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《电工基础》两个重要概念的教法探析
作者：赖 标
关键词：《电工基础》；电压方向；同名端；概念；教法
在《电工基础》教学中，“电压方向”和“同名端”是看似简单却比较难以使学生把握并透彻理解的两个重要概念。在中国劳动社会保障出版社出版的全国中等职业技术学校电工类专业通用教材《电工基础》（2001年7月第三版）中，关于“电压方向”和“同名端”的分析，虽然相对第二版做了一些改进，但笔者在使用过程中仍感到有不够完善的地方。主要是教材对两个概念的定义及分析不够全面，存在一定的片面性，给学生透彻理解带来一定的困难。在教学实践中，笔者对上述两个概念作了改进和增补，拓展了教学内容，展开了深入分析，收到了较好的教学效果。
关于电压方向的分析
向学生解释清楚电压正负的本质我在授课时是这样解释的：电压的正负与电压的实际方向及参考方向是密切相关的。电压之所以有正与负的区别，是因为需要用一个带“+”、“-”符号的数字将电压的大小及方向表示出来，带符号的数字的绝对值表示电压的大小，“+”、“-”符号表示电压的方向。
向学生解释清楚电压的符号是如何将电压的方向表示出来的这就必须从规定电压的方向（即实际方向）和假定电压的参考方向（又叫正方向）说起。为了使学生彻底弄清楚电压的正负与电压的实际方向及参考方向的关系，笔者在教学中对课本上有关电压方向的定义和分析的内容作了如下改进与完善：电压不仅有大小，而且有方向。一般规定电压的方向（即实际方向）由高电位指向低电位，也就是电位降的方向。电压的参考方向有两种假定方法。第一种方法是用箭头在图中表示出来；第二种方法是用双下标字母表示。如Uab，表示电压的参考方向假定为由第一个下标字母a指向第二个下标字母b。电压的正负是由电压的实际方向与参考方向是相同，还是相反来决定的。如图1所示，当采用Uab表示时，参考方向由a指向b，实际方向由高电位点a指向低电位点b，实际方向与参考方向相同。此时Uab＝Ua-Ub＞0，电压是正值，而且由第一个下标a绕至第二个下标b，电位是降低的，也就是说沿绕行方向电位降低时电压取正值。如图2所示，当采用Uba表示时，参考方向由b指向a，实际方向由高电位点b指向低电位点a，实际方向与参考方向相反。此时Uba＝Ub-Ua＜0，电压是负值，而且由第一个下标b绕至第二个下标a，电位是升高的，也就是说沿绕行方向电位升高时，电压取负值。通过以上形象而具体的画图举例分析，学生很容易概括出结论：要用一个带符号的数字将电压的大小和方向表示出来，首先必须假定电压的参考方向，显然在电路的计算中，如果事先假定了电压的参考方向，那么算出的电压如果是正值，就表示电压的实际方向与参考方向相同；如果是负值，就表示电压的实际方向与参考方向相反。
让学生认清了解“电压方向”的概念是掌握电压计算这一重点内容的前提采用上述分析方法，不仅可使学生对电压的正负、电压的实际方向及电压的参考方向三者之间的关系有更深刻的理解，而且可使学生看到电压的正负符号可以将电压的实际方向表示出来，更重要的一点是，可以使学生看到电压的正负与电位的升降是有关的，即沿绕行方向电位降低，电压取正值；电位升高，电压取负值。因此，在进行任意两点间电压的计算时，可以通过分析电位的升降来确定各小段电压的正负。可见，弄清电压方向与电压正负的关系，可以为掌握两点间电压的计算打下良好的基础，学生认识到这一点将大大提高深入研究“电压方向”的积极性。
对相关教学内容作出调整弄清楚电压的正负与电压方向的关系，可以为解决“任意两点间电压的计算”这一教学难点打下基础。因此，在教学中，为了突出“任意两点间电压的计算”这一重点，应对教材中§1-7节的内容作适当的调整，将该节中“电位的计算”与“两点间电压的计算”两部分内容的顺序调换。即先讲两点间电压的计算，再讲某点电位的计算，因为求某点的电位即是求某点与参考点间的电压。这样处理，更合乎学生理解的逻辑顺序，而且，笔者建议将该节的名称改为“任意两点间电压的计算”，以突出两点间电压计算的重要性。
关于同名端的分析
变压器、电压互感器、电流互感器等互感器件在电工技术中应用非常广泛，认清并理解其同名端对正确连接电气线路非常重要。因此，使学生深刻理解同名端的概念是非常必要的。笔者在使用《电工基础》教材时，总觉得教材关于同名端的定义及对同名端概念的分析顺序不够理想，学生阅读教材也感到比较难以理解。所以，对同名端概念的理解成为学生学习《电工基础》的又一个难点。在教学实践中，笔者对教材的内容做了一定的改进与深化，分四步逐层递进地深入分析同名端的概念，收到了较好的教学效果。
对“同名端”作出正确定义，使学生理解同名端概念课本上的定义是这样的：“两线圈的同名端是这样规定的：两线圈的电流由同名端通入线圈时，所产生的互感磁通和自感磁通是相互增强的”。笔者认为，这样的定义比较难以理解，学生很难将同名端与“同名”两字的意思联系起来。还是采用如下定义为好：“互感线圈产生的感应电动势极性一致的端点叫同名端”。以图3为例，设电流由1端流入并增大，根据楞次定律可知：A线圈产生的自感电动势1端为+，2端为-；B线圈产生的互感电动势3端为-，4端为+。显然，1端和4端是产生感应电动势极性一致的端点（也就是说1端与4端的极性“同名”），所以1端和4端为同名端。这样定义比较直接，学生比较容易理解。
教会学生如何判别同名端，使学生加深对同名端概念的理解根据图3的例子，可总结出判别同名端的步骤：（1）假定某线圈通过一定方向的电流，并假定其变化的趋势（增大或减小）；（2）根据楞次定律判定该线圈的自感电动势极性及其他线圈的互感电动势的极性；（3）产生的感应电动势极性一致的端点记为同名端。这一步可以多举几个例子，使学生熟练掌握同名端的判别方法。
分析引入同名端的原因，使学生强化对同名端概念的理解不仅要使学生深刻理解同名端的定义和判别方法，而且要使学生了解引入同名端概念的原因，只有这样，才能使学生深切体会掌握同名端概念的重要意义。笔者从两方面入手讲解：（1）判别互感电动势的极性必须运用楞次定律根据线圈的实际绕向进行判别，但大量的成品互感器件在每次使用时都用楞次定律加以判别，这很麻烦，而且成品互感器件里的线圈绕向往往从外部看不出来，因此，可以在互感器件出厂前的生产过程中，运用楞次定律根据线圈的绕向将产生的感应电动势极性相同的端点（即同名端）判别出来并标在产品上，这样在每次使用时就不必再用楞次定律判别了。（2）在画电路图时，只要知道了同名端并标示出来，无须将线圈的绕向画出来，也能知道哪些端点产生的感应电动势极性是一致的。
对同名端作进一步深入分析，使学生拓展对同名端概念的理解学生在学习过程中，会遇到一些特殊的互感线圈，经分析其同名端是不固定的。为了解决学生遇到的问题，笔者与学生一起，对一些特殊互感线圈的同名端进行了深入分析，并对同名端的定义做了进一步完善。如，图4、图5所示，当三个线圈绕在“日”字型铁芯上时，由于三个线圈绕向是相同的，学生很容易就会得出两图中的同名端相同的结论，但通过楞次定律判别，两图中的同名端并不相同，这就产生了强烈的矛盾，激发了学生对同名端作深入探究的积极性。我在授课时是这样分析的：如图4所示，假设A线圈接上电源E，当S闭合的瞬间，A线圈中的电流突变，产生增加的变化磁通，同时穿过线圈B和C。A线圈会产生自感电动势，B线圈和C线圈都会产生互感电动势。由楞次定律可知：1、4、6端极性为正，2、3、5端极性为负，即1、4、6端或2、3、5端为同名端。如图5所示，假设B线圈接上电源E，同理可确定2、3、6端或1、4、5端为同名端。可见两图中的同名端是不相同的，也就是说同一绕法的互感线圈由于通电线圈（一般称为原线圈）的不同，其互感线圈的同名端也不同。
通过上述分析可知，前述有关同名端的定义“互感线圈产生的感应电动势极性一致的端点叫同名端”仍不够全面。因此，同名端的定义应进一步改为“由于某一线圈电流发生变化时产生的感应电动势极性一致的端点叫做以该线圈为原线圈时的同名端”。对同名端如此定义，则可以适用于所有的互感线圈。
作者简介：
赖标（1965—），男，广东阳春人，江门市高级技工学校讲师，学生科科长。