十字路口交通管理器實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘 要 針對(duì)數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性和實(shí)用性不強(qiáng)等問(wèn)題，以十字路口交通管理器實(shí)驗(yàn)為例，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目劃分成多個(gè)功能模塊，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)從模塊到綜合、局部到整體，循序漸進(jìn)，最終完成一個(gè)完整的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，從而實(shí)現(xiàn)以工程思想為導(dǎo)向的模塊化綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，最終達(dá)到切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力的目的。

關(guān)鍵詞 十字路口交通管理器；數(shù)字電路；實(shí)驗(yàn)；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）16-0121-05

0 引言

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)是海軍航空大學(xué)電子類專業(yè)實(shí)踐性很強(qiáng)的一門基礎(chǔ)核心課程，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式缺乏創(chuàng)意性和自主性，導(dǎo)致學(xué)生興趣不高，無(wú)法達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目的[1]。為此，在交通信號(hào)燈控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行混合式教學(xué)改革研究和探索。運(yùn)用自頂向下的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合運(yùn)用組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法、計(jì)數(shù)器、七段數(shù)碼管的顯示等知識(shí)點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將該電路系統(tǒng)劃分為多個(gè)模塊，對(duì)各模塊逐一進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和功能驗(yàn)證，并最終形成一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)。這種方式可以很好地激發(fā)學(xué)生的興趣和自主學(xué)習(xí)能力[2]，讓學(xué)生熟悉和掌握自頂向下分層次模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具備數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的基本操作技能。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

十字路口交通管理器是一個(gè)集組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路于一體的典型數(shù)字系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)可以鍛煉和提升學(xué)生進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力[3]，具體實(shí)驗(yàn)任務(wù)和內(nèi)容如下。

1.1 基本任務(wù)

1）十字路口有南北方向和東西方向兩條支路，每個(gè)方向具有紅、綠、黃三種顏色信號(hào)燈。設(shè)計(jì)一個(gè)交通管理器，對(duì)該信號(hào)燈系統(tǒng)進(jìn)行控制。其工作順序?yàn)椋褐鞲傻谰G燈亮?xí)r，支干道紅燈亮；主干道黃燈亮?xí)r，支干道紅燈亮；主干道紅燈亮?xí)r，支干道綠燈亮；主干道紅燈亮?xí)r，支干道黃燈亮（具體時(shí)間各組討論決定）。

2）通過(guò)數(shù)碼管顯示信號(hào)燈亮的時(shí)間提示，便于行人更直觀地把握時(shí)間。

1.2 擴(kuò)展任務(wù)

1）增加輸入按鍵，使每次通行時(shí)間可按要求調(diào)定。通行時(shí)間均可在0～99 s內(nèi)任意設(shè)定。

2）其他可擴(kuò)展功能。

3）思政任務(wù)。

①由交通信號(hào)燈的基本工作任務(wù)提示學(xué)生遵守交通行為規(guī)范，進(jìn)而提出對(duì)學(xué)生規(guī)則意識(shí)的培養(yǎng)，幫助學(xué)生樹立遵紀(jì)守法、聽黨指揮、令行禁止的現(xiàn)代軍人政治素養(yǎng)。

②通過(guò)分組完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的集體主義精神、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和溝通協(xié)作能力。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與引導(dǎo)

本實(shí)驗(yàn)屬于綜合性數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包含功能分析、模塊拆分、模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、仿真測(cè)試、電路搭建和調(diào)試、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等環(huán)節(jié)。秉承“以問(wèn)題為導(dǎo)向，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以應(yīng)用為目標(biāo)”的教學(xué)理念，本實(shí)驗(yàn)采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，充分尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)能力差異，進(jìn)行分層次教學(xué)[4]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 課前導(dǎo)學(xué)

1）首先，教師將實(shí)驗(yàn)任務(wù)清單和實(shí)驗(yàn)原理、注意事項(xiàng)、預(yù)習(xí)知識(shí)等學(xué)習(xí)資源發(fā)布到智慧樹線上教學(xué)平臺(tái)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)任務(wù)清單了解實(shí)驗(yàn)的任務(wù)和具體要求，明確實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)以及需要復(fù)習(xí)的理論知識(shí)等。為保證學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果，教師還需要通過(guò)線上平臺(tái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的測(cè)驗(yàn)。

2）學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的實(shí)驗(yàn)任務(wù)清單和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料開展自主學(xué)習(xí)。鑒于學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)能力的差異，按照三人一組的方式將學(xué)生劃分為若干小組，在課前自主學(xué)習(xí)的過(guò)程中，小組內(nèi)部互幫互助、自由交流討論。

3）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和任務(wù)，以小組為單位，通過(guò)查閱資料、討論協(xié)商等方式發(fā)揮創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括整體設(shè)計(jì)框圖、各模塊的劃分及電路圖設(shè)計(jì)、軟件仿真測(cè)試、實(shí)驗(yàn)具體步驟程序、其間可能遇到的困難及解決過(guò)程、仍存在的問(wèn)題等。

在課前導(dǎo)學(xué)階段，教師應(yīng)實(shí)時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，充分利用微信或QQ群等即時(shí)通信工具對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)在線解答，并針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在的一些共同問(wèn)題對(duì)課堂教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，有效提升課堂教學(xué)效果[5]。

2.2 課堂研學(xué)

1）教師首先對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行分析，然后對(duì)學(xué)生在課前導(dǎo)學(xué)階段的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出其中出現(xiàn)的一些共性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析查找原因，并梳理、精講相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)。

2）開展課堂研討。經(jīng)過(guò)課前自主、合作學(xué)習(xí)活動(dòng)之后，各小組會(huì)形成各自的學(xué)習(xí)成果，如設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟、實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)驗(yàn)心得等，將這些成果聚集在課堂上進(jìn)行展示與分享，交流學(xué)習(xí)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和心得體會(huì)。

3）各小組根據(jù)討論交流結(jié)果，修改優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并用仿真軟件進(jìn)行功能驗(yàn)證。

4）硬件電路搭建。各小組根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)物電路的搭建，硬件測(cè)試無(wú)誤后向教師申請(qǐng)驗(yàn)收，向教師敘述電路調(diào)試過(guò)程并回答相應(yīng)問(wèn)題。

5）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生討論但禁止抄襲，通過(guò)設(shè)計(jì)思考題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)；鼓勵(lì)提前完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生幫助其他學(xué)生排查故障。

6）教師對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，結(jié)合具體事例引入思政元素。

在課堂研學(xué)部分，教師不再講授具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而是主要負(fù)責(zé)組織、維護(hù)課堂研討秩序，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)展示過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和提出新的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生以集體討論交流的方式解決問(wèn)題，當(dāng)學(xué)生不能自主解決問(wèn)題時(shí)，教師再進(jìn)行引導(dǎo)解答。

2.3 課后督學(xué)

課后，由各小組學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行反思和總結(jié)，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的回顧，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式呈現(xiàn)給教師，方便教師檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。在此過(guò)程中，教師通過(guò)微信或QQ群針對(duì)學(xué)生遇到的問(wèn)題進(jìn)行交流解答。

2.4 教學(xué)實(shí)施進(jìn)程

該數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為數(shù)字電路的最后一次實(shí)驗(yàn)課，課內(nèi)時(shí)間為四個(gè)學(xué)時(shí)。課前導(dǎo)學(xué)時(shí)間不設(shè)限制，時(shí)間安排如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)K化設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)分析交通燈控制器的邏輯功能，得出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.2 實(shí)現(xiàn)方案

采用自頂向下設(shè)計(jì)方法，將交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)劃分為若干模塊，分別設(shè)計(jì)并使用Multisim軟件對(duì)各模塊的功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生可發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，并通過(guò)軟件仿真不斷驗(yàn)證新想法[6-7]。

模塊一：1s脈沖發(fā)生器

以555定時(shí)器接外接電路形成多諧振蕩器，輸出頻率為1 Hz的脈沖信號(hào)，為計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘信號(hào)。由脈沖頻率公式f=1/0.7（R1+2R2）C，要使頻率f=

1 Hz，可選擇R1=43 kΩ，R2=50 kΩ，C=10 μF，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

模塊二：狀態(tài)控制單元

主控電路屬于時(shí)序邏輯電路，狀態(tài)控制器是系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)74LS162控制兩個(gè)方向紅、黃、綠三種指示燈的亮滅，共計(jì)四種狀態(tài)。

S0：南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；

S1：南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；

S2：南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；

S3：南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮。

系統(tǒng)的工作程序圖及編碼方式如圖4所示。

根據(jù)圖4列出燈控系統(tǒng)的真值表，如表2所示。

根據(jù)表2，可以列出燈控函數(shù)的邏輯表達(dá)式：

狀態(tài)控制由計(jì)數(shù)器74LS162完成，在輸出為0011時(shí)置數(shù)，接成四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖5所示。

模塊三：初值預(yù)制電路

當(dāng)交通燈控制系統(tǒng)開始工作時(shí)，該部分電路將能實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)的功能轉(zhuǎn)換。根據(jù)原理，將數(shù)碼管顯示南北方向綠燈和東西方向紅燈的預(yù)設(shè)值（25 s），當(dāng)其減到0時(shí)，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生借位，此時(shí)南北綠燈和東西方向紅燈同時(shí)滅。然后顯示南北方向黃燈和東西方向紅燈的預(yù)設(shè)值（5 s），重復(fù)上述功能轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，如圖6所示。本部分初值不作要求，由各組學(xué)生自行決定。

模塊四：數(shù)字顯示單元

用兩片計(jì)數(shù)器74LS192接成百進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器，低位片的借位輸出端接高位片的脈沖輸入端。高位的借位端用作主控電路翻轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)完成狀態(tài)的改變，同時(shí)主控電路的輸出狀態(tài)又控制了減法計(jì)數(shù)器下次計(jì)數(shù)的初值。置數(shù)模塊采用譯碼器（74LS138）實(shí)現(xiàn)。減法計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位分別接譯碼器和靜態(tài)數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)，如圖7所示。在各個(gè)模塊仿真無(wú)誤后，把各個(gè)模塊連接在一起，組成交通控制器的整體電路，根據(jù)仿真正確的電路，搭建實(shí)物電路并進(jìn)行電路調(diào)試。

3.3 考核要求與方法

為了更好地激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，對(duì)考核方式進(jìn)行改革，針對(duì)不同部分給出不同的考核標(biāo)準(zhǔn)與分值比例，本實(shí)驗(yàn)的考核要求與方法如表3所示。

4 結(jié)論

十字路口交通管理器實(shí)驗(yàn)兼具綜合性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)層次化、模塊化逐級(jí)遞進(jìn)，軟硬結(jié)合，實(shí)驗(yàn)方式靈活多樣。采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性、積極性和創(chuàng)造性，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生遵紀(jì)守法、聽黨指揮和團(tuán)隊(duì)合作等現(xiàn)代軍人政治素養(yǎng)。實(shí)踐表明，混合式教學(xué)模式能夠有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)能夠有效提升教師的教學(xué)技能[8]，在實(shí)踐中收到良好的教學(xué)效果。

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作者簡(jiǎn)介：張亞周、孫艷麗、張晨亮，副教授；王猛，少校正營(yíng)。