《电工与电子基础》教材分析——以“正弦交流电路”为例

◇贵州师范大学机械与电气工程学院 张 欢 王春梅

正弦交流电路是中职院校电气专业的一个重要内容。本文从教材的总体结构、教学目标、知识内容三个方面对《电工与电子基础》这门课程的第二章内容“正弦交流电路”进行了分析，并通过教材分析提出了使用该教材的两点建议：讲授法、实验法及讨论法相结合；突出重点，突破难点，以求能更好地把握教材的内容，提高教学效率。

1 引言

学生学习理论知识要通过教材获得，教师的教学工作也需要依靠教材来进行，可见教材是很重要的教学工具。在编写教材时，难免会出现不妥和错误的地方，但是这些不合理的安排对于学生的认知结构来说，是很难被理解的，当他们学习教材时，思维有可能会出现混乱，对知识的理解会受到限制，并对这门课程产生困惑和厌弃，从而使教学效果受到影响。因此，在上课之前，教师对教材进行分析是非常必要的。

对于教师来说，教材分析是一项基础的工作，在每次上课前，做好教材分析是最基本的。通过对教材进行分析，教师可以深刻地理解教材的内容、厘清教材的结构、设计好教学的过程与方法，从而使教学进行得顺畅，使学生能轻松愉悦地获得书本知识，并能促进学生对这门课程产生兴趣，这对上好一堂课有着重要的作用。

《电工与电子基础》是电气专业的基础课程，对于电气专业的学生来说是很重要的，基本是要完全掌握的，学好这门课程会为他们后续的学习打下基础，所以对这门课程进行教材分析是很有必要的。本文以《电工与电子基础》这门课程的第二章内容“正弦交流电路”为例，从教材的总体结构、教学目标、知识内容三个方面出发，对教材进行了分析。下面，围绕这部分教材分析做了展开。

2 教材总体结构分析

2.1 地位与作用

正弦交流电路是《电工与电子基础》第二章的内容，主要是讨论在正弦交流电的激励下，电路产生的响应。本章引入了相量法，通过相量法对电路各元件的伏安特性、功率及能量转换关系进行了分析、计算。本章的内容和分析方法是《电工与电子基础》这门课程的重要部分，与后继内容的三相正弦交流电路、电路的暂态分析、铁心线圈电路与变压器、异步电动机及其控制等联系密切，是分析变压器、交流电动机及电子线路的重要基础。在学习正弦交流电路之前，学生刚结束“直流电路”的学习，应该熟悉了电路的基本概念，也掌握了电路的基本物理量、电路的工作状态、电阻的联接方式及其转换，并且对欧姆定律、基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律这三个电路分析的主要定律也有了一定的掌握，而这些内容既能适用于直流电路，也能适用于交流电路，可见正弦交流电路把前面和后面章节的知识内容都联系和衔接起来了，并且为后面的内容做铺垫。

2.2 编写意图

《电工与电子基础》第二章“正弦交流电路”的编排如下，内容由八个小节组成，大体上分为四个部分，第一部分介绍正弦交流电压与电流的一些基本概念和性质；第二部分分别介绍电阻、电感、电容的基本概念，并分析计算它们各自的交流电路；第三部分再分别对RL串联交流电路、RC串联交流电路、RLC交流电路进行介绍，分析计算它们的伏安特性和功率；第四部分是对功率因素的提高进行介绍。本章后面还安排了复习思考题。编排顺序如图1。

图1

这样编写能让学生清晰地分辨电路各元件的相关概念，能分析计算电路各元件的伏安特性、功率及能量转换关系，能更好的理解各元件的交流电路。在结构的安排上，各部分内容循序渐进，前面的内容是后面的内容的基础，后面的内容是前面的内容的升华；在内容的设计上，每个知识点都是由简到难，有序而贯通，没有超纲的内容，但也不是简单地阅读理解，需要学生付出一定的努力才能掌握；在教材的整体框架上，又注重各个知识点的横向联系，使它们能综合起来形成一个整体，让学生学到完整的知识结构。

3 教学目标分析

3.1 知识与技能

理解正弦交流电的概念，掌握正弦交流电的三要素、相位差及有效值，学会画出相量图；理解并掌握电阻、电感、电容元件的性质及其伏安关系，能够运用相量法计算纯电阻、纯电感、纯电容电路的瞬时功率、有功功率及无功功率；掌握RL、RC串联电路伏安特性的分析方法，能够运用相量法计算RL、RC串联电路的瞬时功率、有功功率、无功功率及视在功率；理解RLC串联、并联谐振的条件和特征，理解串联谐振为什么称电压谐振、并联谐振为什么称电流谐振，掌握品质因素的概念和计算公式，并能运用相量法对RLC串联、并联谐振电路的功率进行分析计算；了解功率因素低产生的不利影响，掌握提高功率因素的措施，掌握用相量图法来分析功率因素补偿的原理及补偿所用电容量的计算方法。

3.2 过程与方法

掌握通过三角函数和波形图能知道正弦量特点的方法；掌握相量式法和相量图法两种分析方法；掌握画相量图的方法；学会电路各元件伏安特性、功率及能量转换关系的分析、计算方法；掌握提高功率因素的措施方法。

3.3 情感态度价值观

通过做实验，把理论的知识用到了实际生活中，学生的学习兴趣得到了提高，动手能力得到了增强，对待实验过程与实验数据的态度也越来越科学严谨；通过小组合作学习模式，学生的独立思考能力和交流合作能力得到了提升；通过分析计算电路各元件的伏安特性、功率及能量转换关系，学生的思维和计算能力得到了提升。

4 教材内容分析

4.1 知识点分析

（1）正弦交流电压与电流。

教材首先介绍了正弦交流电的概念，通过对正弦交流电的波形图及对应的数学表达式进行分析，让学生对正弦交流电有初步的认识。其次介绍电路分析中通用的正弦量是电流、电压、电动势，然后对它们的一般表达式进行分析，为正弦量的最大值或幅值，为角频率为初相位，指出这三个量就是正弦量的三要素，是非常重要的知识点；之后向学生讲解周期、频率、角频率、瞬时值、幅值、有效值、相位、初相位、相位差的概念及它们的相关关系，如等，其中着重对有效值进行了讲解。最后是介绍正弦交流电的相量表示法，通过分析正弦量与相量的关系，引出了相量图法，并对这种方法进行了分析讲解，强调这是交流电路分析中的重要方法；小节后面还列举了三个解答题，每一题都有画出其相量图的问题。

（2）电阻元件的交流电路。

教材先是对电阻的概念进行介绍，并列出电阻的相关公式，即电阻的电功率、电能。其次分析了电阻元件的伏安关系，得到了这些结论：第一，电压与电流的频率相同；第二，电压与电流的相位相同；第三，电压、电流有效值与最大值都符合OL。最后对纯电阻电路的功率进行了讲解，分别分析了瞬时功率和有功功率（平均功率），下面是它们的公式：

（3）电感元件的交流电路。

教材先对电感的定义和性质进行了叙述、分析，得出电感中存储的磁场能量。其次分析了电感元件的伏安关系，得到了这些结论：第一，电压与电流的频率相同；第二，电压在相位上超前电流；第三，电感电压和电流的最大值（或有效值）之间的关系是。最后对纯电感电路的功率进行了讲解，分别分析了瞬时功率p、有功功率（平均功率）PL和无功功率Q，下面是它们的公式：

（4）电容元件的交流电路。

教材首先叙述和分析了电容的定义和性质，推出电容中存储的电场能量。其次对电容元件的伏安关系进行了分析，得到了这些结论：第一，电容元件的端电压与电流的频率相同；第二，电容元件中电流在相位上超前电压；第三，电容元件端电压和其中电流的最大值（或有效值）之间的关系是。最后对纯电容电路的功率进行了讲解，分别分析了瞬时功率p、有功功率（平均功率）PC和 无功功率Q，下面是它们的公式：

（5）RL串联的交流电路。

这一小节首先对RL串联的伏安特性进行讲解，主要从瞬时值关系、相量关系、RL电路的复阻抗这三个方面来分析。之后就是对RL串联电路的功率进行分析计算，下面是瞬时功率p、有功功率（平均功率）P、无功功率Q以及视在功率S的公式：

并且教材还分析了有功功率、无功功率以及视在功率的关系，即

（6）RC串联的交流电路。

这一小节首先也是对RC串联的伏安特性进行讲解，主要从瞬时值、相量关系、RC串联电路的复阻抗这三个方面来分析。之后就是对RC串联电路的功率进行分析计算，下面是瞬时功率P、有功功率（平均功率）P及无功功率Q的公式：

RC串联电路的有功功率、无功功率以及视在功率也存在这样的关系：

（7）RLC交流电路。

这一小节主要是讲解RLC串联谐振电路和并联谐振电路，首先是串联谐振，教材分析了串联谐振的条件，并得到了满足电路谐振的条件是电路的固有频率等于外加电源（或信号源）的频率，然后对电路发生串联谐振时的特征做了描述与分析，其中重点讲解了品质因数Q的定义。之后就是对并联谐振进行介绍，与串联谐振一样，也对并联谐振的条件与特征进行了分析。

（8）功率因素的提高。

最后一节开头教材叙述了功率因素低带来的坏处，并由此建议提高功率因素。通过分析得到了两种方法，一是电容补偿法，二是采用同步电动机来提高。由于补偿法有简单、易行、损耗小等特点，教材还用相量图法对功率因素补偿的原理及补偿所用电容量的计算方法进行了分析。

（9）复习思考题。

本章最后设计了21道思考题，这些例题都是对前面八节内容的复习，难度系数从易到难，以求让学生通过自己思考计算，把所学知识牢固的掌握在头脑中。

4.2 重难点分析

通过对正弦交流电路的知识点分析，可以发现正弦量的三要素、有效值、相位差、相量图法及各电路元件的功率占量较大，知识点细，在整个章节都有贯穿，是本章节的重点知识，因此教师在教学时应该重点讲解，使每个学生都能理解和掌握这些知识点。本章的难点则是利用相量法来分析计算各电路元件的伏安特性及功率，里面包含了很多复杂的公式和分析运算过程，难度较大，在教材中的占比也较大，因此，在教学时，需要教师和学生多花一些精力在这上面。

5 使用教材的建议

（1）讲授法、实验法及讨论法相结合。由于本章内容知识点比较多且有一定的难度，教师在教学时可以采用讲授法使全班学生都能收获知识，在对各电路元件的交流电路进行教学时，尽可能的采用实验法和讨论法，使理论知识与实践相结合，再加上同学间的共同讨论，能够加深学生的理解。

（2）突出重点，突破难点。由于本章的重点是正弦量的三要素、有效值、相位差、相量图法及各电路元件的功率，所以教学时教师应对这些知识点进行反复强调，重点讲解，尽可能保证所有学生都能学会。对于用相量法来分析计算各电路元件的伏安特性及功率等难点，教师在设计教学时要多花一些精力，尽量把步骤进行细化，让学生能够突破难点，并且多关注所有学生的学习动态，适当地把超过学生认知结构的内容删减。

6 结束语

通过对正弦交流电路进行教材分析，可知教材的安排是科学合理的，在结构上、内容编排上由浅入深又相互贯通，符合学生的认知结构，并且里面包含的理论性也是较为丰富，对学生的理论学习有很大的提高。但其中的一些知识难度偏高，对于基础较低或者没有基础的同学来说会难以理解和吸收，所以建议教材应该细化步骤，对难点知识多加叙述，必要的情况下对一些内容进行适当的删减。