基于技术进化思想的“控制”教学

基于技术进化思想的“控制”教学

阮武林

华东师范大学第一附属中学 200086

摘要：基于TRIZ理论中的技术进化规律，提出 “手动控制”、“机械控制”、“电子控制”和“单片机自动控制”4个阶段的“控制“教学路径；结合教学实践，给出在“手动控制”学习执行器的工作特性、在“机械控制”中积累系统控制的过程和方法、在 “电子控制”中理解电信号的获取和控制过程、在“单片机自动控制”中夯实开环和闭环控制学习的具体措施。

关键词：控制；技术进化；机械控制；电子控制；单片机自动控制

“控制”和“采集”、“加工”一起构成人类改造世界的三大主要活动，控制的作用在于改变实物之间的相互作用和时空过程，是对关系和过程的调节^[1]。“控制”存在于社会生产生活的各个方面，是当今世界科学技术发展的主要标志性技术，为人类带来极大的便利。上海二期课改，分别在初中八年级安排了“电子控制技术应用”和“电子控制技术”、“自动控制技术”单元学习内容；《普通高中通用技术课程标准》中《技术与设计2》、《电子控制技术》、《机器人设计与制作》、《智能家居系统设计与应用》等课程模块有大量内容和“控制”有关^[2]。然而在过去的10年来，“控制”教学却主要停留在电子技术的教学上，新课标在《技术与设计2》课程模块中提出了系统、控制等概念，老师们才渐渐重新认识“控制”的意义，意识到控制是一个重大的设计领域，但如何整体上把握“控制”教学似乎缺少有效的方法。本文从技术进化思想探讨中学“控制”教学方法。

前苏联G.S.Altshuller（阿奇舒勒）为首的专家对数百万件的专利进行总结，如潜水艇系统的进化，从一只防水的桶，进化到像自行车脚蹬似得驱动船体且配有罗盘、深度尺等的大木桶，再进化到核动力潜艇，进化到集下沉、潜行、上浮并发射鱼雷的潜艇，提出了解决创新创造问题的TRIZ理论，该理论中的技术进化规律认为技术系统在结构上有进化的趋势，技术系统的性能参数随着时间变化出现进化规律^[3]。TRIZ中的技术进化规律反映出人类认知与需求的关系，即新的需求、系统的完善需要促进人类发现知识、运用知识创造发明。技术进化的规律本质上是人类思想的进化，而思想的教育往往更能撼动学生心灵，以技术系统的进化规律组织“控制”教学，能将技术目的和技术方法结合起来，增强学生对“控制”学习的认同，能兼顾技术内容逻辑和学生认知逻辑。从起源来说，“控制”源于对外界“物”的改变，控制方式随着科技的发展而进化，先后经历“手动控制”、“机械控制”、“电子控制”、“单片机自动控制”几个阶段，目前向“人工智能控制”发展。“控制”技术进化的规律各教学提供了直接的路径，可分“手动控制—机械控制—电子控制—自动控制”几个阶段实施“控制”教学，各阶段再明确重点学习内容。

1. 在“手动控制”中学习执行器的工作特性

“控制”往往通过改变被控对象或执行器的状态，以满足人们的需要，例如通过改变一个发光二极管状态提示人们电器的工作状态，通过蜂鸣器报警提示人们设备工作状态已经变化，通过电机运动带动机械结构工作实现被控对象目标。尽管中学生在日常生活中接触现代科技产品，但大部分同学不了解产品内部的器件的工作特点，因而在控制学习初级阶段，应让学生通过“手动控制”的方式，了解被控对象的工作特性，增强对被控对象外形、引脚、工作参数等感性认识，例如可安排手控小夜灯、手控电风扇、手控报警器等了解发光二极管的极性、颜色，知道电机正、反转的条件，认识蜂鸣器电流大小和响度的关系。被控对象是控制系统的重要组成部分，控制系统目标的实现往往直接通过被控对象作用于人的需要，因而被控对象的工作特性是首先应该让学生学习的内容，在此基础上再学习机械控制 、电子控制、智能控制等控制手段更符合认知规律。

2. 在“机械控制”中积累系统控制的过程和方法

“机械控制”广泛应用在工业、生产中，“机械控制”常用于改变被控对象的物理量，例如工业上的“水位”、“油位”、“偏转角”等， “机械控制”大都采用闭环控制方式，通过限位开关等控制执行器工作范围，从而达到控制被控对象物理量的目的。但由于条件限制，大部分学生缺乏“机械控制”的直观体验，难以感悟“机械控制”的过程和方式，教学可创设条件，通过多媒体视频展示典型“机械控制”案例，如工业上油压控制的视频，让学生去想象、感悟“机械控制”的过程；或拆卸机械控制装置让学生直观体验机械过程，例如拆卸乒乓球发球机装置，可以发现装置内有一弹簧片作为限位开关，以控制减速电机转动角度，有条件的学生，可以3D打印机为例，开展探究活动，让学生观察3D打印机结构，去了解3D打印机准确移动位置的原理（普通碰撞开关作为限位开关）。通过“机械控制”产品工作过程的学习，进一步积累控制系统的过程和方法上的感性认识，为“电子控制”、“单片机自动控制”学习打下基础。

3. 在 “电子控制”理解电信号的获取和控制过程

相比“机械控制”，“电子控制”较为“隐形”，电子控制是通过电信号的转换、放大、整形等过程实现“控制”，但电信号不可见、不可摸的特性，增加了学习的难度，高中生已学欧姆定律也让他们不知如何分析电路图，因而大部分学生觉得“电子控制”难理解。从技术进化规律来看，电子控制主要是采用了新的控制方式对执行器进行控制。通过“手动控制”和“机械控制”的学习，学生已经对执行器及其它控制系统的硬件部分较为清楚，因而“电子控制”过程的揭秘是教学的重点，从中学生认知特点来看，从感性认知到理性认知是一条基本教学原则，因此需要通过适当的办法将不可见、不可摸的电信号变化过程“显性化”。例如电信号的转换，可通过万用表测量传感器分压电路，获取各点电压信号随物理量变化情况，观察万用表上指针的变化现象增强对“隐形化”电信号的感性认识，再结合欧姆定律分析现象背后的原因，达到感性认识与理性认识的统一，提高电路分析能力。

在电信号的处理过程中，也可以用万用表测量一些关键电位点变化，去获取电路中电信号变化情况，例如测量芯片输入和输出引脚电压变化，理解传感器对数字芯片输入引脚的影响，进一步测量输出引脚对执行器驱动电路的影响，再对一系列关键电位点的电压变化建立联系，形成完整的“电子控制”过程内在逻辑链，培养技术思维。

理解电信号的处理和控制过程后，教学可进入电子开环控制和电子闭环控制学习，开环控制和闭环控制是高中通用技术《技术与设计2》模块中内容，和开环控制相比，闭环控制增加了反馈和比较环节，同样具有“内隐形”，学生难以理解，也可以通过直观的形式揭秘反馈和比较过程。例如教学提供开环控制和闭环控制的两个“水池”注水结果的比较，或提供循线小车的开环控制和闭环控制效果的比较，去观察两种控制方式不同，然后根据控制结果去分析分析控制过程，了解开环控制只是给定数值而没有检测环节，而闭环控制通过传感器检测反馈被控对象的输出量、和预设值比较、控制器控制执行器工作复杂过程。

教学还可以将电子闭环控制和机械闭环控制联系起来类比，归纳闭环控制的特点，培养技术反馈思想，相对而言，机械闭环控制具有直观性，学生更容易理解，例如联系乒乓球发球装置，建立 角度“预设值”和“开关检测负反馈”概念，再将两个概念迁移到电压比较器电路中，去理解电压信号“预设值”和“传感器检测负反馈”的过程。

4. 在“单片机自动控制”中夯实开环和闭环控制学习

单片机即微型计算机，包括中央处理器、输入/输出接口、存储器等硬件，单片机自动控制利用计算机存储特性，通过软件控制硬件工作实现自动控制，是目前广泛使用的信息化自动控制方式，几乎大部分智能化产品都需要用到单片机自动控制技术，宏观层面我国的“导弹、火箭”的控制，中观层面工业上产品流水线生产，微观上冰箱、空调的温度控制等，都需要用到单片机自动控制。相比电子控制而言，单片机自动控制拥有更强大脑，具有多路信号接收、存储和处理功能，受到广大学生喜欢，学生对通过编写几条指令控制硬件的工作感到新颖、好奇，但教学应注意避免将“单片机自动控制”课上的指令编写等同于信息科技上的程序设计，“单片机自动控制”是将单片机作为一种控制的技术手段，目的是实现对被控对象输出量的自动控制，因而教学应该基于电子控制基础，重点在开环控制和闭环控制上开展教学，例如结合开环控制方式，通过单片机的记忆功能，在单片机红绿灯项目中，预设红绿灯不同时间，控制交通灯工作时序；再例如闭环控制中，在AGV循线车项目中，利用单片机计算功能，建立模型，设定预设值，光电红外传感器检测导引线数值，反馈给单片机和阈值比较计算差值，再根据差值不同控制执行器（电机）运动速度和时间。

通过“手动控制”、“机械控制”、“电子控制”和“单片机自动控制”四个阶段的学习，中学生能很好的理解控制的作用，树立正确的控制价值观，随着5G技术的发展和人们对美好生活的向往，人工智能技术正成为引导社会前进的驱动力，人工智能本质上也是一种“控制”技术，是在现有控制技术基础上的进化发展，离不开机械控制、电子控制和单片机自动控制，它的特点在于传感器群获取大数据，高速芯片处理大数据，再利用5G技术快速物联，目前“人工智能”技术正以各种形式进入基础教育，人工智能技术和以上四种控制方式无缝衔接开展教学，在继承中学习新技术，才能促进学生掌握 “控制”思想和方法，为国家未来建设需要奠定基础。

参考文献：

[1]陈昌曙.技术哲学引论[M].北京：科学出版社，2012：67.

[2]中华人民共和国教育部制定[M].普通高中通用技术课程标准(2017)，2017：16.

[3]赵新军,孔详伟.TRIZ创新方法及其应用案例分析[M].北京：化学工业出版社，2020：88-90.