电气工程及其自动化概念(6篇)
时间：2024-12-12
时间：2024-12-12
关键词：近代物理学数学化
1、物理学数学化的开始――数学实验方法
伽利略被誉为近代物理学之父，他把实验与数学相结合，开创了近代科学的有效研究方法――数学实验方法。伽利略起初的研究可以分为三个步骤：（1）提取出从现象中获取的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；（2）由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；（3）通过实验证实这种数量关系。[3]匀加速运动规律的研究展示了他的跨时代研究方法。
伽利略从斜面滚球实验开启了物理实验现象到推理的进化，而在落体运动的研究中，伽利略改变了中世纪物理学虚假的世界，改变了物理学形而上学和常识“观察”相结合中盘旋的状态。确立了正确的“自由落体定律”：、。伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。否定了“亚里士多德的主要错误是，他的物理学忽略了，甚至排除了不可动摇的数学哲学这个基础。[1]”
经过后人的巩固与整理，形成了目前的实验――数学方法是：在实验的基础上，重视把数学概念、理论、公式用于对物体运动的研究，把物理概念及其相互联系用简洁的数学形式表达出来，从而使物理概念量化，形成物理量，并用数学形式揭示自然界的物理本质，把观察与实验的结果上升到理论的高度。
2、物理学数学化的形成――《原理》的出版
尽管伽利略、开普勒运用数学所作的尝试是卓越的，但都只是用数学的方法解决局部问题，试探性地对客观自然现象和经验事实进行部分的定量研究。牛顿在自然科学史上真正实现了物理科学的系统的数学化。牛顿在物理学上革命性举动正像他的巨著《自然哲学之数学原理》的名称所要表明的那样，建立起“自然哲学”的数学原理。在他看来，数学方法对于研究自然是有效的，是符合物理学的研究本性的也是符合物理学研究的抽象化方向的，微积分与万有引力定律对物理学以及对航天事业的影响，足以证明物理学的数学化是一次正确的革命。
牛顿在研究经典力学规律和万有引力定律时，碰到了一些无法解决的数学问题，而这些数学问题用欧几里德几何学和16世纪的代数学是无法解决的，因此牛顿着手研究新的以求曲率、面积、曲线的长度、重心、最大最小值等问题的方法―――流数法（后演变为微积分）。牛顿的微积分是从力学脱胎而来的物理模型的痕迹，以机械运动的数学模型出现，其中的基本概念，如初生量、消失量、瞬、最初比和最后比等概念都来自机械运动，是机械运动瞬间状态的数学抽象。从某种角度上推动了数学的发展。
3、物理学数学化的成熟――麦克斯韦方程
电磁学从远古到18世纪中晚期是电磁现象的早期研究阶段，以对电磁现象的观察实验以及定性研究为主，直到18世纪晚期到19世纪早期，库仑定律、电流磁效、大陆派超距论电动力学体系才相继出现，1861～1865年，麦克斯韦提出电位移和位移电流的概念，把电磁场明确地定义为是一种物质，为了定量地刻画电磁场的转化和电磁波的传播规律，麦克斯韦运用应用应力、变形、压力、涡动及其他概念、矢量分析和微分方法，并把它的全部表现形态用个带可变数的方程式表述出来，引进了两组偏微分方程。后来，科学家用这些方程式建立了精密的麦克斯韦方程组。后来赫兹于1886～1888年通过实验证实了麦克斯韦的预言，也因此彻底否定了电超距论思想，导致了无线电的诞生，开辟了电磁波通讯的新纪元。并从理论上预言了电磁波的存在，建立了麦克斯韦方程组。
或
通过麦克斯韦方程组，可导出一系列不同波长和频率的电磁波，并由于波长的量变引起了波特性和功能的质变。诸如在这之前就已发现的红外线、可见光、紫外线，在这以后陆续被发现的x射线、微波和超短波、中波、长波等无线电波，都属于电磁波，都可以从这组奇妙的方程中找到各自的位置。
5、物理学数学化的深入――热力学和统计物理的数学化
麦克斯韦精湛的数学功底不仅促成了电磁学的统一与发展，它还极大的推动了统计物理学的发展。麦克斯韦在对土星环的研究过程中，遇到了许多概率理论的问题，同时又受到克劳修斯《关于气体分子的平均自由路程》（该文将概率思想引入物理学及其计算之中，文章用统计方法推求分子运动平均自由程时采用了速率相等的假定）的影响，从而开始了对气体动力学的研究。他于1859年9月21日做了题为《关于气体动力理论的说明》的报告，考虑到各个分子实际运动速度不同，利用概率论和统计方法确立了气体分子按速度分布的统计规律（麦克斯韦速度分布律），提了著名的分子运动速度分布律，纠正了前辈学者伯努利和克劳修斯在这方面的错误。这个报告初次把统计学用于描述物理现象，标志着新的科学发展时期的来临。1860年，麦克斯韦用分子速度分布律和平均自由程的理论推出一个粘滞系数公式，得到粘滞系数与气体分子密度无关的结论，并在1866年亲自做实验验证了这个结果。1872年，玻尔兹曼引进分子分布函数定义的H函数和熵发表了研究气体从不平衡过度到平衡的过程的玻尔兹曼方程；1873年，吉布斯用系统参数的变化表示系统内能的变化，得到热力学基本方程，，后又将热学的唯象论和分子运动论综合到一个整体，系统研究系综，发表《统计力学基本原理》完成统计物理的伟大统一。
参考文献
[1]牛顿.牛顿自然哲学著作选北京：商务印书馆1962；
[2]杨庆余.唐福元.物理学史.中国物资出版社；
[3][美]KlineM.古今数学思想，第4册.[M].上海：上海科学技术出版社，1981：324；
[4]周经伟.伽利略科学研究方法探究.海南大学理工学院570228；
[5]长青.季潜.具有深厚数学根底的物理学家―麦克斯韦.物理教师.1998.19；
论文关键词：教育；能源与环境；公共选修课
“能源”与“环境”是当今世界发展的两大主题。能源是人类社会赖以生存的重要物质基础，是工业的食粮、社会经济的命脉。随着社会生产力的发展，人类对能源的需求量日益增大。但是，当今世界所使用的能源绝大多数仍取自地球，随着不断地开采和利用，各种能源资源日渐枯竭，能否满足未来世界不断增加的能源需求是人类共同面临的问题。
为适应上述形势需要和公选课要求，苏州大学于2006年面向全校非动力机械与工程专业开设能源可持续发展公选课。公共选修课是高校课程体系的重要组成部分，是学生扩展横向知识、培养自学和动手能力的最佳平台。多年来，学校在加强全校本科生能源与环境意识的培养上不断探索与创新，逐步摸索出一套行之有效的方法。由于其他专业的学生不具备相关的专业基础，因此，在授课过程中讲授能源与环境的基本概念、国内、国际能源使用现状与严峻形势、能源与世界政治、经济的关系、新能源的开发与使用、世界环境现状、环境与人类的生存以及各种环境保护的一般方法等科普性的知识，以使学生易于理解和接受。
这门课程主要讲授以下内容：当代科学技术发展趋势及我国科技发展的战略部署；热工基础（热力学、传热学及流体力学和燃烧学基础部分）；工程热物理学科的发展战略；能源基础知识；可持续发展；能源科技发展及可再生能源发展状况（生物能、太阳能、地热能、风能、潮汐能、氢能和燃料电池）和开发利用技术；火力发电厂基本知识；核能发电；大气环境保护原理基础；洁净煤技术概论；洁净煤技术（SOx）产生机理及控制技术；洁净煤技术（NOx）的产生机理及排放控制技术；节能原理简介及相关技术（能量系统的分析方法、工业过程节能的途径与方法）；针对当下能源与环境中的热点问题和新技术进行专题讨论。
在近些年的“能源与可持续发展”教学摸索与实践中，学生反映良好，笔者总结出一些方法和经验，以下就较为典型的几个突出问题谈谈自己的认识与实践。
一、与时俱进引入新概念，引发学生思考
科研为教学创设一种学术氛围和探索研究的环境，将新的科学技术成就和成果及时引入教学，则能使课程教学更具现实性、前沿性，提高教学质量和水平。能源利用基础部分涉及到热学知识，笔者引入了过增元院士提出的热学新概念，但是并不深入介绍，而是介绍现有概念来龙去脉，引起学生思考，感受大师的思维方法。
先从日常生活中的热现象着手，介绍热学基本概念。
其次从热的本质讲其发展简史，引经据典，如介绍南北朝成书的《关尹子》、东汉王充的著作《论衡·寒温篇》、汉代《淮南万毕术》、《武林旧事》等热现象记载，讲述古希腊科学家对热的认识，引出两种观点即热质说和热动说。热质说认为热是一种没有质量的特殊物质，热动说认为热是物质粒子的微观运动。这两种思想相互碰撞、辩论了好几个世纪，但是这两种思想并不是鲜明的对立，很多思想中都包含着两种思想的影子。
再就现有传热学面临的挑战引发同学思考，如：
其一，经典的传热规律面临极端条件下传热现象的巨大挑战。例如以激光的利用为代表的超快速加热，如激光武器和激光加工技术，激光脉冲宽度可达到飞秒量级，如何预测激光加热过程是传统热学原理遇到的问题。
其二，经典热学中还没有以提高能源利用率为目的的传热过程的优化理论和技术。当前面临世界性的能源短缺问题，我国面临的节能减排的形势更为严峻。因此，提高能源利用效率更为重要。然而，传热学中只有热量传递速率而没有热量传递效率的概念，所以只有传热过程的强化而无传热过程优化的理论和技术。
其三，傅立叶导热定律导致热传播速度为无穷大的缺陷还没有很好地解决。早在1822年，法国的数学家、物理学家傅利叶就提出了著名的傅立叶导热定律，即热流与温度梯度成正比。尽管作为实验定律的傅利叶导热定律已为大量的工程实践所证实，并获得了广泛的应用。然而，用傅利叶导热定律描述瞬态导热过程时，由于所得到的热传导方程是抛物型的。这隐含着热是以扩散的方式传播，因此出现了热扰动传播速度无穷大的佯谬。傅立叶定律的这一缺陷表明，它只是一个唯象的近似定律，在物理上是不完善的。
其四，传热学缺乏同物理其他分支学科之间共性的量和规律。傅立叶在他的热学专著《热的解析理论》中指出“……无论力学理论的研究范围如何，它们都不能应用于热效应。这些热效应构成一个特殊的现象类，它们不能用运动和平衡的原理来解释……自然哲学的这一部分不可能与动力学的理论有关，它有它本身特有的原理。”
与物理学的其他分支学科相比，热学没有的概念有：质量、力、速度、动量；波、振动等。热学独有的概念有：熵、可用能、状态量和过程量等。
由于学生们是学过大学物理学的，对物理学内容的构架有基本认识。通过以上纵向比较，同学们一致认为对物理学有了更深刻的认识，激发了学生的学习兴趣，收到了良好效果。
二、加强学生的社会、生产实践，培养工程的观念
社会实践、调研是本科生教学的一个重要教学环节，是学生接触社会、工程或生产实际的一个基本手段。同时，教学中实际例题分析是最具说服力的，对学生知识认知、理解和分析帮助很大，他们也比较感兴趣。
例如笔者结合实际项目介绍：在分布式能源系统中，让学生实践调研华东地区气候条件，统计华东四省一市主要城市月度气温，调查华东四省一市或华东地区主要城市天然气资源、华东四省一市或华东地区主要城市电价及华东地区医院、酒店、商业、娱乐设施、办公、机场、学校、居民等用户的冷负荷、热负荷和电负荷需求、持续时间。同学们利用假期在所在地区积极调研，得出华东地区民用电价平均值为0.5645元/度，燃气销售价格2.2元/立方米，工业电价平均值为0.9元/度，燃气销售价格3.5元/立方米。通过调查，同学们得到华东地区空调供应时间一般是：制冷100～150天，采暖90～100天，过渡期110～170天，制冷和采暖的需求时间相对比较长些。这些是华东地区发展天然气分布式能源系统的有利条件和基础。而学生实践也为笔者丰富了教学内容，使笔者感受到教学的乐趣，实现了教学相长。
笔者结合具体设计案例引发学生思考，如：宾馆的主楼建筑面积27000m2，裙房建筑面积约3000m2。宾馆用电量较高，同时也有夏季冷负荷、冬季热负荷和全年热水的需求。本宾馆分布式能源系统主要由1台内燃机发电机组和2台溴化锂吸收式冷温水机组组成。系统的总发电量、制冷量、制热量、制热水量分别为600kW、3000kW、2400kW、7.7t，分布式能源系统设计年运行天数330天（扣除检修时间）。本项目为全年运行，其中供冷期主要为夏季年运行120天左右，供热期主要为冬季年运行105天左右，热水供应全年运行330天左右（扣除检修）。
系统配置从原理上进行科普性介绍，而不详细展开，如本分布式能源系统所用发电机组选用曼海姆的TCG2016V12C。选用的两台远大溴化锂吸收式冷温水机组分别为1台BZHEY125XD一体化烟气热水直燃机和1台BZY125XD一体化直燃机。
分布式能源系统注重技术与经济的结合，结合本案例分析气价、电价对系统影响，指出技术上合理还要经济上合算的工程经济学思想，介绍最简单的投资回收年限的概念。本案例中主要取决于投资成本和收益额的大小。其中，投资成本是指购买设备所需要的费用，主要指新设备的初投资、收益额表示系统年收益（输出的冷、热、电）减去系统运行及维护费用。
理论方法与生产和生活实际相结合，调动学生学习的积极性，通过案例分析使学生初步掌握工程思想，并学会用所学知识解决实际问题。
三、可持续发展与古代朴素的人与自然的基本关系
鉴于公选课从内容到教学形式相对自由一些，针对学生的专业特点逐年加大了素质教育的内容。
“可持续发展”一词是在1980年的《世界自然保护大纲》中首次作为术语提出的。在此期间还提出了“可持续性”和“持续发展”等概念。“可持续性”是指社会系统、生态系统或任何其他不断发展中的系统继续正常运转到无限将来而不会由于耗尽关键资源而被迫衰弱的一种能力。1987年，挪威首相布伦特兰夫人主持世界环境与发展委员会，在长篇专题报告《我们共同的未来》中第一次明确提出了可持续发展的定义。“可持续发展”概念应该是“可持续性”和“持续发展”的结合，既要考虑发展也要考虑环境、资源、社会等各方面保持一定水平。
但是讲到这些，强调可持续发展的思想其实在中国源远流长，下面列举如下例子以引发人们对中国传统文化的崇尚：“为人君而不能谨守其山林菹泽草莱，不可以立为天下王”；“斩伐养长，不失其时，故山林不童，而百姓有余材也”；“竭泽而渔，岂不得鱼，而明年无鱼；焚薮而田，岂不获得，而明年无兽”。孔子说：“断一树，杀一兽，不以其时，非孝也。”他还说：“启螫不杀则顺人道，方长不折则恕仁也。”孔子在他自己的生活实践中一向是“钓而不网，戈不射宿”。
中国传统文化的“天人合一”思想即把人类放在大自然生态环境中加以考虑，主张人与大自然息息相通，和谐一致，天、地、人一体化。孔子说：“大哉，尧之为君也，巍巍乎，唯天为人，唯尧则之。”孔子肯定了天之可则，即肯定了自然的可则、人与自然具有统一性。《中庸》中有“万物并育而不相害，道并行而不相悖”，把人与自然的发展变化看作是相辅相成的和谐、平衡运动。人与大自然的关系不是对抗的而是协和共存的，不应把天、地、人孤立起来考虑，而应把三者放在一个大系统中作整体的把握，强调天人的协调、和谐，人与自然的协调、和谐。“天人合一”是中国传统文化对于人与自然关系的最基本的信念。人是大自然中的一群生命体，是属于大自然的一个组成部分，人不应该随心所欲地征服自然、统治自然、支配自然。人必须学会尊重自然，爱惜自然。人与大自然的关系是一种相互依存的关系。
解决生态环境问题的根本就集中在如何看待人与自然的关系上。对此，可以从博大精深的中国传统文化（孔教学说）所蕴含的生态环境理念中去汲取营养。孔教生态环境理念能够引导人们正确认识和处理人与自然、局部利益与全局利益、眼前利益和长远利益的关系，使全社会的生态意识、环境意识得到增强，从而达到可持续发展的目的。
通过上述内容引入，使同学们深入了解中华传统文化的博大精深。中华传统文化不仅对中国的经济和社会发展发挥着巨大影响，也为中国人的世界观和行为方式的形成奠定了基础。它的影响一直延续至今。课堂中引入和加强对中国传统文化的了解，同学们反映良好。
四、结束语
关键词：信息科学；电气自动化；应用；创新
前言
信息科学的研究目标是信息本身，针对信息的运动规律和应用面膜是，发挥计算机等信息技术的工具和手段的功能。信息科学l展迅速，但是，对其缺乏统一的认识。信息科学在电气自动化领域的应用，为自动化领域带来了新的发展契机，需要正视变革，不断寻求发展和创新。
1对信息科学在电气自动化领域特征的分析
1.1信息科学的可靠性更强
对于信息科学，主要依靠互联网技术，借助计算机的发展，实现整个电气自动化系统的智能性。在电气自动化领域中融入信息科学技术，实现资源投入的降低，提升电气系统操作的简洁性与便利性，操作速度加快，对于提升电气系统工作效率意义重大。另外，在信息科学技术的支持下，电气自动化技术水平得以提升，为安全生产提供切实保障。
1.2信息科学技术具有突出的可操作性
信息科学技术立足计算机技术，因此，其在操作方面采取的是间接的方式，操作具有简洁性，逻辑性较强，维护系统运行的安全性。在进行操作的时候，只要进行相关操作命令的输入即可，就能完成自动操作。借助互联网等方式的信息传递，有利于生产生本的降低，安全性尤为显著。
2将信息科技渗透在电气自动化领域的必要性
信息科学的集点是使科学能够得到大众的认可与关注。在电气自动化领域中应用信息科学技术，其主要目的是促使自动化在原有基础上，实现更好的发展，提升生产效率。同时，二者的结合促使信息科学在电气自动化领域的作用日益突出，体现了信息科学的辅助作用，为电气自动化的应用提供更加良好的发展空间，促使科学信息的理论和实践得到全面的发展和提升。信息科学优势较多，具备较强的逻辑表达能力，操作上接受能力较强，实现更多功能的扩展，因此，只有充分利用现代科学技术，才能实现真正意义上的电气自动化和信息化，推动自动化工作的积极开展，满足生产需要，降低资本投入，节能能耗，提供设备使用年限。在具体引入中，需要将信息技术带入电气自动化范畴，在进行操作的时候，借助对命令的执行，实现数据信息的传递。另外，鉴于电气自动化危险系数的增大，在信息科学技术的支持下，电气自动化领域能够进行危险性的降低，提示操作安全性，为工人提供更加坚实的保障。
3对信息科学在电气自动化领域创新的分析
3.1重视智能终端的应用
对于信息科学，与数字技术相同，都是一互联网几计算机技术为基础，通过智能终端实现对数据信息的收集和整理，但是，在电气自动化领域，也存在一些问题，如缺乏高技能的让你猜，对智能化终端的研发和应用造成限制。另外，在时限方面缺乏同一性的标准，信息科学高端人才也不足，给整个电气自动化领域的智能化水平造成阻碍。借助信息化科学，对智能化终端进行双重配置，实现对信号传输的有效控制，有效应对紧急情况，如针对电力信号的中断，及时进行系统维护，切实提高系统运行的安全性与可靠性。
3.2对程序化操作进行不断完善
在电气自动化生产中，在指令下达之前，首先需要将经过审核的票据录入到电脑系统中，在具体实践中，对干预界面进行人工设置，对设备进行细化操作，促进功能划分。而后，针对系统的应用模式功能进行设计上的明确，促使电气自动化的操作处于默认识别的状态。这些设置的作用是满足无人操作的功能，实现设备自动化操作和控制。在具体发展中，电气自动化需要紧跟时展，重视电气自动化开放式的建立，强化分布式管理，推动信息的不断完善，促使信息梳处理模式更具综合性，同时，借助信息科学与网络技术的优势融合，在根本上促进电气自动化管理和操控的实时性，强化综合管理，实现整个系统的自动化控制。另外，借助科学技术，实现电气自动化内部和外部的统一，保障自动化系统的准确性和精准性。除此之外，发挥系统分布操作的特征，对智能化系统进行模板的划分，强化风险控制，推动电气自动化高效独立地运作。
3.3对GOOSE虚端子概念的介绍
随着科技的不断发展和创新，电气自动化中融合了一种新的概念，即GOOSE虚端子概念。这一理念的渗透，使得电气二次回路得到改善，对传统模式进行了突破，为整个工程的调试提供了极大的便利。随着数字技术的深入和发展，GOOSE技术应用拓展，促使测控装置与保护装置之间的信息交互实现了智能化，促使整个电气系统构件能够完成跳合闸的功能，使得连闭锁与测控遥控装置之间的间隔曾提供了基本的保护。当前，随着科技的不断完善和发展，传统的二次回路很难满足工业发展的需求，GOOSE网络实现了对其的全面代替，能够发挥本体的作用，促使高效化智能终端得以实现。另外，双网配置模式被应用，也就是GOOSE网与MMS网络相结合，提升应用的便捷性与简洁性。这种配置方式具有清楚的层次，结构优势明显，集中接口组屏。对于GOOSE的应用，主要是实现MMS网管理主机与IED之间的通信，而后发挥GOOSE网的功能，实现联闭锁和测控遥控。
3.4工业程序化更加突出
在工业电气自动化过程中，对数字技术进行了合理应用，促使工业生产思想趋于程序化。在自动化行业中，数字化突出，同时，借助预支工序，促使工业生产实现了流程化与数字化的融合。借助流程化和数字化的思维，实现了工业电气自动化生产的环节控制，有利于提升工业领域电气自动化的水平，实现对生产流程的优化，为企业创造更具良好的经济效益和社会效益，促进起可持续发展。借助人机交互，实现对生产线的全程健康，生产流程被调整，促使数据传输更具高效性与安全性。依据程序化的理念进行操作，在执行命令之前，能够使用电脑进行票据的审核。在整个操作开始之前，需要进行人为操作界面的干预，对相关操作进行设计。工业电气自动化的长期发展使得未来的发展更具趋于开放化和信息化，需要整个行业重视电气分布式的完善，使得其能够满足当下时展的要求。信息化建设的发展使得处理方式更具趋于综合化，网络技术融入其中，使得电气管控工作呈现全面的自动化。开放化的建设使得电气系统外界连接成为关注点，也就是说，只有实现外部网络语内部系统的协调统一，才能保障开放化处理结果与指示信息相符，电力系统数字处理的精准性增强。
4结束语
综上，对于电气自动化领域的创新和发展与信息科技的发展息息相关，需要其提供强大的动力，将信息科学应用到自动化领域，发挥其在便捷性、清晰性以及维护便利的优势，为电气自动化的全面发展奠定基础。为此，要重视信息科学，培养高素质的新型人才，更新应用观念，促进电气自动化的智能化发展。
参考文献
[1]张福友.论电气工程及其自动化存在的问题及应对策略[A].北京中外软信息技术研究院.第三届世纪之星创新教育论坛论文集[C].北京中外软信息技术研究院，2016：1.
METROPOLIS概念车线条非常流畅，整体造型优雅而不失动感。车头风筝形状的格栅以及内饰的设计灵感则来自于中国的扇子和古筝，这款车的长宽高分别为5300mm/2000mm/1400mm，这样的尺寸预示着这款车将拥有非常充足的乘坐空间。动力上，METROPOLIS配备了先进的可充电式PLUG-IN混合动力驱动系统，提供全电力驱动和燃油驱动两种模式。与传统的4.0LV8发动机相比，在输出功率相同的情况下，二氧化碳排放量仅为其五分之一，百公里油耗更是低至2.6升。此外，METROPOLIS还安装了雪铁龙特有的主动液压悬挂系统。该系统可根据路面情况，主动调节车身悬挂，带来令人难以置信的平稳舒适感受。而在高速行驶中，系统将调低车身，从而降低风阻，进一步提高行车稳定性。
通用EN-V
EN-V的设计开发紧扣城市驾驶对速度和里程范围的需求，整车重量仅400多公斤，长约1.5米。EN-V的马达动力由锂电池提供，可通过普通家庭电源进行充电，每次充满电后可行驶40公里，完全实现零排放，减少了对环境的直接影响。另外，EN-V可以与电网进行信息互换，判断电网的整体使用情况，从而选择最佳的充电时间，充分提高公用电力基础设施的使用效率。除了电气化，EN-V的另一大技术亮点是车联网。通用汽车表示，EN-V通过整合全球定位系统（GPS）导航技术、车对车交流技术、无线通信及
远程感应技术奠定了新的汽车技术发展方向，实现了手动驾驶和自动驾驶的兼容。在自动驾驶模式下，EN-V能够通过对实时交通信息的分析，自动选择路况最佳的行驶路线从而大大缓解交通堵塞。除此之外，通过使用车载传感器和摄像系统，EN-V可以感知周围环境，在遇到障碍物或者行驶条件发生变化时能够做出迅速的调整。
丰田FT-EVⅡ
外形方面，丰田FT-EVII的前挡风玻璃延伸范围十分广阔，前脸部分甚至还采用了透明材料，加上宽大的侧窗，FT-EVII的视野十分开阔。车门采用了独特的滑动开启方式。为了获取更大的乘用空间，FT-EVII甚至取消了中控台。传统的圆形方向盘和踏板并没有出现在驾驶席上，取而代之的是控制车辆行驶的操控杆。在动力方面，FT-EVIIConcept所搭载的锂电池组在完全充满电的状态下可让持续行驶90公里，极速甚至可达到100km/h。车头丰田标志打开后是一个充电端口。使用家庭电源充电需要6个小时充满。
现代i-flowHED-7
与现代其它新车一样，i-fow同样采用了“流体雕塑”造型设计，其风阻系数仅为0.25，有助于提升车辆的燃油经济性和行驶性能。据厂商介绍，i-fow车身表面采用了由德国巴斯夫公司提供的液态金属涂层，看上去更为光洁明亮。而在车辆内部则采用了一块环绕的波状外形屏幕。动力上，现代i-fow采用了一台双涡轮增压1.7L柴油发动机，与这台发动机协同工作的是一台电动机，由锂离子聚合物电池供电。输出动力将通过6速双离合变速器进行传输，由于可以采用电动行驶模式，该车每公里二氧化碳排放量仅为85克，百公里油耗也仅为3升。
丰田FT-86
丰田FT-86的车身外观设计借鉴了丰田旗下高端品牌雷克萨斯LF-A的风格，其整体的轮廓与设计语言延续了于2007年概念车FT-HS概念车的造型。整车由位于法国的欧洲丰田ED2设计工作室担当主导设计。肌肉而充满张力的外观轮廓充满了力量，犀利的线条布满周身。轻巧、低重心的车身特性和如同驾驶赛车一般随心所欲的驾驶感受。
该车装配了来自斯巴鲁的2.0升水平对置型4气缸自然吸气发动机和空气动力性能优越的轻巧车身，这些使得该车同时实现了强大输出功率与卓越环境性能。亮红色的车身与按照“以最小的限度包裹精练到精练极致的车体”的理念以充满时尚感的方式展现出各种内饰功能，充分展示出驾驶的热情。该车为后轮驱动，而不是斯巴鲁产品一贯采用的全轮驱动。与发动机相匹配的是一款6档的手动变速箱，发动机的能量将会通过这一装置传递到后轴之上。
马自达“清”
马自达“清”概念车以水流为它的主要设计主题，除了整体的造型呈水滴状外，大面积的侧窗玻璃和全景天窗都使用蓝绿色的玻璃，显得晶莹剔透。进气口、车身线条乃至轮毂的辐条都采用水流的造型。
关键词：电磁兼容；教学改革；案例导入式教学
作者简介：李玉梅（1975-），女，山东嘉祥人，海军工程大学电气工程学院，讲师；卜乐平（1965-），男，湖南益阳人，海军工程大学电气工程学院，教授。（湖北武汉430033）
中图分类号：642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）26-0049-02
随着现代科学技术的发展，电子、电气设备或系统获得越来越广泛的应用。电磁环境日益复杂，处在其中的电子、电气设备面临越来越多的干扰，造成性能降低、功能丧失的概率明显增加。因此，在电子、电气设备和系统的设计、研制和生产过程中，如何解决电磁兼容问题已受到越来越广泛的重视。我国从2003年8月起对电子设备实行电磁兼容性强制性认证。自2005年开始，海军工程大学（以下简称“我校”）为自动化专业和电气专业学生开设了“电磁兼容”课程（20个学时），旨在帮助学生了解电磁兼容的基本概念和基本原理，掌握电磁干扰的抑制措施，熟悉电磁兼容性测试标准和方法，为电气设备的电磁兼容设计与电磁干扰评价打下牢固基础。与之相关的“电磁兼容”课程是从电磁兼容基本概念入手，由“电磁干扰三要素”中的“干扰源”和“传播途径”展开，介绍干扰源的特点及性质，分析传导干扰和辐射干扰，进而讨论电磁干扰控制原理及控制电磁干扰的“三大技术”（接地、屏蔽和滤波），最后介绍电磁兼容预测分析及电磁兼容性测试技术。该课程来源于实践，又回归到工程应用中。
一、“电磁兼容”课程教学的现状
1.教学内容与相关科技的最新成果脱节
随着电力电子及电气自动化技术的发展，大功率、高电压开关及逆变器、整流器等设备产生的干扰和对控制设备的影响越来越突出。电磁兼容学科涉及到如何减少设备产生的干扰，如何防止其他干扰源对电气设备的影响。科技越是发达，电磁环境越是复杂，电磁兼容问题也越是突出，所以不可避免地会出现原有“电磁兼容”教学内容陈旧，不能反映相关科技的最新成果，这就不利于培养具有综合应用能力的新型人才。因此，必须进行教学改革，把这些新成果及其工程思想纳入到教学实践当中。
2.教学方法仍然以“满堂灌”教学为主
首先，“电磁兼容”这门课程的基本原理比较抽象，含有大量繁琐的公式推导和论证，而它的应用却具有很强的工程实践性。抑制电磁干扰的“三大技术”都是来源于实际工程应用，由于电磁兼容学科基于复杂的电磁场理论，有一些抑制措施在工程应用中有很好的效果，但其机理却可能还没完全搞清楚。在实际的教学过程中，大多数师生很难接触到实际工程，也就不知道如何运用课堂所学知识解决工程中的实际问题，因此，教学内容与实际应用脱节，教学效果相对比较差。其次，课堂教学基本上以教师讲授为主，学生被动听课，缺乏有效的互动环节。学生总是听讲一些枯燥的理论知识，很容易昏昏欲睡。最后，由于电磁兼容测试的仪器设备比较昂贵，针对本科教学的“电磁兼容”课程一般很少开设实验课，这样的教学后果难以激发学生学习兴趣，不利于培养他们的创新能力。
二、案例导入式教学法的概念及特点
1.案例导入式教学法的概念
案例导入式教学法是一种以案例为基础的教学法。教师基于理论知识与实践知识相结合的基础，并结合教师自身科研过程中遇到的问题，给出相应的现场或工程中的课题，让学生在查阅、学习相关资料后，在教师的指导下进行讨论、分析、计算和研究，充分理解所学的相关理论知识，从而达到锻炼和提升学生解决问题、分析问题的能力。与传统的教学方法相比，案例导入式教学是在传统教材的基础上，与时俱进，适时引入合适的实际工程的应用案例，更强调教师与学生的交互性和教师对学生的启发性。通常教学案例综合性较强，需要学生熟练掌握理论知识，处理案例的思维方式灵活，多方查阅资料，独立思考问题并与同学探讨问题，这样有利于培养学生分析和解决复杂问题的能力，进而提高他们学习的积极性，增强创新意识。
2.案例导入式教学法的特点
（1）客观性和直观性。案例来源于实际的工程应用，与理论知识相比更直接，更让学生能感觉到学习本门课程的作用和意义，所以案例具有客观真实性，必然使得案例导入式教学也具备客观真实性。
（2）综合性和引导性。一个具体的案例所考察的知识点比较丰富，甚至有可能延伸到其他课程的知识，因此案例的分析、解决过程也比较复杂。学生拿到案例后，经过消化，需要主动查阅相关资料，利用已掌握的理论知识分析问题并与同学探讨，制定出解决方案；而教师只是给予必要的引导，并根据不同学生的不同理解补充新的教学内容。
（3）过程交互性。在案例导入式教学过程中，教师应该是一个很好的指挥家，学生应该是一个很好的行动者。教师把学生分成几个小组，每个小组成员进行不同分工，合作完成案例的方案论证和实现，并最终完成详实的书面报告，教师负责协调组与组之间的竞争意识，激励组内人员解决问题的积极性。最后在课堂上展开讨论和总结评价，这也是全班同学进行知识共享的过程，整个教学过程是动态变化的。
三、应用案例
案例导入式教学法中所给的课题具有很强的目的性，都是以现场所需或工程实践项目为题。一个具体的案例所包含的知识通常比较丰富，案例的分析、解决的过程也较为复杂，因此在选择案例或设置问题时，要根据教学进度和围绕课程主要章节的重点或难点进行设置，注意体现教学内容的连贯性。[4]
一般情况下，是在讲授完课程中的一些基本概念、基本原理后再引入具体案例的，通常案例导入式教学安排在课程实施进度的后半部分，例如在学习了电磁兼容的基本概念、电力电子典型干扰源以及接地技术后，在进行讲授电磁兼容滤波技术的时候，可引入案例“开关电源的EMI滤波器设计”。开关电源广泛应用于各种电子、电气设备中，对于自动化或电气工程的学生来讲是非常熟悉的，也是今后工作中经常需要使用到的。笔者曾制作了一个输入电压为220V，额定输入电流为0.5A的开关电源。开关电源的效率高，体积小，在工业、民用和军用领域中都得到了广泛的应用；但和线性电源相比，开关电源的电磁干扰比较严重，是使用中的一个突出问题。开关电源的电磁干扰既可以对电网造成污染，又会对负载和其他电气设备形成干扰，是比较典型的干扰源之一。该案例的实施过程：
1.了解开关电源中的电磁干扰源
开关电源主电路的电磁干扰源有开关管、整流二极管和非线性无源元件（如带磁芯的电感器、高频变压器）等；控制电路的电磁干扰则有开关电路、时钟脉冲源。
开关电源的基本原理电路如图1所示，主要由两部分组成：四个二极管组成的不控整流桥把50赫兹交流市电转换成直流电加在输出电容上；降压型DC/DC斩波器通过对可控开关管的控制进一步转换成需要的直流电压；控制电路部分完成对输出电压的稳定控制。这类开关电源中产生的干扰分为三类：第一类是电网电源频率的各次谐波，这是因为通过不控整流桥的输入电流为周期脉冲波。由电磁干扰源的频率特性知道，脉冲越窄，频谱越宽，越平坦。第二类是DC/DC崭波电路产生的开关频率及其倍数频率附近的干扰。第三类干扰则出现在数十兆Hz上，这些干扰是由于开关本身通断时器件内部的瞬变过程引起，与开关器件内部的载流子运动有关，称为开关暂态干扰。这三类传导干扰的频段不同，采取的抑制措施也不同，特别是开关频率及其倍数频率附近的干扰是造成含有开关电源的电气设备电磁兼容测试不合格的主要原因。通常用来抑制射频段开关频率次谐波干扰的方法是安装EMI滤波器。这些知识由学生课下查找相关资料获得。
2.了解电磁兼容测试与标准
在用电设备或系统的整个设计和试制阶段，为确保其电磁兼容性，必须进行电磁兼容性测试。这种诊断性的测试有助于识别潜在的干扰问题范围，有助于测量各种补救方法的有效性。电磁兼容发射测试包括传导发射测试和辐射发射测试，结合电磁兼容标准GJB152A-97中传导测试项目CE102—10kHz～10MHz电源线传导发射，采用频谱仪进行测试。测试频谱如图2所示，直线为发射限值，曲线为开关电源火线实测频谱，可见在开关频率33kHz处超标幅度为21dB，需要安装EMI滤波器。
3.进行EMI滤波器设计
要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减特性，EMI滤波器必须同时能抑制共模干扰和差模干扰。典型的EMI滤波器的电路原理图如图3所示，L11、L21、L22、L23为电感元件，其中，L11和L21为共模扼流圈是用来抑制共模干扰的，L22和L23分别接在电源的进线和出线，是用来抑制差模干扰的；C11、C12、C13、C21、C22、C23为安规电容，其中，C11和C22是X电容，跨接在两电源线上，用来抑制差模干扰；C12、C13、C22、C23是Y电容，接在电源线与地之间，用来抑制共模干扰。图3给出的EMI滤波器是2级π型结构，除此之外，还有L型、C型、T型等，分别适用于不同场合，需要根据电源内阻和负载阻抗合理选取。由学生设计出合适参数的EMI滤波器，正确安装EMI滤波器后进行CE102项目的测试结果如图4所示，由图可见，实测曲线没有超过限值。对照实物现场讲授，让学生亲自参与体验，就能够感受到EMI滤波器抑制传导干扰的效果。
四、结语
“电磁兼容”这门课程是一门新兴的综合叉学科，也是一门实用性极强的学科。它起源于解决实际无线电干扰问题，又在处理用电设备或系统的电磁兼容问题过程中获得了发展。现有的完全以教师讲授为主的传统教学方法不能满足培养应用型人才的办学要求，借助案例导入式教学方法，使得学生在掌握电磁兼容理论知识的基础上，不仅可以巩固学生对所学课程理论的理解，为综合运用所学知识解决实际问题做好准备，还能给学生创造一个身临其境的感觉，激发其学习的积极性。本文通过“开关电源EMI滤波器设计”教学案例的导入，使学生不仅对电磁干扰抑制措施之一滤波的原理及设计方法有了深切认识，还对开关电源这一典型干扰源的特性以及电磁干扰的测量及标准有了进一步认识。实践表明，该方法可以帮助学生们由浅入深，化难为易，提高学习效率。
参考文献：
[1]赵家升.电磁兼容原理与技术[M].第2版.北京：电子工业出版社，2012.
[2]马力.《电磁兼容技术》教学方法探讨[J].洛阳师范学院学报，2012，31（11）：42-44.
[3]王志亮.“电磁兼容技术”课程双语教学的探索[J].电气电子教学学报，2009，31（1）：103-104.
[4]雷绍兰，刘述喜，杨佳，等.“电磁兼容理论”教学改革探索与实践[J].中国电力教育，2010，（6）：118-119.
关键词：供配电技术；建构主义理论；系统观
中图分类号：G642.41文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）51-0199-02
一、概述
《供配电技术》课程是电气工程及其自动化专业学生的一门专业必修课程，该课程介绍电力用户供配电系统的基本知识和理论、设计和计算、运行和管理，反映了供配电领域的新技术。主要内容包括：电力系统概述、负荷计算与无功功率补偿、短路电流计算、变压器的选择与主接线方式、电气设备的选择校验、继电保护和二次接线、防雷与接地等。通过对课程的学习，使学生了解供配电技术的基础知识，掌握电力负荷及其计算、短路电流及其计算，工厂变配电所及一次系统、二次系统、过电流保护等，为今后走上工作岗位，从事电力技术工作打下初步基础。供配电系统作为电力系统的用户，指的是从电源进线进入用户起，到用户高低压用电设备进线端止的整个电路系统，包括用户内的变配电所和所有的高低压配电线路。供配电技术是一个完整的系统知识。但为了教与学的方便，教材和教学把这个系统分割为多个章节和相对分散的知识点，并对每个章节和知识点进行深入细化学习。因此，在教学的过程当中，学生比较容易陷入“只能见木不得见林”的误区，完成课程学习后，不能很好地形成一个完整的供配电系统知识体系认知，各个知识点联系松散，直接影响到学生的学习热情，使得学习动机缺失。为了解决这一问题，作者在建构主义学习观的理论指导之下，授课过程中，在各个分散的知识点中都埋下伏笔，并且在其他相应章节中提及与回顾，使学生不断同化和顺应新的知识体系，以系统的观点，纳入新的知识，在课程结束时，得到较为完整的供配电系统知识图式。
二、建构主义学习观
建构主义学习观是在建构主义哲学思潮影响下出现的一种解释学习的理论。强调复杂学习环境和真实的任务；强调社会协商和相互作用；主张用多种方式表征教学内容；主张理解知识建构过程；主张以学生为中心的教学。（1）建构主义理论。建构主义理论认为图式是认知结构的起点和核心。图式的形成和变化是认知发展的实质，而认知发展又受三个过程的影响：同化、顺化和平衡。同化是指学习个体对刺激输入的过滤或改变过程。也就是说个体在感受刺激时，把它们纳入头脑中原由的图式之内，使其成为自身的一部分。顺应是指学习者调节自己的内部结构以适应特定刺激情境的过程。当学习者遇到不能用原有图式来同化新的刺激时，便要对原有图式加以修改或重建，以适应环境。平衡是指学习者个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的过程。（2）建构主义的学习观。建构主义理论认为学习不是把知识简单地传递给学生，而是由学生自己建构知识的过程。在这个过程中，学生不只是被动接收信息刺激，更是主动地建构意义，是根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择、加工和处理，从而获得自己的意义。学习意义的获得，是每个学习者以自己原有的知识经验为基础，对新信息重新认识和编码，建构自己的理解。在这一过程中，学习者原有的知识经验因为新知识经验的进入而发生调整和改变。同化和顺应是学习者认知结构发生变化的两种途径或方式。同化是认知结构的量变，而顺应则是认知结构的质变。同化―顺应―同化―顺应……循环往复，平衡―不平衡―平衡―不平衡，相互交替，人的认知水平的发展，就是这样的一个过程。学习不是简单的信息积累，更重要的是包含新旧知识经验的冲突，以及由此而引发的认知结构的重组。学习过程不是简单的信息输入、存储和提取，是新旧知识经验之间的双向的相互作用过程，也就是学习者与学习环境之间互动的过程。
三、建构主义理论在《供配电技术》教学中的应用举例
《供配电技术》课程中的主接线章节，较为直观地呈现出供配电系统的骨干框架结构，也是使学生建立系统整体观较为有效的一个环节。因此在教学中，除了本章中的主接线方式与特点等知识点的讲授之外，还应把之前学习以及之后学习的所有知识点都落实在主接线这里。在这里，主接线就是学生头脑当中对于供配电系统的一个原始图式，在细化的知识点不断落实在该图式的过程当中，就是学生建构系统知识的过程。因此，可以把主接线看作课程学习的主轴（图式），各章节的知识内容，都要通过同化和顺应意义建构的过程，不断细化和丰富原有图式，使学生对于供配电系统的知识体系不断达到新的平衡点。以下对这一教学过程进行举例说明。（1）原始图式的建立。学生原始图式的建立，即为供配电系统概念的引入，可以从民用电能的获得入手，介绍电能从生产、变换、输送、分配到使用的整个过程，引出电力系统的概念，明确电力系统的用户――供配电系统的概念。如图1所示。教师在讲授过程中，简要介绍主接线、电力线路接线方式的概念，为后面的深入学习打下伏笔。教学思路是从学生的生活经验出发，同化延伸出新的知识领域。可以更好地激发学生的学习兴趣，形成良性的学习动机，帮助学生建构当前所学知识的意义。
（2）中性点运行方式。中性点运行方式是第一章概述中的一个知识点，该小节中通过明确电力系统中性点的概念，了解中性点和地之间不同的连接关系，以及不同连接方式对电力系统运行的影响。使学生明确不同的电压等级之下应采用哪种运行方式。这一知识点相对较为独立。因此在电气主接线章节中，讲授总降压变电所的主接线和车间变电所的主接线方式，就是对中性点运行方式的一个很好的应用和回顾。总降压变电所的电压等级，决定了中性点运行方式应采用小接地电流系统；车间变电所的电压等级，决定了中性点运行方式应采用大接地电流系统。这完全符合中性点运行方式的应用原则。而对于学生来说，主接线和中性点运行方式是两个需要同化的知识点。在讲授主接线时，通过提问在该电压等级下应采用哪种中性点运行方式，引导学生回顾之前学习的中性点运行方式的独立知识点，使学生把这两部分知识联系起来，形成一个基本的系统观。对正在学习的主接线（原有图式）加以修改和重建，对供配电系统的这一知识体系的认知发展到较高、较细一层的水平。这是建构主义学习的同化、顺应和平衡的一个过程。（3）负荷计算。负荷计算是教材的第二章，也是较为独立的一个知识点。负荷计算的结果是选择变压器等电气设备的重要依据，而学生在学习该章节时，一般把注意力和学习重心都放在计算上了，不能很好地纳入原有的图式当中。因此在讲授主接线时，要给学生实际操练负荷计算的机会，让学生更好地理解这两部分知识点的联系。讲授电气设备的选择时，要把负荷计算的意义及计算等知识与电气设备，包括把导线电缆选择中的参数联系起来。（4）短路电流的计算。短路电流计算也是一个较为独立的知识点。计算结果为几个重要的参数，包括短路周期分量的有效值、短路电流冲击值及冲击值的有效值、短路容量等，作为短路电流分析和计算的结果，其目的是为了校验电气设备由短路电流引起的受力和高温，其中参数短路周期分量有效值用于热校验，而参数短路电流冲击值用于力校验，短路容量则用于有断流能力的电气设备（断路器和熔断器）的校验过程。在讲解相应电气设备的短路校验时，可以通过提问和引导，把当前学习的电气设备校验的内容和已经学过的短路电流计算的内容联系到一起，达到供配电系统原有图式的一个新的平衡点。（5）二次接线系统。二次接线系统中的自动重合闸装置、备用电源自动投入装置的基本概念，在讲解变配电所主接线和断路器中应都有所提及，为二次接线系统的引入打下基础。使得每学习新章节新知识时，都有和已学章节已学知识相重叠相交叉的内容，把新学习的知识纳入到原有知识体系当中，使学生不断更新原有图式，最后建立起良好的系统观念。
ApplicationoftheConstructivismTheoryinTeachingof"PowerSupplyTechnology"
FANYu
（EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200030，China）
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