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        實(shí)作考核在電類基礎(chǔ)課程中的重要性研究

        2021-06-28 08:50:58李玲周波艾娉婷
        電子測試 2021年1期
        關(guān)鍵詞:實(shí)作日光燈功率因數(shù)

        李玲,周波,艾娉婷

        (海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連,116018)

        0 引言

        《電路分析基礎(chǔ)》、《模擬電路》和《數(shù)字電路》三門課程并稱為電類基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)該類課程的目的是為了讓學(xué)員掌握電路分析的基本概念、基本理論和基本分析方法[1],培養(yǎng)學(xué)員運(yùn)用電類基礎(chǔ)知識解決實(shí)際工程問題的能力,為后續(xù)信號與系統(tǒng)、自動(dòng)控制、雷達(dá)原理等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ),為未來發(fā)展儲(chǔ)備電類方面的基本知識和技能。

        課程考核是檢驗(yàn)學(xué)員對課程內(nèi)容理解和掌握情況的重要手段,學(xué)員在校所學(xué)的每一門課程都設(shè)定有考核評價(jià)方式。為了更加及時(shí)、全面、客觀地評價(jià)學(xué)員在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)效果,近年來,我院的電類基礎(chǔ)課程加大了過程性考核成績比例。目前三門課程的考核方式均是形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合,各占比50%,形成性考核包括平時(shí)作業(yè)、期中考試和實(shí)作考核,終結(jié)性考核采取閉卷考試方式[2]?;陔婎惢A(chǔ)課程理論與實(shí)際聯(lián)系緊密這一課程特點(diǎn),為促進(jìn)學(xué)員對理論知識的理解,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手實(shí)踐能力,三門課程的教學(xué)小組經(jīng)過多次討論,設(shè)定形成性考核中的實(shí)作考核占比20%,并且針對各自的課程特點(diǎn),采用了多樣化的實(shí)作考核形式。如《電路分析基礎(chǔ)》理論性較其他兩門課程更強(qiáng)一些,所以實(shí)作考核方式主要是讓學(xué)員在實(shí)驗(yàn)室連接和測量電路,對理論所講的定理和方法進(jìn)行驗(yàn)證;《模擬電路》在三門課程中工程性最強(qiáng),更加強(qiáng)調(diào)近似的思想,設(shè)計(jì)電路需要綜合考慮各方面指標(biāo)性能的影響,并且穩(wěn)定性較差,所以實(shí)作考核方式主張用EWB或Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺對理論所實(shí)現(xiàn)的電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證;《數(shù)字電路》課程內(nèi)容相對簡單,可實(shí)現(xiàn)的功能電路也比較多,所以實(shí)作考核方式采用讓學(xué)員根據(jù)理論所學(xué)內(nèi)容,自己搭建可完成某些功能的實(shí)際電路?,F(xiàn)以《電路分析基礎(chǔ)》課程中第四章“正弦穩(wěn)態(tài)電路分析”為例說明實(shí)作考核的重要作用。

        1 理論教學(xué)中存在的問題

        1.1 理論基礎(chǔ)

        《電路分析基礎(chǔ)》主要是分析直流電阻電路、一階動(dòng)態(tài)電路以及正弦穩(wěn)態(tài)電路這三類典型電路的電壓、電流和功率。所謂正弦穩(wěn)態(tài)電路是指,激勵(lì)和響應(yīng)均為同頻率正弦波的電路[3]。學(xué)會(huì)分析該類電路是分析非正弦穩(wěn)態(tài)電路的基礎(chǔ)。

        該類電路的分析依據(jù)仍然是電路的兩種約束關(guān)系,即元件約束和拓?fù)浼s束。由于在該類電路中,激勵(lì)和響應(yīng)的頻率一致,為了分析和計(jì)算方便,引入正弦量對應(yīng)的相量形式,相應(yīng)地,兩種約束也轉(zhuǎn)化為相量形式,如表1和表2所示。

        表1 兩種約束的相量形式

        在對正弦穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行求解時(shí),需首先將電路圖的時(shí)域模型轉(zhuǎn)化為相量模型,即各元件特性參數(shù)用其對應(yīng)的阻抗來表征,各電壓、電流均以相量形式出現(xiàn);然后運(yùn)用解直流電阻電路中的各種方法進(jìn)行分析和計(jì)算。這種借助于相量求解正弦穩(wěn)態(tài)電路的方法稱為相量解析法[3]。

        在正弦穩(wěn)態(tài)電路中,電路元件除電阻和電源之外,還有電容和電感,因此功率的分類有多種。

        (1)有功功率:P=UIc osφ,即電路中電阻元件消耗的功率。

        (2)無功功率:Q=UIs inφ,即電路中電容或電感與電源進(jìn)行能量交換的規(guī)模。

        (3)視在功率:S=UI,即電路中用電設(shè)備的最大容量,也即為保證電路正常工作,供電設(shè)備需提供的能量。

        1.2 重難點(diǎn)問題

        《電路分析基礎(chǔ)》課程中電路花樣多、概念定理多、分析方法多,并且是學(xué)員入校以來接觸的首門工程類基礎(chǔ)課,歷來都是學(xué)員學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。而“正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析”一章的學(xué)習(xí)不僅需要學(xué)員熟練掌握直流電阻電路中定理和方法,還需要對高等數(shù)學(xué)中復(fù)數(shù)的運(yùn)算有比較好的基礎(chǔ),所以更是本門課程的難點(diǎn)。在本章內(nèi)容的理論學(xué)習(xí)中,學(xué)員對基爾霍夫定律的相量形式掌握不好,容易將相量之和與有效值之和混淆;對有功功率及功率因數(shù)的意義理解不透徹,不明白提高功率因數(shù)的實(shí)質(zhì)及如何提高功率因數(shù)。圍繞這兩大方面的問題,在實(shí)作考核中設(shè)置針對性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幫助學(xué)員理解和掌握。

        2 實(shí)作考核內(nèi)容

        2.1 驗(yàn)證三角形相量關(guān)系

        測量圖1所示電路電阻兩端電壓和電容兩端電壓,改變電容值,重復(fù)測六組。根據(jù)測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證電壓三角形關(guān)系[4],即

        圖1 基本正弦穩(wěn)態(tài)電路

        測量數(shù)據(jù)如表2所示,從表中數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證,C取不同值時(shí),對應(yīng)的各組測量數(shù)據(jù)均不滿足,但滿足,即三者構(gòu)成一個(gè)直角三角形,斜邊為電壓U。對于此電路,電阻和電容上電流相同,阻抗角相差90°,所以兩元件上的電壓相位相差90°,且電容電壓超前電阻電壓90°,而通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又驗(yàn)證了兩元件電壓的有效值之間的關(guān)系為,這就說明,驗(yàn)證了基爾霍夫電壓定律的相量形式。

        表2 基本正弦穩(wěn)態(tài)電路測量數(shù)據(jù)

        2.2 日光燈電路的研究與測量

        測量圖2所示日光燈電路的端口電壓、有功功率、功率因數(shù)及各支路電流,改變電容值,重復(fù)測六組[4]。分析測量數(shù)據(jù),并得出結(jié)論。

        圖2 日光燈電路

        測量數(shù)據(jù)如表3所示,從表中數(shù)據(jù)可得如下結(jié)論:

        表3 日光燈電路測量數(shù)據(jù)

        (1)C取不同值時(shí),對應(yīng)的各組數(shù)據(jù)均不滿足IL+IC=I,說明在正弦交流電路中,流入某一結(jié)點(diǎn)的電流有效值之和不等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流有效值之和,側(cè)面說明了在正弦穩(wěn)態(tài)電路中,基爾霍夫電流定律的相量形式應(yīng)該為

        (2)C取不同值時(shí),測量到的有功功率P和流過日光燈電流IL基本不變,且各組數(shù)據(jù)均滿足P≈UIλ,這首先驗(yàn)證了有功功率計(jì)算式的正確性,同時(shí)也說明電路中有功功率與電容無關(guān),僅與日光燈電路的等效電阻有關(guān),而日光燈兩端的電壓不變,所以流過日光燈的電流IL不變,則日光燈等效電阻消耗的功率不變。

        (3)隨著C值的增加,日光燈的功率因數(shù)也提高,但是當(dāng)C值增加到一定程度時(shí),功率因數(shù)不升反降。這是因?yàn)槿展鉄魹楦行载?fù)載,并聯(lián)電容可抵消感性,進(jìn)而提高電路的功率因數(shù),但是當(dāng)并聯(lián)的電容值過大時(shí),電路又變?yōu)槿菪?,故隨著容性的增加,功率因數(shù)會(huì)越來越低[3]。

        3 教學(xué)實(shí)踐效果

        筆者所在教學(xué)小組在2019級學(xué)員的教學(xué)中實(shí)現(xiàn)了理論講授和實(shí)驗(yàn)考核的一致性,任課教員既承擔(dān)理論教學(xué),又擔(dān)任實(shí)驗(yàn)教員,可以更直觀地評價(jià)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。

        正弦穩(wěn)態(tài)電路的內(nèi)容較為抽象,理論學(xué)習(xí)之后,通過做相關(guān)的考核實(shí)驗(yàn),明顯加深了學(xué)員對理論知識的理解,如通過實(shí)驗(yàn)1中電壓的測量及實(shí)驗(yàn)2中電流的測量,學(xué)員牢固掌握了基爾霍夫定律的相量形式,很少再出現(xiàn)有效值直接相加的情況;通過實(shí)驗(yàn)2中功率及功率因數(shù)的測量,學(xué)員深刻理解了有功功率的意義,對提高功率因數(shù)的實(shí)質(zhì)豁然開朗。

        在實(shí)作考核中,為了得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論,需要學(xué)員提前熟悉理論內(nèi)容,有時(shí)還需查閱實(shí)際電路的相關(guān)知識,如實(shí)驗(yàn)2中日光燈電路的連接,如不了解日光燈的原理,很容易接錯(cuò)電路,從而燒壞保險(xiǎn)絲或日光燈管,致使實(shí)驗(yàn)失敗。所以實(shí)作考核的設(shè)置調(diào)動(dòng)了學(xué)員對本門課程的學(xué)習(xí)興趣,提高了他們的自主學(xué)習(xí)能力,培養(yǎng)了他們分析問題、解決問題的能力,同時(shí)對于理實(shí)結(jié)合的動(dòng)手實(shí)踐能力也有極大的促進(jìn)作用[5]。

        另外,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析過程中會(huì)發(fā)現(xiàn),理論計(jì)算和實(shí)際測量之間會(huì)存在一定誤差,但誤差都在10%以內(nèi),學(xué)員可以直接體會(huì)到理論與實(shí)際的差別,工程意識感明顯增強(qiáng)。

        4 結(jié)束語

        電類基礎(chǔ)課程中的定律、定理和分析方法是分析一切復(fù)雜電路的基礎(chǔ),也是該類課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn),圍繞如何能讓學(xué)員深入理解和掌握這些內(nèi)容,結(jié)合課程工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn),在課程考核方式中合理的加入實(shí)作考核環(huán)節(jié),并且加大實(shí)作考核的比例具有重要作用。經(jīng)過對三門課程兩輪的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),加入實(shí)作考核環(huán)節(jié)后,學(xué)員對理論所學(xué)知識更加認(rèn)可,學(xué)習(xí)積極性明顯提高,自主學(xué)習(xí)能力顯著提升,工程思維和工程意識都得到增強(qiáng),較好地完成了課程教學(xué)目標(biāo),培養(yǎng)了學(xué)員的綜合素質(zhì)。

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