基于“创新设计”素养的上下限控制教学研究

摘 要：在应试压力极大的高中阶段，无论是学生还是教师都把考试得分放在首位，故应试技巧在教学中占较大比重。“创新设计”这一技术核心素养的培养在教学中重视不够，教师在教学中选择传授得分技巧还是选择用较多课时启发学生能力是一种两难选择。其实二者可以并存，本文通过电子控制难点“上下限”的系统化教学设计，研究将“创新设计”能力培养结合到教学中以实现学生能力和应试的双丰收。

关键词：创新设计;技术核心素养;上下限控制

技术成为高考科目以来，大量学生将技术为作为选考项，但电子控制部分又是学科重难点，由于学生这块内容入门较难，特别是上下限控制类题型更是电控中的难点。笔者在教学中依据“创新设计”内涵，利用多年高三积累的经验对上下限控制教学重新设计，尝试让学生在掌握知识，实现应试的同时发展创新设计思想。现将教学设计进行探讨。

一、 利用典型素材，做好变式研究

以教材电路为例（图1）：此图的变式在高考中多次出现，可以拓展很多变式。

1. 分析滑动变阻器Rp的作用并定性比较滑动触头停在某位置时A、B两点的电势高低。

2. 分析RS触发器输入端随滑动触头运动时的输入情况和LED的亮灭情况。

3. 分析A、B两点所处电平高低和与非门触发器的输入关系。要求通过改变滑动变阻器的电路，将此电路改装成温度过高报警电路。让学生分析滑动变阻器Rp的分压原理，并利用分压思想设计出图2高温报警电路。

让学生理解温度报警原理是热敏电阻在不同温度分压不同造成，并能够理解当Rt分别为正、负特性时在电路中放置的位置差异。思考：温度变化改变C点电势，C点电势影响A、B电势高低，如果C点电势不变，怎样实现A、B两点电平在0与1之间跳变？分析得出AB两点出现00、01、11三种状态。进一步简化得到图3并分析功能。再提要求：如何继续减少元件实现上下限报警目的？试想如果将逻辑门a拿走，要使电路功能不变应怎么调整？以问题引领渗透创新设计思想。

将图3中Rt1与R2位置互换，让学生比较上述电路并总结出上下限控制的本质，即：RS触发器的输入在10、11、01之间转变，持续升温或降温阶段输入端为11。

总结技巧：触发器的其中一个输入端连接非门则两个热敏电阻都靠近电源或接地端（与正负特性相关），否则一个靠近电源，另一个靠近接地。深入：如果与非门触发器换成或非门触发器（如图4），应将电路功能作何改变？分析图3、4中分别由哪路输入控制上限温度报警？让学生掌握无论是在升温还是降温，RS触发器都需经过保持态，然后再考虑某个输入脚变化触发报警，并判断上下限控制端。

二、 剖析复杂芯片，回归简单原理

555时基电路的内部主要由RS触发器控制，在学习完RS触发器的基础上过渡到555的学习。555时基电路比RS触发器多了一个运算放大器。给学生展示555芯片的原理图，并让学生通过教材素材（图5），理解其控制原理。

剖析555时基电路内部结构：①三个电阻的功能;②运算放大器C1、C2的作用;③RS触发器输入端的可能性;④两个非门的作用和3脚与7脚的电位关系。⑤比较与RS触发器输入输出关系，相似点与不同点。

555内部RS触发器的输入端模拟信号经过运算放大器变为数字信号。利用555芯片重新设计水位控制电路（图6）。

555时基电路与RS触发器具有相似的三种输入状态，控制的本质依然是触发器，实现了从触发器到555时基电路的拓展。把复杂的555电路回归到学生熟悉的触发器知识上来，并让学生分析其优点。拓展是对旧知识的创新。

三、 归纳设计思想，拓展设计思路

展示电路如图7所示。总结设计思想：初始触发+状态维持+结束触发。核心在于J1这个开关，继电器内线圈通电后，因V1的基极在J1吸合后与常闭触点断开，将保持低电平状态。简称为“电位回归”思想，如没有J1，继电器吸合后V1基极电位会马上转变，使继电器电磁铁磁性消失，电路不具备保持水位持续上升功能，只能维持在特定水位。J1让V1基极电位的变化时间延后，故称为“电位回归”。以上水位控制是利用三极管实现的，提供不同元件让学生利用“电位回归”思想，设计上下限控制电路，达到创新设计教学目的。

利用“电位回归”思想将图8电路改成温度的上下限控制（图8）。此电路通过为R1并联一个电阻R2使V1基极低电位因J1的开合实现“电位回归”。这个思想同样适用于JN6201芯片、普通逻辑门组合和放大器芯片。

根据“电位回归”思想，利用运算放大器实现温度上下限控制。如图9所示，U+>U-时IC输出高电平，加热开始后U-会升高，此时由于J1闭合U+升高，在达到温度上限之前可以保持输出端高电平。

“电位回归”思想在运放的负反馈电路（图10）中的作用，当温度低于下限时LED灯常亮，高于上限时长灭，而处在上下限之间时LED闪烁。利用等效思想，当IC输出1时电阻R相当于跟Rt并联，当IC输出0时R相当于跟R1并联，使得负极输入端的电压U-不断围绕正极输入端电压U+变化，得到U+>U-和U+

四、 结束语

高中阶段的上下限控制原理归结为两类：1. 基于触发器保持功能。2. 利用继电器实现输入端“电压回归”，把学生普遍害怕的上下限控制类题型简化，让学生掌握核心思想，打好“创新设计”能力的基础。教学过程既是知识的传递过程也是思维的启发过程，只有激发学生的好奇心和创造力，教育的目的才能实现。在人工智能，网络慕课等发展欣欣向荣的今天，很多岗位将会被机器代替，而教师岗位的价值就在于激发创新，这是机器无法替代的。“创新设计”素养是“人才”必须具备的核心素养，这种能力来自课堂的扎实学科基础和拓展能力。教学设计中如何使学生从根本上掌握知识本质，并在学习过程中学会创新，是教育工作者需要探索的。鉴于笔者水平有限，有不当和疏漏之处恳请读者批评指正。

参考文献：

[1]电子控制技術.江苏凤凰教育出版社，2004.12月第一版.

作者简介：

沈杰，浙江省杭州市，杭州市余杭第二高级中学。