基于WiFi技術(shù)的三相交流負(fù)載電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)

杜宇上,梁遠(yuǎn)博,李水峰,劉銀萍

(廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部,廣東 廣州 510006)

三相交流負(fù)載電路是電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn),傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行接線,由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析電路原理。由于三相交流負(fù)載電路實(shí)驗(yàn)需要在連接380 V交流電壓的條件下進(jìn)行,這往往引起實(shí)驗(yàn)教師以及實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)學(xué)生用電操作安全的擔(dān)憂；同時(shí)由于采用手工連接電路、手工改變電路負(fù)載連接狀態(tài)的方法,也存在實(shí)驗(yàn)用時(shí)較多、實(shí)驗(yàn)效率不高等不足[1-7]。WiFi技術(shù)是一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù),通過(guò)WiFi技術(shù),可以利用移動(dòng)通信設(shè)備對(duì)其他的電路設(shè)備進(jìn)行無(wú)身體接觸的控制。在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備中采用WiFi技術(shù),可以讓學(xué)生在電路帶電的情況下,通過(guò)智能手機(jī)無(wú)身體接觸地控制實(shí)驗(yàn)電路,安全、便捷地使實(shí)驗(yàn)電路處于不同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理的直觀驗(yàn)證和分析。

1 實(shí)驗(yàn)原理

三相交流負(fù)載電路可分成星形連接和三角形連接2種基本連接方式。在三相交流負(fù)載電路實(shí)驗(yàn)中,往往將星形連接電路和三角形連接電路分別設(shè)置為負(fù)載對(duì)稱與不對(duì)稱的狀態(tài),測(cè)量電路的電壓值和電流值,驗(yàn)證和分析其中的實(shí)驗(yàn)原理[8]。

2 實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

為了方便實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備,通常采用白熾燈作為三相電路的負(fù)載,每相用2盞白熾燈串聯(lián),如圖1所示。例如,當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí),用6盞25 W的白熾燈,分成3組進(jìn)行接線；但負(fù)載不對(duì)稱時(shí),則令其中一組負(fù)載改用2盞40 W的白熾燈串聯(lián)而成。

圖1 采用白熾燈的三相負(fù)載電路

為了便于電路進(jìn)行負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱的轉(zhuǎn)換,可采用開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換控制,電路原理圖如圖2所示。圖2中,在需要改變負(fù)載的那一相中,分別接上2組白熾燈,一組為2盞25 W的白熾燈L1、L2串聯(lián)而成,另一組為2盞40 W的白熾燈L3、L4串聯(lián)而成,通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1進(jìn)行電路的切換。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1處于1的位置時(shí),白熾燈L1、L2接入電路中,為三相負(fù)載對(duì)稱的狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1處于2的位置時(shí),白熾燈L3、L4接入電路中,為三相負(fù)載不對(duì)稱的狀態(tài)。

圖2 通過(guò)開(kāi)關(guān)切換的三相負(fù)載電路

在實(shí)驗(yàn)裝備的設(shè)計(jì)中,圖2中的開(kāi)關(guān)S1由繼電器中的觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)裝備結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)智能手機(jī)發(fā)出指令,WiFi電路模塊接收指令信息,并控制繼電器模塊中的繼電器觸點(diǎn)發(fā)生動(dòng)作,從而控制開(kāi)關(guān)S1發(fā)生動(dòng)作。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝備結(jié)構(gòu)

WiFi電路模塊采用如圖4所示的基于樂(lè)鑫ESP8266安信可WiFi電路模塊[11-12]。為了在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中能進(jìn)行應(yīng)用的拓展,采用如圖5所示含有4個(gè)繼電器的繼電器模塊。

圖4 WiFi電路模塊實(shí)物

圖5 繼電器模塊實(shí)物

圖6所示為在實(shí)驗(yàn)室原有的TPE-DQ電工實(shí)驗(yàn)箱基礎(chǔ)上,加入WiFi電路模塊、繼電器模塊的接線實(shí)例——三相負(fù)載星形連接電路。

圖6 實(shí)驗(yàn)電路接線實(shí)例

安裝在手機(jī)的APP由WiFi電路模塊開(kāi)發(fā)者提供,控制界面如圖7所示。打開(kāi)手機(jī)WiFi連接,建立手機(jī)與WiFi電路模塊的連接,點(diǎn)擊圖7所示界面的GPIO“打開(kāi)”按鈕,使WiFi電路模塊對(duì)應(yīng)的引腳輸出電平發(fā)生改變,從而控制繼電器觸點(diǎn)發(fā)生動(dòng)作,使三相負(fù)載電路的狀態(tài)發(fā)生變化。

3 教學(xué)實(shí)施

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)變易學(xué)習(xí)理論,人如何理解一件事物,是在于他所聚焦的這個(gè)事物特征上,因此,要幫助學(xué)生對(duì)某個(gè)事物的理解,就需要幫助學(xué)生將未被他關(guān)注或辨識(shí)的關(guān)鍵特征分辨出來(lái)[13-14]。而要把某種事物的關(guān)鍵特征從眾多背景和多個(gè)事物中分辨出來(lái),需要通過(guò)變易的處理方法[13,15]。

圖7 APP控制界面

在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師可以思考如何將知識(shí)點(diǎn)的特征進(jìn)行變易處理,例如對(duì)電路的狀態(tài)進(jìn)行變易,從而設(shè)計(jì)并制造出有助于學(xué)生分辨學(xué)習(xí)內(nèi)容關(guān)鍵特征的學(xué)習(xí)活動(dòng)。本文所討論的“三相交流負(fù)載電路”實(shí)驗(yàn)教學(xué),正是在這樣的教學(xué)理論指導(dǎo)下進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)中,教學(xué)內(nèi)容的變易處理如表1所示。而表1 中對(duì)星形連接電路和三角形連接電路的變易處理,可通過(guò)上述基于WiFi的實(shí)驗(yàn)裝備實(shí)現(xiàn)負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱狀態(tài)的切換。

表1 教學(xué)內(nèi)容的變易處理

3.2 教學(xué)過(guò)程

(1) 教師講解。教師首先介紹三相交流負(fù)載電路星形連接方式和三角形連接方式的電路結(jié)構(gòu),分析兩者的特征,提出兩者的區(qū)別。分別介紹2種電路連接方式在負(fù)載對(duì)稱與不對(duì)稱時(shí)的特點(diǎn),比如電路線電壓與相電壓、線電流與相電流之間的關(guān)系,特別是對(duì)于星形連接方式,當(dāng)其分別為負(fù)載對(duì)稱與不對(duì)稱狀態(tài)時(shí),電路中線電流和電路中點(diǎn)電壓的特點(diǎn)。

(2) 學(xué)生實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)星形連接和三角形連接的電路結(jié)構(gòu),在實(shí)驗(yàn)箱上連接電路,同時(shí)也接入WiFi控制模塊和繼電器模塊。在教師檢查連線正確之后,打開(kāi)電源,通過(guò)手機(jī)APP控制繼電器模塊觸點(diǎn)發(fā)生動(dòng)作,使到電路處于負(fù)載對(duì)稱或不對(duì)稱狀態(tài),并測(cè)量有關(guān)的電壓值和電流值。根據(jù)變易理論,學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)情境中去分辨三相電路負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱條件下的特征。因此,在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,教師要求學(xué)生對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,思考和分析同一種電路連接方式在負(fù)載對(duì)稱與不對(duì)稱的情況下,相同類型的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值出現(xiàn)不同大小的原因是什么,并嘗試從實(shí)驗(yàn)原理中去尋找答案。

(3) 課后思考。由于電工學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)重視理論聯(lián)系實(shí)際的課程,要求學(xué)生能夠?qū)⒃谡n堂中學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用之中。因此,在通過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,讓學(xué)生了解三相交流電路負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱的特征之后,需要教師再向?qū)W生布置與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的學(xué)習(xí)內(nèi)容,比如讓學(xué)生思考:在常見(jiàn)的星形連接電路系統(tǒng)中,若是中線接觸不好,是否會(huì)對(duì)電路中用電設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅？以此將問(wèn)題情境由實(shí)驗(yàn)室的電路模型情境轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)情境,促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念特征的掌握。

4 教學(xué)實(shí)施建議

4.1 變易過(guò)程中須加強(qiáng)師生的互動(dòng)

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論,教師是學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的引導(dǎo)者,因此,教師在實(shí)驗(yàn)課堂過(guò)程中,除了要指導(dǎo)學(xué)生如何使用智能手機(jī)APP去控制WiFi電路模塊,還需要注意教師與學(xué)生之間的互動(dòng)。主要體現(xiàn)在,學(xué)生通過(guò)APP控制電路狀態(tài)的變化,教師對(duì)學(xué)生提出問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化,思考其背后的原理,教師根據(jù)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)的分析對(duì)學(xué)生進(jìn)行響應(yīng),指出學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)回答的表述中存在的不足,也對(duì)學(xué)生的良好表現(xiàn)進(jìn)行肯定。

4.2 變易須以推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容深入為目的

實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過(guò)程中,變易的目的是為了突出特征,由變易推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容的漸進(jìn)發(fā)展,以幫助學(xué)生理解教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此,教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該明確必須在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行變易,要考慮變易的內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)之間的關(guān)系,逐步地推進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)任務(wù)的深入。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)WiFi電路模塊嵌入到實(shí)驗(yàn)裝備中,使實(shí)驗(yàn)操作者通過(guò)智能手機(jī)控制電路狀態(tài)的變化,既減少了重復(fù)連接線路的環(huán)節(jié)、節(jié)省了操作時(shí)間,也能盡量地減少與帶電電路的直接接觸,降低觸電的安全隱患。同時(shí),通過(guò)WiFi電路模塊控制實(shí)驗(yàn)電路,使電路在380 V的供電環(huán)境下便捷地切換不同的工作狀態(tài),呈現(xiàn)不同的電路特征,突出了教學(xué)內(nèi)容中有關(guān)概念的特征,便于學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中理解和掌握有關(guān)知識(shí)點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展,WiFi技術(shù)在實(shí)驗(yàn)裝備中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步地成熟,應(yīng)用面將會(huì)進(jìn)一步地拓寬,為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了機(jī)遇,為促進(jìn)學(xué)生電工電子課程學(xué)習(xí)提供更多的樣式和途徑。

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