CN1173003A - 珠心算电示算盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个用于珠心算教学的模拟电示算盘设计。其结构由模拟算盘体和微电脑控制器两部分组成。模拟算盘体上设置有光电显示算珠,其通过红绿色光变换自动展现算盘运态的运算过程,其运算过程展现受来自微电脑控制器的信号控制,两部分之间通过信号线相连接,可以彻底改变人工操作拨打算珠的笨重教学方式,为我国珠算教学,特别是珠心算教学提供了一个现代化的教具。

Description

珠心算电示算盘

本发明属于一种用于珠心算教学的电化教具，也可以说它是一种珠算无珠盲打训练中的强化记忆工具。

珠算教学在电子计算机高度发达的今天仍占有重要的席位，是因为它对人智力的开发有着特殊的驱动力，对学生特别是对少儿数理逻辑的形成起着极其重要的作用。现代珠算教学中提倡珠心算训练，即使初学珠算的少儿逐步从最简单的加减拔打算珠开始，进入闭目拔珠(盲打)，进而转入有档无珠(空盲打)，最后形成无档，无珠的珠心算境界。形成珠心算能力的过程实际上是将珠算实际运算过程中算盘珠的状态，包括起始态、拔珠的中间状态和终结态形成象拉洋片一样在头脑中反应出画面的过程。在珠心算教学中，教师正是在运算过程中将每一运算步骤形成的状态画面制成卡片，在学生实现空盲打以后，按运算过程反复拿出卡片来刺激学生的想象和强化学生的记忆，直至最后学生在没有卡片的提示下也能按运算过程和步骤在头脑中形成完整的运算画面。实际上学生也就完成了珠心算的训练过程。珠心算教学的优点已被公众所赞许，但珠心算教学中需要把珠算基本运算过程制成大量的卡片，不但工作量太大，而且使用十分不便，且不易区别上档珠，下档珠和空档珠的形态及其动态过程。所以，目前的珠心算教学急需一个形象、实用和方便辅助教学工具。

本发明的目的在于设计一种光电模拟算盘，它可以展现珠算运算过程的主要状态，和区别上、下档算珠的形态与位置，操作方便，显示直观，适应于珠心算教学的需要。

本发明的主要构思是将电示算盘设计成两大部分组成。一部分称其为模拟光电算盘体，它具有发光模拟算珠来区别表现是上档珠，还是下档珠。比如上档珠是红色，下档珠是绿色，从而明显地区分出该算珠状态特性。可以用光电闪烁的方式来表示是那一个算珠是运算过程中要拨动的珠。可以用先闪烁，后闪烁表示其拨动次序等等；从而通过这发光模拟算珠可以反应出其运算的动态过程，包括各种“洋片”的中间状态。结构中的另一部分是一个以微处理器(CPU)为核心的微电脑控制器。它主要是将教学发出的算示例转化为发光算珠的控制信号，从而对应运算步骤和过程控制相对应的发光算珠去发红光，绿光或闪烁。以上两部分通过发光算珠的状态控制信号线相连。这样，模拟光电算盘体上的发光算珠受微电脑控制器来控制，具体过程在微电脑的软件程序来控制。每当教师决定一个例题，按下控制器上相应的控制键后，光电算盘体就按预先制定的顺序显示每一步骤变光算珠的状态，即形成每一时刻“卡片”的状态，起到辅助教学的目的。

下面结合给出的实施例及附图，进一步说明本发明的目的是如何实现的。

图1是模拟光电算盘体的结构示意图。

图2是发光算珠的结构示意图。

图3是发光算珠的控制电路A。

图4是发光算珠的控制电路B。

图5是发光算珠的控制电路C。

图6是微电脑控制器的结构示意图。

其中1为光电模拟算盘的箱体，2为透明材料制成的面板，3为箱体内栅格，4为发光算珠，L₁、L₃代表光电算珠的红色指示灯，L₂、L₄代表光电算珠的绿色指示灯，4A代表光电算珠的附加电路板，5代表发光电算珠的控制信号线，IC₁-IC₁₀代表集成电路元件。A、B、C分别对应不同档位上发光算珠的控制电路。

从所给出的实施例附图可以看出，本发明的发明构思所包括两个部分。其一是模拟算盘体，其中包括最主要部分是借助光电显示其形态和位置的发光算珠(4)。另一部分则是将运算的全过程处理成发光电算珠(4)状态控制信号的一个微电脑控制器。二部分用状态控制信号线(5)相连。电脑控制器实质上一个常规的微处理器为核心的实施控制电路。从硬件电路上看几乎没有任何地方超出常规的设计。存贮在EPROM中的软件把运算过程转化成对应的模拟发光算珠(4)状态的控制信号。在发光算珠的结构形式确定以后对普通软件工程师来讲编写程序也不是困难的事。所以，本设计的关键在于光电模拟算盘的实际结构如何去形象地模拟出珠心算教学所要求的全过程，而且要操作方便、印象强烈、价格低廉、有利推广。

从附图1可以看出，模拟光电算盘体所给出的实施例是一个均布红绿色指示灯的灯箱。由透明材料制成的面板(2)、箱体(1)及设置在箱体(1)内的发光算珠(4)、和控制发光算珠显示、熄灭的专用控制转换电路(4A)所组成。该设计可以通过来自微电脑控制器的状态信号决定相应的发光算珠指示灯的“明”或“灭”，从而显示其状态和位置。面板(2)上印有算盘的轮廓边框、中档及穿珠轴的象形图案，这样当发光算珠的指示灯亮后，可透过面板显示其位置，并通过相应发光算珠的“明”、“灭”而展现其功态过程。为使发光算珠(4)有一个准确的位置，在箱体(2)内均匀分布有栅格(3)。每个栅格(3)内可设置一个发光算珠。为表示不同的档位和状态，栅格每行有七个格位，从上向下分别命名为第一至第七档。发光算珠(4)有一个椭圆形筒柱，在发光后透过面板所显示在面板上的就是一个椭圆形算珠。分析发光算珠(4)在运算过程中的位置特点，可分为上档珠和下档珠两个状态。俗称靠梁珠就是上档珠。为了强化记忆，我们用红色指示灯来表示上档珠，用绿灯表示下档珠。即红灯表示这个珠已拨动为靠梁珠，绿灯亮即为下梁珠。这样的话，第一和七两档就只有下档状态没有上档状态。也就是这两档位上的发光算珠(4)内只须没绿色指示灯(L₂)。而第二、三档位只有上档珠。那就是说只须设置红色指示灯(L₁)。只有第四、五、六档位置上可能有上档珠，也可能有下档珠，所以没在这个档位上的光电算珠内应有红、绿两种指示灯(L₃、L₄)。

由于设置在发光算珠内的指示灯种类和数量上有所区别，所配套的受控显示电路当然也就有所区别。从图4可以看第一和七档位仅设一个绿指示灯L₂。则配套的电路则为一个电子开关IC₂和一个非门IC₅组成。电子开关IC₂与绿色指示灯L₂串连接在地线与+5V电源之间。电子开关IC₂的控制端通过非门IC₅接在电脑控制器的相应状态控制信号输出线上。第二、三档位上的发光算珠内只设一个红色指示灯L₁。控制电路中只设一个电子开关IC₄。红色指示灯L₂与IC₁串接在地线与+5V电源之间。电子开关IC₁的控制端直接接至来自微电脑控制器的相应的状态控制信号输出线上。第四、五、六档位上的发光算珠内设置有绿、红两种指示灯L₃和L₄。这两种指示灯分别和电子开关I₃、IC₄相串连接在地线与+5V电源之间。其中IC₃的控制端直接接至微电脑控制器相应的状态控制信号输出线上，电子开关IC₄的控制端接至或非门IC₅的输出端。或非门IC₅的两个输入端一个接在电子开关IC₃的控制端，一个接在前一档位的红色指示灯的状态控制线上。

按以上的电路设计，当来自微电脑控制器的相应状态控制信号线为高电位时，相应红色指示灯会亮，当信号线为低电位时相应绿灯会亮。第四、五、六档位上有两种指示灯，当相应控制信号线为高电位时，显然红灯应亮，表示该位置上的算珠为上档珠(俗称上梁珠)。当其控制信号为低电位时，由于接入了一个或非门IC₅，那只有来自上一档位的控制线信号也是低电位时才可能使电子开关IC₄启动时绿灯亮。如果上一档位是高电位信号，即上一档位是上档珠，而这一档位又是上档信号，那么绿灯L₂也不亮，即电子开关IC₄也不启动，该档位是红、绿皆不发光的空档位，这正是四、五、六档的特点，也是特别加入或非门IC₅的原因。如果上一档位不是高电位线，那么说明上一档是下梁珠，则IC₅输出一个高电位使IC₄启动，该档位表明也是个下档珠(绿色)。这样设计很方便地即可仅用一个高低电位信号来控制所有档位上模拟发光电算珠的各种不同状态。给软件编制带来很大方便。这样一来整个光电模拟算盘实际上就是一个等阶矩阵开关。每个发光算珠(4)相应一个矩阵单元，其状态完全取决矩阵开关的状态。“开”(高开位)或“关”(低电位)。这样一来把数字的运算利用软件译成状态参数变成光电算珠的状态控制信号就不是很难的事了。可以说本设计的关键一旦解决，对于计算机工程师来讲下面的工作是不难实现的。

微电脑控制器是一个由微处理器CPU，带有控制软件的存贮器EPROM及中间锁存器IC₇，输入键盘K及译码器IC₈，地址译码器IC₉和光电算珠状态控制电路IC₁₀组成。按设置在EPROM内的控制软件发出的程序指令，可根据来自操作键盘K上的信息，转换成控制发光算珠状态的地址码，自CPU输出给地址译码器IC₉，IC₉译码后输出相应的数据至光电算珠的状态控制电路IC₁₀，从而形成最终的发光算珠状态控制信号输出至模拟电光算盘体，实现手操作的运算过程状态的全息展示。在硬件电路上选择基本上是常规器件搭成。如CPU可选用49或51系列芯片。锁存器IC₇可选用74LS273或其它同类型芯片。控制键盘K采用十六键触摸式矩阵键盘，编码电路可采用CC4067及双四位同步加计数器CC4520及配套D型触发器CC4042搭成。由键盘K发来的按键信息经编码器处理成数字代码送入CPU。在程序控制下经CPU处理成控制码输出。所举例芯片之间的电路连接关系为普通常识，不再赘叙。

硬件电路中还有一个地址译码器IC₉和地算珠状态控制电路IC₁₀组成的关键部分。CPU发出的控制信号可以送到锁存器贮存，也可将信号经地址译码器IC₉处理成地址码。地址码决定状态控制器IC₁₀发出的相应状态，控制线处于高电位，还是低低电位，然后输送至发光算珠所对应的电子开关上。由于算珠共七个档位，每个档位均须“高”、“低”电位控制，所以每行算珠完全可以采用一个CC4511芯片来搭成七段光电显示驱动电路来代替。模拟算盘设几行，就用几个CC4511芯片从而组成光电算珠状态控制器。正好是七个档位显示0-9十个状态，而且每行之间进位关系明确，故而地址译码器可采用液晶驱动器搭成的替代电路来实现，只要预先设置好浮点位置即可。如用锁存器则可以采用CC4599之类的芯片来搭成，其实施方案较多，在此不再一一举例。

按以上构思设计而成的产品，可以将模拟光电算盘体和微电脑控制器制成两个独立部分，中间由一个带双插头的信号电缆线连接，当然也可以制成一体，将微电脑控制器直接设置在算盘体上。由以上的思路出发，整个模拟光电算盘体部分可以由一块较大的屏摹LCD显示取代。如果再适当编小体积则可以将整个产品制成普通计算器大小，变成每个学生一个模拟珠心算电示算盘。其产品构思和本发明应没有区别，只不过元器件与整机的体积大大缩小，工艺制作上要求更加精细而已。

根据以上构思所制成的珠心算模拟电示算盘，开机后输出清零信号，发光算珠状态控制器输出的是清一色的低电平信号，所有档位上的绿指示灯(L₂、L₄)亮。由于第二、三档位上没有绿色指示类，所以呈空档(即无珠)显示。此时全部算珠呈绿色，表示“0”。如果这时想演示6+3＝9的过程，教师先念“6”，同时在键盘K上接下6。CPU接到键盘信息后，通过运算，输出一个数码去控制个位行，第一、第四个珠连续闪动两下绿色指示灯表示这两个珠要运动，然后使绿灯灭。使该行第二、三档送上高电位所以其控制信号不能变为高电位，否则这一档会变成红色，就误示为“7”了。而绿色灯由于或非门IC₆的作用而显示为无珠的空档位(即红、绿灯全灭)。然教师说“加3”，按下加和3的键，则首先位于五、六、七三档的绿色算珠应闪动几下，然后由CPU输出9的数据，则算盘体上变成红色的五个靠梁珠，第一、七档位为空档，整个过程就显示完毕。由于模拟发光算珠与七段液晶显示相同，所以不难理解，再复杂的过程也可以十分方便地将运算过程各个珠子之间的上、下拨动及中间状态十分清晰醒目的展示出来，为形成强心珠心算记忆起到十分重要的作用。

本发明的设计为珠心算教学增添了一个十分形象化的教学工具。由于可以展现上档珠、下档珠的动态过程，和强化的光电刺激，实验证明可以大大缩短教学时间，对启发少儿数理逻辑形成有着积极作用，为珠心算教师提供了一个早就想用而长期没有得到的方便而实用的课堂工具，值得推广应用。

Claims (7)

1、一种用于珠心算数学演示的电示算盘，其特征在于：

a、结构中包括一个由模拟发光算珠(4)自动展现运算过程状态的模拟光电算盘体，

b、结构中还包括一个将运算过程转化为发光算珠(4)显示信号的微电脑控制器，

c、以上两部分通过控制信号线(5)相连。

2、根据权利要求1所说的电示算盘，其特征在于模拟光电算盘体由透明材料制成的面板(2)、箱体(1)、设置在箱体(1)内的发光算珠(4)和控制发光算珠“亮”、“灭”的专用控制转换电路(4A)组成。

3、根据权利要求2所说的电示算盘，其特征在于：

a、透明材料制成的面板(2)上印有代表算盘边框、中档和穿珠轴的象形图案，

b、箱体(1)内均匀设置定位发光算珠的栅格(3)，每行七格，代表珠算的七个档位，

c、发光算珠(4)由一个椭圆筒柱，内设有红(L₁)或绿(L₂)指示灯，或两种指示灯均有，以及与发光算珠(4)相配套的专用显示电路板(4A)

4、根据权利要求3所说的电示算盘，其特征在于发光算珠(4)内的指示灯与专用控制电路相配套，其中：

a、第一、七档位上的发光算珠内设一个绿色指示灯(L₂)，配套电路由一个电子开关IC₂和非门IC₅组成，绿色指示灯(L₂)与电子开关IC₂串连接在地线与+5V电源之间，电子开关IC₂的控制端接非门的输出，其输入端接来自电脑控制器相应的状态控制信号线，

b、第二、三档位上的发光算珠设一个红色指示灯(L1)，控制电路由一个电子开关IC₁组成，红色指示灯(L₁)与电子开关IC₁串联接在地线与+5V电源之间，电子开关IC₁的控制端接来自电脑控制器相应的状态控制信号线，

c、第四、五、六档位上的发光算珠内设红色指示灯(L₃)和绿色指示灯(L₄)，相应控制电路由电子开关IC₃、IC₄和一个“或非”门IC₅组成，红色指示灯(L₃)和电子开关IC₃、绿色指示灯(L₄)和电子开关IC₄分别串联然后并联接在地线与+5V电源之间，电子开关IC₃的控制端接至电脑控制器相应的状态信号控制线，电子开关IC₄的控制端接或非门IC₅的输出端，IC₅的输入端一个接在IC₃的控制端，另一个接在上一档位发光算珠所对应的状态信号控制线上。

5、根据权利要求1所说的电示算盘，其特征在于微电脑控制器由微处理器CPU、存放控制软件的外存贮器EPROM和中间锁存器IC₇、输入键盘K及编码器IC₈、地址译码器IC₉和发光算珠状态控制电路IC₁₀组成，按来自键盘K上发出的信息由软件程序控制CPU处理成发光算珠状态控制信号送至相应的发光算珠。

6、根据权利要求5所说的电示算盘，其特征在于CPU可采用49，51系列的微处理器，锁存器IC₇可采用74LS273，控制键盘K可采用十六键触摸式矩阵键盘，编码器IC₈可采用CC4067及双四位同步计数器CC4510及配套D型触发器CC4042搭成。

7、根据权利要求5所说的电示算盘，其特征在于地址译码器IC₉可采用常规的液晶驱动器全部替换使用，发光算珠状态控制电路IC₁₀实际上可选用CC4511搭成的七段光电显示驱动电路，即每行七个档位对应一个CC4511芯片即可。