關于《技術與設計2》中“反饋”內容中的小試驗的辨析

陳勝

【中圖分類號】G632 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0245-01

前些天聽到一堂關于蘇教版《技術與設計2》中“閉環控制系統中的干擾與反饋”的課，當中的一個問題再次引起了我的注意，特作一闡述，以便與同行相交流。在教材的第110頁中給出了關于反饋的定義，“在自動控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程，就是反饋（feedback）。”并在第111頁設計了一個小試驗。小試驗的內容如下：

試驗目的：通過視力保護提醒器報警試驗理解反饋的原理

試驗準備：有窗簾的房間，可調光臺燈，（或可調燈泡高度的臺燈），試驗電路板，光敏電阻，微調電阻，三極管，小喇叭，電阻，導線，電池盒等。

試驗過程：

1.根據電路圖焊接視力保護提醒器的電路，并根據人眼看書時適宜的亮度范圍，通過調節電路中的兩個可變電阻Rp1和Rp2分別調整亮度的下限和上限。

2.拉上窗簾使室內光線變暗。

3.把做好的視力保護提醒器與臺燈同放在一個桌面上，通過可調光旋鈕或調高臺燈燈泡與桌面的距離，將臺燈的光線逐漸調暗，使光線漸漸減弱，觀察視力保護提醒器，直到它報警。

4.用同樣的方法將臺燈的光線逐漸調亮，使光線漸漸增強，觀察視力保護提醒器，直到它報警。

試驗總結：

1.在視力保護提醒器內部已經設定兩個可變電阻的阻值，分別對應著強光和弱光報警的上、下限電流值，這相當于一個已知的輸入信號。當臺燈光線的輸出信號通過光敏電阻反饋到視力保護提醒器內，電路電流值與上、下限電流值比較，當電流值在這兩者之間時，電路不報警；當光線過暗或過強，提醒器就報警，提醒人們電燈的光線過暗或過亮，人們再根據這一提示調節可變電阻值，從而調整光線的亮度。

2.視力保護提醒器利用了反饋原理，可用于提示學生用眼衛生。

在教材當中，所設計的這一個小試驗，旨在讓學生在動手體驗的過程當中，學習簡單電路圖的閱讀，常規電子線路的構建，并在這一過程當中對反饋的工作原理有一個直觀明確的了解。

筆者以為，這一個小試驗的試講，如果作為一個簡單的電子百拼動手操作是可以的，卻并不能用于說明反饋，且其工作原理也和反饋的定義相背離。根據教材定義，所謂反饋，需要滿足如下條件：第一、必須是自動控制系統；第二、存在一個檢測裝置，并能返回輸出量；第三、輸出量與輸入量需進行比較。現在我們可以分析一下教材當中所認為的該視力保護提醒器的信號傳輸過程。

而實際情況卻并非如此，我們在進行控制系統的分析時，往往是不把人工干預與調整計算在內的，也就是說，這個視力保護提醒器的信號傳輸是從“外部光線強度”的檢測開始，到“是/否發出報警音”結束，不包括人為調整光線強度的過程。而一旦把人為調整外部光線強度的過程剝離了這個系統，那么這個視力保護提醒器的控制系統就變了一個開環控制系統，在這里“外部光線強度”是輸入量，“是/否發出報警音”是輸出量，這里不存在檢測裝置來檢測輸出量，輸出量與輸入量是不同類型的物理量，也不可能存在比較的過程，所以這里作為一個開環控制系統，也不可能存在反饋。

更為令人感到擔憂的是筆者在聽課之中發現，有部分老師在講授《反饋》這一課時，設計了一個案例1和一個活動。

案例1：投籃。如果讓一個人原地轉身數次后閉眼投籃，一般很難投中。如果睜開眼睛投籃，則命中率很高。把投籃的過程作為一個控制系統加以分析，則人眼在這一控制過程當中起到了反饋的作用。

而對于投籃的過程能否算是一個反饋的控制過程呢？在課后的評課環節當中，竟然發現有多名新老師對“反饋”這一概念不是很清楚，不明白定義當中的“檢測裝置”必須是自動控制系統當中的一部分，不可以是人參與的一部分。而這一部分老師之所以認同投籃這一錯誤的案例，其主要的依據就是教材第111頁當中的這一個“視力保護提醒器”的小試驗。

活動：點睛之筆。由老師在黑板上畫一張沒有眼睛的人臉，然后讓一位同學在這張臉上畫上眼睛，接著重新擦掉眼睛，讓這種同學閉上雙眼，原地轉動三圈后再畫眼睛，對比兩次畫眼的結果。

這里的活動設計與前面的案例1的作用是一致的，都是想要說明在控制過程當中的人眼的反饋作用，但是這也就更進一步地說明了授課老師對于反饋這一概念的錯誤理解。而這些錯誤的依據全在于課本第111而的小試驗。在此，我們還可以通過在教學中廣泛應用的一個開環與閉環的典型案例2——游泳池水位控制系統的設計加以分析。

案例2：有一個需要換水的游泳池，有進水口和出水口。

開環的游泳池水位控制系統：需要提高水位時，打開進水口，人在邊上觀察，待水位達到需求水位時，關閉進水口；需要降低水位時，打開出水口，人在邊上觀察，待水位達到需要水位時，關閉出水口。

閉環的游泳池水位控制系統：將出水口的出水流速設置成遠遠小于進水口進水流速，在游泳池的水面設置一個浮球與連桿，用于檢測游泳池的水位高低，并設置需求的最高水位與最低水位。然后通過電位器控制進水口的開關，當水位達到設定的最高水位時，關閉進水口；當水位達到設定的最低水位時，打開進水口。

此時，我們可以進行反證，假設反饋的檢測裝置可以是人工檢測，那么這里的開環經典案例也就成了閉環。試想想，如果所有的開環控制控制系統當中的輸出量都通過人工觀察結果，然后根據需要手工調整輸入量對系統進行控制，而這種控制也可以算是反饋的話，那么所有的開環控制系統都成了閉環控制系統，從此之后，控制系統再無開環與閉環的區別。并按照這一情況繼續推導，則所有的可控制的系統全部成了閉環控制系統，全部都有反饋環節。而這一結論顯然是不成立。從而我們可以得出結論：反饋中的檢測裝置不可以是人工檢測。根據這一結論，則更說明教材第111頁的小試驗中的視力保護提醒器并不具有反饋裝置，也不適合作為反饋這一內容的案例。

通過這一案例更提醒了我們在教學當中，關于“反饋”的理解不能光從字面上理解為“信息返回”，我們需要搞明白作為一個控制系統中的裝置，這里的“信息返回”必須是由系統本身的裝置完成的，而不能由作為系統的使用者——“人”來代為完成。

參考文獻：

[1]顧建軍主編蘇教版《技術與設計2》，鳳凰出版社出版.endprint