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《雞蛋孵化溫度控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用》教學(xué)設(shè)計(jì)（第1課時(shí)）
梅鑫華
一、學(xué)習(xí)目標(biāo)
以雞蛋孵化器的設(shè)計(jì)制作為項(xiàng)目，將其細(xì)化為各子任務(wù)。通過(guò)完成任務(wù)，了解電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。
能設(shè)計(jì)和安裝簡(jiǎn)單的閉環(huán)電子控制系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)。
二、核心素養(yǎng)目標(biāo)
通過(guò)設(shè)計(jì)控制電路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)素養(yǎng)與工程思維
通過(guò)簡(jiǎn)單的電路繪制與制作，培養(yǎng)學(xué)生的圖樣表達(dá)和物化能力
三、重點(diǎn)難點(diǎn)
獨(dú)立完成簡(jiǎn)單溫控電路的設(shè)計(jì)與原理分析、制作電路是本節(jié)課的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。
四、教學(xué)設(shè)計(jì)思路
圖1
教學(xué)設(shè)計(jì)路線圖
五、新課教學(xué)
（一）情境導(dǎo)入、確定項(xiàng)目
小明家鄉(xiāng)在山村，雞的繁殖還依靠母雞的孵化，效率較低。為了改變家鄉(xiāng)這種情況，發(fā)展農(nóng)副業(yè)生產(chǎn)，小明等同學(xué)決定利用學(xué)到的電子技術(shù)，動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的溫度電子控制系統(tǒng)，以解決雞蛋孵化問(wèn)題。
設(shè)計(jì)要求如下：
（1）設(shè)計(jì)一個(gè)雞蛋孵化室溫度控制系統(tǒng)
（2）要求孵化器溫度控制在37~390C范圍內(nèi)
（3）提供的元器件主要有NPN三極管、二極管、繼電器、負(fù)系數(shù)熱敏電阻、電熱絲等。
【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)真實(shí)化的情境引入，一方面激發(fā)學(xué)生興趣，吸引學(xué)生注意力。另一方面，將所學(xué)的電控知識(shí)用于解決真實(shí)問(wèn)題，有利于學(xué)生今后在工作生活中解決相關(guān)問(wèn)題，也有利于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。
（二）項(xiàng)目設(shè)計(jì)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)
【任務(wù)一】根據(jù)設(shè)計(jì)要求，做出方案設(shè)計(jì)分析，并畫(huà)出控制系統(tǒng)框圖。
?
1.確定被控對(duì)象、被控量
被控對(duì)象：孵化室；被控量：孵化室溫度
2.確定控制系統(tǒng)的控制方式
由于設(shè)計(jì)要求中嚴(yán)格規(guī)定溫度允許變化的范圍，所以必須使用閉環(huán)電子控制系統(tǒng)。
3.寫(xiě)出閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖
【設(shè)計(jì)意圖】控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般都先確定控制系統(tǒng)的基本工作過(guò)程與原理，即畫(huà)出方框圖。通過(guò)這一過(guò)程，學(xué)生學(xué)會(huì)用方框圖表達(dá)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，滲透工程思維的核心素養(yǎng)。
【任務(wù)二】根據(jù)控制系統(tǒng)方框圖及提供的元器件，完成電路設(shè)計(jì)。
1.元器件選擇及其電路符號(hào)
表1
電子元器件選擇及其符號(hào)
控制系統(tǒng)
電子元器件
電路符號(hào)
控制器
三極管
執(zhí)行器
繼電器、電熱絲
檢測(cè)裝置
熱敏電阻
輸入裝置
可調(diào)電阻
2.設(shè)計(jì)的電路
圖1
圖1中，負(fù)系數(shù)熱敏電阻串聯(lián)在Rp下方，J-1為繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)。
圖2
圖2中，負(fù)系數(shù)熱敏電阻串聯(lián)在Rp上方，J-1為繼電器的常閉觸點(diǎn)。
3.電路工作過(guò)程分析
以圖1電路為例：
（1）當(dāng)溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)（雞蛋孵化溫度37.8），熱敏電阻阻值較大，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，觸點(diǎn)閉合，加熱絲加熱，溫度升高。
（2）當(dāng)溫度達(dá)到或高于設(shè)定溫度時(shí)，熱敏電阻阻值較小，三極管截止，繼電器釋放，觸點(diǎn)斷開(kāi)，加熱絲停止加熱，溫度降低。之后重復(fù)上述過(guò)程。
【電路工作過(guò)程分析的一般方法】將工作過(guò)程分段進(jìn)行分析。
【設(shè)計(jì)意圖】此溫控電路的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，一方面適合學(xué)生實(shí)際，另外一方面，學(xué)生學(xué)會(huì)用電路符號(hào)，設(shè)計(jì)具有一定功能的電路圖。在這一過(guò)程中，可滲透圖樣表達(dá)核心素養(yǎng)。
【任務(wù)三】根據(jù)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單溫控電路，制作電路與測(cè)試。
學(xué)生搭接制作如圖所示的電路，測(cè)試電路設(shè)計(jì)是否合理等。
【注】正如教材指出，若沒(méi)有低壓加熱器，建議采用模擬方法代替。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本實(shí)驗(yàn)的電路中用風(fēng)扇代替加熱絲，不妨將風(fēng)扇理解為電吹風(fēng)，可加熱。
【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)電路的實(shí)際搭建，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，以及將電路圖物化為實(shí)物的能力，即滲透物化能力這一核心素養(yǎng)。
【拓展】若電路的控制器需采用運(yùn)放IC（CF741），并用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，采用共射極接法。請(qǐng)?jiān)谙聢D虛線框內(nèi)將電路補(bǔ)畫(huà)完整（電阻數(shù)量不限）？其中IC的輸入輸出關(guān)系為：當(dāng)U+>U-
,
6腳輸出高電平，當(dāng)U+,
6腳輸出低電平。7腳接電源正極，4腳接地。電路符號(hào)如下所示，
IC電路符號(hào)
參考電路圖如下：
【任務(wù)四】所設(shè)計(jì)的電路存在的問(wèn)題或不足，優(yōu)化與改進(jìn)？
1.缺乏加熱指示（增加加熱指示燈）
增加指示燈的方案如下：
方案1：
說(shuō)明：當(dāng)6腳出高時(shí)，加熱絲加熱。但三極管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射結(jié)基本維持在0.7V左右不變，即發(fā)光二極管無(wú)法發(fā)光。該指示電路無(wú)效。
方案2:
說(shuō)明：當(dāng)6腳出高時(shí)，加熱絲加熱。同時(shí)，可使得發(fā)光二極管發(fā)光。
方案3：
說(shuō)明：當(dāng)6腳出高時(shí)，加熱絲加熱。三極管導(dǎo)通，繼電器吸合同時(shí)，發(fā)光二極管也能正常發(fā)光指示。
方案4：
說(shuō)明：當(dāng)6腳出高時(shí)，加熱絲加熱。同時(shí)，發(fā)光二極管也能正常發(fā)光指示。但指示電路加在此處需要滿(mǎn)足：加熱絲是低壓加熱。若是高壓，該指示電路接法錯(cuò)誤。
2.頻繁動(dòng)作（單點(diǎn)控制，如何改成范圍控制）
【教學(xué)說(shuō)明】在實(shí)際教學(xué)中，關(guān)于將單點(diǎn)控制電路改進(jìn)為范圍控制的電路，僅留下疑問(wèn)，留下懸念，為下一節(jié)課做鋪墊。具體的關(guān)于范圍控制電路的設(shè)計(jì)、方案的提出，電路原理的分析等，留待下一節(jié)新課教學(xué)中解決。
方案1：增加一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)和適當(dāng)?shù)碾娮?br/>方案2：IC（CF741）改為基本觸發(fā)器
方案3：IC（CF741）改為555集成電路
【設(shè)計(jì)意圖】對(duì)原電路進(jìn)行調(diào)試，分析，發(fā)現(xiàn)存在的不足。學(xué)生通過(guò)思考，改進(jìn)電路。這一過(guò)程，主要滲透創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心素養(yǎng)。其中增加指示燈是考慮了信息交互，因此可滲透技術(shù)意識(shí)的核心素養(yǎng)。
六、課堂小結(jié)
今天，我們主要學(xué)習(xí)了溫度孵化器電路的設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下：
1.寫(xiě)出了溫度控制系統(tǒng)方框圖。
2.設(shè)計(jì)了三極管控制的溫度電路，并制作與調(diào)試。
3.設(shè)計(jì)了運(yùn)放（比較器）控制，三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的溫度控制電路。
4.對(duì)原電路進(jìn)行分析與改進(jìn)。如增加加熱指示電路。
5.如何將電路改進(jìn)為范圍的控制？
在電路設(shè)計(jì)制作過(guò)程，總會(huì)遇到各種問(wèn)題。對(duì)于問(wèn)題我們應(yīng)不斷改進(jìn)。
七、板書(shū)設(shè)計(jì)（綱要）
1.控制方框圖
2.設(shè)計(jì)的電路
3.制作與測(cè)試
4.優(yōu)化與改進(jìn)

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