论文部分内容阅读
一、开展控制实验的意义
新课标指出“技术课程立足于学生的直接经验和亲身经历，立足于‘做中学’和‘学中做’。技术课程以学生的亲手操作、亲历情境、亲身体验为基础，强调学生的全员参与和全程参与。每个学习者通过观察、调查、设计、制作、试验等活动获得丰富的‘操作’体验，进而获得情感态度、价值观以及技术能力的发展。”在信息技术课堂中，引导学生应用程序设计实现对简易外围设备的控制，促进其对微机常用接口的了解，为学生搭建一条自主连通软硬件学习的实验道路。由此，促进学生在动手实践中深入了解计算机工作原理，理解人工智能。帮助他们通过实现对硬件的控制而获得一种蕴含着成就感、满足感的全新体验。为其搭建科技创新的优质平台。
二、开展控制实验的新思路
实现控制外围设备的方法许多，如单片机、专用控制器、机器人等，这些技术在很多教学或课外活动中都有应用。但是，由于受到购置成本、技术难度、场地环境等因素影响，真正能够用于平时课堂教学、让每个学生都亲身参与动手实验的则少之又少。我们真正需要的，是一个低成本、高可行性、易学易做的实验平台。
由此，笔者想到应用高级语言(如VB，Java)进行程序设计，并配以一些简单控制实验的装置，用编程的手段，通过控制装置实现二进制数的输入或输出，配合相应的模块，实现对外围设备的控制。VB，Java是高中信息课程中“算法与程序设计”模块教学选用的两种语言，已被很多高中教师所掌握，易于推广。
学校都有计算机机房，来上课的每位学生都能独立应用，实验装置应适应这样的环境，对硬件要求低，发挥微机CPU、内存、硬盘的强大功能，为实验装置进行运算、存储、逻辑分析、信息采集、指令输出，不用单独学习专用的程序设计语言，应用环境的开放性也凸显出来。控制实验装置可以组织学生结合程序设计，进行一系列的实验活动。虽然实验装置体积小、成本低，却能锻炼学生的动手能力，激发其创造性思维，可以模拟现实生活中的很多控制设备，实现程序设计与人工智能、创新教育的有机融合。用集成电路、发光管、电阻自行焊接而成。
三、实现控制实验的关键——控制实验板
1.控制实验板的功能
控制实验板是进行实验的关键，需要有相应的硬件支持：主要有移位寄存器、计数器、门电路等集成电路片，不同的组合具有不同的功效。控制实验板的主要功能是按照程序设计的需求，实现二进制数的输入或输出，实验板自身不需要单独的程序驱动，只对串口送出的电位、发送的脉冲做出反应。
输出端可以直接驱动发光管，或通过光电转换装置放大后驱动其他电器(如继电器、电动机)。
输入端采集的是开关量，接收专用传感器(如光电、红外、声音、磁控)送出的开关量，供微机读取。
2.控制实验板的结构
根据需求设计专用印刷电路板，焊接元件而成(如集成电路、发光管、电阻等)。电路板上最好焊接集成电路插座，当集成电路损坏后，方便更换。如果没有专用印刷电路板，也可用通用电路板或面包板自己搭建。信息技术课时有限，可以与通用技术电子制作整合实践，完成全过程。也可围绕综合实践项目，开展设计制作，用模块搭建的方式实现创意。接口采用接插件，插上发光管可以看到输出结果，插上引出线可以把信号送到另一个输出装置上，图1为连接在笔记本上正在运行的控制装置。
对电源的需求：控制板需要使用5～6V直流电源，直控式不需要单独提供电源。
3.控制板的具体实验应用
程序设计中的基本结构都能应用于控制板的实验，结合算法实现控制，把计算与控制相结合，变得既有现实意义又有趣味。这对学生的动手实践、思维拓展、人工智能应用有一定的帮助。
高级语言编程，可以设计很好的界面，对实验板的输出状态可以生动地展示出来，采集的信息可以分析、加工、处理、记录，然后根据程序要求实时控制，也可以通过网络传输数据，实现数据共享。
传感器、控制器是固定的，而创意组合是不固定的，空间组合的余地是很大的。
具体来说，应用控制实验板可以开展的实验包括：
(1)光控路灯(灯塔)；(2)普通路口红绿灯控制；(3)带左转弯的路口红绿灯控制；(4)智能控制路口红绿灯(路口堵塞暂停放行与自动恢复)；(5)建筑物跑马灯；(6)周边环境监测站；(7)迎宾卡通；(8)圣诞老人；(9)野外探宝；(10)自助沙盘讲解员；(11)电梯控制(二层、三层)；(12)温室大棚自动控制与监控记录；(13)提线木偶；(14)小小流水线。
四、控制实验教学的初步尝试
笔者结合高中信息技术学科的《信息技术基础》必修课及《算法与程序设计》选修课的教学进度，分别安排了控制实验项目进行了教学实践的初步尝试。
例如，在《信息技术基础》模块教学中，做十进制数与二进制数之间的数制转换实验：实验板上一字排开8个小发光管，它们分别对应不同的二进制位。实验者通过键盘输入一个0～255之间的十进制数，由程序换算成相应的二进制数后，发送信号到实验板，连通相应的发光管使之点亮。“1”亮，“0”灭。由于这部分的重点在于帮助学生了解数制的相关知识，体验二进制数直接控制硬件的作用，所以无需学生编程，教师直接给出程序。
再如，在《算法与程序设计》模块教学中，根据3种基本控制结构的教学需求安排相应的实验。
讲顺序结构时，引导学生做“点亮连接到串口的发光管”实验。相应程序很简单，只是启用通讯控件，把串口的某个输出端置成高电位。学生在设计界面、安排控件、编写代码、运行程序方面都较易掌握。最后，组织学生进行界面输出效果与硬件输出效果对比，帮助其建立软硬件之间的联系，提高其应用能力。
讲分支结构时，引导学生做“光控路灯”等实验。设计思路是根据光照强弱，实现控制路灯的熄灭或点亮。学生首先在控制实验板上插上光敏传感器，做好硬件准备。然后设计程序，对采集的信息进行分析，并根据采集结果做出判断，送出控制指令。最后进行调试运行。
讲循环结构时，引导学生做“建筑物跑马灯”等实验。由于控制实验板是串口控制的，要想实现多位输入输出，使用循环语句便于优化程序，帮助学生体验到数据通过串口的读进、送出等，图2为教师与学生一起分析。
通过以上初步教学实践证明，高中学生乐于接受且能够掌握这方面的知识技能。相信如此循序渐进之后，必然能够逐渐上升到综合应用的层面，完成更丰富多彩的控制实验。当然，目前高中信息技术课时有限，这恐怕就要和综合实践课、校本课程、学生活动课等相结合了。
总之，学生在教师引导下根据项目设计要求，采集相关数据，分析推理，再实施控制。通过软硬件结合的技术手段，完成现实生活中控制应用的模拟实验。由此贴近生活，学生不由得发出“原来如此”的感叹，露出豁然开朗的欢喜笑容。
五、控制实验的未来展望
用控制实验板进行教学实践，走的是一条宜教学、低投入、多实验、能创新、可班级授课的路。由于控制实验主要应用微机作为中枢控制台进行管理，实现了软件、硬件的结合，为信息技术学科“算法与程序设计”“人工智能”模块的教学都开创了一条理论联系实际的新路，也可以作为综合实践课的一项内容进行开设等。控制实验中，配合采集功能，控制功能、记录功能，再配合互联网，实时实现远程监测或控制，也可以说是朝着物联网的应用迈出了可喜的一步。
当我们的实验模块多起来后，当我们的实验系列化后，我们的实验项目就有了更多选择的空间，我们就可以建设出独特的计算机控制实验室。
期待今后能够有更多的技术学科教师加入进来，组织更多的学生尝试软硬结合的控制实验，为我们的技术学科教育创新开创更广阔的前景。
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
新课标指出“技术课程立足于学生的直接经验和亲身经历，立足于‘做中学’和‘学中做’。技术课程以学生的亲手操作、亲历情境、亲身体验为基础，强调学生的全员参与和全程参与。每个学习者通过观察、调查、设计、制作、试验等活动获得丰富的‘操作’体验，进而获得情感态度、价值观以及技术能力的发展。”在信息技术课堂中，引导学生应用程序设计实现对简易外围设备的控制，促进其对微机常用接口的了解，为学生搭建一条自主连通软硬件学习的实验道路。由此，促进学生在动手实践中深入了解计算机工作原理，理解人工智能。帮助他们通过实现对硬件的控制而获得一种蕴含着成就感、满足感的全新体验。为其搭建科技创新的优质平台。
二、开展控制实验的新思路
实现控制外围设备的方法许多，如单片机、专用控制器、机器人等，这些技术在很多教学或课外活动中都有应用。但是，由于受到购置成本、技术难度、场地环境等因素影响，真正能够用于平时课堂教学、让每个学生都亲身参与动手实验的则少之又少。我们真正需要的，是一个低成本、高可行性、易学易做的实验平台。
由此，笔者想到应用高级语言(如VB，Java)进行程序设计，并配以一些简单控制实验的装置，用编程的手段，通过控制装置实现二进制数的输入或输出，配合相应的模块，实现对外围设备的控制。VB，Java是高中信息课程中“算法与程序设计”模块教学选用的两种语言，已被很多高中教师所掌握，易于推广。
学校都有计算机机房，来上课的每位学生都能独立应用，实验装置应适应这样的环境，对硬件要求低，发挥微机CPU、内存、硬盘的强大功能，为实验装置进行运算、存储、逻辑分析、信息采集、指令输出，不用单独学习专用的程序设计语言，应用环境的开放性也凸显出来。控制实验装置可以组织学生结合程序设计，进行一系列的实验活动。虽然实验装置体积小、成本低，却能锻炼学生的动手能力，激发其创造性思维，可以模拟现实生活中的很多控制设备，实现程序设计与人工智能、创新教育的有机融合。用集成电路、发光管、电阻自行焊接而成。
三、实现控制实验的关键——控制实验板
1.控制实验板的功能
控制实验板是进行实验的关键，需要有相应的硬件支持：主要有移位寄存器、计数器、门电路等集成电路片，不同的组合具有不同的功效。控制实验板的主要功能是按照程序设计的需求，实现二进制数的输入或输出，实验板自身不需要单独的程序驱动，只对串口送出的电位、发送的脉冲做出反应。
输出端可以直接驱动发光管，或通过光电转换装置放大后驱动其他电器(如继电器、电动机)。
输入端采集的是开关量，接收专用传感器(如光电、红外、声音、磁控)送出的开关量，供微机读取。
2.控制实验板的结构
根据需求设计专用印刷电路板，焊接元件而成(如集成电路、发光管、电阻等)。电路板上最好焊接集成电路插座，当集成电路损坏后，方便更换。如果没有专用印刷电路板，也可用通用电路板或面包板自己搭建。信息技术课时有限，可以与通用技术电子制作整合实践，完成全过程。也可围绕综合实践项目，开展设计制作，用模块搭建的方式实现创意。接口采用接插件，插上发光管可以看到输出结果，插上引出线可以把信号送到另一个输出装置上，图1为连接在笔记本上正在运行的控制装置。
对电源的需求：控制板需要使用5～6V直流电源，直控式不需要单独提供电源。
3.控制板的具体实验应用
程序设计中的基本结构都能应用于控制板的实验，结合算法实现控制，把计算与控制相结合，变得既有现实意义又有趣味。这对学生的动手实践、思维拓展、人工智能应用有一定的帮助。
高级语言编程，可以设计很好的界面，对实验板的输出状态可以生动地展示出来，采集的信息可以分析、加工、处理、记录，然后根据程序要求实时控制，也可以通过网络传输数据，实现数据共享。
传感器、控制器是固定的，而创意组合是不固定的，空间组合的余地是很大的。
具体来说，应用控制实验板可以开展的实验包括：
(1)光控路灯(灯塔)；(2)普通路口红绿灯控制；(3)带左转弯的路口红绿灯控制；(4)智能控制路口红绿灯(路口堵塞暂停放行与自动恢复)；(5)建筑物跑马灯；(6)周边环境监测站；(7)迎宾卡通；(8)圣诞老人；(9)野外探宝；(10)自助沙盘讲解员；(11)电梯控制(二层、三层)；(12)温室大棚自动控制与监控记录；(13)提线木偶；(14)小小流水线。
四、控制实验教学的初步尝试
笔者结合高中信息技术学科的《信息技术基础》必修课及《算法与程序设计》选修课的教学进度，分别安排了控制实验项目进行了教学实践的初步尝试。
例如，在《信息技术基础》模块教学中，做十进制数与二进制数之间的数制转换实验：实验板上一字排开8个小发光管，它们分别对应不同的二进制位。实验者通过键盘输入一个0～255之间的十进制数，由程序换算成相应的二进制数后，发送信号到实验板，连通相应的发光管使之点亮。“1”亮，“0”灭。由于这部分的重点在于帮助学生了解数制的相关知识，体验二进制数直接控制硬件的作用，所以无需学生编程，教师直接给出程序。
再如，在《算法与程序设计》模块教学中，根据3种基本控制结构的教学需求安排相应的实验。
讲顺序结构时，引导学生做“点亮连接到串口的发光管”实验。相应程序很简单，只是启用通讯控件，把串口的某个输出端置成高电位。学生在设计界面、安排控件、编写代码、运行程序方面都较易掌握。最后，组织学生进行界面输出效果与硬件输出效果对比，帮助其建立软硬件之间的联系，提高其应用能力。
讲分支结构时，引导学生做“光控路灯”等实验。设计思路是根据光照强弱，实现控制路灯的熄灭或点亮。学生首先在控制实验板上插上光敏传感器，做好硬件准备。然后设计程序，对采集的信息进行分析，并根据采集结果做出判断，送出控制指令。最后进行调试运行。
讲循环结构时，引导学生做“建筑物跑马灯”等实验。由于控制实验板是串口控制的，要想实现多位输入输出，使用循环语句便于优化程序，帮助学生体验到数据通过串口的读进、送出等，图2为教师与学生一起分析。
通过以上初步教学实践证明，高中学生乐于接受且能够掌握这方面的知识技能。相信如此循序渐进之后，必然能够逐渐上升到综合应用的层面，完成更丰富多彩的控制实验。当然，目前高中信息技术课时有限，这恐怕就要和综合实践课、校本课程、学生活动课等相结合了。
总之，学生在教师引导下根据项目设计要求，采集相关数据，分析推理，再实施控制。通过软硬件结合的技术手段，完成现实生活中控制应用的模拟实验。由此贴近生活，学生不由得发出“原来如此”的感叹，露出豁然开朗的欢喜笑容。
五、控制实验的未来展望
用控制实验板进行教学实践，走的是一条宜教学、低投入、多实验、能创新、可班级授课的路。由于控制实验主要应用微机作为中枢控制台进行管理，实现了软件、硬件的结合，为信息技术学科“算法与程序设计”“人工智能”模块的教学都开创了一条理论联系实际的新路，也可以作为综合实践课的一项内容进行开设等。控制实验中，配合采集功能，控制功能、记录功能，再配合互联网，实时实现远程监测或控制，也可以说是朝着物联网的应用迈出了可喜的一步。
当我们的实验模块多起来后，当我们的实验系列化后，我们的实验项目就有了更多选择的空间，我们就可以建设出独特的计算机控制实验室。
期待今后能够有更多的技术学科教师加入进来，组织更多的学生尝试软硬结合的控制实验，为我们的技术学科教育创新开创更广阔的前景。
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”