十字路口交通管理器實驗教學設計與實踐

摘 要 針對數字電路課程實驗內容綜合性和實用性不強等問題，以十字路口交通管理器實驗為例，將實驗項目劃分成多個功能模塊，實驗項目設計從模塊到綜合、局部到整體，循序漸進，最終完成一個完整的實訓項目，從而實現以工程思想為導向的模塊化綜合性實驗教學改革，最終達到切實提高學生的學習興趣和實踐能力的目的。

關鍵詞 十字路口交通管理器；數字電路；實驗；翻轉課堂

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0121-05

0 引言

數字電路實驗是海軍航空大學電子類專業實踐性很強的一門基礎核心課程，傳統的實驗教學模式缺乏創意性和自主性，導致學生興趣不高，無法達到培養學生創新能力的教學目的[1]。為此，在交通信號燈控制實驗教學過程中進行混合式教學改革研究和探索。運用自頂向下的方法進行實驗設計，通過綜合運用組合邏輯電路與時序邏輯電路的設計方法、計數器、七段數碼管的顯示等知識點，采用模塊化設計方法，將該電路系統劃分為多個模塊，對各模塊逐一進行設計、實現和功能驗證，并最終形成一個完整的數字系統。這種方式可以很好地激發學生的興趣和自主學習能力[2]，讓學生熟悉和掌握自頂向下分層次模塊化的系統設計方法，具備數字系統綜合設計的基本操作技能。

1 設計任務

十字路口交通管理器是一個集組合邏輯電路和時序邏輯電路于一體的典型數字系統，本實驗可以鍛煉和提升學生進行數字系統設計的能力[3]，具體實驗任務和內容如下。

1.1 基本任務

1）十字路口有南北方向和東西方向兩條支路，每個方向具有紅、綠、黃三種顏色信號燈。設計一個交通管理器，對該信號燈系統進行控制。其工作順序為：主干道綠燈亮時，支干道紅燈亮；主干道黃燈亮時，支干道紅燈亮；主干道紅燈亮時，支干道綠燈亮；主干道紅燈亮時，支干道黃燈亮（具體時間各組討論決定）。

2）通過數碼管顯示信號燈亮的時間提示，便于行人更直觀地把握時間。

1.2 擴展任務

1）增加輸入按鍵，使每次通行時間可按要求調定。通行時間均可在0～99 s內任意設定。

2）其他可擴展功能。

3）思政任務。

①由交通信號燈的基本工作任務提示學生遵守交通行為規范，進而提出對學生規則意識的培養，幫助學生樹立遵紀守法、聽黨指揮、令行禁止的現代軍人政治素養。

②通過分組完成實驗內容，在實驗過程中培養學生的集體主義精神、團隊合作意識和溝通協作能力。

2 教學設計與引導

本實驗屬于綜合性數字系統設計實驗，包含功能分析、模塊拆分、模塊設計與實現、仿真測試、電路搭建和調試、實驗總結等環節。秉承“以問題為導向，以任務為驅動，以應用為目標”的教學理念，本實驗采用翻轉課堂的教學模式，充分尊重學生的學習能力差異，進行分層次教學[4]，實驗教學設計如圖1所示。

2.1 課前導學

1）首先，教師將實驗任務清單和實驗原理、注意事項、預習知識等學習資源發布到智慧樹線上教學平臺。學生通過實驗任務清單了解實驗的任務和具體要求，明確實驗的重點和難點以及需要復習的理論知識等。為保證學生自主學習的效果，教師還需要通過線上平臺對學生進行相關知識內容的測驗。

2）學生根據教師發布的實驗任務清單和實驗指導材料開展自主學習。鑒于學生個體學習能力的差異，按照三人一組的方式將學生劃分為若干小組，在課前自主學習的過程中，小組內部互幫互助、自由交流討論。

3）學生根據實驗目標和任務，以小組為單位，通過查閱資料、討論協商等方式發揮創新思維，設計實驗方案，包括整體設計框圖、各模塊的劃分及電路圖設計、軟件仿真測試、實驗具體步驟程序、其間可能遇到的困難及解決過程、仍存在的問題等。

在課前導學階段，教師應實時了解學生的學習情況，充分利用微信或QQ群等即時通信工具對學生提出的問題進行實時在線解答，并針對學生在學習中存在的一些共同問題對課堂教學計劃進行相應調整，有效提升課堂教學效果[5]。

2.2 課堂研學

1）教師首先對實驗任務進行分析，然后對學生在課前導學階段的學習情況進行點評，指出其中出現的一些共性問題，引導學生進一步分析查找原因，并梳理、精講相關知識要點。

2）開展課堂研討。經過課前自主、合作學習活動之后，各小組會形成各自的學習成果，如設計的實驗內容和步驟、實驗電路、實驗心得等，將這些成果聚集在課堂上進行展示與分享，交流學習過程中的經驗教訓和心得體會。

3）各小組根據討論交流結果，修改優化設計方案，并用仿真軟件進行功能驗證。

4）硬件電路搭建。各小組根據優化后的設計方案進行實物電路的搭建，硬件測試無誤后向教師申請驗收，向教師敘述電路調試過程并回答相應問題。

5）在實驗過程中，鼓勵學生討論但禁止抄襲，通過設計思考題引導學生進行正確的設計；鼓勵提前完成實驗的學生幫助其他學生排查故障。

6）教師對本次實驗進行歸納總結，結合具體事例引入思政元素。

在課堂研學部分，教師不再講授具體實驗內容，而是主要負責組織、維護課堂研討秩序，同時鼓勵學生在實驗展示過程中發現和提出新的問題，引導學生以集體討論交流的方式解決問題，當學生不能自主解決問題時，教師再進行引導解答。

2.3 課后督學

課后，由各小組學生對實驗過程中出現的問題進行反思和總結，對學習內容進行系統的回顧，以實驗報告的形式呈現給教師，方便教師檢驗學習效果。在此過程中，教師通過微信或QQ群針對學生遇到的問題進行交流解答。

2.4 教學實施進程

該數字系統設計實驗為數字電路的最后一次實驗課，課內時間為四個學時。課前導學時間不設限制，時間安排如表1所示。

3 實驗模塊化設計方案

3.1 系統結構

通過分析交通燈控制器的邏輯功能，得出系統結構框圖如圖2所示。

3.2 實現方案

采用自頂向下設計方法，將交通信號燈控制系統劃分為若干模塊，分別設計并使用Multisim軟件對各模塊的功能進行仿真驗證。在這一環節，學生可發揮自己的創造力，并通過軟件仿真不斷驗證新想法[6-7]。

模塊一：1s脈沖發生器

以555定時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，為計數器提供時鐘信號。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，設計電路如圖3所示。

模塊二：狀態控制單元

主控電路屬于時序邏輯電路，狀態控制器是系統的核心部分，通過74LS162控制兩個方向紅、黃、綠三種指示燈的亮滅，共計四種狀態。

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。

系統的工作程序圖及編碼方式如圖4所示。

根據圖4列出燈控系統的真值表，如表2所示。

根據表2，可以列出燈控函數的邏輯表達式：

狀態控制由計數器74LS162完成，在輸出為0011時置數，接成四進制計數器，如圖5所示。

模塊三：初值預制電路

當交通燈控制系統開始工作時，該部分電路將能實現各種狀態的功能轉換。根據原理，將數碼管顯示南北方向綠燈和東西方向紅燈的預設值（25 s），當其減到0時，計數器產生借位，此時南北綠燈和東西方向紅燈同時滅。然后顯示南北方向黃燈和東西方向紅燈的預設值（5 s），重復上述功能轉換，實現倒計時計數功能，如圖6所示。本部分初值不作要求，由各組學生自行決定。

模塊四：數字顯示單元

用兩片計數器74LS192接成百進制減法計數器，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的脈沖信號完成狀態的改變，同時主控電路的輸出狀態又控制了減法計數器下次計數的初值。置數模塊采用譯碼器（74LS138）實現。減法計數器的十位和個位分別接譯碼器和靜態數碼管顯示倒計時，如圖7所示。在各個模塊仿真無誤后，把各個模塊連接在一起，組成交通控制器的整體電路，根據仿真正確的電路，搭建實物電路并進行電路調試。

3.3 考核要求與方法

為了更好地激發學生參與實驗的積極性，對考核方式進行改革，針對不同部分給出不同的考核標準與分值比例，本實驗的考核要求與方法如表3所示。

4 結論

十字路口交通管理器實驗兼具綜合性、設計性、實踐性強等特點，設計過程通過層次化、模塊化逐級遞進，軟硬結合，實驗方式靈活多樣。采用翻轉課堂模式，充分發揮學生的學習自主性、積極性和創造性，通過在實驗教學過程中融入思政元素，培養學生遵紀守法、聽黨指揮和團隊合作等現代軍人政治素養。實踐表明，混合式教學模式能夠有效促進學生學習的主動性，提高學生的工程應用能力和創新能力，提高實驗教學質量，同時能夠有效提升教師的教學技能[8]，在實踐中收到良好的教學效果。

5 參考文獻

[1] 張詠梅.“數字電路與邏輯設計實驗”課程線上教學探索與實踐[J].科教文匯，2021（5）：71-73.

[2] 陳淑潔，陳小林.單片機實驗教學中交通燈控制的方法研究[J].贛南師范學院學報，2004（3）：19-21.

[3] 陳黎娟，吳開志.基于狀態機模型的交通信號燈控制教學實驗探索[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2018，32（4）：99-104.

[4] 王攀攀，徐瑞東，鄧先明，等.“翻轉課堂”教學模式在PLC實驗教學中的創新應用[J].煤炭高等教育，2019，37（1）：121-126.

[5] 張熙，孟超，夏桂書，等.“數字電路實驗”課線上+線下混合式教學的革新與實踐[J].科學咨詢（科技·管理），2021（3）：187-188.

[6] 袁海娣.基于LabVIEW和Multisim的遠程數字電路實驗平臺設計[J].通化師范學院學報，2022，43（2）：105-109.

[7] 郭立強.數字電路實驗進階式問題驅動教學研究[J].淮陰師范學院學報（自然科學版），2019，18（2）：180-182，185.

[8] 許忠宇，劉效勇，盧佩.基于網絡教學平臺的數字電路實驗混合式教學研究與實踐[J].物理通報，2020（4）：12-14.

作者簡介：張亞周、孫艷麗、張晨亮，副教授；王猛，少校正營。