4、黑箱方法教学设计和教学实录

通用技术选考复习——黑箱问题教学设计

一、

学情分析

本课内容是针对高三学生黑箱问题与电子控制系统结合的复习课。学生经过前面的高三复习，对黑箱问题的概念已经有所了解，也掌握了简单电子控制系统电路的分析，但是对电子控制系统中遇到的黑箱问题却无从下手，故设计了本节黑箱问题的复习课。

二、

教学重点

黑箱问题的解决办法。

三、

教学难点

黑箱方法在电子控制系统中门电路设计中的应用。

四、

教学过程

师：我们知道电子控制技术应用非常广泛，电路板是设备的核心部件。但一些电路板因为保存不到而被腐蚀,以致无法达到控制的目的,要维修它，但是已经无法看清内部结构。

在控制论中，通常把所不知的区域或系统称为“黑箱”，这就是一个黑箱问题。

师：黑箱往往无法打开或者不方便打开。对于我们来说是未知的世界，也是我们要探知的世界。

但我们可以通过考察它的输入与输出的关系来推测其内部特性和功能。这就是黑箱方法。

师（过渡句）：我们通用技术的选考中，也会涉及到黑箱问题。这节课我们就来学习如何用黑箱方法来解决这些问题。

先完成例题1 师（提问）：我们将虚线框内的未知区域看成一个系统，则其输入时什么？

生：回答。A高电平/电平情况

师（提问）：当这个系统的输入A为高电平时，输出是什么？

生：电动机转动。

师：这说明此时常开触点闭合。

师：因此，我们可以推测，这个系统里应该有什么器件？

生：继电器。

师：又因为高压回路是一个常开触点，这说明此时的继电器处于什么工作状态。

生：吸合。

师：也就是说此时继电器的线圈有电流流过，那么和它串联的三极管的工作状态是？

生：饱和导通。

师：又因为此时输入A为高电平，说明这是一个什么类型的三极管？

生:NPN 师：继电器的线圈在断电的瞬间会有一个很大的感应电流，因此我们需要一个二极管去保护三极管。

师：经过这么分析推测，我们能画出虚线框内的电路图。（教师动作展现PPT答

案，并黑板画图）

小结一下这个题:（这里慢一点）

我们由输入输出的线索推测黑箱内的器件；

再由黑箱外部器件工作状态推测出内部器件的类型及工作状态；

结合输入输出状态的关系，可以画出电路图。

我们再深入一下，来完成例题2 师：这个系统的输入和输出之间的关系和例题1是一样的。（先画好图）

请一位同学来分析一下。黑箱里面有哪些器件，处于什么工作状态。

生：有继电器，且继电器吸合，和它串联的三极管处于导通状态。并且还需要一个二极管保护三极管。

师：由于三极管的类型我们已经知道是NPN型。所以这个三极管的基极应处于高电平。我们标记为K点。

师：（评价）推理非常严谨，思路清晰，请坐

师：推理到这里，电路图和例题1的电路非常像。如果我们把K点和处于高电平的A点直接用一个导线连起来那么K点就是高电平了，就和例题1一模一样了。因为已知这个系统里还有一个三极管，所以我们不能直接把K点和A点连起来，我们需要再去寻找一个高电平。而这个三极管就是充当那根导线。

师：这个虚线框上除了A点以外，还有哪里是高电平？（思考）

师：这个点（点PPT中接地的那根线）低电平。

师：这个点（点PPT中接电源那根线）高电平

由于K点要和这个点直接连起来，此时这个三极管应该就是充当了这根导线，那么这个三极管处于什么工作状态？

生：导通。

师：经过这么分析推测，我们能画出虚线框内的电路图。

除了这种方案以外我们还可以是这样的接法。

这个电阻使V1导通时，处于高电平，并且防止V1被烧坏。

小结一下这个例题：

在分析黑箱内部的器件类型、工作状态时，我们可以分层推进，逐层分析，达到抽丝剥茧的目的，尤其是两个三极管结合在一起的组合管，我们可以重点抓住结合点的电位情况，结合黑箱外部情况进行推理。

小结句：结合一下例题1、例题2，我们发现相同的输入与输出的关系，我们分别用一个三极管、二个三极管来实现。可见我们用黑箱方法可以推测其内部性能与功能，结构不一定与真实的完全一致，但这并不影响。因为我们已经实现了控制的目的，

过渡句：黑箱方法除了可以用来探知未知的电路，也可以根据控制要求，输入和输出之间的关系来设计电路。

我们来完成例题3 师：例题3相对于例题1、2是两个输入一个输出的情形。我们可以采用逻辑门。

师：我们将虚线框内的未知电路看成一个系统，则这个系统应该是整个电路的子系统，这个子系统的输入是什么？我们可以用字母标记一下。A、B。

学生可能会说水位高低、温度情况。

师：水位高低是直接作用在这部分电路上，温度高低是作用在热敏电阻上，这部分显然不是这个子系统的组成部分吧。

师：那么这个子系统的输入是什么，我们可以标记一下在哪里？

师：输出是什么？我们也可以用字母标记一下。F 师：我们研究的是F与A、B之间的关系，要找出这个逻辑关系，我们需要把这大段文字转换为技术语言，用真值表来表示。

师：我们一起来列真值表

0 0的时候表示水不到a，且温度高，不加热，所以这个常开触点不闭合，继电器释放，PNP三极管截止，F为高电平，用1来表示；

同样的我们可以推理出：

0 1的时候表示水不到b，且温度低，不加热，故F为1；

1 0的时候表示水到a，且温度高，不加热，故F为1；

1 1的时候表示水到a，且温度低，加热，故F为0.

,是一个与非门。

由这个真值表我们可以写出他的表达式为，F=

对这个问题进行一个小结：

解决这类逻辑门的设计问题，我们首先要明确输入、输出；然后进行逻辑抽象，用1表示高电平，0表示低电平；根据控制要求，写出真值表；最后根据真值表写出逻辑表达式，并选择相应的逻辑门。

过渡句：逻辑门的设计，除了有两个输入一个输出以外，也会涉及到多个输入多个输出的情形。我们一起来看今年4月份选考题的一个改编题，请同学们完成例题4。

师：将虚线框内看成一个系统，这个系统，应该是整个电路的一个子系统。这个子系统的输入是什么？

师：这个系统的输出又是什么？

我们需要研究X、Y;F1、F2之间的逻辑关系，

控制要求已经以表格形式呈现给大家了，请由表格来写出真值表：

师：下面大家就先自己列一下真值表。

X Y F1 F2 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 第一钟情况：当光照弱时，Rg阻值较大，故X为低电平，用0来表示；

当温度≤26度时，因为是正温度系数的热敏电阻，Rt小，Y是低电平，用0来表示。

此时，J1释放，故三极管V1截止，因为是NPN型三极管，故F1为低电平，用0表示；

J2释放，故V1截止，因为是PNP型三极管，故F2为高电平，用1表示。

同样的方法，我们可以列出剩余部分的真值表。

师：那么由这个真值表，请写出F1、F2与X、Y之间的表达式

F1=XY;

所以我们逻辑门如图所示。

师：对例3和例4做一个小结：

一定要明确你所研究的系统的输入和输出是什么。如果研究的系统是电路的一个子系统，则应该明确这个子系统的输入和输出。

控制要求可能是大一堆文字，也可能是一个表格，大家要学会抽象，列出真值表。并掌握一些逻辑表达式的化简方式。

师：总结一下这节课，黑箱方法是解决黑箱问题的办法。我们可以找出并明确系统的输入和输出。若输入和输出没有直接告诉你，可以通过信息传递的方向进行正向和反向的推理，并确定之间的逻辑关系。通过逻辑关系，去推测内部性能与功能；当涉及到电路设计问题时，可以根据控制要求，写出真值表，进而来设计电路。

作业：

1完成《课后作业——黑箱问题》。

2思考例题4中，你手头上只有一块CT74LS00（四个与非门）芯片，那么电路该如何实现内？下周讲这部分内容。

师：最后送给大家一句话：

所有的科学问题都是作为黑箱问题开始的。若干可供选择的结构被密封在黑箱中，研究它们的唯一途径是利用黑箱的输入和输出。来自控制论创始人维纳

本节课就学到这里。

五、

板书设计