探析光控開關制作實驗的教學方法

高 源

(空軍航空大學，長春 130000)

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探析光控開關制作實驗的教學方法

高 源

(空軍航空大學，長春 130000)

光控開關制作屬大學物理實驗課程體系中的設計性實驗項目。近年來，很多院校都開設了此實驗，取得了一定的教學效果。結合光控開關制作實驗基本內容，對如何更好地實施本實驗教學，真正做到提升學生的自主設計能力提出參考建議。

光控開關制作；設計性實驗；自主設計

1 光控開關電路

光控開關制作是我校大學物理實驗課程中開設的一個設計性實驗，設置課時2學時，光控開關廣泛應用于人們的生活中，如：經常見到的樓道光控燈、賓館的光控門，等等，這些光控開關采用的是集成電路，且直接使用220V的交流電源。這種光控開關對于初學者說,存在著兩個弊端：其一，原理不易理解和掌握，其二，調試電路有一定的危險性。我們采用分立元件和低壓電源設計一種適合初學者的光控開關，目的是使學生通過查找檢索資料完成任務，設計出光控開關電路之外，更重要的是讓學生學會電路設計方法，進而培養提高創新能力。

本實驗的設計任務就是要求學生利用現有條件自主設計光控開關電路。設計要求：第一，設計的光電開關電路能實現遮光時接通，不遮光時斷開；第二，設計相應的驗證光控開關電路的實驗內容和步驟；第三，按實驗步驟和內容驗證設計的光控開關電路；第四，整理完成后設計實驗報告。

本實驗的設計不僅包括電路設計，還包括驗證電路的步驟。電路設計可分成三部分：第一部分將光信號轉變成電壓信號；第二部分將第一部分的微弱電壓信號放大；第三部分將放大后的電信號轉換成機械觸點接通或斷開。查找資料是為解決方案中的具體技術問題，通過網絡、圖書館和請教方式實現，學生在設計電路時通常都是通過網絡資料查找完成的。電路設計完成后，學生通過實驗課進行實物連接驗證，最終完成光控開關電路的設計任務。

2 關于本實驗的認識與思考

本次實驗是設計性實驗，要求學生自主完成光電開關電路的設計任務。目的：一是掌握光電傳感器、放大驅動電路、繼電器電路的工作原理；二是學會光控開關的設計、實驗驗證設計和方法；三是培養學員分析問題、解決問題的創新能力。實驗設計是指根據已定的任務和要求，對實驗原理、實驗方法、實驗步驟以及實驗器材，進行科學合理的設計和組合，選出最佳可行的方案，為正式進行科學實驗做好準備工作。實驗研究能否達到預期成果，取決于實驗設計的全過程，應遵循以下基本原則：

2.1 實驗原理的科學性及器材的可行性

明確實驗設計的任務和要求后，建立實驗原理，并且反復論證其可行性、正確性和科學性。任何一個實驗設計方案都離不開合適的實驗器材，對于最佳設計方案，更要考慮最佳的實驗方法，從滿足設計任務精度要求以及實際允許的條件出發，合理選擇所需的儀器設備與材料。

2.2 實驗現象的可觀測性和可滿足性

實驗的最佳模型是根據實驗現象再現的物理過程建立起來的，要求物理現象既可定性地觀察到，又可定量地通過儀器檢測到，進而對物理現象所再現的物理規律進行分析與研究。最佳的實驗模型(實驗原理)往往是在一定的條件下建立起來的，而實驗儀器只能在一定的環境條件下進行工作，這些實驗過程必須在可控制的情況下完成。

2.3 實驗設計的優化性和可操作性

一個物理現象可通過多種物理過程再現出來，每一種物理過程都有一種研究方法，如果一個設計科學合理，簡單易行，并能達到預期結果，則該設計便是最優化的。設計實驗的方案最終是要通過實驗來實施的，即依靠合理操作儀器來完成，實驗的布局、實驗儀器的操作、條件的滿足、數據的測量、處理及分析等都屬于操作過程。本次實驗采用了啟發、引導和討論的自主式教學模式。重在體現學生自主設計的本質，并能從中學習和體驗設計方法和設計驗證過程，從而達到設計性實驗的教學目的，教學過程的組織是按實際的電路設計過程和主要環節進行安排和設計，目的是使學員在實施過程中學習并掌握真正的電路設計方法。

基本教學思路按以下四步完成：

第一，教學準備階段。在實驗器材準備上考慮到學生的現有水平，為了使學生的自主設計成為可能，專門設計制作了相應電路模塊，使學生的光電開關電路設計起步于電路功能模塊而不是基本電路元件；光電傳感和信號放大電路模塊各準備兩套，交叉組合可達到四種光電開關電路方案，學生通過查找資料和自己的理解喜好進行自主設計，從而體現設計性實驗具有自身特色的設計本質。搜索資料包含兩部分內容：一是利用自己已掌握的知識搜索到與題目相關理論依據和實驗方法，運用分析歸納方法，結合已知的儀器設備，擬定初步的設計框架；二是從已出版的相關文獻中搜索，找出可以借鑒的理論依據及研究方法，經梳理后再舉一反三。搜索資料的過程即是調查研究的過程，也是形成初步設計框架的思維過程。教師專門在校園網上專門建立了欄目，準備了相應的光電開關設計方面的技術、電路原理和電路模塊的應用資料，達到設計工作必須查找資料的環節，進而實現初步構思，對實驗過程中設計框架的合理性和可行性進行全方位分析，比較各種方案的優劣性、可行性、儀器設備的易配性、實驗條件的易滿足性以及可操作性，選出初步設計方案。

第二，教學實施。課前一周在網絡平臺下達設計實驗任務書，引導學生進入設計師角色，承擔起設計任務，主動進行設計，從而完成電路設計方法的學習；學生在網絡平臺上提供相關的電路原理和電路模塊的技術應用資料，以方便查找、學習和應用；學生在設計任務書引導下，到網絡平臺上查找相應資料，進行光電開關電路設計和電路的實驗驗證設計；之后，學生將獨立完成的光電開關電路設計和相應的實驗驗證設計通過網絡途徑發給指導教員；教師下載評審后再返給學生；學生整理得到相應的實驗方案；實驗方案是對設計方案進行科學論證而提供可行性依據的具體實施藍圖，在實驗研究工作中，無論是驗證形成的假設，還是探索新規律，其具體實施過程都是按預先擬定的實驗方案進行的，在對搜索資料分析的基礎上，綜合分析和比較各種可行的設計方案，都需要擬定最佳的實驗方案，包括實驗研究題目、研究目的和要求、選用的儀器、實驗步驟、數據處理方法等。最終學生在上實驗課時對所設計的光電開關電路進行實驗驗證。

第三，課堂教學環節。課堂教學中只是進行簡單講解、引導和討論：引導學員完成檢驗所設計光電開關電路的實驗方法和步驟，并提示實驗環節的重要性；安排實驗驗證操作，由學員對自己設計的光電開關電路進行驗證。

第四，課堂總結。實驗后，對電路設計方法步驟進行總結，以強化學員對電路設計方法步驟的理解和掌握。強調設計方法中“改進優化”的重要性，并組織學員對在實驗過程中暴露的問題進行分析后進行電路設計方法中的“改進優化”，然后引出兩個新的電路設計題目，由學員進行應用學習設計方法和電路設計思路的討論，以加深對設計方法的掌握和應用。最后強調的是設計，掌握了設計方法就是具備了一定的創新能力。我們這次設計實驗課的目的就是培養提高學生的能力。

3 結語

光控開關制作實驗雖然是比較基礎的電類設計實驗，但對于還未系統學習電工電子類課程的學生來說還是具有一定挑戰的，這就要求教師更多的思考如何改進本實驗的教學方法和手段，不僅使學生能設計出光控開關電路，更能培養他們自主思考的意識和創新意識，提升學生的研究探索能力。

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Exploring the teaching method of light control switch making experiment

GAO Yuan

(Air Force Aviation University, Changchun 130000, China)

The light control switch is a design experiment project in the university physics experiment course system. In recent years, many institutions have set up this experiment, and achieved a certain teaching effect. Combined with the basic content of light control switch production experiment, suggestions on how to better implement the experimental teaching and truly enhance the students′ ability were proposed.

Light control switch production; Design experiment; Independent design

2017-04-20

高源(1982-)，男，碩士，實驗師。

D424.4

A

1674-8646(2017)11-0114-02