問題牽引下理虛實結合的教學設計

邵 紅，張洪群，張翔宇，劉豐源

（海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

1 實驗簡介

1.1 實驗目的

本次實驗的實驗目的就是利用555定時器構成的多諧振蕩器，進而實現防盜報警電路的設計。其中，利用555定時器構成多諧振蕩器是實驗的關鍵，學員需要知道實驗原理，畫出準確的電路圖，并能夠搭建、調試成功。

1.2 實驗物料

萬用表，面包板，直流穩壓電源，面包板1快，555時基電路1個，電位器1個，電容器3個，電阻器3個，開關1個，喇叭1個，發光二極管1個，細導線若干。

1.3 工作步驟

（1）明確555時基電路作為電路的核心器件，辨明各引腳編號的含義。

（2）通過測量，選擇合適的電阻并記錄其參數。

（3）檢測面包板、電容元件、電位器、發光二極管的好壞并記錄其參數。

（4）根據電路圖在面包板上插接電路，并調試電路使其工作。

2 重要問題的牽引主線

問題一“什么樣的設備可以對歹徒起到警示作用？”引題。

一直以來，人身安全和財產安全是工作和生活中的一重大問題，關系到人們的生活質量。以學員身邊關心并且常見的保護人身財產安全現象引題更能激發學員的學習興趣，對后續課程內容的開展起到推動作用。并且目的明確這節課就是用555制作一個報警電路。焊接一個完整電路并實現報警功能。

問題二“如何制作報警電路呢？”引出電路組成。

承接上面的問題，利用問題，引出電路的組成部分。一個完整的防盜報警系統包括入侵探測器+傳輸系統+報警控制器三部分。入侵探測器發現入侵后產生報警觸發信號，由傳輸系統傳送到報警控制器，報警控制器顯示報警狀態，發出聲、光或以數字或圖像形式顯示地點、時間等。

問題三“需要遵循什么樣的制作思路？”引出制作思路。

學員思考最核心的問題“需要遵循什么樣的制作思路？”。遵循的常規思路是：設計一個電路首先要明白為什么要設計，也就是這個電路的作用功能要明確，在明確功能需求的基礎上還要確定所需元器件。

2017年，原國土資源部貫徹落實《中共中央國務院關于深化石油天然氣體制改革的若干意見》，穩步推進油氣勘查開采體制改革。積極開展頁巖氣區塊出讓工作，委托貴州省政府拍賣出讓正安頁巖氣勘查區塊；繼續推進新疆油氣勘查開采改革試點，委托新疆維吾爾自治區政府掛牌出讓柯坪南、溫宿、溫宿西三個油氣勘查區塊；實施煤層氣礦業權審批改革試點，將煤層氣委托審批下放試點從山西擴大到新疆、貴州等六省(區)，山西省國土資源廳完成了10個煤層氣勘查區塊的招標出讓；經國務院批準，天然氣水合物成為我國第173個礦種。

問題四“電路圖設計好了，是不是就可以馬上準備器件焊接報警電路了？”。

問題五“采用什么方法可以驗證所設計電路的可行性呢？”。

問題六“需要什么器件實現報警功能？”。

問題四、五、六都是在制作過程中融入的問題，問題四、五體現“理虛實”的結合，電路圖設計好后，采用Multisim仿真軟件進行仿真，調試參數沒有問題后，再在面包板上搭建電路。問題六，則是設計的主體。

3 制作思路

報警系統的制作思路可遵循以下幾步：（1）明確所制作電路的功能需求。（2）確定所需元器件，準確分析的基礎上實現電路設計，然后畫出電路圖。（3）畫電路圖。需要理需結合。因為所畫、設計的電路圖不一定可行，結構和參數不一定準確。必須在準確的電路圖的基礎上才能來制作出達到功能需求的實物電路。可采用仿真的手段方便快捷的驗證設計電路的可行性。（4）焊接電路板電路，體驗焊接技巧。（5）通電檢查。（6）排故。本次課通過理虛實相結合的六步完成報警電路的制作。

4 所需器件的選取

這節課所制作電路的功能需求已經非常的明確，就是用555做個報警功能的電路。通過制作電路的名字555報警電路知道，我們知道肯定會用到這555個器件，作為主要器件。

4.1 主要教學器件的介紹

4.2 構成多諧振蕩器的思路

要用555構成多諧振蕩器，首先要清楚什么是多諧振蕩器。它是一種不需外加觸發信號就能自行產生矩形脈沖的電路。又因為它所產生的矩形脈沖含有豐富的高次諧波，人們習慣上把它叫作多諧振蕩器。它有兩個特點：無外觸發；無穩態。

具體思路是：無穩態，兩暫態不斷交替。如圖1所示，利用放電管T作為受控電子開關，使C充、放電，而改變TH、TL，交替置 0、置 1。兩觸發端接一起（2、6），放電端接兩電阻之間。

圖1

工作過程是：在通電源的瞬間，2腳和6腳的電壓小于VCC/3，此時3腳輸出狀態為1，555內部的晶體管T截止，電源通過R1和 R2對電容 C充電。在電容電壓沒有充電到2VCC/3之前，輸出一直保持1不變，一旦充至2VCC/3，2腳和6腳的電壓等于2VCC/3，3腳輸出由1翻轉為0。同時，晶體管T導通，電容C經R2、T放電，一直至VCC/3，使得輸出回到1，進入循環。輸出方波的周期T的計算：T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C。高電平對應充電時間常數為（R1+R2）C，低電平對應放電時間常數為R2C。如何改變方波的占空比呢？改變充放電回路的時間常數即可。

4.3 器件選取過程

555也是一種多用途的單片集成電路。結構簡單，芯片8個引腳，使用方便，功能比較強，只要在外圍配上合適的阻容元件就可以構成脈沖電路。如多諧振蕩器、單穩態觸發器和施密特觸發器，可直接驅動繼電器、發光二極管、揚聲器及指示燈等。恰好滿足報警電路警示作用需求。

555報警電路就是在555構成多諧振蕩器的基礎上實現報警功能。555構成多諧振蕩器的電路圖是成熟電路，如圖2所示。4腳復位端還沒接，讓他輸出矩形波需要接高電平，接電源。通過一個51K的電阻接電源。3腳輸出矩形脈沖。組成報警電路，還要有警示作用的負載。

圖2

圖2中多諧振蕩器和警示負載就是完整的報警電路嗎？很顯然不是。這個電路只要通電，不管有沒有發生入侵，喇叭一直響，燈一直閃。我們要在通電條件下，初始狀態：喇叭不響，燈滅。只要4腳復位接低電平。本次試驗通過導線接地，如圖3所示，導線代表入侵探測器和傳輸系統。這也是為什么通過51K電阻，而不直接接6v電源，防止電源短路。

圖3

5 問題牽引法的好處

新模式的教學課堂，要求教員處于主導地位，而學員處于主體地位，營造出積極活躍的課堂氛圍。教員主導地位的作用發揮就是引導學員充分發揮個體和團體的主體作用，讓他們在課堂上能體會到、發現自我價值。問題牽引法恰好體現了這一好處。

6 總結

以問題環環相扣作牽引，通過以理論為支撐、以虛擬實驗為輔助和以實際操作為主體的“理虛實三結合”的教學方法，讓學員體會實操的嚴謹性、解決問題的層次性和多種方法結合解決問題的好處，抓住學員注意力，加大他們的參與力度，確保每位學員的實驗都能成功完成。