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智力竞赛抢答器实验教学的探索和实践

2014/11/13 23:14:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  祝秋文

  湖北师范学院 湖北黄石 435002

  摘 要:以实施智力竞赛抢答器实验为例,从实验设计、实验教学的实施、实验的问题探讨与功能扩展等方面进行综合性实验教学研究,探索综合性实验教学方法,总结综合性实验教学经验。

  实验教学作为高等学校教学工作的重要组成部分,是培养合格人才的基本环节, 开设综合性实验在培养学生的工程综合与应用能力、理论与实际相结合的能力和创新研究能力以及严谨的科学态度等各方面起着积极的作用。综合性实验教学方案的精心设计与组织实施, 营造了培养学生创新能力和提高综合素质的良好环境。本

  文以实施智力竞赛抢答器实验为例对综合性实验教学进行了探索和实践。[1]

  一、实验设计

  如何设计好综合性实验,对培养学生的基本技能、综合应用能力有着十分重要的意义。而实验的选题是能否达到综合性实验目的的关键。由于所开课程为低年级数字电路实验,还处于综合性实验的探索阶段, 因此本课程综合性实验采取了指导教师推荐题目的方式。考虑到将原来单一的教学内容如数字电路中基本逻辑门、优先编码器、译码器、触发器、多谐振荡器、分频电路、CP时钟脉冲源等单元电路的实验进行整合, 构成一个完整的系统。本着实用原则, 针对学生经常举行各类知识竞赛活动使用到的抢答器,开展设计与教学工作。我们选用了智力竞赛抢答器实验来综合训练数字系统设计、调试及故障排除方法,重点培养学生在电子产品的工程综合与应用过程中,分析与解决实际问题应具有的能力。[2]

  1.设计任务

  设计一个4路抢答器,当4个抢答按钮中的任何一个被按下的时候,有对应的信号指示,并且其他3个抢答按钮的抢答不再有效,只有复位按钮按下后才能使显示信号消失,并将抢答按钮解锁,进入下一轮抢答。

  2.设计方案

  4路抢答器的设计方案很多,鉴于本数字电路实验为基础实验课程,所以本实验为课程内综合实验,采用数字电路芯片构成抢答器方案。

  (1)方案1:由优先编码器加上控制、锁存、译码电路等构成,见图1。

  (2)方案2:由锁存器、控制电路、CP时钟脉冲源等构成,见图2。

  (3)方案比较:方案1电路是常用的抢答器电路,其优点是用数码直接显示,非常直观。尽管从理论上优先编码器对各路信号的优先级别有所不同,但实际上抢答时间的同时性不可能精确到ns的数量级。比起方案2来,方案1电路稍显复杂。方案2电路的优点在于简单,而且每一路的抢答几率相等,具有公平性,但由于没有对信号进行编码,其显示电路就直接用单个发光二极管来表示。通过比较两种方案的优缺点和考虑到实验设备及课时条件,绝大多数同学选择了方案2。[3]

  3.设计思路

  方案2可以采用基本的数字IC器件实现如图3:K为抢答按钮开关;S为控制复位开关;LED为显示抢答者器件;F1为四D触发器74LS175,它具有公共置0端和公共CP端,F2为双4输入与非门74LS20,F1和F2组成锁存器;F3是由74LS00组成的多谐振荡器,F4是由74LS74组成的四分频电路,F3、F4组成抢答电路中的CP时钟脉冲源。抢答之前,74LS175输入端处于低电平,当主持人宣布“抢答开始”后,首先作出判断的参赛者立即按下按钮,对应的发光二极管点亮,同时,通过与非门F2送出信号,锁住其余三个抢答者的电路,不再接受其它信号,直到主持人按下复位开关S清除信号为止。

  二、实验教学的实施

  1.实验教学组织

  (1)以往综合性实验的选题、原理、步骤都写得过于详细,整个实验过程一般在课堂上完成。由于课堂的局限性,很多问题都是老师代为解决,学生没有足够的探索时间和空间,不能调动学生的主观能动性,教学效果差。因此,本综合性实验只给出设计任务和设计要求,设计方案和设计思路以及实验步骤全部由学生自己拟定,学生利用课外时间查阅资料,对指导书提供的多种设计方案进行分析比较,结合实验室现有条件和实验学时选择最佳方案,绘制电路图。

  (2)实验开始时进行预习检查,预习不合要求下次再做实验。

  (3)学生推选代表对选定方案和设计思路进行详细阐述。讲解原理框图,原理图,教师作补充说明。

  (4)明确实验操作任务:既要调试出灵敏度很高的抢答器即所谓的“正宗”抢答器,又要调试出灵敏度不高的抢答器即所谓的“水货”抢答器,并且要在实验中探究出抢答器灵敏度高低与哪些因素有关。

  2.实验操作任务的实施

  (1)测试各触发器及各逻辑门的逻辑功能。

  (2)单独测试多谐振荡器F3及分频器F4功能。

  (3)CP端接连续脉冲源,单独测试抢答器电路功能。

  (4)断开连续脉冲源,接入F3及F4,再进行整体测试。

  3.实验的辅导

  (1)简化操作:4人抢答与2人抢答原理相同,为便于操作,建议做2人抢答器。

  (2)灵活运用实验设备:一般抢答开关采用逻辑开关,选手进行抢答时,要将逻辑开关扳上扳下很不方便,而且达不到“抢”的效果,因此在实验中用常开常闭按钮开关来替代逻辑开关,既方便又提高了抢答速度。复位开关也改用单次脉冲下降沿按钮开关,因为脉冲开关按下时处于低电平,松手时自动回到高电平,避免清零后忘记打到高电平。

  (3)适时引导:实验过程中,有的同学先做出“正宗”抢答器,有的先做出“水货”抢答器,同样的电路,为什么会出现不同的情况。教师及时引导同学们进行比较,主观的原因在于不同的人抢答的快慢不同,客观的原因在于不同的脉冲源频率不同,从而引导同学们探究出抢答器灵敏度与哪些因素有关。

  4.实验的验收

  (1)“正宗”抢答器的验收:教师用一只手的两指头几乎同时按下两抢答按钮模拟两位抢答者以极快的速度抢答,观察是否只有一个抢答有效。

  (2)“水货”抢答器的验收:由同学自己操作抢答按钮,教师要求看到两位抢答都有效的情况(考察学生调试脉冲源频率和抢答时间间隔)。

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