实验题目：正弦交流日光灯电路功率因数提高的研究

1. 课程简要信息

课程名称：电路电子基础实验
课程学时：24学时（课内）
适用专业：电气（电子）类专业学生
学生年级：大二，第三学期
实验项目课时：4学时（0.5-1线上，3-3.5线下）
辅助教学系统：科大奥瑞平台 $^ +$ 雨课堂 $+ \mathrm { I C C }$ 线上教学平台
教学方式：线上线下混合教学，翻转式课堂相结合

2. 实验内容与任务

如图 1和图 2所示，以日光灯为主要负载，在三相交流电源中任选一相作为电源，完成日光灯电路的自主搭建（线上），功率因数计算（线上），相关参数测量（线下），同时研究功率因数提高的方法。实验过程由线上仿真和线下操作结合，从线上到线下，实验电路设计由浅入深，逐级深入，在有限的教学课时内，学生完成实验电路设计，参数测量，并设计提升环节，培养学生的电路设计能力和工程思维能力。

图 1 日光灯及其组件

图 2 三相交流电源

实验任务：

1）分析功率因数提高研究中，以日光灯作为负载的原因
2）线上设计电路，结合测试的参数，计算电路功率因数。
3）设计线下实验电路，使用正确的方法测试日光灯电路的功率因数。
4）完成提升和拓展设计。

3. 实验过程及要求

1）分析日光灯组件的性质及日光灯的工作原理。

2）根据日光灯的性质，在科大奥瑞平台上，自行选择可以替代日光灯的元器件，完成线上电路设计。

3）测量出电路的总电压和总电流等相关物理量。

4）根据相关参数，计算电路的功率因数。

5）线下教师进行实验引导，对实际工程案例进行讨论。

6）根据线上电路设计，线下完成电路搭建，保证电路的正常工作后，再次测试相关参数。

7）部分学生，在完成基本任务后，自行完成拓展任务。

8）实验结束后，在 ICC 在线平台，完成线上实验报告

9）根据课程进度和内容，合理安排思政内容。

4. 相关知识及背景

本实验前期需要完成《电路基础》课程的学习，主要运用的知识包括电路的三种基本性质，掌握用并联电容方法提高正弦交流电路功率因数的原因。学生在实验过程中要完成电路的设计，实际工程问题的讨论，掌握各种仪器仪表的使用方法。

利用网络进行在线教育是未来教育方式一个趋势，也成为 2020 年疫情期间各大高校重要教学方式，线上实验脱离了地点的约束，在网络平台搭建与传统实验室环境类似的环境，在 2020 年保证了很多高校的实验课程顺利进行。

本课程是尝试过线上实验课程后的一次改进，采用线上仿真 $^ +$ 线下操作的教学模式，利用网上平台，解决了传统实验教学模式中因为地域和安全因素限制学生无法自由发挥并对自己的设计进行验证的问题，首先线上设计，在初步掌握实验电路后，再次回到实验室，既可以培养学生的自主思考和电路设计能力，又保证了实验的安全。

5. 实验环境条件

实验中需要使用的软件平台是科大奥瑞线上实验平台，如图 3所示，主要用于线上电路设计。

图 3 科大奥瑞线上平台

在线下实验过程中，主要使用的仪器设备包括，智能交流电压表，电流表，智能功率表，控制保护装置及日光灯及其组件等，以模块形式安装在电工实验装置中，如图4所示。

a 电工实验装置

b 三相交流电源

c 控制保护模块

d 日光灯及其组件

e 智能交流仪表
图 4 电工实验装置

其中智能功率表可以测试有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电压、电流六个物理量。

为保证实验安全，使用专门用于测试交流电流的电流插孔，如图 5所示，配合智能电流表测试电流。

图 5 电流插孔

同时配合雨课堂和 ICC线上教学平台，如图 6、7所示。引入线上智慧课堂，可以提升学生的学习参与度，提高教学质量。同时本课程采用线上实验报告的无纸化教学方式，ICC平台用于提交线上实验报告。

图6 雨课堂线上教学平台

图 7 ICC 线上教学平台

6. 教学目标与目的

1）了解日光灯的工作原理；

2）理解掌握提高电路功率因数的方法；

3）掌握交流电路中电流，电压，功率等物理量的测试与计算；

4）培养学生安全实验的能力；

5）提高学生的电路设计能力和工程思维能力；

6）提升学生的民族认同感和文化自信，引导学生树立正确的三观。

7. 教学设计与引导

本实验作为《电路电子基础实验》中的一个项目，首先在线上发布预习课件，如图8所示，根据预习课件，对理论知识进行回顾。

图8 雨课堂预习课件发布

教学引导：

1）给出实验目的：测试以正弦交流电为电源，以日光灯为元器件的电路的功率因数，并查阅资料，说明功率因数对电路的重要性，如图 9 和图 10 所示：

图 9 线上讨论功率因数的要求

图 10 学生讨论题回答

2）学生线上思考, 如何提高正弦交流电路的功率因数，自主设计电路，在线上平台缺少日光灯的情况下，教师引导学生，从电路性质出发，用电感及电阻（或灯泡）代替日光灯，进行电路的设计及测试。

3）学生根据线上测试数据结果，计算出电路功率因数，并总结提高电路功率因数的方法。

4）用两个实际工程案例引入线下实验，锻炼学生独立思考的能力，帮助学生建立理论与实践之间的桥梁： $\textcircled{1}$ 如果一台吊车，其车臂接触到 110kV 高压线，最先损坏的是车的哪个部位？ $\textcircled{2}$ 一个电力系统中，导线某一点发生接触不良，导线的温度应该如何变化？使用雨课堂 app实时得到学生的反馈。如图 11所示：

图 11 实际工程问题讨论学生反馈

5）教师介绍实验仪器设备，学生根据线上电路，完成线下实验，组织优秀学生进行讨论。

6）对学有余力的同学，完成拓展任务。

$\textcircled{1}$ 如果是电容性电路，应该如何提高电路的功率因数？思考后自行搭建电路，测量验证猜想的正确性。

$\textcircled{2} \mathrm { L C }$ 组合的方式可以提高电路的功率因数，还可以完成哪些功能？通过线下电路或线上仿真，自行设计电路，完成功能。

$\textcircled{3}$ 查阅资料，学习提高功率因数的其他方法，总结其优缺点

$\textcircled{4}$ 功率因数与电能质量息息相关，查阅资料学习电能质量的知识，并针对某一特定电路给出提高功率因数的建议。

7）在 ICC 教学平台上完成线上实验报告。

8）后续与专业课程设计结合，拓宽学生设计思路。

8. 实验原理及方案

在实际生活中，导致电路功率因数低的原因是，实际电路中大多设备含有线圈等感性部件，电路多呈电感性，因此考虑与实际结合的问题，选择电感性质的电路来研究功率因数提高的问题，其中日光灯是典型的感性元器件。

感性电路图及其电压，电流间相量图如图 12所示：

图12 RLC电路的工作原理图

一般由于功率因数过低，会导致负载对电源能源利用率降低，还会导致电路中损耗增加，因此国家电网和南方电网规定，用电器如果要接入电网，一般要求其功率因数在 0.85 以上。而如果要提高电路的功率因数，需要保持原有用电器的工作状态不变，即原支路有功功率不变，因此一般采用并联电容的方式，提高感性电路的功率因数。感性电路并联电容后，其电压和电流相量关系如图 13 所示：

图 13 功率因数提高原理图

9. 教学实施进程

实验实施进程分为线上 $\cdot ^ { + }$ 线下两大部分，各个环节大致分为以下几个步骤。

线上环节（0.5-1学时，学生灵活掌握）：

由线上预习，仿真电路设计和讨论几部分组成：

1）发布线上预习题目，对理论知识进行回顾，了解实验目的

2）根据实验目的和平台提供元器件，设计电路，可选用普通稳压源或者三相电源，电压表或万用表等元器件，如图 14所示。

图14 科大奥瑞线上平台

因为平台缺少日光灯元器件，所以需要引导学生，根据日光灯是电感性元器件，引导学生用灯泡或电阻串联电感代替日光灯元器件进行电路设计。

3）使用平台上所提供的元器件测试电感电压，总电流，电容电流等量，引导学生在缺少功率表的情况下，计算出功率因数，掌握各功率与电路中各部分元件的关系。

线上测试，虽然危险性降低，但是如果使用不正确的测试方式，仍然会导致平台卡顿，闪退等问题，以致实验失败，因此在线上设计过程中，也向学生强调，实验安全问题，培养学生安全操作的意识。

4）改变电容大小，分析功率因数变化的规律，如图 15 所示：

图 15 线上实验电路图

线下环节（3-3.5 学时）：

完成线上电路设计后，根据线上电路，继续进行线下实验，验证实验结果及掌握各种仪器仪表的使用方法。

1）根据正弦交流电路，在实验引入阶段，结合实验内容，进行思政教育，引入西电东送，电力电路等案例，提升学生的民族自信和文化自信，培养和引导学生建立到边远地区建设祖国的意识，如图16所示：

图 16 课程思政案例

2）为培养学生利用理论知识解决实际问题的能力，帮助学生建立理论与实践的桥梁，引入两个实际工程案例，如图 17 所示，引导学生讨论，利用雨课堂实时接收学生反馈，再采用翻转课堂的方式进行讲解如图 18所示。

图 17 实际工程问题讨论

图 18 工程问题讨论学生反馈

3）根据线上实验设计电路，随机选取学生结合实验电路和日光灯工作电路，对线下电路的设计进行讲解，如图 19 和 20 所示。

图19 线下实验电路搭建

图20 学生线下实验操作

4）学生自行完成实验及数据测试。

5）学有余力的同学，完成拓展题目。

报告总结：

本课程采用的线上线上报告形式，如图21所示

一、实验信息（每小题3.0分，总共3.0分）

(5000994003)课程名称 ，班级专业 ，姓名，学号

二、实验目的（每小题3.0分，总共3.0分）

(5000994018）在单相实验中，主要目的是

A.学习日光灯电路的工作原理、电路功率因数提高方法，并掌握电路的连接
B.掌握交流电压、交流电流、功率、功率因数等参数的测量方法
C.学习万用表的使用
D.学会使用三相电源

三、实验仪器设备（每小题4.0分，总共4.0分）

(5000994019)单相实验中，主要使用到的设备包括

A.智能交流数字电压表B.智能交流数字电流表C.万用表
D.能功率、功率因数表E.电工实验装置
F.安全导线

四、实验原理（每小题4.0分，总共20.0分）

(5000994020)以下电源，对人体伤害最大的是（）Hz

D.300000

(5000994021）选用日光灯作为实验电路的原因是

A.日光灯呈电阻性

（a）报告客观题

11.如果没有日光灯，没有功率表，该实验电路图可以如何进行设置,试验参数可以如何进行计算,画出电路图,给出实验参数测试方法

（b）报告讨论题

10. 实验报告要求

学生根据实验要求完成线上电路设计，和线下实验项目后，结合实验体会，完成线上实验报告，测试主要包含以下内容：

1）实验原理

2）实验步骤

3）线上实验设计的原理图和实物仿真图。

4）实验设计思路，反思，总结等。

5）实验后讨论题。

线上报告是无纸化教学的一种尝试，无纸化教学既紧跟国家环保政策，同时也将学生从重复的抄写中解放出来，让学生更多精力用在实验总结和课后的拓展提高，得到学生的好评。学生对线上，线下两种报告形式的对比意见如图 22 所示：

图 22 学生对比线上线下报告优缺点

11. 考核要求与方法

本实验采用过程考核的打分方式，根据学生在实验不同阶段的表现，结合线上课程监管平台，给出综合性评分。

1）电路设计：包括线上电路设计和线下电路设计两部分，主要考察电路设计是否合理，能否正常工作，在完成基本要求前提下，对简明合理的电路的进行加分。

2）课堂表现：预习情况，到课情况，课堂讨论等情况等，雨课堂程序可对学生上课情况进行实时监控，如图 23 所示，教师实时掌握学生上课情况，有利于提高教学质量。

图23学生课堂表现情况反馈

3）实验完成质量：包括线上和线下实验的数据正确性和实验完成时间等。

4）实验报告：题目正确率，实验总结部分内容是否正确充实，结构是否清晰合理，格式是否统一标准。

5）翻转课堂：思路清晰度、精彩程度，观众评分。

6）其他加分：包括对实验电路的创新，拓展任务的完成程度，实验安全和秩序的遵守等。

12. 项目特色或创新

本案例设计从“线上讨论功率因数”，到引导“用电感及电阻（或灯泡）代替日光灯进行仿真电路的设计及测试”，到引入“吊车、导线接点发生接触不良”两个实际工程案例，再开始进线下实际操作，在各个环节吸引学生，使学生能把现实生活的真实感知与课程内容自觉联系，主动深入思考。这是对学生知识体系的培养，从被动的接受知识，到主动思考。同时要求学生在实验后总结，通过该实验项目，自己应该得到哪些方面能力的提高。即开阔了学生的思维，也因为题目贴近学生的生活，能够有效的激发学生的学习兴趣，达到“处处能学，时时可学”的目的。

雨课堂和翻转课堂的教学途径、方式，使学生和教师的交流反馈更及时和贴近，也更增加了学生的参与兴趣。

思政内容使学生在学习专业知识的同时，关注国家电力输送技术和事业的发展和成绩，关注节能降耗的点滴，增强建设祖国的信心和决心，潜移默化形成爱党、爱国、爱家的思想氛围，增强学生对祖国和党的向心力。

附录 1：学生线上数据测试
附录2：学生线下数据测试

附录3：过程考核表

实验案例信息表