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  摘要:“与门”、“或门”实验板利用真实的集成电路制成。由两个轻触式微型开关控制输入(也可以用信号源作为输入信号),发光二极管指示输出。设置了接线柱,可以只利用指示灯来研究输入与输出间的逻辑关系,或用DIS来研究门电路的输入输出电信号关系。该电路与以往简单门电路实验板不同的是,利用与门和或门集成块的引脚特点,可以用同一个外围电路,只需在原集成电路插座上更换“与门”和“或门”集成块就可以完成两种门的功能。文中作者详细介绍了制作这些实验板的材料、制作方法、使用方法以及其优点。

 

  关键词:门电路、实验板、制作、应用

 

  一、简单门电路教学演示版、学生实验板的制作背景

 

  沪版高中物理课本第二册中,“简单逻辑电路”一节教学重点是逻辑关系和门电路及功能。教材用逻辑功能电路说明什么是“与”门、“或”门和“非”门以及它们所具有的逻辑关系。对于这节课的教学,由于教学目标和时间所限,在条件较好的学校,教师利用已有的资源“模块式逻辑电路实验器”,学生通过组合不同的开关、电源、指示灯、“门”模块来领会逻辑门的功能,或用“朗威EXB?系列电学实验板-09”,在DIS实验中体会逻辑电路及其功能;在条件较弱或课时紧张时,往往就用“阅读加练习”进行“理论教学”。虽然经过反复练习,能达到教学要求,但往往降低了效率。而且这样会给学生带来认识上的误区:所谓门即开关,门电路就这样。从而误认为逻辑功能电路就是门电路,如图1

 

 

  “模块式逻辑电路实验器”如同积木,用开关控制输入、用发光二极管指示输出。学生看不到里边具体的结构和工作时的输入输出波形关系。或者学生会纠结于“门”到底是什么样、模块式实验器里边是什么从而使思维陷于停滞。而朗威EXB?系列电学实验板-09电路本身、外围线路连接很复杂,并且需要外接电源,电路开关特性还不好,给学生建立新概念又不利。而接下来的“学习包”则直接过渡到实际元器件的使用。这就使从知识、概念的建立到实际应用的联系跨度很大,从而使得理论与实践脱节,给学生的学习带来困难。

 

  教材在“拓展联想”栏中已给出了集成电路照片及其内部部分电路结构。这就给了教师对教材进行再开发的空间。教师可用相关元器件和一些材料,制作真实的门电路演示、实验板。既解决了“模块式逻辑电路实验器”不能演示开关电路的电信号关系问题,又避开了复杂的“朗威EXB?系列电学实验板-09”电路,从而使学生对逻辑关系理解的干扰因素降低。而且使概念、原理和实际器件有机联系起来,并对教材进行了再开发,引导学生进入下一节“学习包”内容。

 

  依据《中学物理课程标准》对教师的要求,教师有对教材和课程资源进行自主开发的权利和义务。而且利用现代信息技术进行教学,以培养适应社会发展的人才是我们教学目标的一个重要方面。

 

  二、简单门电路教学演示版、学生实验板的制作及应用方法

 

  针对教学目标及要求、学生的学习重点难点、教材的内容,笔者实际制作了以下几个实验板,具体所用材料、制作方法、使用方法如下。

 

  (一)“与”门和“或”门集成电路学生实验板的制作及应用

 

  1.装置图:电路图如图2,实物照片如图3所示。

 

 

  2.特点及用途:

 

  “与”门和“或”门实验板利用真实的集成电路制成,具有直观、真实的特点。由两个轻触式微型开关控制输入(也可以用信号源作为输入信号),发光二极管指示输出。并设置了接线柱,可以用DIS直接显示输入与输出间电信号的关系。因此既可以在实验室中用DIS来进行实验研究门电路的电信号关系,也可以在教室中只利用指示灯来研究输入与输出间的逻辑关系。该电路与以往简单门电路实验板不同的是,利用与门和或门集成块的引脚特点,可以用同一个电路,只需在原集成电路插座上更换“与”门和“或”门集成块就可以完成两种门的功能。

 

  3.制作材料、制作方法:

 

  制作材料:20×10cm2万能实验印刷线路板一块;14PIN集成电路插座3只;74LS08 “与”门和74LS32“或”门集成电路各一只;轻触式微型常开开关2只;10KW电阻2只(作为输入端的下拉电阻,功率为WW均可),330W保护电阻一只;红色发光二极管一只,1N4004保护二极管一只;4节组5号干电池夹一只,45号干电池;电子线路实验用导线、电子线路通用螺丝、螺母、铆钉若干;双面胶、包装塑料泡沫若干;相应制作工具等。

 

  制作方法:

 

  在印刷线路板上合适位置,按如图3实物图在线路板正面安排好各元件并在反面焊接好。将一只集成电路插座焊接于线路板上:仅将用到的输入脚1. 2,输出脚3,接地脚7,电源脚14焊于背面敷铜点上即可。按如图2电路图在线路板背面焊接好各连线。为使线路板正面简洁、电路形式符合中学教学特点,隐藏连接导线在背面。用记号笔将电源线、接地线、各连接线、元件符号等按电原理图在正面画出。将电池夹用双面胶粘于线路板右侧。将包装用泡沫塑料裁成4×2×1cm3,用双面胶粘于靠近集成电路插座的地方。电路不用调试即可使用。分别将74LS08“与”门和74LS32“或”门集成块插入另两只集成电路插座上,一只插于集成电路插座上,一只插于泡沫塑料上待更换。在输入 A输入 B输出 Z 端分别焊接上接线端子,以备DIS使用。

 

  4.使用方法:

 

  A.无DIS实验:研究“与”门和“或”门电路的逻辑关系。

 

  ⑴电池夹内装好电池。将带有集成电路插座的“与”门插入插座。

 

  ⑵分别将手控轻触式开关S1. S2接通,观察输出端发光二极管的亮、暗情况;S1. S2同时接通,观察二极管的亮、暗情况,可以得到:只有S1. S2同时(即AB同时输入高电平)接通时二极管才点亮(输出Z为高电平)。

 

  ⑶将带有集成电路插座的“与”门拔下,将 “或”门插入插座。

 

  ⑷分别将开关S1S2接通,观察输出端发光二极管的亮、暗情况;S1S2同时接通,观察二极管的亮、暗情况。可以得到:只要S1S2任一接通、或同时接通(即AB任一端输入高电平、或同时为高电平)时二极管就点亮。

 

  BDIS实验:研究“与”门和“或”门电路的输入与输出电信号关系。

 

  ⑴将带有集成电路插座的“与”门插入插座。

 

  ⑵连接好传感器、数据采集器、计算机,打开DIS通用界面。

 

  ⑶将3个电压传感器的红色鳄鱼夹分别接于输入端AB和输出端Z,将黑色鳄鱼夹均接于0V接地线上,如图4

 

 

  ⑷在DIS通用界面内,调节三个传感器窗口均为“示波”显示,并使窗口为“平铺”状态。启动“开始”按钮。轻按实验板输入按钮,根据波形分别适当调节三个通道的“图线控制”的“Y平移”和“Y缩放”,已取得最佳的波形显示效果。

 

  ⑸先启动“停止”,再启动“开始”按钮。使S1S2分别接通;或使S1S2同时接通,观察输入与输出端的波形,可得到类似图5左侧图所示“与”门电信号输入、输出波形。

 

  ⑹将带有集成电路插座的“或”门插入插座,重复上述⑸步骤,可得类似图5右侧图所示“或”门电信号输入、输出波形。

 

  (二)“与”门和“或”门集成电路教学演示板的制作及应用

 

  1.装置图:电路图如图2所示,实物照片如图6所示。

 

 

  2.特点及用途:通过分别插入“与”门和“或”门集成电路,可以用指示灯演示“与”门和“或”门电路的逻辑关系;也可以用DIS来演示“与”门和“或”门电路的电信号关系。

 

  3.制作材料、制作方法:

 

  20×10cm2万能印刷电路板,只焊接集成电路插座,将电路使用的各引脚用导线引出。取600×600cm2三合板,将轻触式开关替换成实验用单刀单掷开关,固定在三合板的适当位置。其它各元件如“与”门和“或”门集成电路学生实验板所用。用螺丝将印刷电路板固定在中间位置。将学生实验用单刀单掷开关固定于适当位置。用05mm2单股红、兰塑料皮电力导线接成如图6所示。分别将输入、输出导线、接地线适当位置剥去约1cm长的塑料外皮,使铜导线裸露在外,以便连接鳄鱼夹。用记号笔在演示板上补画出集成电路其它外围电路的电原理图。在三合板左下角固定塑料泡沫片,作为放置备更换的集成电路。实验时可将演示板固定于支架(如美术用画架)上。

 

  4.使用方法:

 

  用单刀单掷开关控制输入,其它实验步骤同“与”门和“或”门集成电路学生实验板。

 

  (三)“非”集成电路简易火警报警器电路及制作及使用

 

  1.装置图:电路图如图7所示,实物照片如图8所示。

 

  2.特点及用途:

 

  可直观演示沪版高二第一册课本第66页示例。并可以通过调节电位器R1的阻值,改变报警灵敏度。

 

  3.制作材料、制作方法:

 

  电位器R1的规格为“05W47 KW”;热敏电阻R2的规格为39 KW;因为集成电路输出不足以驱动蜂鸣器,所以设置一级功率放大级,V1规格为9014(集成电路输出级足够驱动三极管,且三极管工作于开关状态,因此不需要偏压电阻);蜂鸣器为FTQ27-9A1;非门集成块SN74LS04N一只;14PIN集成电路插座一只;3×4cm2万能印刷电路板一块;两节一组的5号电池夹一只;电子线路实验用导线、螺丝、螺母、铆钉若干;双面胶、05mm2单股红、兰塑料皮电力导线若干;30×40cm2实验室废弃的塑料板一块(可利用三合板等材料)。电路连接方法如图7。布线时尽量使线路简洁、美观。

 

  连接好电路后,电池放入电池夹后调整电位器R1,使蜂鸣器恰好不响。

 

  4.使用方法:

 

  用打火机火苗烧烤热敏电阻R2,立即可以听到蜂鸣器的响声。移开火苗,直到热敏电阻R2温度重回到原来温度,蜂鸣声才会停止。

 

  增大输入偏压电阻R1的阻值可以使火灾报警器的灵敏度降低。调大变阻器后再烧烤热敏电阻,发现蜂鸣器会明显延迟鸣响。

 

  各电路实验、演示板若长期搁置不用,可将电池从电池夹内卸下即可。

 

  三、简单门电路教学演示版、学生实验板的优点明显,教学效果大幅提高

 

  简单门电路教学演示版、学生实验板的优点:

 

  1.该实验(演示)板与“模块式逻辑电路实验器”相比,学生在操作中能体验、感受真实的集成电路门电路及其工作过程。真正建立了数字电路的所谓“开”、“关”实际上就是电压的“高”、“低”。

 

  2.可以用同一个输入、输出外围电路,甚至同样的输入信号,利用集成电路插座,通过换用“与”门和“或”门集成电路时输出信号的对比,对理解各种门电路的逻辑关系非常直观有效。同时对器件有了初步的认识,对学习下一节课极为有利。

 

  3.电路板设有指示灯和外接线柱。因此相比模块式实验器和朗威EXB?系列电学实验板-09,在具备DIS条件和不具备DIS条件两种情况下均能使用。另外,由于集成电路的开关性能非常好,可以使波形非常理想。

 

  简单门电路教学演示版、学生实验板的教学效果

 

  实践证明,教师利用教材提供的资源根据教学要求进行教材开发,自己动手制作教具用于实践,对提高教学效益非常有效。这从两个方面体现出来:一,在学科知识方面。学生对逻辑关系、逻辑功能电路、真正的门电路、“与”“或”门电路的输入和输出电信号关系理解更为到位,且大大节省了时间,提高了效率。在用所制的实验板进行公开教学时,记得在一个班级试讲完后,听到有同学小声说:“这是我有听到的最清楚的物理课”。随后的测试也说明,学生对知识的掌握很好。二,在学科德育方面。在三维教学目标中情感、态度、价值观层面,也能较好地达到教学目标。即联系了实际,了解了电路在生产、生活中的广泛应用,感悟到了电路知识的社会价值。而且通过这样的教学过程,学生对逻辑电路及其作用产生了极大的兴趣,增加了学习科学的积极性。教学中,教师还准备了若干完好的和有意破坏后,内部结构可露出的门电路集成块给学生观察,学生极有兴致。有的班的部分学生在上完此节课后,马上来打听这些电子元器件在哪里能买到,要自己动手制作。

 

  四、简单门电路教学演示版、学生实验板需改进之处

 

  1.再反复更换集成电路时,由于集成块脚很纤小脆弱容易损坏,必须轻拿轻放。改进方法是,利用电路用接插件可以解决这个问题,相应的电路结构需要略微改变。

 

  2教学演示板的三合板可以换用更好、更坚固耐用的五合板或PVC材料。集成块座换用另外更坚固耐插拔的接插件以防损坏。

 

  参考文献:

 

  1.上海市中小学课程改革委员会.高级中学课本物理高中二年级第一学期M].上海:上海科学技术出版社,2007

 

  2.上海市中小学课程改革委员会.上海市中物理课程标准M].上海:上海教育出版社,2006

    
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