抓住“异象”丰满“教材”

抓住“异象”丰满“教材”

顾建达

江苏省惠山中等专业学校

摘要：利用一次误操作的实验所得到的“异象”作为一个教学契机，“丰满”了《电工技术》教材中被“忽略”的知识点，而这在工程实际中非常有意义。充分运用认知冲突，建构新的知识要素，生动地实施了教学意图，圆满地达成了教学目的。

一

1“教材”：

现在的职教类教材，体系上几乎都是所谓“项目教学”了，但内容不少是“伪项目”。其中一个原因是：一个教师哪怕来自企业，要熬到能出书，通常离开实践岗位至少10年！何况直接毕业于大专院校的呢。所以教材内容非常滞后！还有，如今的有些作者是真大胆，怎么不严谨怎么写。再者，教师做久了出题也就落俗套了：应试味十足，甚至为刁难学生而杜撰不少偏离实际需求的题目。

职业类学校的涉电专业都有一门专业基础课《电工基础》，里边会讲到变压器，电压、电流互感器。以下简称电流互感器为CT。教科书说到CT的使用时，通常只强调不能开路。这是非常不全面的，使用中还有一点需要特别注意！即CT的次级电压不能超过饱和压降！而这，笔者几乎没在教科书中见到过。我们可以推脱：枝枝节节的知识，教材哪顾得过来。但我们职业教育培养的，可是产业界明天的工程技术人员啊。

所以笔者认为，当下职业院校的专业类教材，值得校本、值得活页，值得丰满。

2“异象”：

笔者曾为2kW电磁炉输出电流采样电路的选型做过一次试验。因为不在现场手头器件不齐，故随手抓来一个CT。这个CT的（铁氧体）磁环截面积约36平方毫米。根据经验，这么大的截面积，磁芯是绝不会饱和的（注意，这个潜意识会作祟）。

按下图搭了个测试线路（见图1-a），因为电磁炉取样后须为直流，故测试线路加了个全桥。又因电磁炉不在身边就地借用了市电（这是第一个坑）。

如此测试线路，取样电阻上（J1、J2之间）应该得到什么样的波形呢？

居然是全桥电路，就该是个全波整流波形吧。但是，结果严重“颠覆”我的预设（示波器型号为：普源DS1102E）。预期的全波整流波形没有出现，而是这个明显非线性了的“干瘪”波形（见图1-b）。

二极管的非线性肯定有影响，可也不该离全波整流波形这么远啊！

先不管二极管的非线性，改波形观察点为CT线圈输出端（J1、J2），结果见图2-b。

实事求是地说，我看到这波形时也愣了好一会。虽然经验告诉我，这是磁芯饱和时出现的伏安特性“上翘”现象。但一时间竟也难于接受！毕竟磁芯截面那么大！

3移花接木：

这个“异象”是足以形成视觉“刺激”的，完全可以搬进课堂。作为教学引子，来引出工程实际中需要十分注意的CT饱和压降这一问题！

以下假设这个实验搬到了课堂。至此可以给我们的学生设疑了：是理论出问题了？因为经常会听到这样的推脱论调：“理论和实际不一定相符的”。严格地说，这句话是对的。但出入通常不会这么大，否则我们还学什么“理论”呢。应该说：不是理论与实际不符，而是为求数理关系简洁，“理论”忽略了很多次要因数！

这种忽略在基础性课程中比较多，在专业课程中大多会有经验系数的修正。而且教科书中要忽略一些次要因素时一定会申明。只是教着教着、学着学着、考着考着就被师生遗忘了。这个责任应该要算在我们教师身上的吧。

回到问题上来，造势后再给学生以正确的思维方向：常识告诉我们，当出现“异象”时，要么还有未被发现的因果规律、要么忽视了某些形成条件。所以要继续下面的“求证”。

4寻找突破：

切记，困局出现后，一定要“变”起来！改变电路、方法、对象等等。所谓“运动战”就是在运动中让对方暴露弱点。这里是要暴露形成异象的“蛛丝马迹”。

据此，可以把两个固定电阻(R1,R2)换成一个47Ω的可变电阻，结果可发现：电阻较小时，是会出现预期的正弦波形的，只有电阻较大时才开始出现这种“干瘪”的失真波形！

这意味着什么呢？CT次级的电流通常情况下是不会改变的，那么改变电阻就意味着次级线圈两端电压在变。电阻不能太大，就是说CT次级线圈两端电压不能太大。到此，教师就可以引导了：磁芯饱和！

二

（1）有请“先生”：

“老先生”就是教科书上的理论。都知道正弦交流电磁线圈两端电压有个关系式：

U = 4.44fNφ_m = 4.44fNB_mAe…….(式中Bm是磁感应强度，Ae是磁芯有效截面积)

让我们针对这个CT来个简单核算下吧：

磁芯截面积Ae=36mm²，圈数N=100，磁感应强度饱和值为：B_m=0.35T(特)

故饱和压降：U≈4.44*50*100*B_m*36*10^-6 = 0.28V

饱和压降这么小，肯定是磁芯进入饱和了，磁芯饱和后，CT的线型特征就不复存在了，预期的正弦波形也不会出现。也就是说图中的取样电阻取得太大。似乎“异常”得到了解释，其实还没完！

（2）反复核实：

实际电磁炉用的CT，比那个笔者随手“抓”来的CT，截面小得多，怎么没有饱和呢？教师可以假装突然间想起，啊，交流电不同！电磁炉输出是几十kHz的交流，而这里我们用的是50Hz市电！

那么这个磁芯若用于50kHz交流应该不会饱和吧？再来核算一下饱和压降：

U≈4.44*50*10³*100*0.35*36*10^-6 = 280V （也即1000倍！）

这么高的饱和压降，几乎根本不会饱和。因为CT采样电路的输出信号电压峰值，通常控制在几伏数量级上（由AD芯片输入范围决定，非本题讨论范围）。

再来反向推一下，若饱和压降取3.5V，那么B_m= 0.35T的磁芯，截面积只要多少呢？

U≈4.44*50*10³*100*0.35*Ae =3.5V

Ae = 0.45*10^-6 m² = 0.45mm²

所以说，在电磁炉这个产品上，检测50kHz交流输出电流的CT，磁芯界面比这小得多。这里之所以出现“异象”，皆因针对CT用错了电源（频率），或者针对市电选错了CT。

一切终于全部“自圆其说”，说明啥呢，说明“理论”与实际是相符的！

总之：

限于篇幅，文中未详细解释实测波形的由来原委，揭示“真相”不是本文所讨论的问题。专业问题、理论解释、数据核算，这些是教案设计的事。但三次核算CT次级的饱和压降，起到了复习巩固，认知提升的作用，且学习的气氛是活跃、过程是积极的。

笔者要说的是：职业院校的教师，要多“动手”。只有动起来，才会遇到很多貌似奇奇怪怪的“异象”。这些“异象”往往是生动的、接地气的教学契机。而对这些“异象”的去伪存真，则能成功地博取学生眼球、促使学生认知的螺旋上升。不仅使学生体验了探究的愉悦，还顺便丰满了校本教学的素材。