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基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计研究
[摘要]虚拟实验的开发和应用极大地丰富了实验教学环节。然而，在实践中虚拟实验往往存在枯燥乏味，无法吸引学习者，教学理论陈旧等现象。文章通过对整合情境、沉浸理论等理论研究，提出了基于整合情境的游戏化虚拟实验，探讨了其设计机理、设计模式及特点，并在此模式下设计开发了虚拟实验案例。以期通过此模式的研究使虚拟实验具有一般特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性，能吸引并使学习者沉浸其中，最终达到增强学习效果的目的。
[关键词]虚拟实验；整合情境；轻游戏；沉浸理论；整合教学法
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一 引言
虚拟实验注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性，主要是借助于图像/图形、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环节。通过研究发现，现在的虚拟实验普遍存在以下几个问题：第一，虚拟实验缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起学生的兴趣，学生很难主动投入学习并维持学习兴趣。第二，虚拟实验缺乏与学生的互动，基本上虚拟实验是由教师控制界面，学生处于聆听模式。第三，教学理论陈旧无力，学习者缺少自主探宄，合作分享的机会。以上这些问题容易导致学习者对虚拟实验缺乏兴趣，产生厌烦、急躁甚至排斥的情绪，学习效果大打折扣。归根到底，出现这些问题的原因是与现代教育理念相悖，现代教育理论倡导教师应由处于中心位置的知识权威转变为学生学习的指导者和合作伙伴、设计者、教育的研究者，学生应由被动的知识容器和只是受体转变为知识的主宰、学习的主体，学习环境应由简单的背景化信息转变为具有吸引力和复杂情境的功能性教学载体。由此可见，虚拟实验的设计面临着改进需求。
按照2002年麻省理工学院和微软公司提出“现代教学法+艺术化游戏环境=下一代教育媒体”的观点，虚拟实验要实现吸引、促进学习者沉浸其中，使学习者深度体验实验过程，探究实验结果，那么有先进并恰当的教学理论为设计依据，加上具有强烈感官刺激、心理挑战的游戏化环境设计，实现教学、心理、艺术效果的完美结合。据此，我们认为虚拟实验应创设为能吸引并使学习者沉浸其中的虚拟学习环境，这个虚拟环境具有较强的现实感、交互性、艺术性、娱乐性等特点。基于以上考虑，此本文提出创设整合情境，将“轻游戏”元素增设到虚拟实验中，设计了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此设计模式应用到开发的虚拟实验案例中。
二 整合情境及沉浸理论概述
1 整合情境
（1）整合情境的概念。20世纪80年代，比利时、瑞士、法国等欧洲国家提出整合教学法（Integrative Pedagogy），该教学法是训练学生联合调动若干知识和技能，来解决复杂的情境。开始时整合教学法被应用在大学教育、职业培训中，逐渐应用到中小学教育。整合情境（Situation Integration）是整合教学法的核心，学者有些称之为靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等认为，整合情境是“一个包括主要信息、干扰信息，并运用先前学习的一个复杂情境”，它有三个构成要素：物质支持工具、若干任务和若干命令。在物质支持工具中呈现出来的实物、背景、信息、功能等都可能是复杂、凌乱无序的。
（2）整合情境与问题情境。上述的整合情境与我们常提到教学论中的问题情境（Problem Situation）较为相似，为了更好地理解整合情境，在此有必要对两者做一个比较分析。学者对问题情境的界定不统一，布鲁纳认为“学习者在一定的问题情境中，经历对学习材料的亲身体验和发展过程，才是学习者最有价值的东西。”他指的问题情境可以理解为一种具有特殊意义的教学环境，既是教学背景，也可以是本学科的问题，还可以是其他学科的相关内容等。埃纳尔和尤尼尔认为问题情境是“教育者为了以下目的所设计的情境：为学生们创造一个围绕某个有待解决的问题进行思考和分析的空间；帮助学生们从这一“空间—问题”出发，对关于某个明确主题的新的表现加以概念化。”它包含三个因素：背景、信息和有待完成的任务。从上述概念来看，整合情境与问题情境确实有很大相似之处，都是为了教与学活动，完成某些教学任务的具象化背景，但两者的内涵和侧重点并不相同。两者的比较如表1所示。
从表1不难看出，整合情境和与我们一般所指的问题情境有很大区别，第一，功能性，整合情境更具明确的目标，教师应考虑如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像问题情境更重视的是情境本身。第二，情境的类型，整合情境倾向于自然情境，需要学习者在真实的环境中辨别、分析，适合学习者个体探究学习，而问题情境更多的是建构的情境，是教师为了教学目的而设计出来的情境，使学习者个体或小组获得知识和技能。第三，设计整合情境的初衷是为了整个学业的提升或学习评估，相对问题情境的目标要广泛和深远。按照达蒂夫¨2J的说法，问题情境是“任务来源”，而整合情境是“任务靶向”，可以理解为一个偏重于问题本身，一个偏重于通过问题来探究的目标。一言蔽之，整合情境是“被瞄准”的问题情境，为了更明确的方向和目的所设计的问题情境，整合情境相对于问题情境更具复杂性和真实性，更适合学习者探索和建构知识和技能。
2 沉浸理论
沉浸理论（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中，集中注意力，并且过滤掉所有不相关的知觉，进入一种沉浸的状态，这种状态被描述为“流”（flow）。Wigand和Nilan将沉浸感分为三个阶段：沉浸的先前准备阶段、沉浸体验阶段、沉浸体验的结果。沉浸的先前准备阶段所考虑的要素包括注意力的集中、明确的目标、与玩家技能相平衡的挑战、活动的趣味性、简单快速的上手；沉浸体验阶段的体验包括行动与意识的统一、高度专注、对活动的控制感、时间感的变化、远程监控感；沉浸体验所带来的结果是促进学习、激发学习者的探索行为、信息技术的接受及使用、行为控制的认知。从文献可以看出，国内外游戏的设计和开发基本都与沉浸理论相关，游戏化的学习的设计和开发也当如此。有研究表明，“深度沉浸的学习相对于浅度沉浸的学生而言.在虚拟实验的环境中更容易获得满足”。据此我们认为追求流体验是游戏化虚拟实验设计的重要目标和依据。
三 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计
基于以上的理论讨论和实践研究，本文提出基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，这种虚拟实验模式以创设整合情境为手段，以“轻游戏”元素为设计元素，目的在于增加学习者虚拟实验的沉浸感，激发学习动机，维持学习体验，从而达到提高虚拟实验学习的效果。
1 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计机理
根据心理学研究表明，要真正达到教学效果，必须从吸引学习者，维持学习者注意力着手，实现虚拟实验的沉浸体现。然而内部的心理活动是由外部的刺激，反复强化才能影响。所以外部的教学设计成为虚拟实验的关键，笔者认为可以从创设整合情境入手，给学习者营造一个逼真复杂的情境，这个情境即包括教学情境，还包括现场情境，避免枯燥无味又不具备现实意义的学习环境。本文提出，虚拟实验过程应是一个“三层”体系结构：教学层、行为层、心理层，实现一个由外至内的心理过程，由教学活动至实验过程，再到达到学习者沉浸体验的过程，从而提高学习者学习兴趣，维持注意力。具体见图1。
从图1可见，教学层、行为层和心理层都包括技术和学习两个方面，教学层处在基础的地位，也是最重要的层面，它是引领学习者进行虚拟实验的关键手段和方法，包括创设整合情境，设计实验界面，教学设计等；行为层是学习者完成虚拟实验的过程，探究实验结果；心理层是虚拟实验的最高层面，实现心理沉浸，保持学习注意力，从而完成虚拟实验的体验活动。这三层体系结构是一个从下到上，从外到内，从教学到心理一个完整的过程。
2 基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式
根据上述基于教学层、行为层、心理层的“三层”游戏化虚拟实验的设计机理来设计虚拟实验学习模式。虚拟实验主要分为：演示实验、验证试验和探索实验三种，它们一般的实验流程为激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制。为了体现实验的特点本文称实验操作为行为层，而每一个实验行为都对应着教学层的教学活动以及心理层的沉浸过程，它们的相互关系及内涵是学习模式的核心内容，见图2。
（1）教学层：创设整合情境、设计游戏化元素。为了能吸引学习者全身心地投入到虚拟实验中，首先可以从教学设计层面设计具有整合情境的虚拟实验环境，使学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标直指虚拟实验的核心知识：然后重点设计具有游戏化元素的虚拟实验，包括人物、场景、情节、任务和音效等，以声音、图形、视频等多媒体表现实验内容；最后通过设计的交互活动达到知识巩固、反思和激励的作用。
（2）行为层：操作游戏化虚拟实验。虚拟实验教学设计的目的是使学习者能按既定的设计步骤达到相应的实验目标，虚拟实验一般分为演示实验、验证试验和探究实验，一般都有以下几个步骤：激发兴趣、获取知识和经验、验证实验、实验的应用和控制等。实验过程是学习者在教学设计下完成的是可见、可控制的行为活动。
（3）心理层：实现沉浸体现。为了使学习者达到知识的内化，可以通过设计游戏化虚拟实验吸引并维持学习者达到长时间的心理沉浸感，可以分成沉浸准备阶段（吸引）、沉浸体验阶段（维持）、沉浸反馈阶段（迁移）三个过程，每个过程都需要和相应的教学设计和实验操作阶段配合发生，整合情境的创设就是为了激发学习者的兴趣，达到学习者沉浸体验的准备阶段。游戏化虚拟实验的设计就是为了使学习者在实验过程中获取相应知识和经验，达到学习者沉浸体验阶段。而教学反思和巩固为的是使学习者很好的应用实验知识，达到沉浸反馈阶段，实现知识的迁移。
3 基于整合情境的游戏化虚拟实验的特征
（1）强调自然情境的学习意义。从社会学的视角来看，“情境”指一个人正在进行某种行为时所处的社会环境，是人们社会行为产生的条件；从心理学的视角来看，“情境”指的是事物发生并对机体行为产生影响的环境条件；学习论的视角来看，“情境”则是学生从事学习活动、产生某种学习行为的一种环境和背景。基于整合情境的游戏化虚拟实验所指的“情境”在学习环境中一般并不存在，它是被建构出来的，任务的结果也不是一目了然，信息复杂，表述曲折，难以理解，具有障碍和隐蔽性，更趋向于真实的自然情境，但它的功能明确，即为了服务教学目标。
（2）强调游戏对学习兴趣的激发。布鲁纳等认为学习是学习者内部动机驱动的积极主动的建构过程，激发学习者的学习动机尤为重要。基于整合情境的游戏化虚拟实验强调利用“轻游戏”的设计，给学习者创造“流体验”，使学习者更容易沉浸，达到深层次的参与。虚拟实验的激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制等一般步骤，都可以在游戏化虚拟环境中完成。我们认为，游戏不是虚拟实验的目的和重点，游戏化的环境设计是让学习者能沉浸虚拟实验学习的手段，完成心理层面的沉浸体验的三个阶段，最终实现虚拟实验的知识获得或迁移。
（3）强调教师对学习者或学习小组的支持。建构主义学习理论强调学习者积极主动地建构知识，教师的地位发生了变化，从原来的灌输知识主导教学活动。基于整合情境的游戏化虚拟实验“情境”的设计者一般是教师，当然也可以是其他成员，情境的发起者和解决者之间形成合约的关系，教师可以让学习者选择是否进入学习情境，学习者可以自由选择学习方式，教师可以提供帮助，督促学习者学习，直到评估合格。整个教学过程的设计十分重要，关系到整个学习过程的展开。学生或者学习小组成了主体，而教师的地位退居其后，成为中介者、支持者，负责情境的建议和发起，更多的学习主动权交给了学生。
（4）强调探宄学习对虚拟实验的作用。虚拟实验可充分发挥其优点，根据实验的特点和学习者的特征，控制实验的条件，设计、开发具有较强交互的探究性虚拟实验。基十整合情境的游戏化虚拟实验由于其具有较强的现实性、趣味性，更适合也更容易探究学习。学习者或学习小组从整合情境中的复杂信息或自身具体经验出发，通过观察和反思概念或认知，设计或验证试验方案，这样的学习过程往往不能一次性完美完成，学习者或学习小组得反复探宄，不断完善和修正。如此一来，可以发展学习者的积极主动性和探索精神。
综上，基于整合情境的游戏化虚拟实验实质上是创建了以学习者为中心，教师为支持的整合学习环境，这个学习环境具有一般虚拟实验特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性，吸引并使学习者沉浸其中，完成虚拟实验的演示、验证或探究活动。
四 基于整合情境的游戏化虚拟实验的应用案例设计
近年来食品卫生和安全成为备受关注的热门话题，为了加强青少年对食品添加剂方面的知识，提高选购安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计理论，设计开发了能进行虚拟实验和检测的食品添加剂虚拟实验室。
1 教学设计。根据“食品安全学”教学大纲和实验要求，为了学习者能融入并沉浸到虚拟实验.达到主动探究学习，获取实验知识和经验的目的，本文设计并开发了“添U加C”游戏化虚拟实验，以下将介绍该虚拟实验的设计和实现研究。
（1）整合情境创设与游戏化学习活动设计，如表2。
（2）游戏化虚拟实验。根据以上游戏化学习活动设计，我们可以将游戏化虚拟游戏过程主要分为三个阶段：整合学习活动、轻游戏化探究学习、反思分享。
①整合学习活动阶段。依照整合教学法的理论，学习是一些展开局部学习2、使用整合情境和评估情境所构成的一个连续体。整合学习活动是本案例的设计重点，主要是从其三要素：物质支持工具、信息、命令来展开设计，该案例将物质支持工具和信息整合在资料中，即物体、背景、信息、功能、信息等。
虚拟实验教学目标：为了了解食品添加剂知识，学习者进入了一个三维虚拟的超市进行选购食品，学习者可以根据以下资料，了解食品中含有哪些添加剂？推断食品添加剂对人身体有哪些影响？以及计算出人一天食品添加剂最高剂量是多少？
资料1：选购商品情境，如图4。
资料2：介绍食品添加剂情境，如图5。
命令1：完成购物报告，如图6。
命令2：完成虚拟实验，如图7。
命令3：完成实验报告，如图8。
命令4：完成添加剂重新选购，如图9。
通过以上整合学习活动后，学习者将传统学习而来或自有的经验知识整合到复杂的情境中，进行自主学习，该虚拟实验提供了物质的支持工具和信息，教师处于支持或辅导的地位，学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标指向虚拟实验的核心知识，完成指定的命令任务。
②“轻游戏”化探究学习阶段
尚俊杰等【22】对“轻游戏”的界定为“轻游戏=教育软件+主流游戏”，认为它首先是一个教育软件，并追求主流游戏的内在特征，如挑战、好奇、控制、目标、竞争、合作等，以此平衡游戏的教育性和游戏性。本虚拟实验的设计遵循“轻游戏”的设计思想，将虚拟实验设计成模拟类游戏。第一，本游戏化虚拟实验具有模拟仿真性，学习者进入的“添u加C”食品超市，其中的人物、货物、货架、标签、背景、音效等完全仿真现实超市。第二，本游戏化虚拟实验具有“轻游戏”元素设计，如情境、系统帮助、导航、虚拟实验关卡逐级递增等。第三，本游戏化虚拟实验具有真实并可完成的任务，学习者在挑选自己喜欢食品时，会出现该商品包括添加剂的情况等信息，这时适时对学习者进行添加剂知识的介绍，而学习者在离开超市前得完成添加剂知识的实验报告和虚拟实验，之后会让学习者重新选择食品的数量和种类。这样的设计是让学习者在知道、了解、掌握、应用食品添加剂的学习过程中，完成探究学习活动，教师或本虚拟实验设计者自始至终处于整合情境的发起地位，学习者主动思考、积极参与、探索食品添加剂知识成为本虚拟实验的重点。
③总结分享阶段
总结分享是一般虚拟实验的应用阶段，本虚拟实验要求学生在完成整合学习活动和“轻游戏”化探究学习后，完成食品添加剂的知识巩固练习，并在退出虚拟实验前在工艺宣传栏中填写自己对食品添加剂的宣传语，分享游戏化虚拟实验的学习心得体会，效果如图10、11所示。
2 模块设计与实现
本虚拟实验仿照了现代超市模式，按照功能进行区分，主要有购物中心、服务中心、支付中心、帮助中心。依次是对食品添加剂的了解、学习、反馈和巩固四个阶段。
（1）购物中心：是对食品添加剂的初步了解阶段。它模拟现代超市购物环境，通过键盘方向键来控制购物车的运动，按照食品的分类主要有五大区域：生鲜蔬果区、休闲食品区、粮油调味区、酒饮冲调区、营养健康区，选购时能显示食品名称、所含添加剂、原料、保质期、生产日期等信息，购物中显示购物清单，结束购物时得出购物报告，告知是否购买的食品添加剂超出国家标准。
（2）服务中心：是以食品添加剂学习和实验阶段，主要分为添加剂原理实验、剂量对比实验、添加剂案例三个部分。通过这样的实验，一方面深刻理解添加剂的功能与副作用，另一方面加强青少年动手能力。离开服务中心时，得出实验报告，告知在该中心做了哪些实验，并得出实验结论。
（3）支付中心：是以对食晶添加剂学习的反馈和巩固阶段。由于之前在服务中心的学习，会对食品添加剂有了一些队识，因此在支付报告中，学习者可以再次决定哪些食品是否要购买，以及购买的数量，还包括有奖测验和公益宣传两个模块。
（4）帮助中心：主要包括课件导航地图和添加剂知以帮助，主要是帮助青少年更好地了解该虚拟实验室的结构及操作及其对各种添加剂的认识。
本虚拟实验经过反复的调试，实现了在整个超市各个中心的数据传递，用Asp连接Access数据库，按照数据结构来组织、存储和管理数据，完善地管理各种数据库对象.实现登录注册页而、购物清单和公益宣传等数据的传递。
五 结束语
本文通过文献调研、设计机理与模式的提炼、案例的设计开发等研究，提出了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此模式进行了初步的应用。实践证明该虚拟实验模式具有很好的艺术性、娱乐性，能很好地将虚拟实验与轻游戏化体验结合起来，能吸引学习者进入虚拟实验过程，有一定的保持吸引的作用，并能保持沉浸效果，对于学习者探究能力和合作能力的培养有一定促进效果。但是，由于研究条件和时间的限制，本研究还存在很多的局限，如案例设计和开发内容有待进一步深入，设计策略不详尽，交互设计何待改进等。我们将在后续研究中，将对该模式进行实验研究，通过数据统计和分析出该模式在维持学习者动机、学习效果、探究认知等方面的情况，为实现吸引学习者并保持沉浸感的虚拟实验进行更深入研究。
参考文献
[1][3]瞿曌.网上虚拟实验教学的必要性及可行性.高教论 坛，2004，（1）：79-80
作者：黄璐 章苏静
摘要：自2013年国家提倡大力建设虚拟仿真实验室以来，虚拟仿真技术至今已逐渐发展成熟，但在其建设过程中缺乏设计方面的考量，导致用户体验较差。游戏的设计本质是用户体验的设计，在其设计过程中始终围绕着用户进行设计。文章目的在于通过应用游戏的设计方法来改善和虚拟仿真实验室的用户体验，激发用户动力，提高用户操作的有效性。通过实地调研及文献分析的方法总结目前虚拟仿真实验所存在的问题，对设计元素进行对比研究。提炼出游戏中的设计元素，得出未来虚拟仿真实验的设计发展新思路。该设计方法及思路可为同类型相关教育系统的设计提供参考。
关键词：游戏化虚拟仿真实验用户体验游戏元素交互设计
文献标识码：A
引言
网络游戏一直被认为是有趣的、吸引人的。伴随着互联网和人机交互方面的技术突破，教育工作者、医学家、科学家等都在研究游戏方法和技术在其学科领域内的潜力，以实现更有效的、沉浸式的和引人入胜的学习或培训。很多学者（Malone1980;Bowman1982）认为游戏可以“使学习更有趣”，所以过去几十年有很多人在努力提高教育游戏的趣味性。
虚拟实验室是指在web环境下的，可供学生进行实验操作的三维实验场景。过去的虚拟实验室仅仅是针对高技术科研员，将高危、现实情况下难以实现、高成本的实验作为建设标准。目前更多地是变为一种针对高校学生的，为了普及实验教育所建立的共享型虚拟实验。学生可以在虚拟三维环境中进行多项任务，如学理论，做测试，观视频，做实验，上传资料等。国外有代表性的如Labster实验室（如图1），无论是形式上还是操作上都与游戏十分相似。
目前很多虚拟实验为了进一步增强实验的交互性与沉浸性，设计者将其与实验设备、显示设备或虚拟现实设备（VR）结合使用（如图2）。为了增加趣味性，在其中增加游戏情节、声音、视频等。
這些改变和功能的增加会使实验交互变得复杂，因此在增加此类功能前需斟酌用户需求和实验目标。复杂的软件往往会使用户产生迷失感，造成用户关注重点偏移，用户注意力本应集中在实验上，却由于功能的复杂致使用户把更多精力耗费在如何交互上。使用户产生疲惫甚至愤怒的情感，用户满意度、效率产生负面影响。如何在控制用户认知负担的情况下去增强用户体验是文章的重点。
JaneMcGonigal在著作《RealityisBroken：WhyGamesMakeUsBetterandHowTheyChangetheWorld》中认为由于游戏的交互性，游戏能够产生认知参与，甚至能给用户灌输信心鼓舞士气，游戏机制、技术和界面等可以潜在地为用户提供难忘的体验。那么，通过应用游戏的方法或可改善虚拟仿真实验的用户体验，激发其感知能力、提高其操作的有效性。
一、虚拟实验室目前设计现状解析
目前虚拟仿真实验室开发目标为学科知识实验普及化，实验共享化，实验信息化。虚拟仿真实验室发展至今功能大致分为个四模块：理论学习，虚拟实验，考试测评，评分系统（图3）。
理论学习：专业课程的基础理论知识学习，普遍采用文本、图片、视频播放三种方式单独或混合呈现。
虚拟实验：根据前期学的相关基础理论知识进行虚拟实验。实验方式有低交互度-物体间不可相互交互，用户点击物体触发动画;中交互度-实验需要的个别物体可进行互相交互，用户按固定流程选择物体点按或拖拽进行实验;高交互度-实验室中物体都可进行自由交互，用户点击、拖拽或搭配VR及体感硬件设备进行实验。
考试测评：采用文本、图片、视频播放三种方式单独或混合呈现，形成网络试卷进行考核。
评分系统：评分系统主要包含虚拟实验中的实验分数，考试测评中获得的试卷分数，出勤分数三大类。以三类分数的综合分来评定学生的实验学习情况。
虚拟仿真实验室的积极作用是被普遍认可的，其作为补充实验的优势在于：可体验实际中无法完成的实验;节约实验成本;降低高危实验风险;实现现实环境零成本;提高实验的可重复性;增强实验共享性。但其在具体使用过程中也出现了消极的一面：赵青林等认为虚拟仿真实验大多是观看3D动画，不能激发学生的创新精神。且实验的用户辐射度很低，虚拟仿真实验在许多高校搭建运行，但并不被大家所知。文福安认为虚拟实验被教师上课演示的多，被学生实际操作的少。李展认为多数实验教学真实度不高，趣味性差，以二维图片、视频、动画等素材为主，集中于三维模型和二维空间的交叉设计，缺乏真实感;交互方式单一，很大程度上仍依赖于鼠标、键盘等输入设备。聂丹丹认为实验的自主探索性低，受限于传统的教学演示和实践操作，可操作性不强。
从文献中总结当前虚拟仿真实验室的局限性如下：
（1）传统且单一的交互方式
（2）交互不符合用户认知
（3）固定的实验流程
（4）低真实度的实验环境
（5）多为演示型实验，缺乏自主实验
（6）共享协作性低
通过文献调研及高校走访调研（图4）后，笔者认为，目前虚拟仿真实验室出现上述的局限性，原因在于：
（1）目前虚拟仿真实验建设重点在技术上，忽略了设计。
（2）没有围绕用户进行设计，且学习软件用户使用动机弱，情绪低。
（3）虚拟仿真实验作为新生事物，其在设计上没有标准和规范，用户对其并未形成认知惯性，面对新事物用户容易产生认知偏差。
（4）用户心理预期落差大，虚拟仿真实验用户普遍都有游戏经验，虚拟仿真体验与游戏形式趋同，但体验落差较大。用户易进行比较，产生负面情感。
二、网络游戏
Narayanasamy等认为网络游戏是一个复杂但直观的系统，系统包括交互技术，媒体和模拟技术，它通常带有故事情节。游戏的交互是经过设计的，是直观的，游戏内的交互能够激发用户情感。其基本目标是使游戏玩家产生积极的游戏体验，注重游戏过程。这在一定程度上与虚拟实验相似，实验本身是经过设计，有固定流程的，注重知识的运用过程，从实践过程中获得学习体验。
本节主要分析游戏中的运作要素及使用游戏元素的非游戏成功教育类应用案例，将其设计要素抽象总结，运用到虚拟仿真实验的设计中去。
（一）游戏的运作要素
游戏是由许多机制构成的，这些机制定义了游戏如何运行。在游戏中，游戏机制和玩家之间进行交互就会产生事件，机制又将这些事件与游戏内容联系起来。SicartM在其文章Defininggamemechanics中总结了各游戏设计研究者对游戏机制的定义，绘制表格（表1）。
总的来看，所列出的大部分定义都与用户与游戏系统的交互以及用户在体验过程中可能采取的行动有关，在游戏世界中存在着特定的目标，游戏机制作为引导手段使用户达到特定的目标或做出特定的行为。
总结游戏机制的关键方面有：
（1）用户在游戏中可能的操作
（2）用户的动作交互文档
（3）游戏系统的一套规则
（4）交互中的引导和及时反馈
小结：这与虚拟仿真实验室机制设计是相通的，实验室设计也存在特定的目標-完成实验。这就需要设计实验机制，分析用户在实验中可能的操作。交互方式和规则是由机制定义的，但由机制和用户之间发生交互而产生的“事件”不是被编码直接定义的，是在游戏过程中产生的。游戏设计并不是直接设计事件，而是设计能够产生事件的游戏机制体系。虚拟仿真实验室设计也应该是这样，不是直接定义实验结果，而是设计实验机制体系，这些机制能够通过用户交互及互相作用引发各种可能的体验和结果。
（二）游戏元素在非游戏领域的应用（严肃游戏）
目前对于游戏的理论和机制的研究已经早已超越了游戏边界，很多领域都通过融入游戏体验的各个方面来增强非游戏系统的功能。如教育、营销、商业管理、医学等（表2），从游戏中提取愉悦和吸引的元素并利用它们来激励在其他环境领域中的用户。
游戏元素在教育中的运用被称为“严肃游戏”，其被定义为是视频和计算机游戏的一种，核心是以学习/练习相关专业知识为目的。通常是一种具有游戏的外观与感觉的对于现实事件或过程的模拟，为用户提供一个吸引人的、相对轻松的环境来进行训练或教育学习。
游戏必须是玩家自愿参与的。研究其自愿性时，游戏中用得较多的理论是马斯洛需求层次理论和自我决定论。其中用得更广泛的理论是美国心理学家德西和瑞安提出的“自我决定论（Self-DecideTheory）”，强调自我在动机过程中的能动作用。其将人类行为分为自我决定行为和非自我决定行为，认为驱力内在需要和情绪是自我决定行为的动机来源。动力分为三种：竞争、控制、关联。
竞争-成就感动力：如基于物理工程学的游戏“BridgeBuilder”，将物理学转化为工程建设类的项目，如在某数量经费的限制下建造能够通过火车重量的桥梁，用户需要考虑到选用什么材料，成本，桥梁的结构，张力和压力等众多专业因素来搭建桥梁。游戏中每一个关卡都会给予分数，分数的竞争刺激着用户不断进行挑战（图5）。
控制-掌控感：如在商业管理领域的模拟城市（游戏图6），此游戏中城市内的一切都由玩家自行设计规划、建设管理。此类游戏都是基于真实经济模型的战略性商业模拟器，用户在游戏中能获得自己作为一个市长的体验。
关联-归属感：多人协作也是游戏中的一个重要元素，例如方舟。玩家在游戏内进行房屋绘制，建造、种植、驯兽等，单人进行复杂和困难任务时会感到压力进而选择放弃，但当进行多人协作任务时，协作模式会激发人们的探索欲和创造力，唤醒用户思维使其更加专注，增强其解决问题的能力。
金山公司在其推出的金山打字系列教育软件中应用了游戏界面元素，其运用游戏风格的界面用于基本的英语、五笔、拼音等字符识别，帮助学生有效地熟悉键盘点位、提高英文录入速度、英语水平。用户需要输入正确的字符来帮助青蛙跳到河对岸，跳到河对岸后增加难度进入下一关（图7）。学生在使用了该界面后，表现出高昂的积极性，打字技能也有所提高，游戏界面被证明对纯娱乐之外的用户也是有益的。
小结：不同于游戏的自愿参与，学习是痛苦的被迫的。但经过设计，可以提升学生的操作体验，降低痛苦感。为学生提供一个吸引人的、相对轻松的学习环境，激发用户动力，将学习实验的过程变成自主互动的过程。可从以下方面来增加用户动力：
（1）添加竞争元素，如分数墙、过关效率墙等，激发用户的好胜心。
（2）融入激励元素，如完成某个任务后给予奖励，或语言鼓励。（3）增加协作模式，允许学生组队进行实验，激发用户的探索欲。
（4）运用隐喻和暗示，利用用户认识习惯，提高操作流畅度。（5）简化操作界面，标出重点，做到界面清晰简洁。
三、游戏中的用户体验
游戏是完全虚拟的故事机制，游戏的实质就是围绕用户进行设计。研究用户心理、激发用户动机、留住用户、建立用户依赖、刺激用户消费。虚拟仿真实因其环境、操作方式等与游戏极其相似甚至完全一致。目前的用户普遍都有游戏经验，目前的虚拟仿真实验用户体验感太差，导致用户在进行虚拟仿真实验时的体验与其在游戏中的体验差距过大，用户自然会产生落差，激起负面情绪。所以虚拟仿真实验设计需要借鉴游戏的用户体验设计。
用户体验是人机交互中的一个术语，它的意义容纳贯穿可用性、易用性、美感、情感，是人在与系统交互时产生的感觉。为了加深对用户体验的了解和应用，各研究者已经开发了许多模型和理论方法。Pine和Gilmore区分了主动和被动用户体验以及沉浸式和吸收式用户体验;Overbeeke专注于美学和行为反馈;在理解用户与技术的交互方面，大多关注用户期待动机、易用性和可用性等方面。今天的用户体验是由用户在与产品交互时的积极体验和情感状态所驱动的，在游戏中应用和讨论最多的是心理学中的流理论。
游戏中的UX是建立在游戏机制、用户界面和叙述（故事）的基础上的，但这也要基于游戏的玩法/可玩性。游戏可玩性是由“为了达到一个明确的目标而需要在游戏中执行的用户行动定义的，一个失败可以提供一个新的尝试的基础，或者成功并给予认可以及衡量用户做得有多好”。目标、反馈以及失败和成功的混合提供了多变的游戏事件，用户随事件产生丰富的情感，这是玩游戏的一个重要部分。Lazzaro认为游戏玩法的动机方面可以表现为挑战、感觉、情感和故事，此外，动机也可以用奖励和成就来解释。关于游戏体验的许多研究中出现频次最多的词语有：沉浸、心流、在场（存在），这些词语经常与积极体验联系在一起。用户体验正成为理解技术可用性和人机交互的中心，在游戏过程中，玩家会经历各种各样的体验，这些体验可能是情感上吸引人的、有趣的，也可能是负面的，惊恐的、暴躁的（掘地求生GettingOverlt）。在用户体验方面，或有助于虚拟仿真实验室未来建设发展的方面有：
（1）情感体验
（2）沉浸感
（3）在场感
（4）反馈和动机
（5）认知模型
四、虚拟仿真实验设计的未来趋势
当前的虚拟仿真实验室研究重点还在于功能的实现，目前已经有学者指出用户的可用性与体验问题，但是对于如何解决这一问题的建议却很少。在进行未来的虚拟仿真实验室设计时出现的关键问题可能是“如何创造一个有效的实验环境来辅助学习和促进决策制定，并同时保持用户的兴趣和参与度？”
在虚拟仿真实验室的建设设计过程中关于实验室体验方面研究比较欠缺，但在游戏中自游戏开发以来体验就一直是被关注研究的焦点。游戏是一种极具影响力的计算机软件形式，也是最吸引人的互动系统。其受欢迎的程度不仅反映在游戏的经济成功上，也反映在它们越来越成为社会普遍文化意识的一部分，它们几乎影响了人们社会生活和互动的各个方面。随着严肃游戏的发展，游戏已经成为一种新的教育、训练、社交和工作的方式。当然，游戏与虚拟仿真实验室的实践定义有所不同，对于游戏来说，核心在于玩家能够充分享受游戏并愿意继续玩下去，而不是帮助玩家学习知识完成任务。将游戏中的要素进行总结与目前的虚拟仿真实验室要素进行对比（表3）。
作者认为游戏元素在这方面有很大的潜力。游戏的所有元素并非都能与虚拟实验室设计相融合匹配，但是其中部分元素有融合设计的可能。从对比的表中得出，未来的虚拟仿真实验设计可从以下6个潜在元素进行进一步的深入研究：
（1）情感动机：融入引导元素（引导用户按流程进行游戏）、竞争元素（玩家间的排行）、激励元素（完成任务的鼓励或奖励）及时反馈机制等，激发用户内在动力。
（2）任务机制：运用游戏机制进行实验室机制设计，用简单的交互创造丰富的事件，打破固定的实验流程，允许用户“犯错”。
（3）自然交互：游戏体验中的沉浸感、在场、认知模型等元素，使用户将在现实世界中的交互惯性应用到虚拟世界中。有利于加强学生对自身的代入和对环境的理解，提高交互效率。
（4）沟通协作：尝试添加协作元素，激发用户的探索欲望，培养自主探究与合作学习能力。
（5）沉浸性：融入多模态交互，结合游戏硬件，如VR眼镜，Kinect体感仪器等，通过触觉、听觉、视觉等多感官融合，带给用户更高的沉浸感。
（6）游戏化界面及游戏硬件：采用游戏界面和游戏硬件，带给学生一个相对轻松的环境感觉，更能够激发学生的想象力和创造力。
用户持久不衰的内在动机是其沉迷游戏的根本，从主流游戏中提取内在动机并将其整合到教育软件中，不是追求游戏的外在形式，而是追求游戏的内在特征。或许学生认为这不是一个游戏，但是他们会认为这是一个吸引人的教育软件。
参考文献
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【14】徐子峰.严肃游戏对青少年智力开发的研究【J】.设计，2016（19）：76-77.
【15】辛向阳交互设计的哲学思考【J】.设计，2014（05）：8.
作者：胡之茵 朱宏
摘要 新课程背景下化学实验报告的设计重在探究，贵在引导，必须优化实验目的，完善实验教学的“三维”目标;优化实验器材，还学生自主选用的权利;优化实验过程，变验证性实验为探究性实验;优化问题和讨论，加强实验后的归纳和反思。
关键词 新课程 化学实验报告 优化设计
常见的各种初中化学实验册中的学生实验报告大多是“填充式”的。这种实验报告，学生只要像做广播操那样按规定的程式进行实验，就能获取教师(或书本)所要求得到的实验数据(或实验结果)，而不必去考虑实验为什么要这样做，怎样去做，更不必考虑实验中可能会存在什么问题，以及需要如何去解决。传统实验教学中“重知识、轻方法;重结论、轻过程;重机械训练、轻实质体验”的弊端得到了充分显现。
实验是进行科学研究的重要方式，科学探究作为课程改革的突破口，将实验教学与探究学习融合起来，不但让学生获得知识、获得技能，更重要的是学到了获得知识的过程与方法，让学生受到科学方法、科学思维的训练，养成科学精神和科学品德，发展学习的兴趣，这是新课程的显著特征。因此实验报告的设计要重在探究，贵在引导，必须对各个环节进行优化。
1 优化实验目的 完善实验教学的“三维”目标
实验目的是学生实验学习的指路标。实验前，学生根据实验目的设计实验方案;实验中，学生带着实验目的有意识地进行实验操作;实验后，学生对照实验目的评价自己是否达成目标。实验目的不再可有可无，它的重要性不容置疑。实验目的应实现“态度与价值观、过程与方法、知识和技能”三方面的整合，明确实验过程中所要学习运用的科学方法、所要体验追求的情感态度，使之趋向完善。实验目的的优化，会带来整个实验其他各个环节的改变。
2 优化实验器材 还学生自主选用的权利
传统实验报告中的实验器材大多由教师(或书本)指定，学生没有选用的自由，应还学生自主选用的权利，由学生根据自己的实验思路和设想选择所需要的实验器材。实验器材项目可由学生自己来填写，或由教师提供部分实验器材供学生选择和参考。另外应鼓励学生利用生活中的常见用品和废弃物制成简易的实验仪器，或替代实验用的化学药品。如用贝壳或鸡蛋壳代替碳酸钙，用食用碱代替碳酸钠，用废弃的饮料瓶和小药瓶作反应容器等，使用身边随手可得的物品进行探究活动和各种科学实验，可以拉近科学与生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性，感受到科学和社会、科学和日常生活的关系，激发他们强烈的好奇心和求知欲。
3 优化实验过程 变验证性实验为探究性实验
实验过程的设计是实验报告的核心，是实验思想的具体体现。要改变传统的“按图索骥”、“照方抓药”式的现状，在方法设计上力求做到探究化，更好地发挥实验的探究功能，为发展学生的探究能力，促进学生科学素养主动、全面地提高不懈地努力。如按照科学探究的一般过程与方法，引导学生自主地发现问题→提出假设→设计实验→实验操作→记录分析结果→总结归纳得出结论。即教师只给学生一把“梯子”，让他们自己顺着“梯子”爬上去，让实验过程真正成为学生自主学习的过程，不仅从中学习到科学知识，更让学生亲历科学探究的过程，通过实验方法领悟到科学方法，通过探究活动体验其中所蕴涵的情感态度与价值观要义。
4 优化问题和讨论 加强实验后的归纳和反思
实验报告中问题和讨论的设计要重视引导学生对实验进行全面的归纳和反思，如让学生谈谈实验的收获和体会，实验中存在的问题和解决方法，采用的科学方法的作用和意义等等，并及时地进行交流和评价。反思是一种思维方式，同时也是一种学习能力，是很重要的一种学习方法。培养学生反思学习能力的同时，能使学生的兴趣、动机、情感等诸多综合素质得以改善，有效地提高他们的学习效率，增强他们自我教育的能力。
当然，实验报告最终应完全由学生自己来撰写，即对实验进行全面的总结，包括实验目的与原理、实验仪器选用与步骤、数据测量与处理过程、实验结果与问题讨论等。但在实验教学的初始阶段，提供给学生某种形式的实验报告来引导学生做实验，是一种通行的做法，是很重要的，也是必要的，但必须改革传统的实验报告，留给学生足够的自主探究空间，以体现新课程的价值追求，即由以知识为本位转向以发展为本位。
下面是“酸的性质”经过优化后的实验报告(由于实验性质的变化，实验时间也由课后变为课前)。
[实验内容]
探究稀盐酸和稀硫酸的化学性质
[实验目的]
(1)探究2种稀酸的化学性质的共同点;
(2)通过实验初步学会归纳方法，同时增强勇于探索、合作交流的意识和能力;
(3)练习使用试管、滴管，学会固体和液体试剂的取用、振荡、加热和试管内进行化学反应的操作。
[实验器材]
_________________________________________
(供参考选用：稀盐酸、稀硫酸、镁条、锌粒、铜片、锈铁钉、石灰石、碳酸钠、氢氧化钠、澄清石灰水、石蕊试液、酚酞试液、试管、玻璃导管 ……)
[实验过程和结果]
自己选用实验仪器和物质，模仿下表举例，请设计实验进行探究，并记录到表格中。
[问题和讨论]
(1)根据实验结果和你已经有的化学知识，归纳稀盐酸和稀硫酸的化学性质。并把你得出的结论与同学交流。
(2)为什么稀盐酸和稀硫酸有类似的化学性质?如果要归纳出酸的化学性质，你认为还需要做哪些实验?
(3)你的实验中哪些反应没有明显的现象?你是怎么知道它们之间有反应发生的?在实验过程中，你还遇到了哪些问题?你是怎样解决的?
(4)通过这次探究实验，你有哪些收获和体会?请对自己和小组同学的表现进行自我评价及相互评价。
作者：钱哉宇
课程设计说明书
课程名称：题
数字电子技术课程设计
班级： 姓名： 学号： 同组人：
目：拔河游戏机
设计任务书
一、 设计题目
拔河游戏机
二、 主要内容及要求
1.设计一个模拟拔河游戏比赛的逻辑电路。
2.电路使用15个发光二极管，开机后只有在拔河绳子中间的发光二极亮。
3.比赛双方各持一个按钮，快速不断地按动按钮，产生脉冲，谁按得快，发光的二极管就向谁的方向移动，每按一次，发光二极管移动一位。 4.亮的发光二极管移到任一方的终点时，该方就获胜，此后双方的按钮都应无作用，状态保持，只有当裁判按动复位后，在拔河绳子中间的发光二极管重新亮。
5.用七段数码管显示双方的获胜盘数。
三、 进度安排
1.认真思考和理解所选题目的有关要求，大致知道要求做什么。
2.根据实验的设计要求，到图书馆或上网查找相关的资料，了解拔河游戏机的工作原理。 3.学习数字电路中触发器、计数器、译码显示器等单元电路的设计及综合应用，掌握逻辑电路的设计与测试方法，等。
4.综合相关的资料，设计实验方案。
5.根据所设计方案，用仿真软件进行电路仿真。 6.根据要求撰写实验报告。
设计过程
一、 设计任务分析
本课题的主要任务是让拔河游戏机的电平指示灯由中点向我方延伸，而阻止其向对方延伸。可以设想用可预置的加/减计数器作主要器件，用计数器的输出状态通过译码器控制电平指示灯的显示状态。如当计数器进行加法计数时，发亮的电平指示灯向甲方延伸，相反，进行减法计数时，发亮的电平指示灯向相反方向移动。当移动到一方的终点就就把电路锁定，此时双方按键均无作用，只有裁判员按了复位按键双方才能继续下一盘的比赛，而计数器就记录双方的获胜的次数。
二、 总体方案设计
2.1 设计思路：
(1)本课题所设计的拔河游戏机由15个电平指示灯排列成一行，开机之后只有中间一个电平指示灯亮，以此作为拔河的中心线，游戏双方各持一个按键，迅速地、不断地按动产生脉冲，谁按得快，亮点向谁方向移动，每按一次，亮点移动一次。移到任一方终端指示灯点亮，这一方就获胜，此时双方按键均无作用，输出保持，只有经裁判复位后才使亮点恢复到中心线。 (2)当一局比赛结束后,由点亮该终点灯的信号使电路封锁加减脉冲信号的作用.即实现电路自锁,使加家减脉冲无效。同时，使计分电路自动加分。
(3)控制电路部分应能控制由振荡器产生的脉冲信号进入计数器的加减脉冲的输入端，其进入方向则由参赛双方的按键信号决定。 2.2 电路原理图：
2.3 电路工作原理：
可逆计数器74LS193原始状态输出4位二进制数0000，经译码器输出使中间的一只电平指示灯Y0点亮。当按动A、B两个按键时，分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器上，可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动电平指示灯点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终端后，由于控制电路的作用，使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用。如按动复位键，亮点又回到中点位置，比赛又可重新开始。
将双方终端指示灯的正端分别经两个与非门后接到2个十进制计数器74ls160的使能端EN，当任一方取胜，该方终端指示灯点亮，产生1个下降沿使其对应的计数器计数。这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。 2.4 各单元电路的设计： 1.编码电路的设计：
由双时钟二进制同步可逆计数器74LS193构成，它有2个输入端，4个输出端，能进行加/减计数。通过编码器来控制电平指示灯的显示，加计数时向右移动，进行减计数时，向相反方向移动。电路图如下：
2.译码电路：
由2个38译码器组成4线-16线译码器。译码器的输出Y0～Y15中选15个接电平指示灯，电平指示灯的负端接地，而正端接译码器;这样，当输出为高电平时电平指示灯点亮。 比赛准备，译码器输入为0000，Y0输出为1，中心处指示灯首先点亮，当编码器进行加法计数时，亮点向右移，进行减法计数时，亮点向左移。电路图如下图所示：
3.胜负显示：
由计数器74ls160和译码显示器构成。将双方终端指示灯正极经与非门输出后分别接到2个74ls160计数器的EN端，74ls160的两组4位BCD码分别接到实验箱中的两组译码显示器的
8、
4、
2、1插孔上。当一方取胜时，该方终端指示灯发亮，产生一个上升沿，使相应的计数器进行加一计数，于是就得到了双方取胜次数的显示，若1位数不够，则进行2位数的级连。电路图如下
4.复位控制：
74LS193的清零端CR接一个电平开关，作为一个开关控制，进行多次比赛而需要的复位操作，使亮点返回中心点。
74ls160的清零端RD也接一个电平开关，作为胜负显示器的复位来控制胜负计数器使其重新计数。其中74ls160功能表下表所示
5.仿真结果：
三、 元器件的使用：
3.1元器件的选用：
74ls138 3线—8线译码器 2片 74ls160 同步十进制计数器 4片 74LS193 同步二进制可逆计数器 1片 74LS04 六非门
1片 电阻：
若干
电容
若干 发光二极管
15个 LED显示器
4个 3个 开关
四、 总结
4.1 实验评价：
本课题所设计的拔河游戏机由15个电平指示灯组成“电子绳”，由可逆计数器74LS193构成编码电路，由译码器74ls138构成译码器电路，由计数器74ls160作为胜负的显示。但不难想象，73LS193可以由两片的74LS192组成16进制计数器所代替， 这一点是可以改进的。还有电路的主体部分还可以用移位寄存器所代替，由于时间紧张，留待以后思考。 4.2 心得体会：
这次的课程设计虽然短暂，但让我们学到了很多，那是课本上无法学到的。通过这次课程设计，我明白了理论与实践相结合的重要性，理论固然重要，但是实践才是检验真理的唯一标准，使我们加强了动手、思考和解决问题的能力，了解了一般电子电路的设计方法，培养了初步独立设计的能力。在设计过程中，通过查阅书籍和文献资料，进一步熟悉了常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则，进一步掌握了电子仪器的正确使用方法。还记得在设计的时候曾经遇到过各种各样的问题，比如;在设计计数器时计数器并没有像我们想象的那样计数，经过了很多次的更改和尝试，我们才逐渐一步一步的接近最终结果，比如;触发器的运用还不怎么熟悉，对73LS193计数器的逻辑功能还是不怎么了解，对于自己基础知识还是不够扎实，实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还待急需提高。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用，现在有些温故知新的感觉。
通过这次的课设，我觉得自己在数电的理论知识上，又成长了许多，也对芯片本身能与书本上的真正结合了起来，实验的成功让我收获了喜悦。同时，也让我明白了我们每一个人永远不能满足于现有的成就，我们应该在课堂中与实验中学会总结，学会自我认知，向着更高的目标努力，经过这次的课程设计,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了我的实验，操作能力，让我受益匪浅。
参考文献：
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5、《电子技术课程设计指导》 彭芥华主编 高等教育出版社 6网络
Java程序设计实验报告
班级：
学号：
姓名：
实验题目：猜拳小游戏
实验要求：
用java编写一个人机对战的猜拳小游戏。人选择性出拳，电脑随机出拳，判断输赢，记录输赢情况。有简单的操作界面。
实验内容：
1、问题分析过程：
(1)首先分析猜拳游戏本身的玩法：
人选择性出拳，电脑随机出拳，判断输赢，记录输赢情况。 (2)用面向对象的思想来分析：
在游戏过程中有几个对象组成
人
电脑
游戏规则
抽象出3个类：Person、Computer、Game Person类有哪些属性和行为呢?
属性：名字name，输赢次数(比分)score 行为：出拳ShowFirst()
选择性
Computer类有哪些属性和行为呢?
属性：名字name，输赢次数(比分)score 行为：出拳showFist()
随机
Game类有哪些属性和行为呢?
属性：游戏的双方(person、computer)、对战局数count 行为：产生角色initial()、游戏规则startGame()、显示比赛结果showResult()、统计
比赛结果calcResul()
2、主要实现代码：
import java.util.*; public class StartGame { public static void main(String[]args){
Game start = new Game();//实例化游戏类
start.initial(); //调用初始化方法
start.startGame(); //调用游戏开始方法
start.showResult(); //调用游戏结果显示方法
} } import java.util.*; public class Person { String name;//名字属性
int score;//积分属性
//出拳方法
public int showFist(){
System.out.print(" 请出拳:1.剪刀2.石头3.布(输入相应数字):");
Scanner input = new Scanner(System.in);
int num = input.nextInt();
String fist = "";//保存出拳
switch(num){ case 1:
fist = "剪刀";
break;
case 2:
fist = "石头";
break;
case 3:
fist = "布";
break;
}
System.out.println(name + "出拳：" + fist);
return num; } } import java.util.*; public class Game { //Person person;
//甲方
//Computer computer; //乙方
int count;
//对战次数
Person person = new Person(); //实例化用户类
Computer computer = new Computer(); //实例化计算机类
//初始化方法
public int initial(){
count = 0;
return count; } //游戏开始方法
public void startGame(){
//显示游戏开始界面
System.out.println(" ---------------欢
迎
进
入
游
戏
世
System.out.println(" ******************************");
System.out.println(" **
^_^ 猜拳,Start ^_^
**");
System.out.println(" *****************************");
界-------------- ");
System.out.println(" 出拳规则：1.剪刀 2.石头 3.布"); //选择计算机角色
System.out.print("请选择对方角色:1.刘备 2.孙权 3.曹操："); Scanner input = new Scanner(System.in); int num = input.nextInt(); switch(num){ case 1: computer.name = "刘备"; break; case 2: computer.name = "孙权"; break; case 3:
} computer.name = "曹操"; break; //输入用户角色名
System.out.print("请输入你的姓名："); person.name = input.next();
//显示对战双方
System.out.print(person.name + " VS " + computer.name + " 对战 "); //开始游戏
System.out.print(" 要开始吗?(y/n)"); String con = input.next(); int perFist;//用户出的拳 int compFist;//计算机出的拳
if(con.equals("y")){//判断是否开始
String answer = "y";
while("y".equals(answer)){//循环条件是是否开始下一轮
//出拳
perFist = person.showFist();//调用用户出拳方法
compFist = computer.showFist();//调用计算机出拳方法
//裁决
if((perFist == 1 && compFist == 1) ||
(perFist == 2 && compFist == 2) ||
(perFist == 3 && compFist == 3)){
System.out.println("结果：和局,真衰! "); //平局
}
else if((perFist == 1 && compFist == 3) ||
(perFist == 2 && compFist == 1) ||
(perFist == 3 && compFist == 2)){
System.out.println("结果：恭喜, 你赢了! "); //用户赢
person.score++;
//累计用户积分
}
else{
}
} System.out.println("结果说：^_^,你输了,真笨! ");//计算机赢
computer.score++;
//累计计算机积分 } count++;//累计对战次数
System.out.print("是否开始下一轮(y/n):"); answer = input.next(); }
//比较得分情况的方法 public void showResult(){ System.out.println("-----------------------"); System.out.println(computer.name + " VS " + person.name);
System.out.println("对战次数：" + count); System.out.println(" 姓名 得分 " + person.name + " " + person.score
+ " " + computer.name + " " + computer.score + " ");
//比较积分
if(computer.score == person.score){
System.out.println("结果：打成平手，下次再和你一分高下!");
}
else if(computer.score < person.score){
System.out.println("结果：你果然是高手，" + computer.name + "佩服!");
}
else{
System.out.println("结果：呵呵，笨笨，下次加油哦!");
}
System.out.println("-----------------------"); } } public class Computer {
String name;//名字属性 int score;//积分属性 //出拳方法
public int showFist(){ int num = (int)(Math.random()*3) + 1; String fist = ""; switch(num){ case 1:
fist = "剪刀";
break; case 2:
fist = "石头";
break; case 3:
fist = "布";
break;
}
System.out.println(name + "出拳：" + fist);
return num; } } 运行界面：
3、实验心得体会：
从本次课程设计的完成中，我发现我有很多不足的地方，最突出的是所掌握的知识太少，学到的知识应用不到实践中。后来通过看书查找相关资料，完成课程设计任务。
程序设计语言是程序设计的工具，如果想有效的设计程序，正确的应用程序表达算法，必须准确应用程序设计语言;学习程序设计，必须要多读程序，并试着自己编写程序，多上机调试程序代码。
如何有效的在幼儿园
开展民间体育游戏活动的实验报告
开封市实验幼儿园：徐春茜
一、实验课题的提出
传统的民间游戏曾给我们带来多少童年的欢乐!这些游戏在今天的幼儿园同样有推广的价值。民间游戏内容丰富、形式多样、简便易行，有的是徒手进行的，有的只需十分简单的材料。如一粒石子、一根绳子， 这些随处可得的东西便可使游戏开展起来。民间游戏往往不受场地和时间的局限，具有很强的趣味性。 民间游戏是民间娱乐中最常见、最简易、最普遍的趣味性活动，是一种极富参与性的娱乐活动。它的形式生动丰富，符合幼儿好奇、好动的心理，而且游戏基本不用借助复杂的玩教具就可以进行，并能给游戏者留下丰富的想象空间和随意创造的余地。
本着传承和发扬民间游戏的精髓、促进幼儿全面发展的根本目的，我课题组重点挖掘了汉、傣、回等各民间游戏资源所蕴涵的教育价值，利用亲子互动这一载体，与幼儿园教育教学相结合，使幼儿在游戏锻炼的同时，增强竞争、合作、规则、相互帮助的意识，有利于幼儿形成勇敢、坚强的品质和活泼、开朗的个性，获得了主动发展的机会。
二、实验前测与实验目标的提出
我课题组针对实验课题，向全体家长进行了实验前测问卷调查及个别家长座谈。共发放调查卷32份，收上问卷30份，反馈率94%，其中85%以上的家长对民间游戏持有很积极的态度，并且表示希望能通过亲子互动来提高幼儿动手、动脑能力，促进幼儿身心健康的发展。为此，我课题组将民间游戏与幼儿健康教育研究的课题目标确定为：
1、通过幼儿与家长利用废旧材料合作制作可操作性玩具，并一同游戏，让幼儿体验亲子交流的乐趣和成功的快乐，同时提高幼儿各方面的能力。
2、利用简单的可操作性玩具，对幼儿进行单、双脚跳、行进跳、踢的训练，以及走、跑的变换训练。
3、培养幼儿乐观、开朗、乐于合作，愉快参与集体游戏的情感。
三、实验方法与步骤
通过分析调查问卷及与家长交流的情况，我课题组采用了对比实验法和随机抽样实验法、观察法、先后让12名幼儿参与了实验研究。实验步骤如下：
1、亲子协作过程：
(1)教师提前一周交待所带废旧材料，要求幼儿与家长共同准备，教师提供塑料、胶带、剪刀等工具。
(2)平均两周进行一次制作玩具的活动。教师出示所做玩具，并详细讲解制作过程，要求有难度的步骤家长做，简单步骤由孩子完成，大约半小时均能做完。
(3)教师讲解玩法(基本玩法)，家长配合指导幼儿游戏，并可根据已有经验创编游戏的玩法，活动结束以后，可将玩具带回家，由家长指导并与幼儿一起玩，第二天将玩具带回幼儿园。
2、幼儿集体活动过程：
(1)在每天的户外活动中，利用10--20分钟来练习，并进行比比谁最棒，及比比谁的花样多的表演，给没有参与的幼儿看。
(2)教师进行动作要领的指导及示范。
(3)游戏童谣化。教师帮助幼儿边游戏、边创作、边创编出朗朗上口的童谣，让幼儿充分体验到游戏的乐趣。
四、实验内容与过程
我课题组实验内容为一个月两次亲子活动(亲子共同参与)，每周三次户外的民间游戏活动(师幼共同参与)。并有序的分阶段穿插进行。
第一阶段(3月份至4月份中旬)：分两组共制作中型海绵包12个，小型沙包12个，主要利用废旧大、小块布头，碎海绵或棉花、沙、米等填充物。中型沙包一端连接大约50cm—60cm的布绳，用于幼儿捏拽。小型沙包不缝布绳。
中型海绵包游戏的民间游戏形式：
(1)背物过障碍：训练幼儿的感觉及走、跑的控制协调能力，在初次练习时，一半幼儿控制不好，中途有掉包现象，经过15分钟练习，所有幼儿都能顺利通过，并配合童谣“小蚂蚁运货忙”。
(2)双人配合夹海绵包：开始训练时，两人用胸夹住海绵包，双手不扶，走50米，掉不下来，大多数组幼儿都能完成，后经幼儿改编用背夹，两人臂挽臂，幼儿对此游戏乐此不疲。
(3)踢海绵包：开始训练一个脚有节奏的踢，过渡到两个脚交替踢，进一步过渡到行进踢(包括向前进，向后退)。在所有幼儿达到标准后，一半幼儿学会花样踢，及进行花样踢。短短两周，张宇灿、刘梓欣、陈茁小朋友能连续踢30个，花样踢-----即左、右脚轮换踢、正反脚踢10个左右。配合童谣“踢沙包”。
小型沙包的民间游戏形式：
(1)学夹沙包：一周后，三分之二幼儿已能将沙包夹过1米线外。
(2)沙包跳“房子”：一周的练习，幼儿全部掌握跳“房子”的要领，单脚跳得到了充分的锻炼。
(3)踢沙包：在训练单脚踢时有很大难度，变换形式，将沙包放在脚面上，用劲踢出，经过一周的训练，所有幼儿都能将沙包踢出1.5米以外。
第二阶段(4月中旬至5月底)：分两次共制作高跷12对。主要利用“旺仔”牛奶铁筒和废旧跳绳。
(1)开始训练幼儿双脚在高跷上站立，双手将绳拉紧。
(2)过渡训练
①幼儿双脚平稳向前迈进，经过一周的训练三分之二幼儿走100米之内不会从高跷上掉下来。
②训练幼儿向前迈进50米后，向后退行50米，由于难度的增加，二周后幼儿全部能做到100米之内向前、向后行进不掉下来。乔子辰、运迎迎小朋友掌握较快。
③变换队型训练，幼儿做到脚步平稳，相互不碰撞，不从高跷上掉下来。队型的变换由两路纵队交叉后，变成圆型(花朵型)，做“花朵”的开合(向前、向后退)两次，再变回两路纵队，然后变成梯型，最后成两路纵队下场。经一个月训练，做为“六一”表演的汇报节目。
第三阶段(6月份)：分两次制作布龙一条，主要利用废布、竹竿等辅助材料，利用稻草、竹竿和雪碧制作一个象征的“龙头”，再用布制成大约20厘米的制作出“龙身”。用小竹竿或木棍插进“龙头”、“龙身”，让幼儿举着舞。训练幼儿走、跑、转向走，转向跑，蹲走的能力及集体合作能力。训练期间穿插民间游戏“木头人”，来训练幼儿跑的控制力，经过一个月的训练，幼儿的合作能力大大提高了，幼儿对“舞龙灯”的游戏兴趣很浓。幼儿自我发挥“小龙”戏水，“小龙”戏珠等游戏，花样繁多。
五、实验结果
本课题组采用“向所有家长展示”的汇报方法，通过12名参与实验的幼儿的展示及教师的讲解，让家长更了解课题组关于开展民间游戏与幼儿健康研究的成果。在每个新的民间游戏开展前，都有许多小的民间游戏做辅助练习，例如：在玩“跳房子”之前，辅助的民间游戏是“瞎子”摸“拐子”;玩“舞龙灯”之前，辅助的民间游戏是“老鹰”捉“小鸡”等。通过每一次的亲子制作和这次展示，都给家长新的启发，使他们知道孩子喜欢的玩具不光只是那些买来的，和孩子一起动手制作的玩具更受孩子们的喜爱。每次对所制作的玩具进行各种不同玩法的尝试，都使孩子们体验到了一物多玩的乐趣。例如：沙包，可以用来踢，还可以进行，夹、投掷、头顶、背着沙包爬等多种游戏，也使家长们更了解和认识了民间游戏的随意性和广泛性。
运用游戏对比实验法，使家长们看到这样一个数据，参与实验的幼儿不光体能和手的灵活性有所提高，而且动手、动脑能力也大大提高了。90%的实验幼儿能详细描述和示范制作玩具、进行游戏以及变化花样的过程，95%以上的幼儿在运用及变化玩具的玩法上掌握较好，而未参与实验的幼儿通过模仿，和后来的参与，掌握能力的只有70%。
家长一致表示对民间游戏有了新的认识。此次科研成果汇报得到了家长的一致好评。极大地培养了幼儿及家长参与民间游戏的兴趣。“民间游戏”实验活动的开展大大丰富了幼儿户外活动，使孩子们更爱上幼儿园，出勤率也提高了。
六、实验讨论
通过本次实验的成果汇报和对比组的展示，得到了家长的认可与赞誉，并表示今后积极配合我班的研究工作。本课题组在讨论过程中发现，在多项民间游戏活动中，童谣的创编有所欠缺，在游戏中，为了提高幼儿的兴趣，以后要改进游戏童谣，应为短小的、琅琅上口的。还有，今后要多请家长共同参与民间游戏的创编，丰富民间游戏的形式和种类，体现家园共育，使家长成为幼儿园教育工作的积极参与、支持者。这次扎扎实实的课题实验，打破了年轻教师搞教学研究的神秘感，提高了科研能力和业务素质。在活动中，我们实验幼儿园对游戏进行了系统整理，编辑了《幼儿民间游戏集锦》，创新出玩法170余种，整理出了《论文、个案集》，收集教师论文17篇、个案研究18篇，有三位教师的论文获省科研论文
一、二等奖。民间游戏的开展，为实验幼儿园积累了具有浓郁地方特色的活动内容，探索出了实践性教育性都很强的活动模式，形成了较为完备的园本课程。谈到以后的打算，虽然现在该课题取得了阶段性成果，但研究还有待深入：对游戏资源还应再发掘，如何在不同年龄特点、活动水平、不同性格、行为特点的幼儿中开展的游戏内容还要再进行研究。现在实验已在600余名幼儿中推广开来，但如何在更大的范围内推广，让民间游戏真正发扬光大，也是一个大的课题。
C语言程序设计实验报告
实验二 循环结构程序设计
班级 2012196 学号 201219628 姓名 李明月
一、实验目的
(1)掌握用while语句，do-while语句和for语句实现循环的方法; (2)掌握循环结构的嵌套;
(3)掌握break语句和continue语句的使用方法。
二、 实验内容及步骤
1.相传国际象棋是古印度舍罕王的宰相达依尔发明的。舍罕王十分喜欢象棋，决定让宰相自己选择何种赏赐。这位聪明的宰相指着8×8共64格的象棋盘说：陛下，请您赏给我一些麦子吧，就在棋盘的第一个格子中放1粒，第2格中放2粒，第3格放4粒，以后每一格都比前一格增加一倍，依此放完棋盘上的64个格子，我就感恩不尽了。舍罕王让人扛来一袋麦子，他要兑现他的许诺。 国王能兑现他的许诺吗?
程序1：试编程计算舍罕王共要多少粒麦子赏赐他的宰相，这些麦子合多少立方米?(已知1立方米麦子约1.42e8粒) 总粒数为：sum=1+2+22+23+„+263 程序代码：
#include int main( ) //定义一个主函数 { int i; double t=1,sum=1,v; //定义变量
for(i=1;i<=63;i++) //用for循环语句实现循环运算 { t=t*2; sum+=t; //循环表达式 } printf("总麦粒数为：%f ",sum); v=sum/1.42e8; printf("折合体积为: %f立方米 ",v); //对结果进行输出
return 0; } 运行结果：
1
2. 求完数。
程序2：一个数如果恰好等于它的因子之和，这个数就称为“完数”。例如6的因子为1,2,3，而6=1+2+3，因此6是“完数”。编程找出1000之内的所有完数，输出所有的完数(要求：一行显示6个数);
程序代码：
#include int main() { int i,j,sum,n=0; printf(" 1000以内的完数有: "); for(i=1;i<=1000;i++) {
sum=0; for(j=1;j
if(i%j==0)
{
sum=sum+j;
} } if(sum==i)
{ printf(" %d",i);
n=n+1;
if(n%2==0)
printf(" ");
} } printf(" "); return 0; } 运行结果：
2
3.打印九九乘法表
程序3：编程输出如下上三角形式的九九乘法表。
1 2 3 4 5 6 7 8 9---- - - - "); for(i=1;i<10;i++) //i { for(j=1;j<=i;j++) // printf(" "); for(j=i;j<10;j++) //j printf("%-2d ",i*j); // printf(" "); }
代表行 输出空格达到来使得向右对齐代表列
输出行与列的乘积 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9
运行结果：
三、问题讨论
break语句和continue语句在循环结构中使用时有何区别?举例说明。
break语句是跳出整个循环过程，不再判断执行循环的田间是否成立，并且break语句不能用于循环语句和switch语句之外的任何其他语句中。而continue语句则只是结束本次循环，即跳过循环体中下面尚未执行的语句，接着进行下一次是否执行循环的判定。
例子：
#include int main( ) { int i; for(i=100;i<=200;i++) { if(i%3==0) continue;
printf("%d",i); } printf(" "); return 0; } 输出：
但是换成break之后：
四、实验心得
个人感觉对于这几个循环语句还是for循环最为灵活，不进可以用于循环次数一句in个确定的情况，还可用于不确定的情况下，它也完全可以代替while语句。并且是程序看起来更为简洁明了。
5
20XX 报 告 汇 编 Compilation of reports
数字电子技术课程设计
题
目:
八路智力竞赛抢答器设计
姓
名:
专
业:
电子科学与技术
班
级:
122 班
学
号:
指导教师:
20
年
月
日 安徽科技学院理学院
报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 八路智力竞赛抢答器设计
一
、课程设计题目 (与实习目的)
(一)、题目：八路智力竞赛抢答器设计 (二)、实习目的：
1.进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。
2.熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
3.了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。
4.培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
5.数点课程实验是大学中为我们提供的唯一一次动手实践的机会，增强动手实践的能力。
二 、
任务和要求
实现抢答器的方法很多，如 EPROM 编程、RAM 编程、单板机、单片机等，都可以组成抢答器系统。
(1)抢答器设计要求 设计一个抢答器，基本要求：
1.抢答器可以实现基本抢答;可同时供 8 名选手或 8 个代表队参加比赛，他们的编号分别是 0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是 S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
2.给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。
3.抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在 LED 数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
三 、总体方案的选择
( (1 )总体方案的设计 针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下二种方案：
方案一：该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。
主体框图如下：
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图 1
八路智力抢答器方案一设计框图
方案二：主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能;如果没有人抢答， 30 秒减计数器减到 00 时也会发出报警信号，此是完成计时功能。
主体框图如下：
图 2
八路智力抢答器方案二设计框图
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(2 2 )总体方案的选择
相比之下，第二种方案更好些。它的优点表现在以下几个方面：这种方案原理比较简单。主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路;更容易实现报警提示功能，在有选手抢答后或者计时开始和结束时。既减少了布线使整个电路更直观简单，又降低了产生错误的可能性。
四
单元电路的设计
1.设计所使用的元件及工具：
74LS48 ---------------------------- 3 个; 74LS279
----------------------------------- 1 个; 74LS192 -------------------------------- 2 个; 74LS148 --------------------------------------- 1 个; 74LS00
---------------------------- ------3 个; 74LS10
------------------------------------------- 1 个; 发光二极管--------------------------------------------- ------1 个; 555
----------------------------------------------------- 1 个; 电容：
0.1μf
----------------------------------------------1 个; 0.01μf -----------------------------------------------1 个; 电阻：
10kΩ
------------------------------------------------------------ ---------9 个; 15KΩ
----------------------------------------------1 个; 1kΩ ------------------------------------------------1 个; 68KΩ------------------------------------------------1 个 实验板一块; 万用表一个; 钳子一个; 导线若干。
2.各个单元电路 ( (1)
)
抢答电路设计
抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用;二是要使其他选手的按钮操作无效。因此，选用优先编码器 74LS148 和 RS 锁存器 74LS279 以及译码显示电路完成上述功能。
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抢答器电路
工作原理：SW1-8 为八位选手的抢答开关，SW9 单刀双掷开关设为主持人控制开关。当主持人控制开关置于清零状态时，RS 触发器的 R 端为低电平，输出端全部为低电平。于是 74LS48 的 BI 为高，显示器灭灯;74LS148 的选通输入端 ST 为高电平，74LS148 处于工作状态，此时锁存电路不工作。当 SW9 置于开始状态，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态。74LS279 的 1R、1S 均为高电平，由真值表可知，输出 1Q 为低电平，从而使 74LS148 输入使能端为低电平有效，即抢答器处于等待工作状态。若有选手(假设为 3 号选手)按动抢答开关(即闭合 SW4)，此时优先编码器74LS148 输入端 I3 接低电平有效，则输出 A2A1A0 为 100，A2A1A0 分别接至 4S、3S、2S，根据 RS 锁存器真值表，2Q3Q4Q 输出分别为 110，从而 74LS48 的输入端 DCBA 为0011，经 74LS48 译码，显示器上显示“3”。与此同时，当 74LS148 输入端有一个为低电平时，GS 为低电平有效，即标志译码器处于工作状态，从而使 1S 为 0，此时 1Q输出为高电平，致使 EI 为高电平，74LS148 处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。抢答结束后，主持人开关置于清零状态，数码管变灰，一切恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。
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( (2)
)
定时电路设计
设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人根据抢答题的难易程度，可设定一次抢答的时间(设为 30s)。设计中选用十进制同步加/减计数器 74LS192 进行设计，74LS192 是具有置数和清零功能, 其引脚图和逻辑图如图 10 所示。
图 10
74LS192 引脚图和逻辑图 P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入; Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出; CR————————清零端; LD————————置数端; CPu ———————加法计数 CP 输入; CPd ———————减法计数 CP 输入; CO————————进位输出端; BO————————借位输出端。
表 5
74LS192 真值表 根据设计要求，需要两片 74LS192 构成 100 进制减计数器。由功能真值表可知，只需将个位 74LS192 的借位输出端 BO 与十位 74LS192 的 CPd 即可实现 100 进制减计
报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 数。值得注意的是，要使其实现减计数，CPu 端口必须接高电平。
计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成，如图 11 所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。
图 11
多谐振荡器 因为周期为一秒，所以频率是 1 赫兹。图中电容的充放电时间分别是：
t1=RB×C×ln2≈0.7RB×C
t2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(RA+RB)C
所以 555 的 3 端输出的频率为：
f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C]
我们采用的电阻和电容值分别是：RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。
由以上集成芯片设计的定时电路如图 12 所示。
图 12
定时电路
报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 工作原理：首先主持人根据题的难易程度改变 74LS192 的输入端 D3D2D1D0 的电平来确定抢答时间(假定为 30 秒)，555 构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关，74LS192 的置数端 PL 为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，计数器处于计数状态，555 产生的秒脉冲与十位 74LS192 借位输出端(其初始状态为高电平)相与。计数器递减计数至 00，十位 74LS192 借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。
( (3)
)
报警电路设计 由 555 定时器和三极管构成的报警电路如图 13 所示。图中 555 定时器用来构成多谐振荡器，其震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。3 端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当 4 端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4 端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。也就是说需要报警时只需控制输入端即可。
电路图如下:
图 13 报警电路
报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 ( (4)
)
时序控制电路 时序控制电路是抢答器设计的关键，需要完成以下三项功能：
a.主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
b.当竞赛选手按动抢答键时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
c.当设定的抢答时间到，无人抢答时扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
本设计中采用门电路对控制开关、抢答电路、定时电路、报警电路进行连接，以实现上述三项功能要求(如图 14 所示)。
图 14 时序控制电路
报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 其中，两输入与非门采用 74LS00，引脚图如图 15 所示。三输入与门采用 74LS11，引脚图如图 16 所示。电路中利用与非门两输入端相连实现非门的逻辑功能。
图 15 74LS00 引脚图 图 16 74LS11 引脚图 工作原理：门 G1 的作用是控制时钟信号 CP 的放行与禁止，门 G2 的作用是控制74LS148 的输入使能端。主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出 1Q=0，经 G3 反相，A=1，则从 555 输出端来的时钟信号 CP 能够加到 74LS192的 CPd 始终输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，74LS192 的借位输出端 BO2 为低电平，门 G2 的输出 ST 为高电平，使 74LS148 处于正常工作状态，从而实现功能 a 的要求。当选手在定时时间内按动抢答按钮时，1Q=1，经 G3 反相，A=0，封锁 CP 信号，定时器处于保持工作状态;同时，门 G2 的输出 ST 为低 74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能 b 的要求。当定时时间到时，来自 74LS192 的 BO2为高，ST 为高，74LS148 处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门 G1 处于关门状态，封锁 CP 信号，使定时电路保持 00 状态不变，从而实现功能 c 的要求。
报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 五 五 总体电路图
图 17
总电路图
下面介绍八路智力竞赛抢答器的使用原理。
首先是各个选手分别对应的按钮编号是 S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是 0、1、2、3、4、5、6、7。
然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：一路与锁存器的 1R2R3R4R 端相连，使输出端 1Q2Q3Q4Q 为低电平，1Q 所输出的低电平经与门反馈给 74LS148 的 EI 端子，编码器不工作，因此抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零;另一路低电平输出到计数器 74LS192 的 LD 端，而 CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据。
接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192 的四个输入端 D、C、B、A 的高低电平来进行(例如要设定时间为 30 秒,就
报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 将十位的 74192 的 D、C、B、A 分别置位为 0、0、1、1，而将各位的 74LS192 的 D、C、B、A 都置于 0)。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到 74LS192 的 LD 端，使其处于高电平而开始减计数;还有一路输出到锁存器的 R 端。
当任意一个选手抢答时，例如 3 号抢答时，74LS148 三号端子输入低电平有效，此时 GS 为低电平有效，表征编码器在正常工作。编码输出 A2A1A0 为 100，与其对应的 4S3S2S 为 100，经 74LS279 锁存，4Q3Q2Q 输出为 011，经译码显示编号为 3。与此同时，1Q 所输出的高电平反馈回编码器的是能输入端，使其停止工作。此时，其他选手若再按动按钮也无对应输出，这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。另一路，74LS148 的 GS 端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为 0，使得无脉冲抵达计数器 74LS192 的 Down 端。计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能。
若没有选手按动按钮，则 74LS279 输出全为高电平，74LS148 也输出高电平，1Q端输出低电平至 74LS48 的灭灯输入 RI/RBO 端，使得信号经 74LS48 到显示器上时无显示;若到定时部分计数器倒计时到 00 还无选手按动按钮的话，十位 74LS192 的借位输出端输出高电平反馈回个位 Down 端，停止计数。
综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。
六 电路仿真
电路仿真采用 Multisim 仿真软件进行的。Multisim 软件可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件;可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪信号发生器、交直流电压表电流表等。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。因此，选用该软件对抢答器各单元电路及整体电路进行仿真。
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七、小结
通过本次课程设计，不仅有效巩固了本学期所学数电的相关知识，加强了对重要知识点的记忆和理解，还学会如何运用Multisim仿真进行仿真受益匪浅，现总结如下。
本设计的难点在于时序控制电路的设计，如何在第一位抢答者抢答题目后让编码器停止工作;如何使计时电路在抢答后停止倒计时;如何让定时电路和抢答电路同时清零。设计过程中，根据以往抢答器设计思路，及查阅相关资料，可运用74LS279的输出1Q完成上述控制任务。从这一点，折射出自己在平时的学习中较死板，缺乏变通思考的能力。在电路仿真的过程中，由于Multisim操作相对较简单，因此在仿真过程中较为顺利。。
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通过本次实践操作，也让我深刻明白：只有将课本上的理论知识，结合实践不断练习，不断总结提炼，反复思考实践中的经验教训，才能够真正消化为自己的知识。
八 八 分析和总结。
本次课程设计我只用了一个星期的时间就全部做完，效率很高，因为在设计之前根据设计的要求，每个模块都仔细的设计分析了，正是整个过程我都认真的态度和方案选择合适，才有这么高的效率。而且从本次课程设计中收获很多。可以总结为以下的几点：
(一)、巩固数电知识 这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍(这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担)，这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。而且还参考了数字电路实验指导书， 关于芯片的管脚，里面有清晰的描述。
(二)、学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路; 虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分。这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。实习中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。
(三)、理论联系实际 据老师介绍，这是大学里唯一一次比较大型的动手实践机会。我当然不会错过。课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。比如在动笔做题时我们是不用考虑导线、电阻是否连接的牢固合理，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。平时试验中，我就很认真，所以会比平时不动手的要轻松地多。
(四)、和同学 共同合作、互相学习、共同进步 最初大家没思路的时候，特别的着急，我想出来了，大家问我，我就说了我的思路，我们不是抄袭，只是探讨，们个人都理解了才开始设计，我做的循环两遍，他们的都不是。我们的设计不同，我只是给大家启发了一个思考点。理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间，也会从别人身上学到更多。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的idea，其他人的设计也可能有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法。
实验一
实验题目：从键盘上读入10个字符串存入数组a中，然后输出这10个字符串中最大字符串和最小字符串。
实验代码：
public class StrPro {
public static void main(String[] args) {
String str[] = new String[5]; System.out.println("Please input 10 strings："); int i; String max,min; for(i=0;i<5;i++){
} max = str[0]; min = str[0]; for(i=0;i
}
}
} } if(min.compareTo(str[i])>0){ } min = str[i]; System.out.println("最大的字符串为："+max); System.out.println("最小的字符串为："+min); 实验结果：
实验心得体会：
掌握了java的基本语法，数组的定义与使用，做这个实验要了解字符串数组的定义及字符串数组的输入方法，还有比较字符串数组的大小的调用方法等。
实验二
实验题目：
自定义一个矩形类(Rectangle)，包含的属性有：长(length)，宽(width)，包含的方法有：关于属性的setter和getter方法，即setLength，getLength，setWidth，getWidth，计算矩形面积的方法(getArea)。
定义矩形类的子类正方形类(Square)，包含的属性和方法自行确定，要求完成的功能是，能计算正方形的面积。
定义一个测试类(Test)，测试矩形类和正方形类能否正确的计算面积。
以上类中属性和方法的访问权限自行确定，方法和构造方法若有参数，也自行确定。
实验代码：
public class Rectangle {
int Length; int Width; public int getLength() { } public void setLength(int length) { } public int getWidth() { return Width; Length = length; return Length; } public void setWidth(int width) {
Width = width; } int getArea(){
return Length * Width; } }
public class Square extends Rectangle{ Square(int border) {
super.setLength(border);
super.setWidth(border); } }
public class Test { public void test(){
System.out.println("请选择计算的形状的序号：1.矩形
Scanner sc = new Scanner(System.in);
int i = sc.nextInt(); int len,wid; 2.正方形");
} if(i==1){
} else if(i==2){
} System.out.print("请输入正方形的边长："); Scanner s = new Scanner(System.in); len = s.nextInt(); Square sq = new Square(len); System.out.println("正方形面积为："+sq.getArea()); System.out.print("请输入矩形的长："); Scanner s = new Scanner(System.in); len = s.nextInt(); System.out.print("请输入矩形的宽："); wid = s.nextInt(); Rectangle re = new Rectangle(); re.setLength(len); re.setWidth(wid); System.out.println("矩形面积为："+re.getArea()); else{ } System.out.println("输入错误!");
} public static void main(String[] args) { } new Test().test(); 实验结果：
实验心得体会：
做这个实验要掌握如何定义类以及类的成员变量、类的方法，学会对象的创建、对象属性的引用和方法的调用以及如何定义和使用构造方法。掌握this的使用以及派生子类的方法，理解关键字super的含义。理解继承中属性的隐藏和方法的覆盖机制，理解在继承关系中构造方法的调用过程。
实验三
实验题目：定义一个Student类，包含姓名(name)、身高(height)、体重(weight)，以及talk()方法，该方法的功能是，输出自己的身高和体重信息。
Student类实现Comparable接口，实现按照体重的大小比较两个Student对象的大小。 最后，定义一个测试类，生成一个数组，该数组有6个元素，每个元素类型是Student，调用Arrays.sort方法对该数组排序。
实验代码：
public class Student implements Comparable {
public void setName(String name) { } this.name = name; public String getName() { } return name; public Student(String name, float height, float weight) {
} super(); this.name = name; this.height = height; this.weight = weight; private String name; private float height, weight;
public float getHeight() { } return height; public void setHeight(float height) { } this.height = height; public float getWeight() { } return weight; public void setWeight(float weight) { } this.weight = weight; public void speak() { System.out.println("我是" + name + "，我的身高是" + height + "，我的体重是" + weight);
@Override }
} public int compareTo(Student o) {
} int flag; if(this.weight
public String toString() {
} return "Person [name=" + name + ", height=" + height + ", weight=" + weight + "]"; public class Test { public static void main(String[] args) {
}
} int i; Student ps[] = new Student[6]; ps[0] = new Student("张三", 170, 110); ps[1] = new Student("李四", 168, 120); ps[2] = new Student("王五", 165, 115); ps[3] = new Student("赵六", 172, 121); ps[4] = new Student("周七", 160, 100); ps[5] = new Student("郑八", 166, 119); System.out.println("排序前数组元素的序列是："); for (i = 0; i < ps.length; i++) { } Arrays.sort(ps);//调用Java系统类中的排序方法对ps数组排序 System.out.println(" 排序后数组元素的序列是："); for (i = 0; i < ps.length; i++) { } System.out.println(ps[i]); ps[i].speak(); 实验结果：
实验心得体会：
本次实验主要掌握对compareTo方法的重写，当返回值为0的时候此方法调用会出现错误，导致不进行排序，需要特别注意。这个实验主要使我们掌握了对类的接口的实现，和数组的比较，并使我们理解其中的细节。
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