“LED发光二极管”情境教学的设计与实践-2019年精选文档

“ＬＥＤ发光二极管”情境教学的设计与实践引言LED（LightEmittedDiode，发光二极管）具有体积小、寿命长、功耗低、色彩艳等优点，在现代生活中有着广泛的应用。《模拟电子技术》第一章的“LED特性”一节在教学中往往一带而过，少有详细介绍。在高等职业教育中，教学应该以技术应用和技能培养为主。基于建构主义的教学模式强调创设情境，强调学生参与和学生自主学习，强调协作活动和意义的建构 [1]。笔者通过对LED特性的情境教学，不仅使学生掌握了LED的特性，而且还大大提高了学生的应用技能，并激发了学生对电子技术极大的兴趣。2LED情境教学2.1创设实践情境从趣味性着手创设实践情境，调动学生的积极性。著名的教育家赫尔巴特把发展广泛的兴趣作为教育的主要目标之一，并认为主要是兴趣引起了人们对事物正确的、全面的认识，它导向有意义的学习，促进知识的长期保持，并为进一步的学习提供动机[2]。对于学生来说，兴趣更能激发他们的学习动机。为了引起学生的兴趣，笔者在课前制作了一个LED指示灯，并告诉学生，这是由LED为发光元件的，其最大特点是电压低、电流小，所以功耗低，而且不易损坏，寿命远大于普通灯泡。通过介绍吸引学生，给学生布置任务：变电所中配电屏的电源指示灯，通常为6.3V、100mA的小灯泡，这种小灯泡的过载能力差，因此寿命短，而且功耗大；设计一款长寿命、低功耗的指示灯替换电路。2.2 实施自主学习有了目标， 学生便开始积极设计， 但由于认知水平有限，产生很多问题： 1）LED能耗低，寿命长，可否用它设计电路？2）LED是否有单向导电性？ 3）LED的正常工作电压和工作电流是多少？如何进行参数选择 4）电路是否还要限流电阻？如何选择？ 5）设计好之后，功耗和原电路比较有何不同？带着这些问题，学生开始相互讨论、相互合作、查阅资料等积极主动的学习（笔者在这里提供一些有效的资源以供学生查阅），并很快有了电路的雏形。有了初步方案，笔者就引导学生进入理论学习。2.3 理论指导实践 LED是一种二极管，所以具有单向导电性。为了培养学生对 LED的兴趣及实验技能，笔者在教学中用EWB仿真软件对LED正常发光的电压特性和正常发光的电流特性做了一个仿真实验，由此得到 LED发光管的几个特点： 1）LED具有单向导电性，正向导通发光，反向不发光，正向电流在 1mA～50mA的范围内均可发光； 2)当电流较小时，在 2mA～18mA左右，发光强度增幅较大，而到 20mA以后，发光强度就很稳定；3）LED正常发光时的正向电压约为 1.6V～2.2V左右；4）选择LED时，LED的最高反向工作电压较低，应注意极限参数和正常工作参数的选择。LED在发光过程中，只有很少一部分的电能变为热能，大部分都变为光能，所以采用LED作为照明新光源，在与普通白炽灯保持同样亮度下，其耗电量仅为后者的 1/10，能耗极低。有了理论指导，学生就在愉快而紧张的合作中完成这个电路。电路如图 1所示（电源为 6.3V，R为限流电阻，D为发光二极管）。在这个小设计中，学生掌握了：1）LED的特性。LED在正向电压作用下发光，正向电压很低，约为（1.6～2.2）V；正向电流也很小，约为（ 1～50）mA。这个电压和电流范围内均能发光， 所以加限流电阻后的 LED发光指示灯的电压适用范围很宽。2）电路中限流电阻的选择。在AB两点间加上 6.3V的电压，则限流电阻的值为：其中Uab为电路的端电压， Ud为LED的管压降，约为 2V左右。为了节能，可以取任何能使 LED正常发光的较小的电流值。如取电流为 10mA，则根据R的公式，计算可得此时的 R约为430Ω。3)电路的功率比较。原电路中小灯泡的功率为630mW，全年耗电5.44度。现用LED的功率为20mW，但由于电路中限流电阻R也同样耗电，所以整个电路耗电为原电路的1/10，全年耗电约为0.54度。4)寿命的比较。一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000小时，荧光灯寿命约为 10000小时，而LED的寿命可达到（2～10）万小时，可见其寿命长得多。初步的成功给学生带来成就感、 喜悦感，并在感性认识中建构自己的认知系统。2.4 拓展实践应用实践要依据理论的成果， 遵循理论的指导并修正理论的失误，促进其完善 [3]。有了指示灯小制作的经验， 可以启发学生进一步的创造： 既然LED能耗低、寿命长，能否替代家中的照明灯？学生分析：由于照明灯亮度太大，而LED亮度较小，若多个串联，则使电路变得复杂。于是想出可以制作亮度不强的小夜灯。学生的思路打开之后，笔者就引导设计亮度不强的小夜灯的电路图。设计电路的过程中要求学生注意几个问题：1）由于LED的发光强度有限，而电路需要达到一定的亮度，怎么办？2）工频交流电如何与具有单向导电性的LED配合？3）由于LED的工作电流较小，所以电路中要如何限流？4）限流电阻会消耗大量电能，如何减少电能的消耗？由于有了一次小电路设计的经验，学生在笔者的启发引导下，积极参与，主动查阅资料，互相讨论，反复思考，最终设计出这个小夜灯电路（图2）。1）LED的选择。①ab间的电压是工频220V电源与LED的单向导电性之间的配合， 用两组LED反向并联，一组在电源正半周发光，一组在电源负半周发光；②由于要具有一定亮度，每组串了3只LED；③两只普通二极管在电路中起整流作用和反向击穿保护。3）能耗的计算。由于电容是贮能元件，不消耗电能，所以只有二极管耗电，则电路的有功功率为： W=。通过计算，这盏小灯的功率约为几十毫瓦，一年也耗不了 1度电。4）电路的改善。学生通过 EWB仿真软件对电路进行仿真，发现这个电路中 LED闪烁得厉害。进一步分析，由于每组二极管上都是正弦半波，电压脉动较大，所以应对各支路滤波，电路闪烁情况好转。最终学生用家庭废弃的灯头做出漂亮、 节能、长寿的小夜灯。2.5 建构知识系统电路做好之后， 笔者引导学生及时总结并内化所学知识，写出学习报告，以建构并形成自己的知识系统。这次电路设计涉及的知识有： 1）发光二极管的特性和应用，以及参数的选择；2）二极管电路中限流电阻的设计方法； 3）二极管的单向导电性及其整流； 4）容性交流电路的分析方法及计算；5）交流电路的功率及电能的计算方法； 6）电容滤波电路的原理。结束语通过LED的情境教学，学生成功地利用 LED设计并制作出图3所示小灯：6只LED亮度足够夜晚使用，它功耗低，发热少，即使长年开着也不会烫， 而且一年也用不了