探析光控开关制作实验的教学方法

高 源

(空军航空大学，长春 130000)



探析光控开关制作实验的教学方法

高 源

(空军航空大学，长春 130000)

光控开关制作属大学物理实验课程体系中的设计性实验项目。近年来，很多院校都开设了此实验，取得了一定的教学效果。结合光控开关制作实验基本内容，对如何更好地实施本实验教学，真正做到提升学生的自主设计能力提出参考建议。

光控开关制作；设计性实验；自主设计

1 光控开关电路

光控开关制作是我校大学物理实验课程中开设的一个设计性实验，设置课时2学时，光控开关广泛应用于人们的生活中，如：经常见到的楼道光控灯、宾馆的光控门，等等，这些光控开关采用的是集成电路，且直接使用220V的交流电源。这种光控开关对于初学者说,存在着两个弊端：其一，原理不易理解和掌握，其二，调试电路有一定的危险性。我们采用分立元件和低压电源设计一种适合初学者的光控开关，目的是使学生通过查找检索资料完成任务，设计出光控开关电路之外，更重要的是让学生学会电路设计方法，进而培养提高创新能力。

本实验的设计任务就是要求学生利用现有条件自主设计光控开关电路。设计要求：第一，设计的光电开关电路能实现遮光时接通，不遮光时断开；第二，设计相应的验证光控开关电路的实验内容和步骤；第三，按实验步骤和内容验证设计的光控开关电路；第四，整理完成后设计实验报告。

本实验的设计不仅包括电路设计，还包括验证电路的步骤。电路设计可分成三部分：第一部分将光信号转变成电压信号；第二部分将第一部分的微弱电压信号放大；第三部分将放大后的电信号转换成机械触点接通或断开。查找资料是为解决方案中的具体技术问题，通过网络、图书馆和请教方式实现，学生在设计电路时通常都是通过网络资料查找完成的。电路设计完成后，学生通过实验课进行实物连接验证，最终完成光控开关电路的设计任务。

2 关于本实验的认识与思考

本次实验是设计性实验，要求学生自主完成光电开关电路的设计任务。目的：一是掌握光电传感器、放大驱动电路、继电器电路的工作原理；二是学会光控开关的设计、实验验证设计和方法；三是培养学员分析问题、解决问题的创新能力。实验设计是指根据已定的任务和要求，对实验原理、实验方法、实验步骤以及实验器材，进行科学合理的设计和组合，选出最佳可行的方案，为正式进行科学实验做好准备工作。实验研究能否达到预期成果，取决于实验设计的全过程，应遵循以下基本原则：

2.1 实验原理的科学性及器材的可行性

明确实验设计的任务和要求后，建立实验原理，并且反复论证其可行性、正确性和科学性。任何一个实验设计方案都离不开合适的实验器材，对于最佳设计方案，更要考虑最佳的实验方法，从满足设计任务精度要求以及实际允许的条件出发，合理选择所需的仪器设备与材料。

2.2 实验现象的可观测性和可满足性

实验的最佳模型是根据实验现象再现的物理过程建立起来的，要求物理现象既可定性地观察到，又可定量地通过仪器检测到，进而对物理现象所再现的物理规律进行分析与研究。最佳的实验模型(实验原理)往往是在一定的条件下建立起来的，而实验仪器只能在一定的环境条件下进行工作，这些实验过程必须在可控制的情况下完成。

2.3 实验设计的优化性和可操作性

一个物理现象可通过多种物理过程再现出来，每一种物理过程都有一种研究方法，如果一个设计科学合理，简单易行，并能达到预期结果，则该设计便是最优化的。设计实验的方案最终是要通过实验来实施的，即依靠合理操作仪器来完成，实验的布局、实验仪器的操作、条件的满足、数据的测量、处理及分析等都属于操作过程。本次实验采用了启发、引导和讨论的自主式教学模式。重在体现学生自主设计的本质，并能从中学习和体验设计方法和设计验证过程，从而达到设计性实验的教学目的，教学过程的组织是按实际的电路设计过程和主要环节进行安排和设计，目的是使学员在实施过程中学习并掌握真正的电路设计方法。

基本教学思路按以下四步完成：

第一，教学准备阶段。在实验器材准备上考虑到学生的现有水平，为了使学生的自主设计成为可能，专门设计制作了相应电路模块，使学生的光电开关电路设计起步于电路功能模块而不是基本电路元件；光电传感和信号放大电路模块各准备两套，交叉组合可达到四种光电开关电路方案，学生通过查找资料和自己的理解喜好进行自主设计，从而体现设计性实验具有自身特色的设计本质。搜索资料包含两部分内容：一是利用自己已掌握的知识搜索到与题目相关理论依据和实验方法，运用分析归纳方法，结合已知的仪器设备，拟定初步的设计框架；二是从已出版的相关文献中搜索，找出可以借鉴的理论依据及研究方法，经梳理后再举一反三。搜索资料的过程即是调查研究的过程，也是形成初步设计框架的思维过程。教师专门在校园网上专门建立了栏目，准备了相应的光电开关设计方面的技术、电路原理和电路模块的应用资料，达到设计工作必须查找资料的环节，进而实现初步构思，对实验过程中设计框架的合理性和可行性进行全方位分析，比较各种方案的优劣性、可行性、仪器设备的易配性、实验条件的易满足性以及可操作性，选出初步设计方案。

第二，教学实施。课前一周在网络平台下达设计实验任务书，引导学生进入设计师角色，承担起设计任务，主动进行设计，从而完成电路设计方法的学习；学生在网络平台上提供相关的电路原理和电路模块的技术应用资料，以方便查找、学习和应用；学生在设计任务书引导下，到网络平台上查找相应资料，进行光电开关电路设计和电路的实验验证设计；之后，学生将独立完成的光电开关电路设计和相应的实验验证设计通过网络途径发给指导教员；教师下载评审后再返给学生；学生整理得到相应的实验方案；实验方案是对设计方案进行科学论证而提供可行性依据的具体实施蓝图，在实验研究工作中，无论是验证形成的假设，还是探索新规律，其具体实施过程都是按预先拟定的实验方案进行的，在对搜索资料分析的基础上，综合分析和比较各种可行的设计方案，都需要拟定最佳的实验方案，包括实验研究题目、研究目的和要求、选用的仪器、实验步骤、数据处理方法等。最终学生在上实验课时对所设计的光电开关电路进行实验验证。

第三，课堂教学环节。课堂教学中只是进行简单讲解、引导和讨论：引导学员完成检验所设计光电开关电路的实验方法和步骤，并提示实验环节的重要性；安排实验验证操作，由学员对自己设计的光电开关电路进行验证。

第四，课堂总结。实验后，对电路设计方法步骤进行总结，以强化学员对电路设计方法步骤的理解和掌握。强调设计方法中“改进优化”的重要性，并组织学员对在实验过程中暴露的问题进行分析后进行电路设计方法中的“改进优化”，然后引出两个新的电路设计题目，由学员进行应用学习设计方法和电路设计思路的讨论，以加深对设计方法的掌握和应用。最后强调的是设计，掌握了设计方法就是具备了一定的创新能力。我们这次设计实验课的目的就是培养提高学生的能力。

3 结语

光控开关制作实验虽然是比较基础的电类设计实验，但对于还未系统学习电工电子类课程的学生来说还是具有一定挑战的，这就要求教师更多的思考如何改进本实验的教学方法和手段，不仅使学生能设计出光控开关电路，更能培养他们自主思考的意识和创新意识，提升学生的研究探索能力。

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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，硕士，实验师。

D424.4

A

1674-8646(2017)11-0114-02