高职电气自动化技术专业二年级《热继电器故障诊断与维修》项目式教学设计

高职电气自动化技术专业二年级《热继电器故障诊断与维修》项目式教学设计

  一、教学指导思想与理论依据

  本教学设计立足于新时代职业教育“产教融合、知行合一”的根本要求，以发展学生综合职业能力为核心目标，深度融合“岗课赛证”融通的育人理念。其理论基础根植于三大支柱：一是建构主义学习理论，强调学生在解决真实、复杂工程问题的过程中，主动建构关于电气控制系统故障诊断的知识体系与技能框架；二是情境学习理论，主张学习应发生在与未来职业实践高度仿真的“实践共同体”中，通过合法的边缘性参与，使学生逐步内化行业专家（如电气工程师、设备维修技师）的思维模式与行动规范；三是能力本位教育（CBE）理论，聚焦于具体、可观察、可测量的职业能力成果，以终为始反向设计学习任务与评价标准。教学摒弃传统学科体系下“先理论后实践”的线性模式，采用“项目引领、任务驱动”的行动导向教学模式。将热继电器这一在电机控制电路中承担关键保护功能的元件，置于完整的电气控制系统故障排查工作流程中进行解构与学习。引导学生不仅掌握其结构原理，更能从系统层面理解其功能逻辑，并最终形成“现象观察-原理分析-工具使用-策略制定-故障排除-报告撰写”的完整故障诊断思维链路与规范操作能力。本设计致力于培养学生在面对不确定性的工程问题时，展现出严谨的科学态度、系统的工程思维、规范的安全意识以及精益求精的工匠精神，为其胜任未来电气设备维护、自动化系统集成等岗位奠定坚实的综合能力基础。

  二、教学背景深度分析

  （一）教学内容在课程体系中的定位与价值

  本教学单元源自《电机与电气控制技术》或《PLC与电气控制》等专业核心课程中的“常用低压电器应用与维护”模块。热继电器作为电动机过载保护环节的核心元件，其工作可靠性直接关系到生产设备的连续稳定运行与电机本体的安全。在课程逻辑链中，它前承接触器、断路器、按钮等主令与执行电器，后启以PLC为核心的复杂控制系统故障诊断。教学内容不仅局限于对热继电器本身的认知，更延伸至对整条控制回路（主回路、控制回路）的系统性理解。其教学价值体现在三个方面：第一是知识衔接价值，它将抽象的电流热效应原理、金属材料学特性（双金属片）与具体的工程应用无缝连接；第二是技能枢纽价值，对热继电器的检测与维修，融合了万用表、兆欧表等电工工具使用，电气图纸识读，以及故障逻辑判断等多项核心技能；第三是素养承载价值，该任务天然蕴含了安全规范（断电验电）、细致观察（触点状态、整定值）、严谨推理（从现象追溯原因）等职业关键素养，是课程思政融入专业教学的绝佳载体。

  （二）学情多维画像分析

  教学对象为高职电气自动化技术专业二年级学生。经过前导课程学习，他们已具备以下基础：在知识层面，基本掌握了直流与交流电路的分析方法，认识了常用低压电器的图形符号与文字符号，能够识读简单的电动机启停控制电路图；在技能层面，初步具备使用万用表测量电阻、电压、通断的能力，能够进行简单的导线连接与电路安装。然而，通过前期摸底与访谈，也暴露出以下亟待突破的瓶颈与学习特征：其一，知识碎片化与应用迁移困难。学生虽能背诵热继电器的定义与作用，但难以将其动作特性（如反时限特性）与电动机实际过载工况建立动态关联，面对电路故障时，无法将原理知识有效转化为诊断策略。其二，系统思维与工程意识薄弱。学生往往孤立地看待电器元件，缺乏将热继电器置于整个控制回路乃至生产工艺链中审视其功能与故障影响的视野。其三，实践操作规范性有待强化。部分学生在操作中存在跳过验电步骤、工具使用随意、测试点选择不当等安全隐患与习惯问题。其四，学习动机呈现明显的实践导向性。他们对枯燥的原理讲解兴趣有限，但对能够亲手解决“真问题”、完成“真任务”充满热情，乐于接受挑战性任务，并在小组协作与成果展示中获得成就感。基于此，教学设计的重心必须从“教原理”转向“创设需要运用原理的复杂情境”，通过搭建“脚手架”引导其完成从“生手”到“熟手”的思维与技能跨越。

  （三）行业岗位需求与标准对接

  通过对合作企业（如装备制造、汽车生产线维护、楼宇自动化等企业）的调研，电气自动化技术专业毕业生初始岗位多为电气设备装调工、自动化系统维护员等。这些岗位的核心职责之一便是对电气控制柜进行日常巡检、定期保养与突发故障抢修。热继电器故障（如误动作、拒动作）是导致生产线非计划停机的常见原因之一。行业企业对从业人员的要求明确体现在：第一，严格遵守电气安全操作规程（如上锁挂牌制度）；第二，能够快速、准确地根据故障现象（如电机无法启动、运行中突然停机）定位故障点；第三，熟练掌握使用各类仪表对电器元件进行性能检测与状态判断；第四，具备规范的维修记录与报告撰写能力；第五，拥有良好的团队沟通与协作能力，能在工程师指导下或独立完成修复任务。本教学设计将上述岗位要求细化为具体的学习任务与评价标准，确保教学内容与行业标准、岗位规范同频共振。同时，引入“低压电器装配工”、“维修电工”等职业技能等级证书中的相关考核要点，实现“课证”融通。

  三、教学目标体系

  （一）素养目标

  1.培养严谨求实、安全第一的科学态度与工程伦理意识。在故障诊断全过程中，牢固树立“安全压倒一切”的观念，自觉执行停电、验电、悬挂警示牌等安全规范，养成操作前确认、操作中专注、操作后复核的职业习惯。

  2.锤炼系统思维与辩证分析问题的能力。能够从电机控制系统的整体功能出发，理解热继电器局部故障对全局的影响，学会运用“整体-局部-整体”的思维方式分析问题，理解各元件间的逻辑关联与相互制约。

  3.塑造精益求精、追求卓越的工匠精神。在调整整定电流、修复触点、排查隐患等细微操作中，追求工艺的精准与完美，体会“差之毫厘，谬以千里”的深刻含义，培养对工作品质的极致追求。

  4.强化团队协作与有效沟通的职业素养。在小组项目实践中，学会分工协作、倾听他人意见、清晰表达自身观点，共同攻克技术难题，并能以规范的工程语言撰写故障分析报告。

  （二）能力目标

  1.能独立、规范、安全地完成对热继电器的拆卸、主要部件识别、检测与重新装配。

  2.能熟练使用万用表、兆欧表等工具，准确测量热继电器主回路、控制回路触点的通断电阻、绝缘电阻，并判断其性能好坏。

  3.能根据给定的电动机铭牌参数，正确计算并设置热继电器的整定电流，理解其与电动机额定电流、启动电流的匹配关系。

  4.能针对“电机无法启动”、“电机运行中自动停车且无法复位”、“电机轻微过载即跳闸”等典型故障现象，制定系统化的故障排查流程，并最终定位故障点（如热元件烧毁、常闭触点接触不良、机构卡滞、整定值不当等）。

  5.能规范撰写故障诊断报告，清晰记录故障现象、分析过程、检测数据、诊断结论及维修建议。

  （三）知识目标

  1.深入理解热继电器在电动机控制回路中的核心保护作用（过载保护）及其反时限动作特性。

  2.熟练掌握热继电器的基本结构，特别是双金属片、热元件、动作机构、常开/常闭触点等核心部件的工作原理与相互关系。

  3.掌握热继电器主要技术参数（如额定电流、整定电流调节范围、热元件编号等）的含义及其选型依据。

  4.系统掌握热继电器常见故障类型（如热元件烧毁、触点氧化或熔焊、双金属片永久变形、动作机构卡阻、整定值漂移等）及其产生的根本原因。

  四、教学重难点及突破策略

  （一）教学重点

  1.热继电器反时限动作特性与电动机过载保护匹配关系的深度理解。

  2.基于控制电路原理图的系统性故障排查逻辑与规范化操作流程的建立。

  3.热继电器整定电流的计算与设置方法。

  （二）教学难点

  1.难点一：从“元件思维”到“系统思维”的跃迁。学生难以将热继电器的动作与电机运行状态、控制回路逻辑变化（如接触器线圈失电）动态关联起来。

  突破策略：采用“虚实结合”的仿真教学。首先利用电气仿真软件（如FluidSIM、EPLAN等）构建包含热继电器的电动机控制回路虚拟模型。让学生在软件中设置不同类型的过载故障，直观观察电流变化、双金属片弯曲变形过程、触点状态切换的动画演示，以及最终导致接触器线圈失电、电机停机的连锁反应。通过多次虚拟仿真，在大脑中建立“过载电流→热积累→机构动作→触点切换→控制回路开路→主回路断开”的清晰因果链，实现从静态原理到动态过程的认知转化。

  2.难点二：面对复杂、非典型故障现象时，诊断策略的灵活制定与高效排查。

  突破策略：实施“案例递进式”任务驱动与“思维导图”工具辅助。设计三个层层递进的教学案例：案例一为单一元件明确故障（如热元件明显烧断）；案例二为复合故障（如触点接触不良伴随整定值轻微偏移）；案例三为隐性或间歇性故障（如机构轻微卡滞）。引导学生针对每个案例，以小组为单位，利用思维导图工具（如XMind），从故障现象出发，发散出所有可能的故障原因假设，再根据假设设计具体的检测步骤（测什么、怎么测、标准是什么），最终通过检测数据收敛到真实原因。教师在此过程中扮演“教练”角色，通过提问（“如果这个点正常，下一步该查哪里？”“你刚才的测量方法能否完全排除那个可能性？”）引导学生不断修正和优化其排查路径，从而内化一套结构化、可迁移的故障诊断思维模型。

  3.难点三：整定电流设置的理论计算与实际工况（如环境温度、启动频率）影响的协调。

  突破策略：引入“计算-仿真-实操”三位一体的训练环节与行业专家微课。首先，讲解标准计算公式（整定电流≈1.05~1.1倍电机额定电流）。然后，展示不同品牌型号热继电器的产品手册，让学生查阅具体热元件编号与电流对应关系，完成选型与计算练习。接着，播放合作企业设备维护工程师录制的微视频，视频中工程师结合具体设备（如水泵、风机、传送带），讲解在实际高低温环境、频繁启停工况下，如何根据经验微调整定值，并强调观察电机运行温升的重要性。最后，在实操环节，要求学生为不同功率的实训电机设置整定电流，并通电进行模拟过载试验（使用可调负载），观察其动作时间是否符合预期，反思计算值与实际值的差异原因，从而理解理论指导与工程经验相辅相成的关系。

  五、教学方法与资源

  （一）主要教学方法

  1.项目教学法：以“完成某车间水泵电机控制柜热继电器故障检修工单”为总项目，贯穿教学始终。项目包含接受任务、信息收集、方案制定、决策实施、检查评价等完整工作过程。

  2.任务驱动法：将总项目分解为“认知与检测”、“整定与调试”、“诊断与排除”、“汇报与评价”四个子任务，每个任务有明确输出物（如检测记录表、整定报告、诊断报告）。

  3.情境教学法：在理实一体化实训室中，营造真实工作场景。设置带有典型故障的电机控制柜（故障点可设置、可恢复），张贴安全操作规程、设备点检表等，让学生身临其境。

  4.小组合作探究法：学生4-5人一组，组内角色轮换（安全员、操作员、记录员、汇报员），通过讨论、协作、互助共同完成任务，培养团队精神。

  5.引导文教学法：为每个任务提供精心设计的引导文，包括任务书、技术资料（原理图、产品手册）、工作步骤提示、问题思考、检查单等，支持学生自主学习。

  6.示范模仿法：对于关键技能点（如验电操作、触点修复工艺），教师进行规范化操作示范，学生随后模仿练习，教师巡回指导纠正。

  （二）教学资源与工具

  1.硬件资源：理实一体化实训室、多功能电动机控制实训台（含可设置故障的热继电器模块）、三相异步电动机（不同功率）、可调模拟负载箱、数字万用表、钳形电流表、兆欧表、电工工具套装（含绝缘工具）、热继电器实物（多种型号，部分可拆解）、热继电器动作特性测试仪（可选）。

  2.软件与数字化资源：电气控制仿真软件、交互式三维热继电器结构拆装动画、企业真实故障案例视频库、微课视频（整定计算、触点维修）、在线知识测试题库、虚拟仪表使用仿真程序。

  3.文本资源：项目任务书、引导文、工作页、电气原理图册、主流品牌热继电器产品选型手册、行业安全操作规程文本、故障诊断报告模板、形成性评价量表。

  六、教学过程实施（总计8学时）

  （一）项目导入与情境创设（1学时）

  1.情境呈现（10分钟）：教师播放一段来自合作企业的短视频。视频中，某生产线因一台电机频繁无故停机，导致整条线体中断，维修工段长正在焦急地分配任务。画外音提出工单要求：“XX线3号泵电机控制柜疑似热继电器故障，请尽快诊断并修复，恢复生产。”随后，展示该电机的铭牌照片和控制柜局部照片。教师提问：“如果你是维修小组的一员，接到这个任务，你首先想到什么？需要做什么准备？”引导学生进入角色。

  2.任务发布与分组（10分钟）：教师正式发布总项目任务书，明确最终交付物（一份完整的故障诊断与维修报告）及评价标准。学生根据异质分组原则（考虑知识基础、动手能力、性格特点）组建4-5人的“维修工作小组”，推选组长，明确组内初步分工。

  3.知识前测与安全总动员（25分钟）：通过在线平台发布简短前测题，主要考查电路图识读、热继电器符号与作用等前期知识，系统即时反馈，教师快速了解整体学情。随后，进行庄严的“安全宣誓”仪式，全体学生朗读电气安全操作规程“十不准”，教师结合血淋淋的事故案例，强调验电、绝缘、防止短路和电弧灼伤等安全要点，并要求每个小组的安全员在实操全程监督执行。下发《安全操作检查清单》。

  （二）任务一：深入认知与规范检测（2学时）

  1.引导自学与结构探究（30分钟）：各小组领取引导文一和不同型号的热继电器实物（包括完好件和已拆解件）。引导文问题包括：“根据实物和资料，指出热继电器各部件名称并说明其功能”、“对照原理图，指出其在控制回路中的接线端子”、“比较不同型号产品手册，找出额定电流、整定范围等关键参数”。学生利用实物、三维动画、产品手册进行自主探究和组内讨论，填写工作页中的结构认知部分。教师巡回指导，解答疑惑。

  2.教师精讲与示范（30分钟）：教师聚焦核心原理“反时限动作特性”，利用仿真软件动态演示不同过载倍数下动作时间的差异，并板书其数学模型曲线。强调该特性与电机发热耐受能力的匹配关系，是保护的“灵魂”所在。随后，教师进行规范化检测示范：如何正确使用万用表电阻档检测主回路端子间电阻（判断热元件通断）、检测常开/常闭触点通断；如何使用兆欧表测量触点对地绝缘电阻。特别强调操作前对仪表进行自检与调零，选择合适的量程，以及检测完毕后的仪表归位。

  3.分组实操与技能固化（60分钟）：各小组在实训台上，对指定的热继电器（教师预设了部分隐性故障，如某一相热元件阻值偏大、常闭触点接触电阻过大）进行全面的检测练习。要求严格按照安全规程和示范步骤，逐项测量并记录数据于《元件检测记录表》中。组员轮流操作，互相监督纠正。教师巡回检查，重点关注操作规范性、数据读取准确性，及时干预不安全或错误操作。对于共性问题，进行集中暂停讲解。

  （三）任务二：整定计算与模拟调试（1.5学时）

  1.计算与选型练习（30分钟）：教师提供多个不同功率的电机铭牌参数案例（含额定电流、启动电流倍数）。各小组根据引导文二的要求，为每个电机计算热继电器的理论整定电流值，并查阅提供的产品手册，为其中两个案例选择合适的热元件编号。小组间交换计算结果进行互评。教师选取典型计算进行点评，澄清常见错误（如直接用启动电流整定）。

  2.整定值设置与模拟过载调试（60分钟）：各小组领取与计算案例对应的真实电机控制回路实训模块。首先，练习使用螺丝刀调节热继电器的整定电流旋钮，观察刻度盘变化，并学会使用钳形电流表在实际运行中监测电机电流。然后，进行关键环节——模拟过载试验：通过调节可调负载，使电机电流缓慢升至整定值的1.2倍左右，用秒表记录从过载开始到热继电器动作、电机停机的时间。重复不同过载倍数（如1.5倍）试验。学生将理论的反时限曲线与实际测量的动作时间进行对比分析，在报告中记录数据并分析差异原因（如散热条件、环境温度影响）。此环节使学生对“保护特性”有了最直接的感性认识。

  （四）任务三：系统故障诊断与排除（2.5学时）——教学核心与高潮

  1.诊断方法论讲授与案例引导（30分钟）：教师系统讲解故障诊断的通用流程“望闻问切”在电气控制中的应用：“望”观察指示灯、触点状态、有无烧痕；“闻”有无焦糊味；“问”（询问操作工）故障发生时的现象、频次；“切”使用仪表测量。引入“二分法”、“替换法”等高效排查策略。然后，通过一个预设的简单故障案例（如热继电器常闭触点接线松动），带领学生完整走一遍诊断流程，形成示范。

  2.分层故障排查挑战赛（120分钟）：这是整个教学的核心实践环节。教师准备三台设置了不同难度故障的电机控制柜（与三个教学难点对应的案例）。故障设置基于真实企业案例，具有隐蔽性和迷惑性。

  挑战一（基础，30分钟）：故障现象为“电机完全不能启动”。可能故障点包括热继电器常闭触点回路断路（如触点接触不良、接线脱落）、停止按钮故障等。主要训练学生对控制回路的逻辑分析和通断检测能力。各小组同时进行，要求快速定位并修复。

  挑战二（进阶，45分钟）：故障现象为“电机运行一段时间后自动停机，且复位后不久再次停机”。可能故障点包括热继电器整定值设置过小、某一相热元件特性劣化、或电机存在轻微机械卡阻导致电流偏大。此任务需要学生综合运用电流测量、整定值复核、元件检测等多种技能，并学会区分是保护元件问题还是被保护对象问题。

  挑战三（高阶，45分钟）：故障现象为“电机偶尔在启动时跳闸，无明显规律”。可能故障点包括热继电器动作机构存在轻微卡滞、或主回路存在间歇性短路/接地故障引起大电流冲击。此任务考验学生的耐心、细致观察力（反复操作试验）和系统性绝缘检测能力。

  每个挑战任务开始前，仅提供故障现象描述和设备原理图。小组需先集体讨论，制定书面的《故障排查计划书》（包含可能的故障原因假设、排查步骤顺序、所需工具、安全注意事项），经教师审核批准后方可动手。实操中，要求严格填写《故障诊断记录表》，记录每一步的检测对象、方法、数据和初步结论。教师作为“技术顾问”和“安全总监”，不直接告知答案，而是通过提问（“你的这个测量结果说明什么？”“还有没有其他可能性需要排除？”）引导学生自主思考。对于陷入困境的小组，给予“提示卡”（提供一点方向性建议）。完成修复的小组需进行功能测试，确认故障排除。

  （五）任务四：成果汇报、评价与反思（1学时）

  1.报告撰写与成果整理（20分钟）：各小组汇总整个项目过程中的所有记录（检测记录、整定报告、诊断计划书、诊断记录），按照规范的模板，合作撰写一份完整的《热继电器故障诊断与维修项目报告》。报告要求逻辑清晰、数据准确、结论明确、建议合理。

  2.小组汇报与答辩（25分钟）：每个小组选派代表，利用5分钟时间，以“维修工程师”的身份，向全班和“评审专家”（由教师和抽选的学生代表扮演）汇报其项目完成情况，重点阐述在挑战任务中的诊断思路、遇到的困难及解决方法。汇报后接受“专家”提问，小组成员均可参与答辩。此环节锻炼学生的归纳总结、口头表达和临场应变能力。

  3.多维评价与反馈（15分钟）：评价贯穿全过程。此时，结合在线平台的测试成绩、实操过程的教师观察记录、小组报告质量、汇报答辩表现，依据预先制定的量化评价量表（包含素养、能力、知识维度），进行教师评价、小组互评和组内自评。教师最后进行总结性点评，高度肯定各组的努力与亮点，并集中剖析在整个项目中学生暴露出的共性思维误区和技能短板，提出后续学习和练习的建议。将优秀的诊断报告和排查思维导图进行展示，树立学习标杆。

  七、教学评价设计

  本教学采用“过程性评价为主，终结性评价为辅”的多元化评价体系，全面考核学生的素养、能力与知识。

  （一）过程性评价（占比70%）

  1.学习态度与职业素养（20%）：由教师观察记录和小组互评产生。主要评价指标包括：安全规范遵守情况、工具设备使用与维护责任心、课堂参与积极性、团队协作精神、7S管理（整理、整顿、清扫、清洁、素养、安全、节约）执行情况。

  2.实践操作能力与任务完成度（50%）：通过四个子任务的输出物和质量进行评价。具体包括：《元件检测记录表》的规范性与数据准确性；整定电流计算与设置的正确性；模拟过载试验记录的完整性；《故障排查计划书》的逻辑性与可行性；《故障诊断记录表》的详实度与诊断结论的正确性；故障最终是否成功排除。教师根据各环节的检查单和评分细则进行打分。

  （二）终结性评价（占比30%）

  1.理论知识综合测试（15%）：在项目结束后，通过在线平台进行闭卷测试，涵盖热继电器原理、特性、选型、故障机理等核心知识，侧重理解与应用，而非死记硬背。

  2.项目报告与答辩（15%）：对小组提交的最终项目报告和汇报答辩表现进行综合评价。报告评价其规范性、完整性、技术深度与文字表达；答辩评价其表达的清晰度、逻辑性及问题回答的准确性。

  八、教学特色与创新反思

  （一）主要特色

  1.全真重构，突出职业性：以企业真实工单和故障案例为载体，重构学习内容与工作过程，使学生在高度仿真的职业情境中“做中学、学中做”，实现了学习内容与岗位任务、学习过程与工作流程、学习环境与工作场景的深度融合。

  2.思维先行，突出高阶性：教学设计的核心目标不仅是技能训练，更是故障诊断思维模型的构建。通过引导文、思维导图、递进式挑战任务和教师的“教练式”提问，着