“ＬＥＤ發光二極管”情境教學的設計與實踐

摘 要 基于建構主義教學模式，對應用廣泛的“LED”章節進行較好教學設計，引導學生在有趣的實踐中，掌握LED的特性及其應用電路的設計方法。教學過程符合學生的認知水平，以實踐推動理論教學，提高學生的學習興趣，形成學生的自主學習的方式，獲得很好的教學效果。

關鍵詞 建構主義；LED；情境教學；自主學習

中圖分類號 G642 文獻標識碼 B 文章編號 1671-489X（2008）014-0035-02

1 引言

LED（LightEmittedDiode，發光二極管）具有體積小、壽命長、功耗低、色彩艷等優點，在現代生活中有著廣泛的應用。《模擬電子技術》第一章的“LED特性”一節在教學中往往一帶而過，少有詳細介紹。在高等職業教育中，教學應該以技術應用和技能培養為主。基于建構主義的教學模式強調創設情境，強調學生參與和學生自主學習，強調協作活動和意義的建構[1]。筆者通過對LED特性的情境教學，不僅使學生掌握了LED的特性，而且還大大提高了學生的應用技能，并激發了學生對電子技術極大的興趣。

2 LED情境教學

2.1 創設實踐情境從趣味性著手創設實踐情境，調動學生的積極性。著名的教育家赫爾巴特把發展廣泛的興趣作為教育的主要目標之一，并認為主要是興趣引起了人們對事物正確的、全面的認識，它導向有意義的學習，促進知識的長期保持，并為進一步的學習提供動機[2]。 對于學生來說，興趣更能激發他們的學習動機。

為了引起學生的興趣，筆者在課前制作了一個LED指示燈，并告訴學生，這是由LED為發光元件的，其最大特點是電壓低、電流小，所以功耗低，而且不易損壞，壽命遠大于普通燈泡。通過介紹吸引學生，給學生布置任務：變電所中配電屏的電源指示燈，通常為6.3 V、100 mA的小燈泡，這種小燈泡的過載能力差，因此壽命短，而且功耗大；設計一款長壽命、低功耗的指示燈替換電路。

2.2 實施自主學習有了目標，學生便開始積極設計，但由于認知水平有限，產生很多問題：1）LED能耗低，壽命長，可否用它設計電路？2）LED是否有單向導電性？3）LED的正常工作電壓和工作電流是多少？如何進行參數選擇4）電路是否還要限流電阻？如何選擇？5）設計好之后，功耗和原電路比較有何不同？

帶著這些問題，學生開始相互討論、相互合作、查閱資料等積極主動的學習（筆者在這里提供一些有效的資源以供學生查閱），并很快有了電路的雛形。有了初步方案，筆者就引導學生進入理論學習。

2.3 理論指導實踐LED是一種二極管，所以具有單向導電性。為了培養學生對LED的興趣及實驗技能，筆者在教學中用EWB仿真軟件對LED正常發光的電壓特性和正常發光的電流特性做了一個仿真實驗，由此得到LED發光管的幾個特點：1）LED具有單向導電性，正向導通發光，反向不發光，正向電流在1 mA～50 mA的范圍內均可發光；2)當電流較小時，在2 mA～18 mA左右，發光強度增幅較大，而到20 mA以后，發光強度就很穩定；3）LED正常發光時的正向電壓約為1.6 V～2.2 V左右；4）選擇LED時，LED的最高反向工作電壓較低，應注意極限參數和正常工作參數的選擇。

LED在發光過程中，只有很少一部分的電能變為熱能，大部分都變為光能，所以采用LED作為照明新光源，在與普通白熾燈保持同樣亮度下，其耗電量僅為后者的1/10，能耗極低。

有了理論指導，學生就在愉快而緊張的合作中完成這個電路。電路如圖1所示（電源為6.3 V，R為限流電阻，D為發光二極管）。

在這個小設計中，學生掌握了：

1） LED的特性。LED在正向電壓作用下發光，正向電壓很低，約為（1.6～2.2）V；正向電流也很小，約為（1～50）mA。這個電壓和電流范圍內均能發光，所以加限流電阻后的LED發光指示燈的電壓適用范圍很寬。

2）電路中限流電阻的選擇。在AB兩點間加上6.3 V的電壓，則限流電阻的值為：

其中Uab為電路的端電壓，Ud為LED的管壓降，約為2 V左右。為了節能，可以取任何能使LED正常發光的較小的電流值。如取電流為10 mA，則根據R的公式，計算可得此時的R約為430 Ω。

3)電路的功率比較。原電路中小燈泡的功率為630 mW，全年耗電5.44度。現用LED的功率為20 mW，但由于電路中限流電阻R也同樣耗電，所以整個電路耗電為原電路的1/10，全年耗電約為0.54度。

4)壽命的比較。一般來講，普通白熾燈的壽命約為1 000小時，熒光燈壽命約為10 000小時，而LED的壽命可達到（2～10）萬小時，可見其壽命長得多。

初步的成功給學生帶來成就感、喜悅感，并在感性認識中建構自己的認知系統。

2.4 拓展實踐應用實踐要依據理論的成果，遵循理論的指導并修正理論的失誤，促進其完善[3]。

有了指示燈小制作的經驗，可以啟發學生進一步的創造：既然LED能耗低、壽命長，能否替代家中的照明燈？學生分析：由于照明燈亮度太大，而LED亮度較小，若多個串聯，則使電路變得復雜。于是想出可以制作亮度不強的小夜燈。學生的思路打開之后，筆者就引導設計亮度不強的小夜燈的電路圖。設計電路的過程中要求學生注意幾個問題：1）由于LED的發光強度有限，而電路需要達到一定的亮度，怎么辦？2）工頻交流電如何與具有單向導電性的LED配合？3）由于LED的工作電流較小，所以電路中要如何限流？4）限流電阻會消耗大量電能，如何減少電能的消耗？

由于有了一次小電路設計的經驗，學生在筆者的啟發引導下，積極參與，主動查閱資料，互相討論，反復思考，最終設計出這個小夜燈電路（圖2）。

1）LED的選擇。①ab間的電壓是工頻220 V電源與LED的單向導電性之間的配合，用兩組LED反向并聯，一組在電源正半周發光，一組在電源負半周發光；②由于要具有一定亮度，每組串了3只LED；③兩只普通二極管在電路中起整流作用和反向擊穿保護。

3）能耗的計算。由于電容是貯能元件，不消耗電能，所以只有二極管耗電，則電路的有功功率為：W=。通過計算，這盞小燈的功率約為幾十毫瓦，一年也耗不了1度電。

4）電路的改善。學生通過EWB仿真軟件對電路進行仿真，發現這個電路中LED閃爍得厲害。進一步分析，由于每組二極管上都是正弦半波，電壓脈動較大，所以應對各支路濾波，電路閃爍情況好轉。

最終學生用家庭廢棄的燈頭做出漂亮、節能、長壽的小夜燈。

2.5 建構知識系統電路做好之后，筆者引導學生及時總結并內化所學知識，寫出學習報告，以建構并形成自己的知識系統。這次電路設計涉及的知識有：1）發光二極管的特性和應用，以及參數的選擇；2）二極管電路中限流電阻的設計方法；3）二極管的單向導電性及其整流；4）容性交流電路的分析方法及計算；5）交流電路的功率及電能的計算方法；6）電容濾波電路的原理。

3 結束語

通過LED的情境教學，學生成功地利用LED設計并制作出圖3所示小燈：6只LED亮度足夠夜晚使用，它功耗低，發熱少，即使長年開著也不會燙，而且一年也用不了1度電。尤其是設計與制作的過程，引起學生對電子技術極大的興趣，在學生中產生很大的反響。通過情境教學，從有趣的實踐作品著手，以實踐教學帶動理論教學并反作用于實踐應用的教學方法，符合學生的認知水平，有助于形成學生的自主學習意識，并在相互合作中促進學生的人格發展，進一步促進學生的素質教育。

參考文獻

[1]何克抗.建構主義的教學模式、教學方法與教學設計[J].北京師范大學學報，1999(5)

[2]章凱.興趣與學習：一個正在復興的研究領域[J].寧波大學學報，2002(2)

[3]楊滌.教師專業教育模式以理論與實踐的關系為中心[J].外國教育研究，2000，27(6)