基于“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”素養(yǎng)的上下限控制教學(xué)研究

摘?要：在應(yīng)試壓力極大的高中階段，無論是學(xué)生還是教師都把考試得分放在首位，故應(yīng)試技巧在教學(xué)中占較大比重。“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”這一技術(shù)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在教學(xué)中重視不夠，教師在教學(xué)中選擇傳授得分技巧還是選擇用較多課時(shí)啟發(fā)學(xué)生能力是一種兩難選擇。其實(shí)二者可以并存，本文通過電子控制難點(diǎn)“上下限”的系統(tǒng)化教學(xué)設(shè)計(jì)，研究將“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”能力培養(yǎng)結(jié)合到教學(xué)中以實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力和應(yīng)試的雙豐收。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計(jì);技術(shù)核心素養(yǎng);上下限控制

技術(shù)成為高考科目以來，大量學(xué)生將技術(shù)為作為選考項(xiàng)，但電子控制部分又是學(xué)科重難點(diǎn)，由于學(xué)生這塊內(nèi)容入門較難，特別是上下限控制類題型更是電控中的難點(diǎn)。筆者在教學(xué)中依據(jù)“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”內(nèi)涵，利用多年高三積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)上下限控制教學(xué)重新設(shè)計(jì)，嘗試讓學(xué)生在掌握知識(shí)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)試的同時(shí)發(fā)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想。現(xiàn)將教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

一、 利用典型素材，做好變式研究

以教材電路為例（圖1）：此圖的變式在高考中多次出現(xiàn)，可以拓展很多變式。

1. 分析滑動(dòng)變阻器Rp的作用并定性比較滑動(dòng)觸頭停在某位置時(shí)A、B兩點(diǎn)的電勢(shì)高低。

2. 分析RS觸發(fā)器輸入端隨滑動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸入情況和LED的亮滅情況。

3. 分析A、B兩點(diǎn)所處電平高低和與非門觸發(fā)器的輸入關(guān)系。要求通過改變滑動(dòng)變阻器的電路，將此電路改裝成溫度過高報(bào)警電路。讓學(xué)生分析滑動(dòng)變阻器Rp的分壓原理，并利用分壓思想設(shè)計(jì)出圖2高溫報(bào)警電路。

讓學(xué)生理解溫度報(bào)警原理是熱敏電阻在不同溫度分壓不同造成，并能夠理解當(dāng)Rt分別為正、負(fù)特性時(shí)在電路中放置的位置差異。思考：溫度變化改變C點(diǎn)電勢(shì)，C點(diǎn)電勢(shì)影響A、B電勢(shì)高低，如果C點(diǎn)電勢(shì)不變，怎樣實(shí)現(xiàn)A、B兩點(diǎn)電平在0與1之間跳變？分析得出AB兩點(diǎn)出現(xiàn)00、01、11三種狀態(tài)。進(jìn)一步簡化得到圖3并分析功能。再提要求：如何繼續(xù)減少元件實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警目的？試想如果將邏輯門a拿走，要使電路功能不變應(yīng)怎么調(diào)整？以問題引領(lǐng)滲透創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想。

將圖3中Rt1與R2位置互換，讓學(xué)生比較上述電路并總結(jié)出上下限控制的本質(zhì)，即：RS觸發(fā)器的輸入在10、11、01之間轉(zhuǎn)變，持續(xù)升溫或降溫階段輸入端為11。

總結(jié)技巧：觸發(fā)器的其中一個(gè)輸入端連接非門則兩個(gè)熱敏電阻都靠近電源或接地端（與正負(fù)特性相關(guān)），否則一個(gè)靠近電源，另一個(gè)靠近接地。深入：如果與非門觸發(fā)器換成或非門觸發(fā)器（如圖4），應(yīng)將電路功能作何改變？分析圖3、4中分別由哪路輸入控制上限溫度報(bào)警？讓學(xué)生掌握無論是在升溫還是降溫，RS觸發(fā)器都需經(jīng)過保持態(tài)，然后再考慮某個(gè)輸入腳變化觸發(fā)報(bào)警，并判斷上下限控制端。

二、 剖析復(fù)雜芯片，回歸簡單原理

555時(shí)基電路的內(nèi)部主要由RS觸發(fā)器控制，在學(xué)習(xí)完RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上過渡到555的學(xué)習(xí)。555時(shí)基電路比RS觸發(fā)器多了一個(gè)運(yùn)算放大器。給學(xué)生展示555芯片的原理圖，并讓學(xué)生通過教材素材（圖5），理解其控制原理。

剖析555時(shí)基電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)：①三個(gè)電阻的功能;②運(yùn)算放大器C1、C2的作用;③RS觸發(fā)器輸入端的可能性;④兩個(gè)非門的作用和3腳與7腳的電位關(guān)系。⑤比較與RS觸發(fā)器輸入輸出關(guān)系，相似點(diǎn)與不同點(diǎn)。

555內(nèi)部RS觸發(fā)器的輸入端模擬信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。利用555芯片重新設(shè)計(jì)水位控制電路（圖6）。

555時(shí)基電路與RS觸發(fā)器具有相似的三種輸入狀態(tài)，控制的本質(zhì)依然是觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了從觸發(fā)器到555時(shí)基電路的拓展。把復(fù)雜的555電路回歸到學(xué)生熟悉的觸發(fā)器知識(shí)上來，并讓學(xué)生分析其優(yōu)點(diǎn)。拓展是對(duì)舊知識(shí)的創(chuàng)新。

三、 歸納設(shè)計(jì)思想，拓展設(shè)計(jì)思路

展示電路如圖7所示。總結(jié)設(shè)計(jì)思想：初始觸發(fā)+狀態(tài)維持+結(jié)束觸發(fā)。核心在于J1這個(gè)開關(guān)，繼電器內(nèi)線圈通電后，因V1的基極在J1吸合后與常閉觸點(diǎn)斷開，將保持低電平狀態(tài)。簡稱為“電位回歸”思想，如沒有J1，繼電器吸合后V1基極電位會(huì)馬上轉(zhuǎn)變，使繼電器電磁鐵磁性消失，電路不具備保持水位持續(xù)上升功能，只能維持在特定水位。J1讓V1基極電位的變化時(shí)間延后，故稱為“電位回歸”。以上水位控制是利用三極管實(shí)現(xiàn)的，提供不同元件讓學(xué)生利用“電位回歸”思想，設(shè)計(jì)上下限控制電路，達(dá)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)目的。

利用“電位回歸”思想將圖8電路改成溫度的上下限控制（圖8）。此電路通過為R1并聯(lián)一個(gè)電阻R2使V1基極低電位因J1的開合實(shí)現(xiàn)“電位回歸”。這個(gè)思想同樣適用于JN6201芯片、普通邏輯門組合和放大器芯片。

根據(jù)“電位回歸”思想，利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)溫度上下限控制。如圖9所示，U+>U-時(shí)IC輸出高電平，加熱開始后U-會(huì)升高，此時(shí)由于J1閉合U+升高，在達(dá)到溫度上限之前可以保持輸出端高電平。

“電位回歸”思想在運(yùn)放的負(fù)反饋電路（圖10）中的作用，當(dāng)溫度低于下限時(shí)LED燈常亮，高于上限時(shí)長滅，而處在上下限之間時(shí)LED閃爍。利用等效思想，當(dāng)IC輸出1時(shí)電阻R相當(dāng)于跟Rt并聯(lián)，當(dāng)IC輸出0時(shí)R相當(dāng)于跟R1并聯(lián)，使得負(fù)極輸入端的電壓U-不斷圍繞正極輸入端電壓U+變化，得到U+>U-和U+

四、 結(jié)束語

高中階段的上下限控制原理歸結(jié)為兩類：1. 基于觸發(fā)器保持功能。2. 利用繼電器實(shí)現(xiàn)輸入端“電壓回歸”，把學(xué)生普遍害怕的上下限控制類題型簡化，讓學(xué)生掌握核心思想，打好“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”能力的基礎(chǔ)。教學(xué)過程既是知識(shí)的傳遞過程也是思維的啟發(fā)過程，只有激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造力，教育的目的才能實(shí)現(xiàn)。在人工智能，網(wǎng)絡(luò)慕課等發(fā)展欣欣向榮的今天，很多崗位將會(huì)被機(jī)器代替，而教師崗位的價(jià)值就在于激發(fā)創(chuàng)新，這是機(jī)器無法替代的。“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”素養(yǎng)是“人才”必須具備的核心素養(yǎng)，這種能力來自課堂的扎實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)和拓展能力。教學(xué)設(shè)計(jì)中如何使學(xué)生從根本上掌握知識(shí)本質(zhì)，并在學(xué)習(xí)過程中學(xué)會(huì)創(chuàng)新，是教育工作者需要探索的。鑒于筆者水平有限，有不當(dāng)和疏漏之處懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]電子控制技術(shù).江蘇鳳凰教育出版社，2004.12月第一版.

作者簡介：

沈杰，浙江省杭州市，杭州市余杭第二高級(jí)中學(xué)。