探析光控開關(guān)制作實驗的教學(xué)方法

高 源

(空軍航空大學(xué)，長春 130000)

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探析光控開關(guān)制作實驗的教學(xué)方法

高 源

(空軍航空大學(xué)，長春 130000)

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

光控開關(guān)制作；設(shè)計性實驗；自主設(shè)計

1 光控開關(guān)電路

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

本實驗的設(shè)計任務(wù)就是要求學(xué)生利用現(xiàn)有條件自主設(shè)計光控開關(guān)電路。設(shè)計要求：第一，設(shè)計的光電開關(guān)電路能實現(xiàn)遮光時接通，不遮光時斷開；第二，設(shè)計相應(yīng)的驗證光控開關(guān)電路的實驗內(nèi)容和步驟；第三，按實驗步驟和內(nèi)容驗證設(shè)計的光控開關(guān)電路；第四，整理完成后設(shè)計實驗報告。

本實驗的設(shè)計不僅包括電路設(shè)計，還包括驗證電路的步驟。電路設(shè)計可分成三部分：第一部分將光信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)問題，通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館和請教方式實現(xiàn)，學(xué)生在設(shè)計電路時通常都是通過網(wǎng)絡(luò)資料查找完成的。電路設(shè)計完成后，學(xué)生通過實驗課進行實物連接驗證，最終完成光控開關(guān)電路的設(shè)計任務(wù)。

2 關(guān)于本實驗的認(rèn)識與思考

本次實驗是設(shè)計性實驗，要求學(xué)生自主完成光電開關(guān)電路的設(shè)計任務(wù)。目的：一是掌握光電傳感器、放大驅(qū)動電路、繼電器電路的工作原理；二是學(xué)會光控開關(guān)的設(shè)計、實驗驗證設(shè)計和方法；三是培養(yǎng)學(xué)員分析問題、解決問題的創(chuàng)新能力。實驗設(shè)計是指根據(jù)已定的任務(wù)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(xué)合理的設(shè)計和組合，選出最佳可行的方案，為正式進行科學(xué)實驗做好準(zhǔn)備工作。實驗研究能否達到預(yù)期成果，取決于實驗設(shè)計的全過程，應(yīng)遵循以下基本原則：

2.1 實驗原理的科學(xué)性及器材的可行性

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

2.2 實驗現(xiàn)象的可觀測性和可滿足性

實驗的最佳模型是根據(jù)實驗現(xiàn)象再現(xiàn)的物理過程建立起來的，要求物理現(xiàn)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(xiàn)象所再現(xiàn)的物理規(guī)律進行分析與研究。最佳的實驗?zāi)Ｐ?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(huán)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(shè)計的優(yōu)化性和可操作性

一個物理現(xiàn)象可通過多種物理過程再現(xiàn)出來，每一種物理過程都有一種研究方法，如果一個設(shè)計科學(xué)合理，簡單易行，并能達到預(yù)期結(jié)果，則該設(shè)計便是最優(yōu)化的。設(shè)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(shù)據(jù)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(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)計的本質(zhì)，并能從中學(xué)習(xí)和體驗設(shè)計方法和設(shè)計驗證過程，從而達到設(shè)計性實驗的教學(xué)目的，教學(xué)過程的組織是按實際的電路設(shè)計過程和主要環(huán)節(jié)進行安排和設(shè)計，目的是使學(xué)員在實施過程中學(xué)習(xí)并掌握真正的電路設(shè)計方法。

基本教學(xué)思路按以下四步完成：

第一，教學(xué)準(zhǔn)備階段。在實驗器材準(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)計成為可能，專門設(shè)計制作了相應(yīng)電路模塊，使學(xué)生的光電開關(guān)電路設(shè)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(zhǔn)備兩套，交叉組合可達到四種光電開關(guān)電路方案，學(xué)生通過查找資料和自己的理解喜好進行自主設(shè)計，從而體現(xiàn)設(shè)計性實驗具有自身特色的設(shè)計本質(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搜索到與題目相關(guān)理論依據(jù)和實驗方法，運用分析歸納方法，結(jié)合已知的儀器設(shè)備，擬定初步的設(shè)計框架；二是從已出版的相關(guān)文獻中搜索，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。搜索資料的過程即是調(diào)查研究的過程，也是形成初步設(shè)計框架的思維過程。教師專門在校園網(wǎng)上專門建立了欄目，準(zhǔn)備了相應(yīng)的光電開關(guān)設(shè)計方面的技術(shù)、電路原理和電路模塊的應(yīng)用資料，達到設(shè)計工作必須查找資料的環(huán)節(jié)，進而實現(xiàn)初步構(gòu)思，對實驗過程中設(shè)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(yōu)劣性、可行性、儀器設(shè)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(shè)計方案。

第二，教學(xué)實施。課前一周在網(wǎng)絡(luò)平臺下達設(shè)計實驗任務(wù)書，引導(dǎo)學(xué)生進入設(shè)計師角色，承擔(dān)起設(shè)計任務(wù)，主動進行設(shè)計，從而完成電路設(shè)計方法的學(xué)習(xí)；學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺上提供相關(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)計任務(wù)書引導(dǎo)下，到網(wǎng)絡(luò)平臺上查找相應(yīng)資料，進行光電開關(guān)電路設(shè)計和電路的實驗驗證設(shè)計；之后，學(xué)生將獨立完成的光電開關(guān)電路設(shè)計和相應(yīng)的實驗驗證設(shè)計通過網(wǎng)絡(luò)途徑發(fā)給指導(dǎo)教員；教師下載評審后再返給學(xué)生；學(xué)生整理得到相應(yīng)的實驗方案；實驗方案是對設(shè)計方案進行科學(xué)論證而提供可行性依據(jù)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(shè)，還是探索新規(guī)律，其具體實施過程都是按預(yù)先擬定的實驗方案進行的，在對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(shù)據(jù)處理方法等。最終學(xué)生在上實驗課時對所設(shè)計的光電開關(guān)電路進行實驗驗證。

第三，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)中只是進行簡單講解、引導(dǎo)和討論：引導(dǎo)學(xué)員完成檢驗所設(shè)計光電開關(guān)電路的實驗方法和步驟，并提示實驗環(huán)節(jié)的重要性；安排實驗驗證操作，由學(xué)員對自己設(shè)計的光電開關(guān)電路進行驗證。

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

3 結(jié)語

光控開關(guān)制作實驗雖然是比較基礎(chǔ)的電類設(shè)計實驗，但對于還未系統(tǒng)學(xué)習(xí)電工電子類課程的學(xué)生來說還是具有一定挑戰(zhàn)的，這就要求教師更多的思考如何改進本實驗的教學(xué)方法和手段，不僅使學(xué)生能設(shè)計出光控開關(guān)電路，更能培養(yǎng)他們自主思考的意識和創(chuàng)新意識，提升學(xué)生的研究探索能力。

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[4] 侯耀東，高健，于順才. 利用聲光控開關(guān)開發(fā)傳感器教學(xué)實驗[J]. 物理教學(xué)探討，2007，25(15)：56-58.

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