《電器的發(fā)熱理論》教學(xué)設(shè)計(jì)

李龍女 劉曉明 陳海 朱高嘉 徐微

摘 要：電器的發(fā)熱理論是電器學(xué)原理中的主要理論范疇之一，電器在工作過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。本文以《電器的發(fā)熱理論》一節(jié)內(nèi)容為例，探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法、類比學(xué)習(xí)法在《電器學(xué)原理》課程中的應(yīng)用。以問題的提出、問題的解決為主線，以疑導(dǎo)思，啟發(fā)學(xué)生思維，形成從電器的生熱、散熱到溫升計(jì)算的知識(shí)體系，提高學(xué)生從原理上對(duì)電器發(fā)熱至散熱整個(gè)過程的理解，培養(yǎng)學(xué)生利用解析算法求解典型電器溫升的能力；將思政教育融入專業(yè)課的教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

關(guān)鍵詞：電器發(fā)熱理論；教學(xué)設(shè)計(jì)；主動(dòng)引導(dǎo)；思政教育

一、 課程簡(jiǎn)介

《電器學(xué)》課程是一門面向電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)必修課。通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生較全面地學(xué)習(xí)有關(guān)電器的基礎(chǔ)理論和基本分析方法；掌握電器發(fā)熱和電動(dòng)力理論、電弧理論、電接觸理論、電磁機(jī)構(gòu)理論等基本理論范疇；著重實(shí)際案例分析和實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練，使學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力。為學(xué)生在今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和從事相關(guān)領(lǐng)域的工作中打好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和鍛煉出一定的實(shí)際動(dòng)手能力。電器的發(fā)熱理論是電器學(xué)原理中最為基礎(chǔ)的理論之一，是電器能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

二、 教學(xué)目的

（一） 知識(shí)目標(biāo)：

掌握電器發(fā)熱理論中的基本概念及性質(zhì)；理解電器生熱的原因以及散熱的基本形式；理解電器允許溫升及電器的熱穩(wěn)定性；掌握電器表面穩(wěn)定溫升的計(jì)算方法。

（二） 能力目標(biāo)：

能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單典型電器溫升的計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析和計(jì)算電器溫升的能力。

（三） 情感目標(biāo)：

將思政教育融入電器發(fā)熱理論的教學(xué)中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)電器學(xué)原理、解決實(shí)際問題的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

三、 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)

（一） 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，融合思政教育，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣

電器發(fā)熱理論的研究在電器可靠性方面扮演著重要角色。由于電器是運(yùn)行在電磁環(huán)境中，所以一定會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，那么它的熱量是怎么產(chǎn)生的呢？提出問題，以疑導(dǎo)思，啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是教學(xué)工作中的重點(diǎn)。如常用的家用電線，通常情況下，每毫米允許通過的電流限度是5A，如果電流超過5A、達(dá)到6A、7A時(shí)電器會(huì)發(fā)生什么變化？由此引出這節(jié)課要研究的電器發(fā)熱理論，融合總書記提出的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的五大發(fā)展理念以及中國對(duì)外開放的實(shí)際現(xiàn)狀和政策，加深學(xué)生對(duì)電氣工程專業(yè)的理解，以及對(duì)電氣設(shè)備安全運(yùn)行重要性的認(rèn)識(shí)，從思政角度進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（二） 由易到難，探究電器的發(fā)熱本質(zhì)和散熱方式

電器的熱源主要由五個(gè)部分組成：電阻損耗，磁滯和渦流損耗；介質(zhì)損耗；摩擦和撞擊損耗以及電弧損耗。電器在發(fā)熱的同時(shí)會(huì)伴隨著散熱，電器中的散熱有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射。

（三） 設(shè)置典例，了解電器表面穩(wěn)定溫升的簡(jiǎn)單計(jì)算

根據(jù)所引入的熱平衡方程式及牛頓公式分別探討電器在發(fā)熱穩(wěn)定、去掉熱源以及絕熱狀態(tài)下的計(jì)算，通過三種不同工況下的方程變形，進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)熱平衡理論以及電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算的理解和運(yùn)用。

（四） 深入探索，強(qiáng)化電器表面穩(wěn)定溫升的計(jì)算

通過在開關(guān)柜中垂直安放鋁母線發(fā)熱的簡(jiǎn)例，給出其結(jié)構(gòu)尺寸、散熱系數(shù)及電阻率大小。從熱平衡公式出發(fā)，分析其發(fā)熱熱源及散熱形式，使輸入的導(dǎo)體熱量=導(dǎo)體本身溫度升高吸收的熱量+散熱，代入公式及具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合具體實(shí)例，使學(xué)生深入了解了電器表面穩(wěn)定溫升的計(jì)算過程和方法。

（五） 首尾呼應(yīng)，引出電器發(fā)熱理論的基本思想

回到課堂開始提出的問題，常用的家用電線，通常情況下來說，它每毫米允許通過的電流是5 A，如果電流超過5 A、達(dá)到6 A、7 A的時(shí)候電器會(huì)發(fā)生什么變化？結(jié)合本節(jié)課的介紹，從基本原理角度引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，引出電器發(fā)熱理論的基本思想。

（六） 小結(jié)概括，深化認(rèn)識(shí)，以疑導(dǎo)思激發(fā)學(xué)生的探索欲望

小結(jié)概括，深化認(rèn)識(shí)，掌握電器發(fā)熱理論的基本性質(zhì)和概念。提出思考題：（1）短路狀態(tài)下溫升變化有何特點(diǎn)？（2）如果電器頻繁往復(fù)地通電，溫升變化會(huì)有什么不同？鞏固學(xué)生本節(jié)課的知識(shí)掌握，同時(shí)，以疑導(dǎo)思激發(fā)學(xué)生的探索欲望，進(jìn)而引出下節(jié)課要學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容，提高學(xué)生利用電器發(fā)熱理論解決實(shí)際問題的興趣。

四、 小結(jié)

本文以《電器的發(fā)熱理論》一節(jié)內(nèi)容為例，探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法在《電器學(xué)》課程中的應(yīng)用。利用互動(dòng)環(huán)節(jié)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以便使學(xué)生全方位參與教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李陽，蔡燕，金亮，等.虛擬仿真技術(shù)在電器學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的推廣與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（32）106.

作者簡(jiǎn)介：

李龍女，講師，天津市，天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院；劉曉明，教授，天津市，天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院；陳海，工程師，天津市，天津工業(yè)大學(xué)國際教育學(xué)院；朱高嘉，講師，天津市，天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院；徐微，講師，天津市，天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院。