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找朋友机:一个能做决定的电子电路

创客手工 物理 小学高年级 初中 创新创意

教学目标

给学生提供了一个机会去自行设计、测试和搭建一个由多组开关和由电池驱动的灯泡或蜂鸣器组成的复杂电路。
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中国科技教育杂志

引出电路

首先,我们先介绍在汽车中常见的两种电路:并联电路和串联电路。


并联电路的典型例子是低胎压指示灯电路,当电路中的4组胎压传感器中任何一个出现过低时都会接通电路。这个电路(图1)包括车载的12V电池、一个指示灯、4组并联的开关——开关分别由相应的4个用于感应轮胎气压的传感器控制,当轮胎气压低于某一特定值时就会触发开关。任何一个(或几个开关)都能使并联电路接通,指示灯就会亮起提醒司机要小心胎压过低可能带来的危险(当然,司机得自己去弄清楚到底是哪个轮胎出了问题)。当开关A或开关B或开关C或开关D闭合时,灯光亮起。


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在标准的带变速器的汽车中,启动马达电路则是一个典型的串联电路。这个电路图(图2)包括汽车的启动马达、车载12V电池和两个串联的开关。一个开关连接在离合器踏板上,踩下去时闭合;另一个开关就是车钥匙开关,钥匙扭到开的时候闭合。启动马达只有在开关A和开关B同时闭合时才会启动。也就是说,只有离合器踏板被踩下、车钥匙扭转到开的位置时,车才能够被启动。(这个引入二值逻辑的例子可以应用在计算机编程和集成电路构造的课程上)


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经过这样的介绍后,学生们对一系列不同的串联和并联电路中闭合开关会产生的结果进行预测。他们逐步掌握了关于电路触点(electronic junction)(比如,电流被引导“流过”胎压传感器的地方)和回路(一个闭合的电路)的概念,而这些概念在大多数物理课程中都非常有用。


分解制作步骤

要制作出一个“找朋友机”,学生需要制作出一个能够正常工作的包含4个输入和一个输出的逻辑电路。如果某人通过回答4个由制作者自己设计问题而使得电路接通,那么这个人就有可能是一个好朋友。因为学生们心目中的好朋友标准是各不相同的,那么一个班级的学生最终就会做出各式各样的装置。


为了让学生们更好着手,我给出了两个实例。一个例子中,制作者坚持他的朋友必须同时满足可靠、友好、节俭和勇敢4个条件。所以,如果只是是可靠但不够友好,或者只是节俭但是不够勇敢的都不行。这种“与”逻辑就可以写成“‘忠诚’与‘友好’与‘节俭’与‘勇敢’”,而4个开关则如图2串联起来。


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另一个例子中,制作者的交友要求比较宽松——她的朋友只需要满足4种条件中的任何一个,例如喜欢某类音乐、某个视频游戏、某个运动队或某个电视节目。所以,即便操作者与制作者喜欢的不是同一只球队,但只要喜欢的是同样的电视节目或者视频游戏的话,也是符合要求的。这种“或”逻辑就可以写成“‘音乐’或‘游戏’或‘球队’或‘节目’”,电路就如图1并联起来。


学生在计划他们的电路时,可能要做出困难的价值判断,在进一步动手之前,理清自己的择友逻辑。比方说,如果某人很有趣却不够友好,这样的人能做朋友吗?所以,学生必须精心设计出明确问题和可能的答案来避免模棱两可的情况。


图3、4、5展示了一个复合的“找朋友机”电路,其中有并联也有串联电路。在这个电路中,每一个开关代表着一项个人品质。开关A代表的品质极为重要,以至于当A闭合时另外两个开关都无所谓了。而开关B和开关C所代表的品质,只有在同时被满足的情况下才是有用的。


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那么老师可以提示学生提出假设

  • 开关A代表的问题是:“你是否有很好的幽默感?”

  • 开关B代表的问题是:“你是否玩轮滑?”

  • 开关C代表的问题是:“你是否住在附近?”


那么得出结果:

  • 当闭合开关A(“幽默感”)时,电路就闭合了,灯光亮起,而不管开关B和C的状态如何(图3);

  • 当只选择开关C(“住在附近”)时,电路并未闭合,灯光没有亮起(图4);

  • 当开关B(“玩轮滑”)和C(“住在附近”)都闭合时,电路才会闭合,灯光亮起(图5)。


因此,要成为这个学生的朋友,要么很幽默,要么既打棒球又住在附近。


教师可以在不同班级或同一课程的不同程度授课时适当的增减难度。“找朋友机”项目中,应该必须有某些品质足够重要以至于可以取代其他品质,或是重要性不足而必须有其他品质加以补充。


(注意安全须知:电路只能使用1到2支1.5V的电池做电源,不允许使用任何需要由市电供电的元件!)


项目总结和收尾

可以在课堂上专门留出时间让学生们展示作品。他们轮流在其他人的机器上拨动问答开关,通过自己的推理和技术分析互相测试。他们会交流一切,包括电路设计、逻辑、电路组建,还有他们自己的择友条件。


这样的展示能极大的激发创造性。我看到过最简单的用硬纸板制作的外壳,也有不那么常见的用乐高积木搭建的、用填充玩具制作的和用花盆制作的外壳。虽然我把从节日彩灯中剪下来的灯泡提供给他们,但是一些学生做出了各种各样的低电压输出装置,比如旋转玩具、蜂鸣器,或是从音乐贺卡上取下的声音芯片。

网络资源

科罗拉多大学物理教育技术网 (PhET)的在线电路模拟工具:http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc

教学总结

“找朋友机”给学生提供了一个机会去自行设计、测试和搭建一个由多组开关和由电池驱动的灯泡或蜂鸣器组成的复杂电路。这个过程涉及到重要的工程学主题和核心的科学内容。 


常见的电子电路套件通常需要学生利用所提供的零件,严格地按照说明书来搭建电路。而与之不同的是,“找朋友机”项目利用的完全是日常生活可以找到的东西。学生们在搭建电路时需要作出一些价值判断,这样每个学生就会形成自己独特的电路设计,形成一个电路的思维模型。这是一个非常具有挑战性的过程。


这个项目体现了美国国家科学教育标准的重要内容。例如,科学内容标准E:科学与技术提到了要设计这样的任务,即在任务中,“学生应展示出为实现一项技术而进行的深度思考的计划过程。在这些过程中,学生应了解使用模型和进行模 拟的作用”。使用物理教育网 (PhET) 的在线工具来 对学生提出的电路设计进行测试,很好地符合了这一 标准。学生通过搭建虚拟和实际的电路获得了整个电路设计、搭建和测试的工程设计过程经验。 这个标准还着重强调了“这些任务,应当鼓励以 不同的方式去解决问题,这样不同的学生就可以使用不同的设计解决方案。”对于逻辑操作和实物建构的选择多样性使这一项目具有了那些按图组装的电路套 件所无法提供的挑战性。


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即使学生已经很好地掌握了概念或是已经具有了连接电路的实践经验,但让他们体验到明确地将预期转化为结果这一过程,也具有深远的意义。对于之前可能从没有搭建过实用模型的学生来说,当看到自己的“找朋友机”如预期的那样亮起来时,他们体会到了快乐和一种的成就感。制作一个设备来映射学生的择友条件和价值观,还能帮助他们理解工程设计对于人们生活的影响。