程序流程图在初中电路故障分析中的应用*

黄斌旺

(厦门市湖里实验中学 福建 厦门 361000)

在初中物理电学的学习中,电路故障分析始终是学生的一个难点,学生们对于电路故障分析也常常无从下手，但是电路故障又是中考物理的重要考查点，所以突破这个难点尤为重要.初中阶段电路故障基本上只有开路和短路两种类型，题目除非特殊说明，一般电路只有一处故障.基于这些特点就使得引入程序流程图，通过逻辑推理判断逐渐缩小故障范围最终得出具体的故障点成为可能.

1 计算思维与程序流程图

随着人工智能时代的来临，计算思维开始受到全球学术界的普遍重视，成为新时代每个人都必备的思维能力.2017年7月,国务院办公厅颁布的《新一代人工智能发展规划》，引发了教育界对于新一代人工智能教学和计算思维培养的关注.2019年3月，联合国国际教科文组织发布的《教育中的人工智能：可持续发展的挑战与机遇》研究报告中明确指出:计算思维能力,已成为使人工智能现代社会发展的最重要力量之一.

流程图作为一个思维加工的辅助工具,能有效呈现从识别问题到形成方案的全过程，是计算思维加工过程中的可视化工具[1].

程序流程图,是用规范的符号表示在某个程序中操作或判断的图示,注重描述编程的逻辑性和执行次序.当编程中含有较多循环语句和转移语句时,编程的结构也就变得复杂，程序流程可以让算法直观、清晰、更容易理解.程序流程图由处理框、判断框、起止框、连接点、流程线、注释框等构成，并结合相应的算法，构成整个程序流程图.表1是本文使用到的流程图符号.

表1 程序流程图符号

2 故障电路分析流程图

初中电路故障通常只涉及串联电路和并联电路，很少讨论混联电路，而且基本上只有一处故障，故障的种类分为短路和开路两种类型.由于并联电路的特殊性，一个用电器短路会造成电源短路的严重后果，所以一般也不会设计并联短路的题目.基于以上的特点使得利用程序流程图分析电路的故障点成为可能.如图1所示是本文设计的故障电路分析流程图，只针对串联和并联电路而且只有一处电路发生故障.推理的起点是先判定串联电路或者并联电路，如果是并联电路就逐一判断每个元件是否开路(并联一般不出现用电器短路的情况)，如果某个元件开路的现象刚好与题目中的现象一致则找到故障点，如果不一致就判断下个元件，直到找到故障点.如果第一步判定是串联电路，接下来从电路中的小灯泡是否发光，电流表是否有读数等方面判断电路是否有电流，如果电路有电流则转移到有用电器短路的分支，如果没有电流就是电路发生开路的故障，最后逐一判断推理确定故障点.

图1 故障电路分析流程图

3 实战演练

【例1】如图2所示电路，闭合开关S后，发现灯泡L1和L2均不亮，电流表示数为零，电压表示数等于电源电压，则该电路中的故障是什么引起的？

图2 例1题图

分析：根据题目给出的电路图可知，本题为串联电路，属于串联电路故障类型，灯泡L1和L2均不亮，电流表示数为零，所以，电路中没有电流(或者电流极小电流表无法测出)，推理到有元件开路.电路故障大部分是用电器故障，电表、电源和导线故障很少出现，所以先尝试L1开路，如果L1开路那么电压表无示数，与已知矛盾.继续判定是否L2开路，发现L2开路刚好满足所有的已知条件，得出结论L2开路，推理结束.整个推理过程的程序流程图走向如图3所示.

图3 例1程序流程图走向

【例2】如图4所示，电源电压恒定不变，闭合开关S，灯L1和L2均发光，一段时间后，一盏灯突然熄灭，而电流表和电压表的示数都不变，出现这一现象的原因可能是( )

图4 例2题图

A.灯L1断路 B.灯L2断路

C.灯L1短路 D.灯L2短路

分析：本题为并联电路，属于并联电路故障类型，尝试L2开路，发现L2开路时电流表无示数，与已知条件矛盾.接着尝试L1开路，刚好满足所有的已知条件，得出L1开路，推理结束.整个推理过程的程序流程图走向如图5所示.

图5 例2程序流程图走向

4 结论

使用流程图作为思维支架，有利于学生在识别问题、分解重构问题思路的梳理，并且能让学生的思维“可视”，知道他们在哪个思维环节出现问题.流程图是一种能将人类的自然语言转换成计算机语言的工具，使用流程图分析电路故障的过程还可以培养从学习者自然思维向计算机思维过渡的能力[2],从而促进学生问题识别、问题分解、抽象、算法和逻辑等高阶思维的发展[3].