在智能寻轨器制作中提高学生逆向思维能力

2022-04-02 14:16郭秋维何梦婷
小学科学·教师版 2022年4期
关键词:轮子电路板逆向

郭秋维 何梦婷

逆向思维,就是我们对平时司空见惯的似乎已成定论的事物和观点,反过来思考的一种思维方式。科学老师在指导学生进行智能寻轨器制作的过程中,可巧用逆向思维来认识某些元件的正反向不同特性,进而理解电路工作的正反原理,并进行演绎分析;在检测和调试过程中,运用逆向思维进行分析和调整,可促使电路工作正常,寻轨顺畅自然,行程远,达到智能寻道的作用,从而提高学生的逆向思维能力。

逆向思维,顾名思义,即不按常规的思维方式,不从事物的正向思路考虑问题,偏偏反其道而行之,以获得解决问题的一种新颖方式。在日常生活中,逆向思维无所不在,有着极其广泛的实用价值。但它总是与正向思维相对应而存在,所以,我们在分析逆向思维问题时,有必要联系正反两方面的因素,才能加深对逆向思维的理解,收到更好的效果。韦钰院士指出:“儿童具有强大的学习能力,是一个积极主动的学习者。婴儿一来到这个世界,就开始了从一个生物人向社会人发展的学习过程。”

智能寻轨器的制作,蕴含科学创新信息,内隐着反向思维,如能充分发挥其优势,就会帮助我们分析与认识其中规律,从而达到有效解决行走问题之目的。

一、应用逆向思维的优势

有时遇事绞尽脑汁想不出好办法来,不妨改变一种思考方法,换一个角度,从事物的反面进行琢磨,可能会产生意想不到的效果。生活中常见的逆向思维有原理逆向、功能逆向、结构逆向、程序逆向、因果逆向、状态逆向、属性逆向等。如,司马光砸缸救孩子就是应用逆向思维来解决问题的实例。事物之间总是相互联系的,正向思维与逆向思维的顺逆方向不同,解决问题的功效也有别。

很多人总习惯性地常规思维,这固然有很大的好处,但也存在着明显的不足:不能适应突变的情境;面对难关,往往难以实现突破;不能逾越鸿沟。用上逆向思维后,就能够势如破竹,使问题迎刃而解。对大自然中的万事万物,多问几个为什么:假如没有灰尘,假如没有苍蝇,大自然又会怎样呢?这种训练,对培养学生的逆向思维有独特的促进作用。

二、认识元件,理解特性

普通二极管,符号“”,属于半导体电子元件,具有正向导通、反向截止的特性。那么,为什么半导体只会单向导通呢?原因就在于二极管元件内部有一个PN结,电流只能从正极P向负极N流动,反向电阻无限大,近乎截止。用万用表检测,正向电阻小,反向电阻无穷大。如用LED灯拼接检验,加上正向电压触发导通时LED灯会发光,反向时不发光。在一般电路中,遇到二极管不发光,可能存在几种情况:一是LED灯本身损坏,正反向都亮不起来;二是可能还未达到它的额定电压,虽有电流通过,但还是发不出光来;三是由于正反方向极性错了。如果更改一下方向,马上就会发出亮光,显然系极性装反。当然,还可用替换法,将纽扣电池接入测试一下,立竿见影。其实,正反向思维是矛盾的对立统一,处于一个共同体中,离开了一方,另一方也就不存在了。

电容也是一样,可以有几种方法验证。容量稍大的电解电容,可用万用表检测电容的充放电情况,当表针从左到右慢慢移动到一定位置时,然后又返回到无穷大,这实际显示的是充电与放电过程。再次就要调换方向检测,依然有充放电存在。容量越大摆动幅度就越大。其中的充电与放电也是一对顺逆问题,处于一个共同体之中。许多电路中的延时发光或延时熄灭,均是利用电容器的充放电原理来设计的。当接上电池时,LED灯不亮,按下并松开按钮,LED灯立即发亮,此后慢慢变暗。容量小的电容器,变化速度更快。

三、分析原理,演绎推理

有效的思维是一个不断提问、解答、追问和不断明朗的过程。要调动学生的思维,在难度适中的基础上,方法的正确与否很关键,是继续思考和追问的原动力。在一个特定的环境中,学生的思维能够从一个点到另一个点连续地进行,完成真正的、深刻的、有效的思维活动。

智能寻轨器要正常工作,按反向推理,要让寻轨器行走→要有一个完整的闭合回路→轮子前进→齿轮转动→电机旋转→电路板元件正常→开关闭合→电池4.5V供足。这种思路很重要,有时可与正向联系起来分析。

如出现一架智能寻轨器不前进的情况,该查哪里呢?根据逆向思维原理,逐步查找,进行检测。先查一下电机是否正常,如是电机出岔子,当然车子走不了。这时可撇开其他的线路,对电机进行单独测试。电机的问题,到底是齿轮机械的配合转动问题,还是小马达的问题。如电机正常,继之应查电路板上各元件的情况:各点的电压正常与否?电子元件是否有烧毁或击穿情况?最后再查查电池的供电情况:电池的电量多少?有没有存在导线接触不良情况?焊接点是否虚焊?这就是倒序来检查智能寻轨器的各部分情况。只有考虑顺逆的不同思维方向,才能更有效地查找其中的问题所在。

四、检测调试,对症下药

智能寻轨器虽小,舞台却很大,要让学生插上逆向思维的翅膀,激发学生试着解决行走中的实际问题,以实现一次次质的飞跃。

为确保组装焊接正常,可对电路板进行单独测试,把车架、电池与电路板三者分开,将车子轮子悬空架起来。当接入电源时,可能会出现三种状态:一是车子的两个轮子都旋转起来;二是一个轮子转动,另一个轮子不动;三是两个轮子都不动。查清问题后就可以区别对待,有的放矢,有针对性地排除解决问题(见实物图1)。

在宽松状态下,学生的思维闸门是开放的,随时会有感而发,提出一些有挑战性的问题。教师应认识到,问题驱使下的学习是难得的好机会,要因势利導,就此发挥,定会收到意想不到的效果。

(一)左右对称问题

智能寻轨器的电子电路板设计左右对称也是一种互逆关系。如,在D型智能寻轨器中,左边的100Ω电阻、10KΩ电阻、传感器、504可变电阻、红色发光二极管和调速电位器等元件,与左边的电机有直接关系;同理,右边的那些元件与右边的电机也有关系。当出现问题时,就要检查相对应一边的那些元器件(见电路板实物图2)。gzslib202204021427

这时,我们可以左右对比琢磨,由此及彼,顺逆结合,逐一查找,直至问题解决。

(二)轮子倒转问题

有时候,一架智能寻轨器安装完毕后进行试车,会出现智能寻轨器向左绕圈子或向右绕圈子的情况。仔细分析一下,原来是有一边轮子是不动的,导致一边前进,另一边不动,就变成绕圈子了。往哪边绕圈子就是哪边轮子不动,这时,只要把不动那边电机的两个接线柱的两条线松开并对换焊接妥,让轮子都向前滚动,就得到科学纠正了。这种问题较为简单,一经发现,立刻调整解决之。

(三)电阻大小问题

在智能寻轨器行驶过程中,往往会出现一直往一边转弯的情况,好像与一边有特别的情感。遇到這种情况,我们就要分析:为了让两轮走得一样快,是要调走快的还是走慢的轮子?如调走得快的那个轮子,细想一下,要让这个轮子走慢,应该从调速电阻上下功夫:电阻大,走得慢;电阻小,走得快。于是,就从可变电阻上着手调试。旋转操作时,要细旋慢调,不能一步到位,要旋一点试走一下,再旋一点,再试走一下。沉住心,慢慢琢磨,直到调到最佳平衡状态。有时,可能一边调到极点还是不奏效,这时就要调整另一个电阻。要注意另一个调整的方向应该相反。归纳起来,原则就是:与传感器配合的电阻值大,灵敏度就低,走得慢;反之,电阻小,灵敏度高,走得快。这实际也包含着逆向关系,明白这一点,就能得心应手,手到病除。

五、不能忽视传感器的灵敏度

智能寻轨器最终是要在黑白的轨道上前进的,在机械都正常的情况下,还有几方面的环境因素不能忽视:周围环境的光线强弱程度不同,白天与晚上有差别,而且阴天与晴天也有差别,背光与向阳更有差别。即使是同样的教室、同样的时间段,有阴影和没阴影也有差别。在现场操作中,可借助一块挡光板来调整光线的强弱,以达到智能寻轨器顺利行走的目的。

当然,寻道本身的黑条色道、电池的电量与篷布走道粗细程度也有关,需要综合考虑,才能控制好它的速度。

总之,客观事物总是存在着千丝万缕的内在联系。在智能寻轨器的分析调试中,当正向思维不能有效地解决问题时,不妨反其道而行之:从结果出发,进行恰当的逆向思维,常常会收到意想不到的效果,出现峰回路转、柳暗花明又一村的局面。顺逆结合,相得益彰,能够让思维得到更有效的多维发散拓展。

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