高 源

(空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春 130000)

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探析光控開(kāi)關(guān)制作實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法

高 源

(空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春 130000)

光控開(kāi)關(guān)制作屬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系中的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。近年來(lái)，很多院校都開(kāi)設(shè)了此實(shí)驗(yàn)，取得了一定的教學(xué)效果。結(jié)合光控開(kāi)關(guān)制作實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容，對(duì)如何更好地實(shí)施本實(shí)驗(yàn)教學(xué)，真正做到提升學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力提出參考建議。

光控開(kāi)關(guān)制作；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；自主設(shè)計(jì)

1 光控開(kāi)關(guān)電路

光控開(kāi)關(guān)制作是我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)的一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，設(shè)置課時(shí)2學(xué)時(shí)，光控開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于人們的生活中，如：經(jīng)常見(jiàn)到的樓道光控?zé)簟①e館的光控門(mén)，等等，這些光控開(kāi)關(guān)采用的是集成電路，且直接使用220V的交流電源。這種光控開(kāi)關(guān)對(duì)于初學(xué)者說(shuō),存在著兩個(gè)弊端：其一，原理不易理解和掌握，其二，調(diào)試電路有一定的危險(xiǎn)性。我們采用分立元件和低壓電源設(shè)計(jì)一種適合初學(xué)者的光控開(kāi)關(guān)，目的是使學(xué)生通過(guò)查找檢索資料完成任務(wù)，設(shè)計(jì)出光控開(kāi)關(guān)電路之外，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)電路設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而培養(yǎng)提高創(chuàng)新能力。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)任務(wù)就是要求學(xué)生利用現(xiàn)有條件自主設(shè)計(jì)光控開(kāi)關(guān)電路。設(shè)計(jì)要求：第一，設(shè)計(jì)的光電開(kāi)關(guān)電路能實(shí)現(xiàn)遮光時(shí)接通，不遮光時(shí)斷開(kāi)；第二，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驗(yàn)證光控開(kāi)關(guān)電路的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟；第三，按實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容驗(yàn)證設(shè)計(jì)的光控開(kāi)關(guān)電路；第四，整理完成后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不僅包括電路設(shè)計(jì)，還包括驗(yàn)證電路的步驟。電路設(shè)計(jì)可分成三部分：第一部分將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)；第二部分將第一部分的微弱電壓信號(hào)放大；第三部分將放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械觸點(diǎn)接通或斷開(kāi)。查找資料是為解決方案中的具體技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、圖書(shū)館和請(qǐng)教方式實(shí)現(xiàn)，學(xué)生在設(shè)計(jì)電路時(shí)通常都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資料查找完成的。電路設(shè)計(jì)完成后，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行實(shí)物連接驗(yàn)證，最終完成光控開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)任務(wù)。

2 關(guān)于本實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)與思考

本次實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自主完成光電開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)任務(wù)。目的：一是掌握光電傳感器、放大驅(qū)動(dòng)電路、繼電器電路的工作原理；二是學(xué)會(huì)光控開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和方法；三是培養(yǎng)學(xué)員分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指根據(jù)已定的任務(wù)和要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)和組合，選出最佳可行的方案，為正式進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)研究能否達(dá)到預(yù)期成果，取決于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，應(yīng)遵循以下基本原則：

2.1 實(shí)驗(yàn)原理的科學(xué)性及器材的可行性

明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求后，建立實(shí)驗(yàn)原理，并且反復(fù)論證其可行性、正確性和科學(xué)性。任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案都離不開(kāi)合適的實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)于最佳設(shè)計(jì)方案，更要考慮最佳的實(shí)驗(yàn)方法，從滿足設(shè)計(jì)任務(wù)精度要求以及實(shí)際允許的條件出發(fā)，合理選擇所需的儀器設(shè)備與材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可觀測(cè)性和可滿足性

實(shí)驗(yàn)的最佳模型是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象再現(xiàn)的物理過(guò)程建立起來(lái)的，要求物理現(xiàn)象既可定性地觀察到，又可定量地通過(guò)儀器檢測(cè)到，進(jìn)而對(duì)物理現(xiàn)象所再現(xiàn)的物理規(guī)律進(jìn)行分析與研究。最佳的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?實(shí)驗(yàn)原理)往往是在一定的條件下建立起來(lái)的，而實(shí)驗(yàn)儀器只能在一定的環(huán)境條件下進(jìn)行工作，這些實(shí)驗(yàn)過(guò)程必須在可控制的情況下完成。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化性和可操作性

一個(gè)物理現(xiàn)象可通過(guò)多種物理過(guò)程再現(xiàn)出來(lái)，每一種物理過(guò)程都有一種研究方法，如果一個(gè)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，簡(jiǎn)單易行，并能達(dá)到預(yù)期結(jié)果，則該設(shè)計(jì)便是最優(yōu)化的。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方案最終是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)施的，即依靠合理操作儀器來(lái)完成，實(shí)驗(yàn)的布局、實(shí)驗(yàn)儀器的操作、條件的滿足、數(shù)據(jù)的測(cè)量、處理及分析等都屬于操作過(guò)程。本次實(shí)驗(yàn)采用了啟發(fā)、引導(dǎo)和討論的自主式教學(xué)模式。重在體現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計(jì)的本質(zhì)，并能從中學(xué)習(xí)和體驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程，從而達(dá)到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，教學(xué)過(guò)程的組織是按實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過(guò)程和主要環(huán)節(jié)進(jìn)行安排和設(shè)計(jì)，目的是使學(xué)員在實(shí)施過(guò)程中學(xué)習(xí)并掌握真正的電路設(shè)計(jì)方法。

基本教學(xué)思路按以下四步完成：

第一，教學(xué)準(zhǔn)備階段。在實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備上考慮到學(xué)生的現(xiàn)有水平，為了使學(xué)生的自主設(shè)計(jì)成為可能，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)電路模塊，使學(xué)生的光電開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)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(hào)放大電路模塊各準(zhǔn)備兩套，交叉組合可達(dá)到四種光電開(kāi)關(guān)電路方案，學(xué)生通過(guò)查找資料和自己的理解喜好進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，從而體現(xiàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)具有自身特色的設(shè)計(jì)本質(zhì)。搜索資料包含兩部分內(nèi)容：一是利用自己已掌握的知識(shí)搜索到與題目相關(guān)理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法，運(yùn)用分析歸納方法，結(jié)合已知的儀器設(shè)備，擬定初步的設(shè)計(jì)框架；二是從已出版的相關(guān)文獻(xiàn)中搜索，找出可以借鑒的理論依據(jù)及研究方法，經(jīng)梳理后再舉一反三。搜索資料的過(guò)程即是調(diào)查研究的過(guò)程，也是形成初步設(shè)計(jì)框架的思維過(guò)程。教師專(zhuān)門(mén)在校園網(wǎng)上專(zhuān)門(mén)建立了欄目，準(zhǔn)備了相應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)、電路原理和電路模塊的應(yīng)用資料，達(dá)到設(shè)計(jì)工作必須查找資料的環(huán)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)初步構(gòu)思，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)框架的合理性和可行性進(jìn)行全方位分析，比較各種方案的優(yōu)劣性、可行性、儀器設(shè)備的易配性、實(shí)驗(yàn)條件的易滿足性以及可操作性，選出初步設(shè)計(jì)方案。

第二，教學(xué)實(shí)施。課前一周在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下達(dá)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(shū)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入設(shè)計(jì)師角色，承擔(dān)起設(shè)計(jì)任務(wù)，主動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成電路設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)；學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上提供相關(guān)的電路原理和電路模塊的技術(shù)應(yīng)用資料，以方便查找、學(xué)習(xí)和應(yīng)用；學(xué)生在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)引導(dǎo)下，到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上查找相應(yīng)資料，進(jìn)行光電開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)和電路的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)；之后，學(xué)生將獨(dú)立完成的光電開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)途徑發(fā)給指導(dǎo)教員；教師下載評(píng)審后再返給學(xué)生；學(xué)生整理得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案；實(shí)驗(yàn)方案是對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)論證而提供可行性依據(jù)的具體實(shí)施藍(lán)圖，在實(shí)驗(yàn)研究工作中，無(wú)論是驗(yàn)證形成的假設(shè)，還是探索新規(guī)律，其具體實(shí)施過(guò)程都是按預(yù)先擬定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行的，在對(duì)搜索資料分析的基礎(chǔ)上，綜合分析和比較各種可行的設(shè)計(jì)方案，都需要擬定最佳的實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)研究題目、研究目的和要求、選用的儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理方法等。最終學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的光電開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

第三，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)中只是進(jìn)行簡(jiǎn)單講解、引導(dǎo)和討論：引導(dǎo)學(xué)員完成檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)光電開(kāi)關(guān)電路的實(shí)驗(yàn)方法和步驟，并提示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性；安排實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證操作，由學(xué)員對(duì)自己設(shè)計(jì)的光電開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行驗(yàn)證。

第四，課堂總結(jié)。實(shí)驗(yàn)后，對(duì)電路設(shè)計(jì)方法步驟進(jìn)行總結(jié)，以強(qiáng)化學(xué)員對(duì)電路設(shè)計(jì)方法步驟的理解和掌握。強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方法中“改進(jìn)優(yōu)化”的重要性，并組織學(xué)員對(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中暴露的問(wèn)題進(jìn)行分析后進(jìn)行電路設(shè)計(jì)方法中的“改進(jìn)優(yōu)化”，然后引出兩個(gè)新的電路設(shè)計(jì)題目，由學(xué)員進(jìn)行應(yīng)用學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方法和電路設(shè)計(jì)思路的討論，以加深對(duì)設(shè)計(jì)方法的掌握和應(yīng)用。最后強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計(jì)，掌握了設(shè)計(jì)方法就是具備了一定的創(chuàng)新能力。我們這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課的目的就是培養(yǎng)提高學(xué)生的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

光控開(kāi)關(guān)制作實(shí)驗(yàn)雖然是比較基礎(chǔ)的電類(lèi)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于還未系統(tǒng)學(xué)習(xí)電工電子類(lèi)課程的學(xué)生來(lái)說(shuō)還是具有一定挑戰(zhàn)的，這就要求教師更多的思考如何改進(jìn)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和手段，不僅使學(xué)生能設(shè)計(jì)出光控開(kāi)關(guān)電路，更能培養(yǎng)他們自主思考的意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)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(shí)驗(yàn)師。

D424.4

A

1674-8646(2017)11-0114-02