問題牽引下理虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)

邵 紅，張洪群，張翔宇，劉豐源

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

1 實(shí)驗(yàn)簡介

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪抢?55定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。其中，利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，學(xué)員需要知道實(shí)驗(yàn)原理，畫出準(zhǔn)確的電路圖，并能夠搭建、調(diào)試成功。

1.2 實(shí)驗(yàn)物料

萬用表，面包板，直流穩(wěn)壓電源，面包板1快，555時(shí)基電路1個(gè)，電位器1個(gè)，電容器3個(gè)，電阻器3個(gè)，開關(guān)1個(gè)，喇叭1個(gè)，發(fā)光二極管1個(gè)，細(xì)導(dǎo)線若干。

1.3 工作步驟

（1）明確555時(shí)基電路作為電路的核心器件，辨明各引腳編號的含義。

（2）通過測量，選擇合適的電阻并記錄其參數(shù)。

（3）檢測面包板、電容元件、電位器、發(fā)光二極管的好壞并記錄其參數(shù)。

（4）根據(jù)電路圖在面包板上插接電路，并調(diào)試電路使其工作。

2 重要問題的牽引主線

問題一“什么樣的設(shè)備可以對歹徒起到警示作用？”引題。

一直以來，人身安全和財(cái)產(chǎn)安全是工作和生活中的一重大問題，關(guān)系到人們的生活質(zhì)量。以學(xué)員身邊關(guān)心并且常見的保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全現(xiàn)象引題更能激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，對后續(xù)課程內(nèi)容的開展起到推動(dòng)作用。并且目的明確這節(jié)課就是用555制作一個(gè)報(bào)警電路。焊接一個(gè)完整電路并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

問題二“如何制作報(bào)警電路呢？”引出電路組成。

承接上面的問題，利用問題，引出電路的組成部分。一個(gè)完整的防盜報(bào)警系統(tǒng)包括入侵探測器+傳輸系統(tǒng)+報(bào)警控制器三部分。入侵探測器發(fā)現(xiàn)入侵后產(chǎn)生報(bào)警觸發(fā)信號，由傳輸系統(tǒng)傳送到報(bào)警控制器，報(bào)警控制器顯示報(bào)警狀態(tài)，發(fā)出聲、光或以數(shù)字或圖像形式顯示地點(diǎn)、時(shí)間等。

問題三“需要遵循什么樣的制作思路？”引出制作思路。

學(xué)員思考最核心的問題“需要遵循什么樣的制作思路？”。遵循的常規(guī)思路是：設(shè)計(jì)一個(gè)電路首先要明白為什么要設(shè)計(jì)，也就是這個(gè)電路的作用功能要明確，在明確功能需求的基礎(chǔ)上還要確定所需元器件。

2017年，原國土資源部貫徹落實(shí)《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化石油天然氣體制改革的若干意見》，穩(wěn)步推進(jìn)油氣勘查開采體制改革。積極開展頁巖氣區(qū)塊出讓工作，委托貴州省政府拍賣出讓正安頁巖氣勘查區(qū)塊；繼續(xù)推進(jìn)新疆油氣勘查開采改革試點(diǎn)，委托新疆維吾爾自治區(qū)政府掛牌出讓柯坪南、溫宿、溫宿西三個(gè)油氣勘查區(qū)塊；實(shí)施煤層氣礦業(yè)權(quán)審批改革試點(diǎn)，將煤層氣委托審批下放試點(diǎn)從山西擴(kuò)大到新疆、貴州等六省(區(qū))，山西省國土資源廳完成了10個(gè)煤層氣勘查區(qū)塊的招標(biāo)出讓；經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，天然氣水合物成為我國第173個(gè)礦種。

問題四“電路圖設(shè)計(jì)好了，是不是就可以馬上準(zhǔn)備器件焊接報(bào)警電路了？”。

問題五“采用什么方法可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的可行性呢？”。

問題六“需要什么器件實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能？”。

問題四、五、六都是在制作過程中融入的問題，問題四、五體現(xiàn)“理虛實(shí)”的結(jié)合，電路圖設(shè)計(jì)好后，采用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真，調(diào)試參數(shù)沒有問題后，再在面包板上搭建電路。問題六，則是設(shè)計(jì)的主體。

3 制作思路

報(bào)警系統(tǒng)的制作思路可遵循以下幾步：（1）明確所制作電路的功能需求。（2）確定所需元器件，準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，然后畫出電路圖。（3）畫電路圖。需要理需結(jié)合。因?yàn)樗?、設(shè)計(jì)的電路圖不一定可行，結(jié)構(gòu)和參數(shù)不一定準(zhǔn)確。必須在準(zhǔn)確的電路圖的基礎(chǔ)上才能來制作出達(dá)到功能需求的實(shí)物電路。可采用仿真的手段方便快捷的驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的可行性。（4）焊接電路板電路，體驗(yàn)焊接技巧。（5）通電檢查。（6）排故。本次課通過理虛實(shí)相結(jié)合的六步完成報(bào)警電路的制作。

4 所需器件的選取

這節(jié)課所制作電路的功能需求已經(jīng)非常的明確，就是用555做個(gè)報(bào)警功能的電路。通過制作電路的名字555報(bào)警電路知道，我們知道肯定會(huì)用到這555個(gè)器件，作為主要器件。

4.1 主要教學(xué)器件的介紹

4.2 構(gòu)成多諧振蕩器的思路

要用555構(gòu)成多諧振蕩器，首先要清楚什么是多諧振蕩器。它是一種不需外加觸發(fā)信號就能自行產(chǎn)生矩形脈沖的電路。又因?yàn)樗a(chǎn)生的矩形脈沖含有豐富的高次諧波，人們習(xí)慣上把它叫作多諧振蕩器。它有兩個(gè)特點(diǎn)：無外觸發(fā)；無穩(wěn)態(tài)。

具體思路是：無穩(wěn)態(tài)，兩暫態(tài)不斷交替。如圖1所示，利用放電管T作為受控電子開關(guān)，使C充、放電，而改變TH、TL，交替置 0、置 1。兩觸發(fā)端接一起（2、6），放電端接兩電阻之間。

圖1

工作過程是：在通電源的瞬間，2腳和6腳的電壓小于VCC/3，此時(shí)3腳輸出狀態(tài)為1，555內(nèi)部的晶體管T截止，電源通過R1和 R2對電容 C充電。在電容電壓沒有充電到2VCC/3之前，輸出一直保持1不變，一旦充至2VCC/3，2腳和6腳的電壓等于2VCC/3，3腳輸出由1翻轉(zhuǎn)為0。同時(shí)，晶體管T導(dǎo)通，電容C經(jīng)R2、T放電，一直至VCC/3，使得輸出回到1，進(jìn)入循環(huán)。輸出方波的周期T的計(jì)算：T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C。高電平對應(yīng)充電時(shí)間常數(shù)為（R1+R2）C，低電平對應(yīng)放電時(shí)間常數(shù)為R2C。如何改變方波的占空比呢？改變充放電回路的時(shí)間常數(shù)即可。

4.3 器件選取過程

555也是一種多用途的單片集成電路。結(jié)構(gòu)簡單，芯片8個(gè)引腳，使用方便，功能比較強(qiáng)，只要在外圍配上合適的阻容元件就可以構(gòu)成脈沖電路。如多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器及指示燈等。恰好滿足報(bào)警電路警示作用需求。

555報(bào)警電路就是在555構(gòu)成多諧振蕩器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。555構(gòu)成多諧振蕩器的電路圖是成熟電路，如圖2所示。4腳復(fù)位端還沒接，讓他輸出矩形波需要接高電平，接電源。通過一個(gè)51K的電阻接電源。3腳輸出矩形脈沖。組成報(bào)警電路，還要有警示作用的負(fù)載。

圖2

圖2中多諧振蕩器和警示負(fù)載就是完整的報(bào)警電路嗎？很顯然不是。這個(gè)電路只要通電，不管有沒有發(fā)生入侵，喇叭一直響，燈一直閃。我們要在通電條件下，初始狀態(tài)：喇叭不響，燈滅。只要4腳復(fù)位接低電平。本次試驗(yàn)通過導(dǎo)線接地，如圖3所示，導(dǎo)線代表入侵探測器和傳輸系統(tǒng)。這也是為什么通過51K電阻，而不直接接6v電源，防止電源短路。

圖3

5 問題牽引法的好處

新模式的教學(xué)課堂，要求教員處于主導(dǎo)地位，而學(xué)員處于主體地位，營造出積極活躍的課堂氛圍。教員主導(dǎo)地位的作用發(fā)揮就是引導(dǎo)學(xué)員充分發(fā)揮個(gè)體和團(tuán)體的主體作用，讓他們在課堂上能體會(huì)到、發(fā)現(xiàn)自我價(jià)值。問題牽引法恰好體現(xiàn)了這一好處。

6 總結(jié)

以問題環(huán)環(huán)相扣作牽引，通過以理論為支撐、以虛擬實(shí)驗(yàn)為輔助和以實(shí)際操作為主體的“理虛實(shí)三結(jié)合”的教學(xué)方法，讓學(xué)員體會(huì)實(shí)操的嚴(yán)謹(jǐn)性、解決問題的層次性和多種方法結(jié)合解決問題的好處，抓住學(xué)員注意力，加大他們的參與力度，確保每位學(xué)員的實(shí)驗(yàn)都能成功完成。