高职电气自动化技术专业二年级《电机与电气控制技术》课程：热继电器原理、选型与故障诊断虚拟仿真教学项目

高职电气自动化技术专业二年级《电机与电气控制技术》课程：热继电器原理、选型与故障诊断虚拟仿真教学项目

  一、教学整体分析

  （一）教学内容分析

  本教学项目选自电气自动化技术专业核心课程《电机与电气控制技术》中的“电动机保护环节”模块。热继电器作为低压电器中最重要的过载保护元件，其原理的深刻理解与准确应用是保障电力拖动系统安全、稳定、可靠运行的关键技术节点，直接关系到学生未来从事电气设计、设备维护、自动化系统集成等岗位的核心职业能力。

  从知识体系上看，教学内容涵盖三个递进层次：第一层为基础认知层，包括热继电器的外形、符号、基本结构（双金属片、热元件、触头系统、动作机构、整定装置）及其在电气原理图中的位置与作用。第二层为核心原理层，深入剖析双金属片的热膨胀效应、电流的热效应、安秒特性曲线（反时限特性）的物理内涵与数学表征，以及热继电器的动作过程（加热、弯曲、脱扣、复位）。这一层次需打通《电工基础》、《工程热力学》、《材料科学基础》等多学科知识壁垒。第三层为综合应用层，聚焦于工程实践，包括根据电动机额定电流、负载特性、工作制式（如S1连续工作制、S3断续周期工作制）进行精确选型计算与参数整定；在控制线路（如典型电动机启保停、正反转、星三角降压启动电路）中的正确接线与调试；以及基于故障现象的在线诊断与维护策略制定。

  教学重点确定为：热继电器反时限保护特性的物理本质及其工程意义；基于完整工程参数的热继电器选型与整定电流计算流程。教学难点在于：引导学生从宏观的“保护动作”现象，深入到微观的“热量积累-形变传递-机械动作”多物理场耦合过程的理解；在复杂的、非标准化的工程场景中，灵活运用安秒特性曲线进行保护匹配性分析与故障预判。

  （二）学情分析

  教学对象为高职电气自动化技术专业二年级学生。他们已先修《电工技术》、《电子技术》、《电气制图与CAD》等课程，具备直流/交流电路分析、常用低压电器（如接触器、断路器）的初步认知、电气图纸识读等基础能力。通过前期学习，学生对电动机控制有了基本概念，但对于保护环节的重要性认识不足，普遍存在“重控制、轻保护”的倾向。

  在认知特点与能力基础上，学生形象思维活跃，对动手操作和数字化资源兴趣浓厚，但抽象逻辑思维与系统化工程思维相对薄弱。他们能记忆热继电器的结构名称，但难以将结构变化与功能实现动态关联；能进行简单的公式套用，但面对真实工程中多变量交织的选型问题常感无从下手；具备使用万用表等工具进行基础测量的技能，但缺乏系统的故障诊断逻辑与策略。此外，学生的团队协作意识和安全规范素养有待在真实或仿真的工程任务中进一步锤炼。

  （三）教学目标

  依据专业人才培养方案、课程标准和“1+X”职业技能等级证书（如电气设备安装与维护）的要求，遵循“知识、能力、素养”三位一体的原则，制定本次教学项目目标如下：

  1.知识目标：能准确阐述热继电器的功能、分类及图形文字符号；能详细描述其核心部件（双金属片、热元件）的材料特性、工作原理及动作全过程；能解释反时限安秒特性曲线的含义及其对电动机过载保护的意义；能列举热继电器选型的关键参数与整定原则。

  2.能力目标：能独立操作虚拟仿真平台，完成热继电器的三维拆装、动作过程模拟及特性测试；能根据给定的电动机技术参数与工况条件，运用选型手册或软件，正确选择热继电器型号并计算整定电流；能在虚拟或真实的电气控制线路中，规范完成热继电器的安装、接线与调试；能基于典型故障现象（如不动作、误动作、动作不稳定），制定系统化的诊断流程并进行排查。

  3.素养目标：养成严谨细致、精益求精的工程态度与规范操作的安全意识；提升在复杂工程问题中，综合运用多学科知识进行分析、推理与决策的系统思维能力；强化在小组协同完成仿真测试与故障诊断任务中的沟通协作与责任担当精神；培育关注技术迭代（如电子式过载继电器与热磁式的对比）的可持续发展与技术创新意识。

  二、教学策略设计

  （一）教学理念与思路

  秉持“以学生为中心、以能力为本位、以项目为载体、虚实深度融合”的教学理念。采用“工程问题导向、任务驱动、探究学习”的总体思路，将真实的工程案例（如某风机泵类负载电动机频繁烧毁）贯穿教学始终。设计“认知结构→探究原理→虚拟验证→实境应用→综合创新”的螺旋式上升学习路径，打破传统先理论后实验的线性模式，实现“做中学、学中思、思中创”。

  （二）教学方法与手段

  1.混合式教学法：课前利用在线课程平台推送微课、三维模型、工程案例资料，完成基础知识预习与自测；课中聚焦重点难点，开展深度探究与虚实结合技能训练；课后通过拓展项目进行知识迁移与巩固。

  2.虚拟仿真教学法：依托自主开发的“低压电器原理与故障诊断虚拟仿真平台”，创设高沉浸、零风险、可重复的实训环境。平台包含：（1）结构认知模块：热继电器三维高精度模型，支持360度旋转、爆炸视图、透明化观察及交互式拆装。（2）原理仿真模块：基于多物理场耦合数学模型，动态模拟不同过载电流下双金属片的热量积累、温度场分布、形变过程及最终脱扣动作，并实时生成安秒特性曲线。（3）接线与调试模块：在虚拟电气控制柜环境中，完成器件安装、线路连接、参数设置与功能测试。（4）故障设置与诊断模块：教师端可预设多种隐性故障（如双金属片老化、触头氧化、整定值漂移），学生端通过仿真仪器测量、现象观察，推理故障原因并排除。

  3.任务驱动与小组探究法：将核心教学内容分解为“结构探秘”、“原理解码”、“选型挑战”、“排故高手”四个递进任务。学生以3-4人为一组，通过操作仿真软件、分析实验数据、研讨工程案例、协作完成实操，共同构建知识体系，教师扮演引导者、咨询者和评价者角色。

  4.实境演练法：在虚拟仿真熟练掌握后，转入电气安装与维修实训台，进行真实热继电器的安装、接线、整定及在简单控制回路中的功能验证，实现从虚拟技能到真实技能的平稳过渡。

  （三）教学资源与环境

  1.资源：自主开发的热继电器虚拟仿真教学软件及在线课程资源包；多种型号实物热继电器（如JR36、JRS1系列）及拆装工具包；电动机控制技术实训装置；工程选型手册（施耐德、西门子等品牌）电子版及选型辅助软件；典型工程案例库与故障诊断流程图。

  2.环境：理实一体化智慧教室，配备分组多媒体终端、高速网络、课程管理平台；电气安全实训区，符合国家电气安全标准。

  三、教学实施过程（共计6学时）

  （一）课前准备阶段（线上，约1学时）

  教师活动：在课程平台发布预习任务单。任务单包括：（1）引导性问题：“为何电动机需要过载保护？短路保护能否替代过载保护？”（2）观看微课视频《热继电器：电动机的“贴身保镖”》，视频以动画形式展示热继电器在风机过载烧毁事故中的作用。（3）查阅平台提供的热继电器三维交互模型，初步了解其外部结构与主要部件名称。（4）完成在线前测（5道选择题），内容涉及过载保护概念、低压电器符号识别。

  学生活动：登录平台，自主完成预习任务，在讨论区就引导性问题发表初步看法，提交前测答案。系统自动生成预习报告，标注共性疑难点。

  设计意图：激活学生已有关于电动机保护的前概念，创设工程安全情境引发认知冲突，利用数字化资源初步建立感性认识，为课中深度学习奠定基础，并使教师精准把握学情。

  （二）课中探究与实践阶段（线下，4学时）

  第一环节：情境导入，明确任务（0.5学时）

  教师活动：呈现真实工程案例视频——某工厂供水泵电动机，在夏季用水高峰期间频繁跳闸，但检查线路无短路，更换接触器后问题依旧。视频中技术人员最终发现是热继电器整定不当所致。提出问题链：①跳闸保护是谁发出的？②为何频繁跳闸？③热继电器如何知道电机“太热了”？④怎样调整才能既保护电机又不影响正常供水？引出本教学项目的总任务：化身电气工程师，为案例中的水泵电机“诊断病因”并“开出药方”。

  学生活动：观看案例，感受问题的真实性与紧迫性，小组讨论初步猜测原因，明确本节课要解决的核心工程问题。

  设计意图：通过真实、复杂的工程故障情境，激发学生的学习兴趣与探究欲望，明确学习价值与目标，将抽象的“原理”与具体的“问题解决”紧密关联。

  第二环节：结构认知与原理探究（1.5学时）

  任务一：结构探秘——拆装之间见真章

  学生活动：小组领取实物热继电器及工具包，在教师安全指导下，进行谨慎的物理拆解，按顺序摆放零件，观察双金属片的形状、层叠方式，热元件的绕制形式，动作机构的杠杆原理，复位按钮的类型等。同时，在虚拟仿真平台“结构认知模块”中，同步进行三维模型的交互拆装，从任意角度观察内部细节，对比不同型号的结构差异。

  教师活动：巡视指导，强调安全规范，提出观察要点：“注意双金属片两片金属的安装方向”、“观察热元件与双金属片的相对位置如何影响热量传递”。

  任务二：原理解码——双金属片的“热语言”

  学生活动：在虚拟仿真“原理仿真模块”中，小组合作设计实验。设置不同的模拟过载电流（如1.05倍、1.2倍、1.5倍、6倍额定电流），启动仿真。观察并记录：（1）热元件温度随时间变化的曲线；（2）双金属片形变（弯曲）的动画过程；（3）从电流加载到常闭触头断开所经历的时间。将多组“电流-动作时间”数据记录下来。

  教师活动：引导学生将数据绘制在坐标纸上（或利用仿真软件导出功能），连接各点，形成一条曲线。提出问题：“这条曲线是什么形状？反映了什么规律？”引入“反时限特性”与“安秒特性曲线”概念。结合《材料科学基础》，深入讲解双金属片材料选择（高膨胀层与低膨胀层）的科学原理；结合《工程热力学》，分析热传导、热平衡与动作时间的关系。总结热继电器动作全过程的四个阶段：热量产生、热传递、机械形变、触头动作。

  设计意图：通过“实物拆装”获得第一手感官认知，通过“虚拟仿真”实现微观过程可视化与定量化探究，两者互补，将抽象原理转化为直观现象和具体数据。引导学生自主“发现”反时限特性规律，体现科学探究过程。跨学科知识的适时融入，深化了对原理本质的理解。

  第三环节：虚拟仿真与技能初炼（1学时）

  任务三：选型挑战——为电机量体裁衣

  学生活动：教师发布若干组电动机铭牌参数（额定电流、功率、工作制、防护等级等）及负载类型（恒转矩、风机泵类、频繁启停）。各小组利用平台内置的“选型助手”数据库（模拟真实选型手册），或访问品牌官网选型工具，进行热继电器型号筛选。关键步骤包括：确定热元件额定电流范围、根据电动机额定电流计算整定电流值（通常为0.95~1.05倍Ie）、考虑环境温度补偿必要性、选择自动或手动复位方式。每组需提交选型报告，陈述选型依据。

  教师活动：提供选型流程框架，点评各小组选型结果的合理性与经济性，特别强调对于风机泵类负载（平方转矩负载）启动电流大但运行电流相对平稳的特点，如何选择合适的脱扣等级（如10A级）。

  任务四：接线调试——虚拟柜中的实战

  学生活动：进入仿真平台“接线与调试模块”。在虚拟的电机启保停控制电路原理图旁，是一个三维电气安装板。学生需从元件库中拖拽正确的热继电器符号到图纸中，并在安装板上完成其与交流接触器、熔断器、按钮等元件的空间布置、导轨安装和电气接线（主回路串联热元件，控制回路串联常闭触头）。接线完成后，启动仿真运行，测试启动、运行、模拟过载（通过软件增加负载电流）时热继电器的保护动作是否正常。

  设计意图：将原理知识直接应用于模拟工程实践，完成从“懂原理”到“会应用”的关键跨越。选型任务培养学生工程计算与决策能力；虚拟接线调试任务训练其电气图纸转化与系统集成能力，且无安全隐患，可反复练习。

  第四环节：实境诊断与迁移应用（1学时）

  任务五：排故高手——破解保护失灵谜题

  教师活动：在电气实训台上，预设2-3个典型故障点（如：热继电器常闭触头接线松动；整定旋钮被意外调至过高值；双金属片轻微变形导致动作迟滞）。描述故障现象：“电机轻微过载后长时间不跳闸”或“电机一启动就跳闸”。

  学生活动：小组根据故障现象，参考平台“故障诊断思维导图”，制定排查计划。首先使用仿真平台“故障诊断模块”，选择相似现象，利用虚拟万用表、电流钳等进行测量分析，形成初步判断。然后，在确保安全的前提下，对实物实训台进行规范检测，验证虚拟诊断结论，最终定位并排除故障。记录诊断步骤、测量数据与修复方法。

  教师活动：强调安全操作规程（断电验电、规范使用仪表），观察学生的诊断逻辑与操作规范，及时介入指导，引导学生形成“观察现象→分析可能原因→设计测试方案→逐项排除→得出结论”的系统化排故思维。

  设计意图：创设接近真实的故障情境，综合考验学生对原理、结构、电路的理解深度以及仪器使用、逻辑推理、团队协作等综合职业能力。虚拟诊断作为“预演”和“沙盘”，降低实境排故的盲目性与风险，提升实训练习的效率与效果。

  （三）课后拓展与评价阶段（线上+线下，约1学时）

  1.课后拓展项目：

  发布一个开放式设计任务：“为一台用于升降机的三相异步电动机设计保护方案”。要求不仅考虑过载，还需综合考虑短路、缺相、堵转等异常情况。学生需撰写一份简要技术方案，说明选择哪些保护器件（热继电器、断路器、电机保护断路器等），如何配合，并阐述理由。鼓励学有余力的学生调研电子式过载继电器、智能电机保护器的技术特点与发展趋势，并进行对比分析。

  2.多元综合评价：

  过程性评价（占60%）：包括在线预习完成度与测试成绩、课堂小组活动参与度与贡献（教师观察与组内互评）、虚拟仿真任务完成度与实验报告质量、实境排故操作的规范性与有效性。

  终结性评价（占40%）：采用理论考核与技能考核相结合。理论考核侧重对原理、特性、选型原则的理解与应用分析；技能考核在仿真平台或实训台上设置随机任务，如完成指定工况下的热继电器选型与参数设置，或诊断一个未知故障。

  设计意图：开放式项目促使学生将所学知识进行迁移、整合与创新，面向更复杂的真实工程问题。多元评价体系全面覆盖知识、技能、素养目标，尤其重视过程性表现与高阶思维能力评价，符合职业教育人才评价改革方向。

  四、教学反思与特色

  （一）教学成效与反思

  本次教学设计通过“虚实结合、理实一体”的项目化实施，预期能显著提升学生的学习深度与技能熟练度。虚拟仿真技术的深度应用，成功突破了传统教学中“原理难呈现、结构难透视、故障难复现、实训高风险高成本”的四大瓶颈。学生从被动听讲转变为主动探究者、问题解决者和协同建构者。

  需反思与持续改进之处在于：第一，虚拟仿真模型的精度与