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(shí)點(diǎn)碎片化、理論與實(shí)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(jìn)行了融合，用“小-中-大”三級(jí)工程訓(xùn)練項(xiàng)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(shí)點(diǎn)-知識(shí)鏈-復(fù)雜系統(tǒng)”的工程思維模式，并通過對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的不斷改進(jìn)、逐級(jí)優(yōu)化，“螺旋遞進(jìn)”地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用、知行合一的教學(xué)目標(biāo)，提高教學(xué)效果與人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三級(jí)工程項(xiàng)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(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(jiǎn)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(gè)獨(dú)立的體系，強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)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(kuò)展[3]?！白g碼器”講授譯碼器的管腳功能、擴(kuò)展和利用其實(shí)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(shí)點(diǎn)繁多且零碎，不知道知識(shí)點(diǎn)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(duì)編碼器與譯碼器這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了融合優(yōu)化。通過采用“小-中-大”三級(jí)工程項(xiàng)目訓(xùn)練體系重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，把零碎的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來形成知識(shí)鏈，再由知識(shí)鏈組成復(fù)雜系統(tǒng)[6]，并通過對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的不斷改進(jìn)、逐級(jí)優(yōu)化，“螺旋遞進(jìn)”地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用、知行合一”的教學(xué)目標(biāo)，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(kuò)展和實(shí)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(shí)際的工程應(yīng)用是脫節(jié)的，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都是孤立的，所以需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(gè)章節(jié)一起講授效果更佳。

1.2 小-中-大三級(jí)工程項(xiàng)目

小型項(xiàng)目針對(duì)的是單知識(shí)點(diǎn)，比如：“芯片邏輯功能的測(cè)試”“譯碼器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)”等是較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性項(xiàng)目，絕大部分學(xué)生可以通過自學(xué)完成；中型項(xiàng)目是需要使用2個(gè)以上的知識(shí)點(diǎn)才能完成的較復(fù)雜的項(xiàng)目，如“四人表決器+數(shù)碼顯示”項(xiàng)目，需要用到譯碼器的擴(kuò)展、實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)和驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管等知識(shí)點(diǎn)，為較為綜合性的項(xiàng)目且有一定難度，可在教師的引導(dǎo)下完成；大型項(xiàng)目指的是更具綜合性的項(xiàng)目，如“病房呼叫系統(tǒng)”，這涉及對(duì)于編碼器和譯碼器的融合應(yīng)用，教師需要精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目。通過以上的三級(jí)工程項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的漸進(jìn)式、分層式的上升發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生從知識(shí)點(diǎn)到知識(shí)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(jí)工程項(xiàng)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(jī)融合起來，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容。

2“ 小-中-大”三級(jí)工程項(xiàng)目訓(xùn)練體系設(shè)計(jì)方案

“編碼與譯碼”知識(shí)點(diǎn)的總體性教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)秉承從易到難、循序漸進(jìn)的思路，即從驗(yàn)證性的、單一知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)項(xiàng)目開始，逐漸提升難度和綜合度，且鼓勵(lì)不同的設(shè)計(jì)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)思路：小型項(xiàng)目是針對(duì)單一知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如測(cè)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)

中型項(xiàng)目與小型項(xiàng)目相比具備一定的綜合性，需要用到至少2個(gè)知識(shí)點(diǎn)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(kuò)展”等知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案多樣，見圖2（a） 、圖2（b） ；“顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管”涉及“數(shù)碼管的選擇與驅(qū)動(dòng)”和“顯示消抖”等知識(shí)點(diǎn)，不僅將本章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)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(shí)的抖動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)了跨課程之間知識(shí)點(diǎn)的連接，見圖2（c） 、圖2（d） 。

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)思路：中型項(xiàng)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)

大型項(xiàng)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(xiàng)目實(shí)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(jì)方案。

2.3.1 基礎(chǔ)方案

基礎(chǔ)功能要求：實(shí)現(xiàn)護(hù)士站呼叫系統(tǒng)，該系統(tǒng)有8 個(gè)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(hù)士站有8盞燈對(duì)應(yīng)8個(gè)病人，由于醫(yī)護(hù)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(hào)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(hù)人員時(shí)，亮的是重病號(hào)對(duì)應(yīng)的那一盞，所以不是簡(jiǎn)單地用8個(gè)開關(guān)去控制8盞燈。優(yōu)先的功能如何實(shí)現(xiàn)？學(xué)生會(huì)想起小型項(xiàng)目中實(shí)踐過的8-3線優(yōu)先編碼器74LS148，但是它是8個(gè)輸入端口，3個(gè)輸出端口，可是該系統(tǒng)卻有8個(gè)輸出端口，如何解決？學(xué)生知道編碼器輸出的是3位二進(jìn)制編碼，可以用3-8線譯碼器74HC138將編碼器輸出的3位二進(jìn)制翻譯為8位，分別與8個(gè)輸入端一一映射。所以可用編碼器+譯碼器實(shí)現(xiàn)，思路圖見圖3。

電路方案圖見圖4。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，學(xué)生會(huì)帶著設(shè)計(jì)需求再度查閱編碼器與譯碼器的邏輯功能表，會(huì)加深對(duì)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(xì)節(jié)的理解。

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)思路：該系統(tǒng)將編碼與譯碼兩個(gè)模塊結(jié)合到了一起，顯示方式簡(jiǎn)單，僅使用課堂上重點(diǎn)介紹過的芯片74LS148和74LS138即可實(shí)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(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

2.3.2 一階優(yōu)化——消除誤報(bào)

通過Multisim軟件仿真發(fā)現(xiàn)，按照?qǐng)D4的方案可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先呼叫，但是存在問題：在74LS148沒有輸入有效信號(hào)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(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

功能要求：在沒有病人按下呼叫按鈕的時(shí)候，燈泡全滅；反之對(duì)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(hào)（沒有病人呼叫）的時(shí)候，下游的譯碼器接收“截至”的信號(hào)。所以學(xué)生會(huì)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(jì)思路：回歸基礎(chǔ)知識(shí)，用書本上易被忽略的細(xì)節(jié)知識(shí)去解決在項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，實(shí)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(jiǎn)潔明了的七段數(shù)碼管顯示呼叫的病床號(hào)，并且可實(shí)現(xiàn)優(yōu)先呼叫、無人呼叫時(shí)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(xiàng)目中，已經(jīng)學(xué)會(huì)了區(qū)分共陰/共陽數(shù)碼管的方法，還會(huì)使用譯碼器74LS48和CD4511穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管，那么可以將圖5中的二—十進(jìn)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(duì)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(jì)方案的正確性。

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)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(duì)此知識(shí)點(diǎn)理解不深入，可是該知識(shí)點(diǎn)在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，所以應(yīng)銜接實(shí)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(xiàng)目的實(shí)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(xiàng)目。這樣，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了顯示譯碼這一知識(shí)點(diǎn)，還會(huì)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(jì)

考核方式的設(shè)計(jì)采用全方位考核、過程性評(píng)價(jià)的思路，重點(diǎn)考查學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中是否達(dá)到了能力和素質(zhì)目標(biāo)表。

小型項(xiàng)目采用學(xué)生自評(píng)、互評(píng)的方式進(jìn)行。中型和大型項(xiàng)目采用分組匯報(bào)的形式進(jìn)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(jìn)行組間互評(píng)。成績(jī)構(gòu)成：小型項(xiàng)目占比為30%+中型項(xiàng)目占比為30%+大型項(xiàng)目占比為40%

每個(gè)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)方式：功能實(shí)現(xiàn)占比60%+可靠性占比10%+成本占比10%+匯報(bào)情況占比20%

4 教學(xué)效果評(píng)估

從三級(jí)工程項(xiàng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)，達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。在往期的教學(xué)中，約65%的學(xué)生可以完成該知識(shí)點(diǎn)的中型項(xiàng)目，極少有人能完成復(fù)雜項(xiàng)目；在實(shí)施“小-中-大”三級(jí)工程項(xiàng)目訓(xùn)練體系之后，約95% 的學(xué)生可以完成中型項(xiàng)目，約90%的學(xué)生可以完成復(fù)雜項(xiàng)目，說明該方法可以極大地提高教學(xué)效果。此外，三級(jí)工程項(xiàng)目訓(xùn)練體系也激發(fā)了學(xué)生對(duì)數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的興趣，基于本課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在此基礎(chǔ)上再度優(yōu)化設(shè)計(jì)出了功能更多、更先進(jìn)的呼叫系統(tǒng)，比如基于Zigbee、藍(lán)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(dòng)取得了良好成績(jī)。

5 總結(jié)與討論

本文對(duì)編碼器與譯碼器兩個(gè)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了融合優(yōu)化，用“小-中-大”三級(jí)項(xiàng)目訓(xùn)練體系由淺入深地將知識(shí)點(diǎn)整合起來。尤其是大型項(xiàng)目“病房呼叫系統(tǒng)”，系統(tǒng)中的各個(gè)模塊將編碼、譯碼和顯示有機(jī)組合在一起，學(xué)以致用。通過該教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生從知識(shí)點(diǎn)到知識(shí)鏈再到復(fù)雜系統(tǒng)的思維模式的培養(yǎng)，解決了知識(shí)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(shí)合一，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

可以將這種教學(xué)思路拓展至整個(gè)數(shù)電課程，將整個(gè)課程的教學(xué)內(nèi)容用三級(jí)工程項(xiàng)目體系連結(jié)在一起，讓學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施的過程中培養(yǎng)高階能力。可以采用“一例到底”的方式，比如“智能交通燈”項(xiàng)目，將計(jì)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(gè)學(xué)期中不同的學(xué)習(xí)階段完成各個(gè)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(shí)踐地完成大型系統(tǒng)中的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)電課程中主要知識(shí)點(diǎn)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(hào)采集與分析系統(tǒng)”項(xiàng)目中的各個(gè)模塊將大一至大四的課程串聯(lián)起來，完成各個(gè)獨(dú)立單元的設(shè)計(jì)，跨年級(jí)、跨課程、分階段地完成整個(gè)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的一體化教學(xué)。

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【通聯(lián)編輯：王 力】