樊敏 趙燦 楊金 汪海波 魯世斌

摘要：數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)課程是大電類必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，編碼器與譯碼器是其中重要的教學(xué)內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學(xué)方案存在著知識點碎片化、理論與實踐分離等問題，文章將編碼器與譯碼器這兩部分教學(xué)內(nèi)容進行了融合，用“小-中-大”三級工程訓(xùn)練項目重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，由淺入深地培養(yǎng)學(xué)生形成“知識點-知識鏈-復(fù)雜系統(tǒng)”的工程思維模式，并通過對項目設(shè)計方案的不斷改進、逐級優(yōu)化，“螺旋遞進”地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，從而實現(xiàn)學(xué)以致用、知行合一的教學(xué)目標，提高教學(xué)效果與人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三級工程項目訓(xùn)練體系；編碼器；譯碼器；Multisim；數(shù)字電路教學(xué)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）05-0131-04

0 引言

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程（以下簡稱“數(shù)電”） 是大電類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在專業(yè)培養(yǎng)課程體系中承上啟下、舉足輕重[1]。然而，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，每門課都是一個獨立的體系，強調(diào)的是知識體系的完備性，其中譯碼器與編碼器是非常重要的教學(xué)內(nèi)容[2]。根據(jù)傳統(tǒng)的教學(xué)方案，“編碼器”講授優(yōu)先編碼器74LS148的管腳功能和擴展[3]?！白g碼器”講授譯碼器的管腳功能、擴展和利用其實現(xiàn)一般組合邏輯函數(shù)的方法，并介紹七段顯示譯碼器。但是從學(xué)生的角度看，知識點繁多且零碎，不知道知識點之間的關(guān)聯(lián)，更不知道學(xué)了“有什么用”“怎么用”[4-5]。

所以，本文對編碼器與譯碼器這兩個知識點進行了融合優(yōu)化。通過采用“小-中-大”三級工程項目訓(xùn)練體系重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，把零碎的知識點串聯(lián)起來形成知識鏈，再由知識鏈組成復(fù)雜系統(tǒng)[6]，并通過對項目設(shè)計方案的不斷改進、逐級優(yōu)化，“螺旋遞進”地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，實現(xiàn)“學(xué)以致用、知行合一”的教學(xué)目標，提高教學(xué)效果與人才培養(yǎng)質(zhì)量[6]。

1 融合優(yōu)化思路

在傳統(tǒng)的教學(xué)安排中，一般先講編碼器再講譯碼器。在編碼器這一章節(jié)中，在講授優(yōu)先編碼器74LS148的管腳功能之后，僅講述如何將2片8-3線優(yōu)先編碼器拓展為16-4線編碼器的方法，并沒有講編碼器的應(yīng)用。在譯碼器這一章節(jié)的教學(xué)中，只講了譯碼器的管腳功能、擴展和實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的方法，介紹了7段顯示譯碼器的邏輯功能，也沒有講授顯示譯碼器的工程應(yīng)用。這樣的教學(xué)內(nèi)容與實際的工程應(yīng)用是脫節(jié)的，每個知識點都是孤立的，所以需要對教學(xué)內(nèi)容進行重新組織，思路如下。

1.1 編碼與譯碼合并講授

編碼與譯碼互為逆過程，所以這兩個章節(jié)一起講授效果更佳。

1.2 小-中-大三級工程項目

小型項目針對的是單知識點，比如：“芯片邏輯功能的測試”“譯碼器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)”等是較簡單的驗證性項目，絕大部分學(xué)生可以通過自學(xué)完成；中型項目是需要使用2個以上的知識點才能完成的較復(fù)雜的項目，如“四人表決器+數(shù)碼顯示”項目，需要用到譯碼器的擴展、實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)和驅(qū)動數(shù)碼管等知識點，為較為綜合性的項目且有一定難度，可在教師的引導(dǎo)下完成；大型項目指的是更具綜合性的項目，如“病房呼叫系統(tǒng)”，這涉及對于編碼器和譯碼器的融合應(yīng)用，教師需要精心設(shè)計項目。通過以上的三級工程項目，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的漸進式、分層式的上升發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生從知識點到知識鏈再到復(fù)雜系統(tǒng)的思維方式，鍛煉其分析問題、解決問題的工程能力。

通過以上思路，通過由淺入深、螺旋上升的“小中大”三級工程項目訓(xùn)練體系，將“編碼器”與“譯碼器”兩章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容有機融合起來，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容。

2“ 小-中-大”三級工程項目訓(xùn)練體系設(shè)計方案

“編碼與譯碼”知識點的總體性教學(xué)內(nèi)容設(shè)計秉承從易到難、循序漸進的思路，即從驗證性的、單一知識點的基礎(chǔ)項目開始，逐漸提升難度和綜合度，且鼓勵不同的設(shè)計方案，從而螺旋上升地培養(yǎng)學(xué)生的高階能力和創(chuàng)新思維。

2.1 小型項目的設(shè)計

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計思路：小型項目是針對單一知識點的驗證性實驗，如測試芯片功能，難度不大，大部分學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過線上微課后自行完成，在此不做贅述。

2.2 小型項目的設(shè)計

中型項目與小型項目相比具備一定的綜合性，需要用到至少2個知識點才能完成。如“5-32線譯碼器”涉及“譯碼器的功能”“譯碼器作為數(shù)據(jù)分配器”和“譯碼器的擴展”等知識點，設(shè)計方案多樣，見圖2（a） 、圖2（b） ；“顯示譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管”涉及“數(shù)碼管的選擇與驅(qū)動”和“顯示消抖”等知識點，不僅將本章節(jié)的知識點聯(lián)系起來，還使用前期課程電路分析基礎(chǔ)中電容的濾波特性解決了顯示時的抖動問題，實現(xiàn)了跨課程之間知識點的連接，見圖2（c） 、圖2（d） 。

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計思路：中型項目稍具難度，約一半的學(xué)生可查閱資料自行完成，大部分學(xué)生可在教師的指引下完成。

2.3 大型項目的設(shè)計

大型項目的難度不建議陡然增加，以免學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。教師應(yīng)逐漸提高難度，引導(dǎo)學(xué)生分析項目實施中出現(xiàn)的問題，尋找到解決問題的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新思維。以下闡述該教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計方案。

2.3.1 基礎(chǔ)方案

基礎(chǔ)功能要求：實現(xiàn)護士站呼叫系統(tǒng)，該系統(tǒng)有8 個輸入端，置于8張病床的床頭，病人按病情從輕到重的順序排列；護士站有8盞燈對應(yīng)8個病人，由于醫(yī)護人員人手有限，每次最多亮1盞燈，燈亮表示呼叫，原則是重病號優(yōu)先。

在此處教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：此系統(tǒng)由于要體現(xiàn)原則，也就是說當(dāng)有多名病人呼叫醫(yī)護人員時，亮的是重病號對應(yīng)的那一盞，所以不是簡單地用8個開關(guān)去控制8盞燈。優(yōu)先的功能如何實現(xiàn)？學(xué)生會想起小型項目中實踐過的8-3線優(yōu)先編碼器74LS148，但是它是8個輸入端口，3個輸出端口，可是該系統(tǒng)卻有8個輸出端口，如何解決？學(xué)生知道編碼器輸出的是3位二進制編碼，可以用3-8線譯碼器74HC138將編碼器輸出的3位二進制翻譯為8位，分別與8個輸入端一一映射。所以可用編碼器+譯碼器實現(xiàn)，思路圖見圖3。

電路方案圖見圖4。為了實現(xiàn)設(shè)計目標，學(xué)生會帶著設(shè)計需求再度查閱編碼器與譯碼器的邏輯功能表，會加深對74LS148的輸出是反碼、74LS138需要輸入原碼、74LS138的使能條件以及輸出端口低電平有效等細節(jié)的理解。

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計思路：該系統(tǒng)將編碼與譯碼兩個模塊結(jié)合到了一起，顯示方式簡單，僅使用課堂上重點介紹過的芯片74LS148和74LS138即可實現(xiàn)。雖然有一定的綜合性，但是難度不大，大多數(shù)學(xué)生可以完成，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自信，加深其對基礎(chǔ)知識的理解。

2.3.2 一階優(yōu)化——消除誤報

通過Multisim軟件仿真發(fā)現(xiàn)，按照圖4的方案可以實現(xiàn)優(yōu)先呼叫，但是存在問題：在74LS148沒有輸入有效信號的情況下，譯碼器-Y0 輸出端口連接的燈泡依然是亮的，所以需要對方案進行優(yōu)化。

功能要求：在沒有病人按下呼叫按鈕的時候，燈泡全滅；反之對應(yīng)的燈泡亮。

在此處引導(dǎo)學(xué)生思考：兩塊芯片之間應(yīng)該存在通信線，即在上游編碼器沒有收到有效信號（沒有病人呼叫）的時候，下游的譯碼器接收“截至”的信號。所以學(xué)生會關(guān)注到編碼器的輸出端-YEX 與YS，并嘗試用該端口去控制譯碼器的使能端，解決方案見圖5。

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計思路：回歸基礎(chǔ)知識，用書本上易被忽略的細節(jié)知識去解決在項目中出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)活學(xué)活用，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的工程能力。

2.3.3 二階優(yōu)化——數(shù)碼顯示

功能要求：用簡潔明了的七段數(shù)碼管顯示呼叫的病床號，并且可實現(xiàn)優(yōu)先呼叫、無人呼叫時無顯示和數(shù)碼顯示的功能。

在此處可導(dǎo)學(xué)生思考：在前期的中型項目中，已經(jīng)學(xué)會了區(qū)分共陰/共陽數(shù)碼管的方法，還會使用譯碼器74LS48和CD4511穩(wěn)定驅(qū)動七段數(shù)碼管，那么可以將圖5中的二—十進制譯碼器74LS138+燈泡換成顯示譯碼器+七段數(shù)碼管。如圖6是對圖5的二階優(yōu)化方案，圖7是圖6的Multisim仿真電路圖，證明了設(shè)計方案的正確性。

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計思路：“數(shù)碼管顯示譯碼”這一教學(xué)內(nèi)容在教材中僅作介紹，學(xué)生對此知識點理解不深入，可是該知識點在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，所以應(yīng)銜接實際的工程案例。此任務(wù)具有一定的挑戰(zhàn)度，且方案并不唯一。在掌握了前期小、中型項目的實現(xiàn)方法的情況下，大部分學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下完成該項目。這樣，學(xué)生不僅學(xué)會了顯示譯碼這一知識點，還會感知到“數(shù)字積木”的思維模式，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維。

3 考核方案設(shè)計

考核方式的設(shè)計采用全方位考核、過程性評價的思路，重點考查學(xué)生在項目實施過程中是否達到了能力和素質(zhì)目標表。

小型項目采用學(xué)生自評、互評的方式進行。中型和大型項目采用分組匯報的形式進行，中間包含系統(tǒng)演示環(huán)節(jié)和答辯環(huán)節(jié)，教師打分，并進行組間互評。成績構(gòu)成：小型項目占比為30%+中型項目占比為30%+大型項目占比為40%

每個項目的評價方式：功能實現(xiàn)占比60%+可靠性占比10%+成本占比10%+匯報情況占比20%

4 教學(xué)效果評估

從三級工程項目的完成情況看，學(xué)生基本能夠理解編碼和譯碼的概念，掌握常見編碼器和譯碼器集成芯片的使用方法，并能夠用其實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)，達到了教學(xué)目標。在往期的教學(xué)中，約65%的學(xué)生可以完成該知識點的中型項目，極少有人能完成復(fù)雜項目；在實施“小-中-大”三級工程項目訓(xùn)練體系之后，約95% 的學(xué)生可以完成中型項目，約90%的學(xué)生可以完成復(fù)雜項目，說明該方法可以極大地提高教學(xué)效果。此外，三級工程項目訓(xùn)練體系也激發(fā)了學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計的興趣，基于本課時的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在此基礎(chǔ)上再度優(yōu)化設(shè)計出了功能更多、更先進的呼叫系統(tǒng)，比如基于Zigbee、藍牙的無線呼叫系統(tǒng)，并參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動取得了良好成績。

5 總結(jié)與討論

本文對編碼器與譯碼器兩個章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容進行了融合優(yōu)化，用“小-中-大”三級項目訓(xùn)練體系由淺入深地將知識點整合起來。尤其是大型項目“病房呼叫系統(tǒng)”，系統(tǒng)中的各個模塊將編碼、譯碼和顯示有機組合在一起，學(xué)以致用。通過該教學(xué)體系，實現(xiàn)了對學(xué)生從知識點到知識鏈再到復(fù)雜系統(tǒng)的思維模式的培養(yǎng)，解決了知識碎片化的問題，既兼顧了理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，也做到了理實合一，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識和工程實踐能力。

可以將這種教學(xué)思路拓展至整個數(shù)電課程，將整個課程的教學(xué)內(nèi)容用三級工程項目體系連結(jié)在一起，讓學(xué)生在項目實施的過程中培養(yǎng)高階能力?？梢圆捎谩耙焕降住钡姆绞剑热纭爸悄芙煌簟表椖?，將計數(shù)器、顯示譯碼、555電路等各單元電路結(jié)合在一起，讓學(xué)生在一個學(xué)期中不同的學(xué)習(xí)階段完成各個單元電路，最后將各階段的單元聯(lián)系起來，構(gòu)成完整的綜合性系統(tǒng)。通過學(xué)生分階段學(xué)習(xí)、連續(xù)性實踐地完成大型系統(tǒng)中的各個模塊，實現(xiàn)數(shù)電課程中主要知識點的融合。

還可以將該思路拓展至本科的教學(xué)體系。比如用“心電信號采集與分析系統(tǒng)”項目中的各個模塊將大一至大四的課程串聯(lián)起來，完成各個獨立單元的設(shè)計，跨年級、跨課程、分階段地完成整個系統(tǒng)，真正實現(xiàn)理論與實踐的一體化教學(xué)。

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【通聯(lián)編輯：王 力】