基于“創新設計”素養的上下限控制教學研究

摘?要：在應試壓力極大的高中階段，無論是學生還是教師都把考試得分放在首位，故應試技巧在教學中占較大比重。“創新設計”這一技術核心素養的培養在教學中重視不夠，教師在教學中選擇傳授得分技巧還是選擇用較多課時啟發學生能力是一種兩難選擇。其實二者可以并存，本文通過電子控制難點“上下限”的系統化教學設計，研究將“創新設計”能力培養結合到教學中以實現學生能力和應試的雙豐收。

關鍵詞：創新設計;技術核心素養;上下限控制

技術成為高考科目以來，大量學生將技術為作為選考項，但電子控制部分又是學科重難點，由于學生這塊內容入門較難，特別是上下限控制類題型更是電控中的難點。筆者在教學中依據“創新設計”內涵，利用多年高三積累的經驗對上下限控制教學重新設計，嘗試讓學生在掌握知識，實現應試的同時發展創新設計思想。現將教學設計進行探討。

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，可以拓展很多變式。

1. 分析滑動變阻器Rp的作用并定性比較滑動觸頭停在某位置時A、B兩點的電勢高低。

2. 分析RS觸發器輸入端隨滑動觸頭運動時的輸入情況和LED的亮滅情況。

3. 分析A、B兩點所處電平高低和與非門觸發器的輸入關系。要求通過改變滑動變阻器的電路，將此電路改裝成溫度過高報警電路。讓學生分析滑動變阻器Rp的分壓原理，并利用分壓思想設計出圖2高溫報警電路。

讓學生理解溫度報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Rt分別為正、負特性時在電路中放置的位置差異。思考：溫度變化改變C點電勢，C點電勢影響A、B電勢高低，如果C點電勢不變，怎樣實現A、B兩點電平在0與1之間跳變？分析得出AB兩點出現00、01、11三種狀態。進一步簡化得到圖3并分析功能。再提要求：如何繼續減少元件實現上下限報警目的？試想如果將邏輯門a拿走，要使電路功能不變應怎么調整？以問題引領滲透創新設計思想。

將圖3中Rt1與R2位置互換，讓學生比較上述電路并總結出上下限控制的本質，即：RS觸發器的輸入在10、11、01之間轉變，持續升溫或降溫階段輸入端為11。

總結技巧：觸發器的其中一個輸入端連接非門則兩個熱敏電阻都靠近電源或接地端（與正負特性相關），否則一個靠近電源，另一個靠近接地。深入：如果與非門觸發器換成或非門觸發器（如圖4），應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警？讓學生掌握無論是在升溫還是降溫，RS觸發器都需經過保持態，然后再考慮某個輸入腳變化觸發報警，并判斷上下限控制端。

二、 剖析復雜芯片，回歸簡單原理

555時基電路的內部主要由RS觸發器控制，在學習完RS觸發器的基礎上過渡到555的學習。555時基電路比RS觸發器多了一個運算放大器。給學生展示555芯片的原理圖，并讓學生通過教材素材（圖5），理解其控制原理。

剖析555時基電路內部結構：①三個電阻的功能;②運算放大器C1、C2的作用;③RS觸發器輸入端的可能性;④兩個非門的作用和3腳與7腳的電位關系。⑤比較與RS觸發器輸入輸出關系，相似點與不同點。

555內部RS觸發器的輸入端模擬信號經過運算放大器變為數字信號。利用555芯片重新設計水位控制電路（圖6）。

555時基電路與RS觸發器具有相似的三種輸入狀態，控制的本質依然是觸發器，實現了從觸發器到555時基電路的拓展。把復雜的555電路回歸到學生熟悉的觸發器知識上來，并讓學生分析其優點。拓展是對舊知識的創新。

三、 歸納設計思想，拓展設計思路

展示電路如圖7所示。總結設計思想：初始觸發+狀態維持+結束觸發。核心在于J1這個開關，繼電器內線圈通電后，因V1的基極在J1吸合后與常閉觸點斷開，將保持低電平狀態。簡稱為“電位回歸”思想，如沒有J1，繼電器吸合后V1基極電位會馬上轉變，使繼電器電磁鐵磁性消失，電路不具備保持水位持續上升功能，只能維持在特定水位。J1讓V1基極電位的變化時間延后，故稱為“電位回歸”。以上水位控制是利用三極管實現的，提供不同元件讓學生利用“電位回歸”思想，設計上下限控制電路，達到創新設計教學目的。

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并聯一個電阻R2使V1基極低電位因J1的開合實現“電位回歸”。這個思想同樣適用于JN6201芯片、普通邏輯門組合和放大器芯片。

根據“電位回歸”思想，利用運算放大器實現溫度上下限控制。如圖9所示，U+>U-時IC輸出高電平，加熱開始后U-會升高，此時由于J1閉合U+升高，在達到溫度上限之前可以保持輸出端高電平。

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

四、 結束語

高中階段的上下限控制原理歸結為兩類：1. 基于觸發器保持功能。2. 利用繼電器實現輸入端“電壓回歸”，把學生普遍害怕的上下限控制類題型簡化，讓學生掌握核心思想，打好“創新設計”能力的基礎。教學過程既是知識的傳遞過程也是思維的啟發過程，只有激發學生的好奇心和創造力，教育的目的才能實現。在人工智能，網絡慕課等發展欣欣向榮的今天，很多崗位將會被機器代替，而教師崗位的價值就在于激發創新，這是機器無法替代的。“創新設計”素養是“人才”必須具備的核心素養，這種能力來自課堂的扎實學科基礎和拓展能力。教學設計中如何使學生從根本上掌握知識本質，并在學習過程中學會創新，是教育工作者需要探索的。鑒于筆者水平有限，有不當和疏漏之處懇請讀者批評指正。

參考文獻：

[1]電子控制技術.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中學。