程序流程圖在初中電路故障分析中的應(yīng)用*

黃斌旺

(廈門市湖里實驗中學(xué) 福建 廈門 361000)

在初中物理電學(xué)的學(xué)習(xí)中,電路故障分析始終是學(xué)生的一個難點,學(xué)生們對于電路故障分析也常常無從下手，但是電路故障又是中考物理的重要考查點，所以突破這個難點尤為重要.初中階段電路故障基本上只有開路和短路兩種類型，題目除非特殊說明，一般電路只有一處故障.基于這些特點就使得引入程序流程圖，通過邏輯推理判斷逐漸縮小故障范圍最終得出具體的故障點成為可能.

1 計算思維與程序流程圖

隨著人工智能時代的來臨，計算思維開始受到全球?qū)W術(shù)界的普遍重視，成為新時代每個人都必備的思維能力.2017年7月,國務(wù)院辦公廳頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，引發(fā)了教育界對于新一代人工智能教學(xué)和計算思維培養(yǎng)的關(guān)注.2019年3月，聯(lián)合國國際教科文組織發(fā)布的《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》研究報告中明確指出:計算思維能力,已成為使人工智能現(xiàn)代社會發(fā)展的最重要力量之一.

流程圖作為一個思維加工的輔助工具,能有效呈現(xiàn)從識別問題到形成方案的全過程，是計算思維加工過程中的可視化工具[1].

程序流程圖,是用規(guī)范的符號表示在某個程序中操作或判斷的圖示,注重描述編程的邏輯性和執(zhí)行次序.當(dāng)編程中含有較多循環(huán)語句和轉(zhuǎn)移語句時,編程的結(jié)構(gòu)也就變得復(fù)雜，程序流程可以讓算法直觀、清晰、更容易理解.程序流程圖由處理框、判斷框、起止框、連接點、流程線、注釋框等構(gòu)成，并結(jié)合相應(yīng)的算法，構(gòu)成整個程序流程圖.表1是本文使用到的流程圖符號.

表1 程序流程圖符號

2 故障電路分析流程圖

初中電路故障通常只涉及串聯(lián)電路和并聯(lián)電路，很少討論混聯(lián)電路，而且基本上只有一處故障，故障的種類分為短路和開路兩種類型.由于并聯(lián)電路的特殊性，一個用電器短路會造成電源短路的嚴(yán)重后果，所以一般也不會設(shè)計并聯(lián)短路的題目.基于以上的特點使得利用程序流程圖分析電路的故障點成為可能.如圖1所示是本文設(shè)計的故障電路分析流程圖，只針對串聯(lián)和并聯(lián)電路而且只有一處電路發(fā)生故障.推理的起點是先判定串聯(lián)電路或者并聯(lián)電路，如果是并聯(lián)電路就逐一判斷每個元件是否開路(并聯(lián)一般不出現(xiàn)用電器短路的情況)，如果某個元件開路的現(xiàn)象剛好與題目中的現(xiàn)象一致則找到故障點，如果不一致就判斷下個元件，直到找到故障點.如果第一步判定是串聯(lián)電路，接下來從電路中的小燈泡是否發(fā)光，電流表是否有讀數(shù)等方面判斷電路是否有電流，如果電路有電流則轉(zhuǎn)移到有用電器短路的分支，如果沒有電流就是電路發(fā)生開路的故障，最后逐一判斷推理確定故障點.

圖1 故障電路分析流程圖

3 實戰(zhàn)演練

【例1】如圖2所示電路，閉合開關(guān)S后，發(fā)現(xiàn)燈泡L1和L2均不亮，電流表示數(shù)為零，電壓表示數(shù)等于電源電壓，則該電路中的故障是什么引起的？

圖2 例1題圖

分析：根據(jù)題目給出的電路圖可知，本題為串聯(lián)電路，屬于串聯(lián)電路故障類型，燈泡L1和L2均不亮，電流表示數(shù)為零，所以，電路中沒有電流(或者電流極小電流表無法測出)，推理到有元件開路.電路故障大部分是用電器故障，電表、電源和導(dǎo)線故障很少出現(xiàn)，所以先嘗試L1開路，如果L1開路那么電壓表無示數(shù)，與已知矛盾.繼續(xù)判定是否L2開路，發(fā)現(xiàn)L2開路剛好滿足所有的已知條件，得出結(jié)論L2開路，推理結(jié)束.整個推理過程的程序流程圖走向如圖3所示.

圖3 例1程序流程圖走向

【例2】如圖4所示，電源電壓恒定不變，閉合開關(guān)S，燈L1和L2均發(fā)光，一段時間后，一盞燈突然熄滅，而電流表和電壓表的示數(shù)都不變，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是( )

圖4 例2題圖

A.燈L1斷路 B.燈L2斷路

C.燈L1短路 D.燈L2短路

分析：本題為并聯(lián)電路，屬于并聯(lián)電路故障類型，嘗試L2開路，發(fā)現(xiàn)L2開路時電流表無示數(shù)，與已知條件矛盾.接著嘗試L1開路，剛好滿足所有的已知條件，得出L1開路，推理結(jié)束.整個推理過程的程序流程圖走向如圖5所示.

圖5 例2程序流程圖走向

4 結(jié)論

使用流程圖作為思維支架，有利于學(xué)生在識別問題、分解重構(gòu)問題思路的梳理，并且能讓學(xué)生的思維“可視”，知道他們在哪個思維環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題.流程圖是一種能將人類的自然語言轉(zhuǎn)換成計算機(jī)語言的工具，使用流程圖分析電路故障的過程還可以培養(yǎng)從學(xué)習(xí)者自然思維向計算機(jī)思維過渡的能力[2],從而促進(jìn)學(xué)生問題識別、問題分解、抽象、算法和邏輯等高階思維的發(fā)展[3].