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《鸡蛋孵化温度控制器的设计和应用》教学设计（第1课时）
梅鑫华
一、学习目标
以鸡蛋孵化器的设计制作为项目，将其细化为各子任务。通过完成任务，了解电子控制系统设计的一般过程。
能设计和安装简单的闭环电子控制系统，并进行调试和改进。
二、核心素养目标
通过设计控制电路，培养学生的创新设计素养与工程思维
通过简单的电路绘制与制作，培养学生的图样表达和物化能力
三、重点难点
独立完成简单温控电路的设计与原理分析、制作电路是本节课的重点，也是难点。
四、教学设计思路
图1
教学设计路线图
五、新课教学
（一）情境导入、确定项目
小明家乡在山村，鸡的繁殖还依靠母鸡的孵化，效率较低。为了改变家乡这种情况，发展农副业生产，小明等同学决定利用学到的电子技术，动手设计一个简易的温度电子控制系统，以解决鸡蛋孵化问题。
设计要求如下：
（1）设计一个鸡蛋孵化室温度控制系统
（2）要求孵化器温度控制在37~390C范围内
（3）提供的元器件主要有NPN三极管、二极管、继电器、负系数热敏电阻、电热丝等。
【设计意图】通过真实化的情境引入，一方面激发学生兴趣，吸引学生注意力。另一方面，将所学的电控知识用于解决真实问题，有利于学生今后在工作生活中解决相关问题，也有利于核心素养的培养。
（二）项目设计、任务驱动
【任务一】根据设计要求，做出方案设计分析，并画出控制系统框图。
?
1.确定被控对象、被控量
被控对象：孵化室；被控量：孵化室温度
2.确定控制系统的控制方式
由于设计要求中严格规定温度允许变化的范围，所以必须使用闭环电子控制系统。
3.写出闭环控制系统方框图
【设计意图】控制系统的设计，一般都先确定控制系统的基本工作过程与原理，即画出方框图。通过这一过程，学生学会用方框图表达控制系统的设计框架，渗透工程思维的核心素养。
【任务二】根据控制系统方框图及提供的元器件，完成电路设计。
1.元器件选择及其电路符号
表1
电子元器件选择及其符号
控制系统
电子元器件
电路符号
控制器
三极管
执行器
继电器、电热丝
检测装置
热敏电阻
输入装置
可调电阻
2.设计的电路
图1
图1中，负系数热敏电阻串联在Rp下方，J-1为继电器的常开触点。
图2
图2中，负系数热敏电阻串联在Rp上方，J-1为继电器的常闭触点。
3.电路工作过程分析
以图1电路为例：
（1）当温度低于设定的温度时（鸡蛋孵化温度37.8），热敏电阻阻值较大，三极管导通，继电器吸合，触点闭合，加热丝加热，温度升高。
（2）当温度达到或高于设定温度时，热敏电阻阻值较小，三极管截止，继电器释放，触点断开，加热丝停止加热，温度降低。之后重复上述过程。
【电路工作过程分析的一般方法】将工作过程分段进行分析。
【设计意图】此温控电路的设计较为简单，一方面适合学生实际，另外一方面，学生学会用电路符号，设计具有一定功能的电路图。在这一过程中，可渗透图样表达核心素养。
【任务三】根据设计的简单温控电路，制作电路与测试。
学生搭接制作如图所示的电路，测试电路设计是否合理等。
【注】正如教材指出，若没有低压加热器，建议采用模拟方法代替。由于实验条件的限制，本实验的电路中用风扇代替加热丝，不妨将风扇理解为电吹风，可加热。
【设计意图】通过电路的实际搭建，培养学生的动手实践能力，以及将电路图物化为实物的能力，即渗透物化能力这一核心素养。
【拓展】若电路的控制器需采用运放IC（CF741），并用三极管驱动继电器，采用共射极接法。请在下图虚线框内将电路补画完整（电阻数量不限）？其中IC的输入输出关系为：当U+>U-
,
6脚输出高电平，当U+,
6脚输出低电平。7脚接电源正极，4脚接地。电路符号如下所示，
IC电路符号
参考电路图如下：
【任务四】所设计的电路存在的问题或不足，优化与改进？
1.缺乏加热指示（增加加热指示灯）
增加指示灯的方案如下：
方案1：
说明：当6脚出高时，加热丝加热。但三极管导通时，发射结基本维持在0.7V左右不变，即发光二极管无法发光。该指示电路无效。
方案2:
说明：当6脚出高时，加热丝加热。同时，可使得发光二极管发光。
方案3：
说明：当6脚出高时，加热丝加热。三极管导通，继电器吸合同时，发光二极管也能正常发光指示。
方案4：
说明：当6脚出高时，加热丝加热。同时，发光二极管也能正常发光指示。但指示电路加在此处需要满足：加热丝是低压加热。若是高压，该指示电路接法错误。
2.频繁动作（单点控制，如何改成范围控制）
【教学说明】在实际教学中，关于将单点控制电路改进为范围控制的电路，仅留下疑问，留下悬念，为下一节课做铺垫。具体的关于范围控制电路的设计、方案的提出，电路原理的分析等，留待下一节新课教学中解决。
方案1：增加一个常开触点和适当的电阻
方案2：IC（CF741）改为基本触发器
方案3：IC（CF741）改为555集成电路
【设计意图】对原电路进行调试，分析，发现存在的不足。学生通过思考，改进电路。这一过程，主要渗透创新设计的核心素养。其中增加指示灯是考虑了信息交互，因此可渗透技术意识的核心素养。
六、课堂小结
今天，我们主要学习了温度孵化器电路的设计，具体内容如下：
1.写出了温度控制系统方框图。
2.设计了三极管控制的温度电路，并制作与调试。
3.设计了运放（比较器）控制，三极管驱动继电器的温度控制电路。
4.对原电路进行分析与改进。如增加加热指示电路。
5.如何将电路改进为范围的控制？
在电路设计制作过程，总会遇到各种问题。对于问题我们应不断改进。
七、板书设计（纲要）
1.控制方框图
2.设计的电路
3.制作与测试
4.优化与改进

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