库

广东技术师范大学 广东广州 510665

教学能力大赛是激发教师教学热情、提高教师教学水平、促进教学改革发展、推动教学质量提高的重要途径,近年来受到各大院校的高度重视[1]。大赛重点考察对教学内容的设计与实施情况,教学设计是教学过程中至关重要的环节,对整个教学实施过程起到指导作用,其优劣直接影响教学成效。本文以教学能力大赛为依托,选取“电工电子技术”课程“功率因数的提高”作为教学内容,从教学分析、教学过程、教学反思等方面阐述课程的设计与实施过程。

一、教学分析

(一)教学背景

“电工电子技术”课程是高等院校工科非电类专业必修的核心基础课,具有教学对象量大面广、教学内容多、知识点关联度较高、与数学及物理等学科联系较为紧密、逻辑性及工程应用性强等特点,学生想学好、学透十分不易。对此,需要综合运用多种信息化教学手段,创新教学方案设计,构建高效课堂,切实提高教学质量。

“功率因数的提高”节选自“电工电子技术”课程的重要教学单元--正弦交流电路[2]。功率因数是正弦交流电路的重要物理量之一,功率因数的高低直接影响电源设备容量的利用程度。生产、生活中存在大量感性负载,导致功率因数普遍较低。提高电网的功率因数不仅能提高电源设备容量的利用率,并且能减少线路的有功功率损耗,达到节能省电的目的[3]。掌握提高功率因数的方法,了解提高功率因数的意义,对实际生产、生活具有较强的实用价值。

(二)教学理念与目标

在教学中遵循“以学生为主体、以教师为主导、以知识为主线、以应用为导向”的教学理念,激发学生学习兴趣,让学生在课堂参与中获得知识、感悟应用。

课程的教学目标包括知识目标、能力目标和素质目标。知识目标包括理解正弦交流电路功率因数的概念、掌握提高功率因数的方法、了解提高功率因数的意义及应用。能力目标包括分析正弦交流电路及利用电路知识解决实际应用问题的能力;培养学生获取信息、思考辨析和系统总结的能力。素质目标包括激发学生独立思考和自主学习的原动力,形成严谨细致、求真务实、探索进取的治学观念,提高创新实践意识,增强社会责任感和家国使命感。

(三)教学重难点分析与对策

提高功率因数的方法是本次教学的重点及难点。由于无功功率、功率因数角等概念比较抽象,从无功补偿的角度解释提高功率因数的方法,学生很难有直观的认识[4]。针对这一问题,采用启发式教学法,以一问一答的形式层层推进,鼓励学生积极思考,同时以动画形式展示相量图,有助于学生更好地理解电路各物理量的变化规律。增加仿真验证实验,化抽象为直观,引导学生从端口电流的直观变化更好地理解电容的无功补偿作用。

(四)教学方法与手段

借助现代信息化技术,综合运用案例分析、启发引导、仿真实验、智慧教学等多种教学方法开展教学方案设计与实施。案例分析法通过导入节电器的生活案例,引出“智能节电器能大幅度省电吗”这一问题,从功率因数提高的角度探讨其原因及改进措施,真正实现学以致用。启发引导法是指在知识精讲环节,以一问一答的形式层层推进,引导学生积极思考并参与到课堂互动,探究什么是功率因数及提高功率因数的方法。仿真实验法是指运用Multisim软件开展仿真验证实验,使学生体验到抽象概念的实验效果,帮助学生更好地掌握教学重点和难点。智慧教学法是指通过多媒体课件展示丰富的教学元素,采用雨课堂智慧教具实现教学过程的师生互联、互动,有效提高教学效果。

二、教学过程

本次教学的主要环节包括课程导入、知识精讲、实验验证、知识应用、内容小结等五个方面,具体实施过程阐述如下:

(一)课程导入

(1)导入生活案例。近年来,我国许多地区出现用电紧张情况。结合2022年全社会用电量的图表数据,指出城乡居民生活用电量同比增速较快,说明家庭用电度数不断增加。教师抛出问题:针对这一现状,能否找到有效的方法节省家庭用电量?调研发现,各大电商平台推出了结构简单、外观小巧的网红产品“智能节电器”,商家宣称只要把节电器与家用电器连入同一个排插,就可以提高电路的功率因数,达到省电效果。教师进一步提出问题:家用智能节电器真的能大幅度省电吗?通过“节能省电”这一热点话题及生活案例引发问题思考,激发学生的学习兴趣,学生带着问题,开始课程学习。

(2)明确学习内容。介绍本次教学的主要内容,包括“功率因数的概念”“提高功率因数的方法”和“提高功率因数的意义及应用”,指出“提高功率因数的方法”是学习的重点和难点。

(3)回顾已学知识。复习正弦交流电路电压、电流、相位差、视在功率、有功功率、无功功率、功率三角形等知识点,强调视在功率、有功功率和无功功率的区别与联系,为后续介绍功率因数相关知识做好铺垫。

(二)知识精讲

(1)功率因数的概念。由功率三角形中有功功率(P)与视在功率(S)的关系引出功率因数(cosφ)的概念,并介绍其表示方法、取值范围和用途(图1)。引导学生思考,功率因数的取值有哪些要求?通过举例说明,功率因数越高,电源设备容量的利用率就越高。然而,日光灯、冰箱、洗衣机等常用设备大多数属于感性负载,功率因数普遍较低,因此需要设法提高感性负载的功率因数。

图1 功率因数的概念

在此基础上,以动画的形式展示并联电容前后的相量图,直观地呈现电路功率因数角、端口电流、有功功率、无功功率、视在功率等物理量的变化(图2),帮助学生更好地理解相关概念。从相量图中可以观察到,并联电容前,功率因数角为φ1,并联电容后,功率因数角减小为φ,意味着提高了功率因数cosφ,并且降低了电路的端口电流I。同时,结合并联电容前后的功率三角形关系进一步分析功率的变化规律,并联电容后,电路的有功功率保持不变,无功功率减小,视在功率也减小,电容元件确实起到无功补偿作用。

图2 感性负载功率因数提高的定性分析

图3 感性负载功率因数提高的实验验证

(三)实验验证

紧接着,教师引导学生进一步思考,并联电容值应该如何选取,是不是越大越好?为了探究这一问题,采用Multisim软件搭建仿真电路实验,通过调节并联电容值(C),观察总电路的功率因数角(φ)、功率因数(cosφ)及端口电流(I)的变化趋势[6]。学生通过分析测试数据,尝试总结实验规律:随着并联电容值的增加,功率因数呈现先增加后减小的趋势,而端口电流的变化规律正好相反,说明并联电容值并不是越大越好,需要根据电路的实际情况进行合理设计。通过仿真实验化抽象概念为直观现象,引导学生多角度、多维度、深层次地认识问题,帮助学生更好地理解和掌握教学重难点。

(四)知识应用

(1)提高功率因数的意义。教师结合无功功率补偿装置的应用实例,分析提高电网功率因数的意义,帮助学生加深对知识点的理解和认识。在电网的工程应用中,电力工程设计师需要根据电路实际情况选择合适的电容器,构成无功功率补偿装置,广泛应用于变电站、企业等多种场景,提高电网的功率因数和电源设备容量的利用率。同时,电能在经历长距离输送时,线路自身的电阻也会消耗有功功率。提高电网的功率因数可以降低线路电流,从而降低线路的有功功率损耗,达到省电效果。

(2)智能节电器案例分析。课前,教师在雨课堂平台发布小组任务,学生已通过调研家庭用电电费单数据,了解到居民生活用电以有功功率作为计费标准。结合功率因数的相关知识,引导学生分析家用智能节电器能否实现大幅度省电。其一,使用家用节电器相当于在电器两端并联电容,然而,依靠一个电容值单一、结构简单的节电器难以匹配不同的家用设备,并且家用设备出厂前已通过优化设计使其功率因数调整到合适水平。其二,假设节电器能够提高家用线路的功率因数并降低线路电流,由于家用线路电阻较小,能够降低的有功功率损耗也较小。因此,使用家用节电器不能够达到大幅度省电的效果,相反,如果操作不当,还有可能导致安全隐患。通过案例分析,引导学生培养思考辨析、利用电路知识解决实际应用问题的能力。

(3)思政拓展。在讲解功率因数相关知识时,充分挖掘思政元素。在双碳目标的驱动下,节能省电已成为全社会的自觉意识。引发思考:既然采用家用节电器难以实现大幅度省电效果,我们能够为国家的节能事业做哪些贡献?结合课程内容与生活实际,引导学生认识到节能省电并非要求不用电,而是应当学会科学用电,从我做起,从随手关一盏灯到合理、安全地使用大功率设备,都能为双碳目标的实现贡献一份力量。充分利用课程知识点与学生生活联系的紧密性,增强社会责任感和家国使命感。

(五)内容小结

教师结合本次教学的重难点设计并发布难度适中的课堂测验题,学生通过雨课堂平台进行限时答题,教师根据答题情况及时了解学生对所学知识的掌握情况。在教师的引导下,学生自主梳理归纳本次教学的主要知识点,理清知识脉络,培养系统总结的能力。课后,学生通过雨课堂平台完成作业及预习任务,达到温故知新的目的。同时,教师推送个性化学习资源,鼓励学有余力的学生开展课外拓展学习和创新训练,提高创新实践意识。

三、教学反思

根据课堂师生互动与智慧平台答题情况,绝大部分学生对教学内容的掌握程度较好,但仍有少数学生由于基础较为薄弱,导致学习效果不佳。对此,需要在后续的教学过程中实施精准施教,对基础薄弱的学生加强辅导与指引,促使教与学共同进步。同时,教师仍需加强对课程知识应用元素的挖掘和探讨,着眼于贴近学生实际生活的例子,善于利用以“知识点”为基础积累素材资料,丰富案例、图形、声音、视频等多维信息的素材资料库,帮助学生通过课程学习真正实现学以致用,切实提高教学效果与质量。

结语

教师综合运用多种信息化教学方法,对教学内容进行创新设计与策划,充分调动学生参与课程学习的积极性和主动性,课堂获得感和教学满意度明显提升。通过将智能节电器的案例引入教学,贴近学生生活实际,显著提高学生的学习兴趣,愿意主动参与探索新知。在知识精讲环节,采用一问一答的方式引导学生揭开功率因数提高的神秘面纱,并通过仿真验证实验化抽象为直观,帮助学生更好地理解教学重点和难点,培养求真务实、探索进取的治学观念。同时,结合应用举例及节电器工作原理分析,引导学生利用所学知识解决实际问题,培养学生科学用电、助力双碳目标达成的价值导向。教师在开展教学设计与实施的过程中也得到了充分锻炼,加深对课程知识体系、教学设计方法、课堂组织形式的新认识,提高了教学能力和专业水平。