“編碼與譯碼”三級工程項目體系的設計研究

樊敏 趙燦 楊金 汪海波 魯世斌

摘要：數字技術基礎課程是大電類必修的專業基礎課程，編碼器與譯碼器是其中重要的教學內容。傳統的教學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內容進行了融合，用“小-中-大”三級工程訓練項目重構教學內容，由淺入深地培養學生形成“知識點-知識鏈-復雜系統”的工程思維模式，并通過對項目設計方案的不斷改進、逐級優化，“螺旋遞進”地培養學生解決復雜工程問題的能力，從而實現學以致用、知行合一的教學目標，提高教學效果與人才培養質量。

關鍵詞：三級工程項目訓練體系；編碼器；譯碼器；Multisim；數字電路教學

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

數字電子技術基礎課程（以下簡稱“數電”） 是大電類專業必修的專業基礎課程，在專業培養課程體系中承上啟下、舉足輕重[1]。然而，在傳統的教學模式中，每門課都是一個獨立的體系，強調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內容[2]。根據傳統的教學方案，“編碼器”講授優先編碼器74LS148的管腳功能和擴展[3]?！白g碼器”講授譯碼器的管腳功能、擴展和利用其實現一般組合邏輯函數的方法，并介紹七段顯示譯碼器。但是從學生的角度看，知識點繁多且零碎，不知道知識點之間的關聯，更不知道學了“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化。通過采用“小-中-大”三級工程項目訓練體系重構教學內容，把零碎的知識點串聯起來形成知識鏈，再由知識鏈組成復雜系統[6]，并通過對項目設計方案的不斷改進、逐級優化，“螺旋遞進”地培養學生解決復雜工程問題的能力，實現“學以致用、知行合一”的教學目標，提高教學效果與人才培養質量[6]。

1 融合優化思路

在傳統的教學安排中，一般先講編碼器再講譯碼器。在編碼器這一章節中，在講授優先編碼器74LS148的管腳功能之后，僅講述如何將2片8-3線優先編碼器拓展為16-4線編碼器的方法，并沒有講編碼器的應用。在譯碼器這一章節的教學中，只講了譯碼器的管腳功能、擴展和實現組合邏輯函數的方法，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用。這樣的教學內容與實際的工程應用是脫節的，每個知識點都是孤立的，所以需要對教學內容進行重新組織，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”“譯碼器實現組合邏輯函數”等是較簡單的驗證性項目，絕大部分學生可以通過自學完成；中型項目是需要使用2個以上的知識點才能完成的較復雜的項目，如“四人表決器+數碼顯示”項目，需要用到譯碼器的擴展、實現組合邏輯函數和驅動數碼管等知識點，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”，這涉及對于編碼器和譯碼器的融合應用，教師需要精心設計項目。通過以上的三級工程項目，實現教學內容的漸進式、分層式的上升發展，培養學生從知識點到知識鏈再到復雜系統的思維方式，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”三級工程項目訓練體系，將“編碼器”與“譯碼器”兩章節的教學內容有機融合起來，優化了教學內容。

2“ 小-中-大”三級工程項目訓練體系設計方案

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

2.1 小型項目的設計

教學環節設計思路：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，大部分學生可以在學習過線上微課后自行完成，在此不做贅述。

2.2 小型項目的設計

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”“譯碼器作為數據分配器”和“譯碼器的擴展”等知識點，設計方案多樣，見圖2（a） 、圖2（b） ；“顯示譯碼器驅動數碼管”涉及“數碼管的選擇與驅動”和“顯示消抖”等知識點，不僅將本章節的知識點聯系起來，還使用前期課程電路分析基礎中電容的濾波特性解決了顯示時的抖動問題，實現了跨課程之間知識點的連接，見圖2（c） 、圖2（d） 。

教學環節設計思路：中型項目稍具難度，約一半的學生可查閱資料自行完成，大部分學生可在教師的指引下完成。

2.3 大型項目的設計

大型項目的難度不建議陡然增加，以免學生產生畏難情緒。教師應逐漸提高難度，引導學生分析項目實施中出現的問題，尋找到解決問題的方法，從而培養學生的工程能力和創新思維。以下闡述該教學環節的設計方案。

2.3.1 基礎方案

基礎功能要求：實現護士站呼叫系統，該系統有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8個病人，由于醫護人員人手有限，每次最多亮1盞燈，燈亮表示呼叫，原則是重病號優先。

在此處教師可引導學生思考：此系統由于要體現原則，也就是說當有多名病人呼叫醫護人員時，亮的是重病號對應的那一盞，所以不是簡單地用8個開關去控制8盞燈。優先的功能如何實現？學生會想起小型項目中實踐過的8-3線優先編碼器74LS148，但是它是8個輸入端口，3個輸出端口，可是該系統卻有8個輸出端口，如何解決？學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，思路圖見圖3。

電路方案圖見圖4。為了實現設計目標，學生會帶著設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的理解。

教學環節設計思路：該系統將編碼與譯碼兩個模塊結合到了一起，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。雖然有一定的綜合性，但是難度不大，大多數學生可以完成，有利于培養學生的學習自信，加深其對基礎知識的理解。

2.3.2 一階優化——消除誤報

通過Multisim軟件仿真發現，按照圖4的方案可以實現優先呼叫，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；反之對應的燈泡亮。

在此處引導學生思考：兩塊芯片之間應該存在通信線，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。所以學生會關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。

教學環節設計思路：回歸基礎知識，用書本上易被忽略的細節知識去解決在項目中出現的問題，實現活學活用，培養學生分析問題、解決問題的工程能力。

2.3.3 二階優化——數碼顯示

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

在此處可導學生思考：在前期的中型項目中，已經學會了區分共陰/共陽數碼管的方法，還會使用譯碼器74LS48和CD4511穩定驅動七段數碼管，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+七段數碼管。如圖6是對圖5的二階優化方案，圖7是圖6的Multisim仿真電路圖，證明了設計方案的正確性。

教學環節設計思路：“數碼管顯示譯碼”這一教學內容在教材中僅作介紹，學生對此知識點理解不深入，可是該知識點在電子系統中的應用非常廣泛，所以應銜接實際的工程案例。此任務具有一定的挑戰度，且方案并不唯一。在掌握了前期小、中型項目的實現方法的情況下，大部分學生可以在教師的引導下完成該項目。這樣，學生不僅學會了顯示譯碼這一知識點，還會感知到“數字積木”的思維模式，培養了創新思維。

3 考核方案設計

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

小型項目采用學生自評、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，中間包含系統演示環節和答辯環節，教師打分，并進行組間互評。成績構成：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：功能實現占比60%+可靠性占比10%+成本占比10%+匯報情況占比20%

4 教學效果評估

從三級工程項目的完成情況看，學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，并能夠用其實現復雜系統，達到了教學目標。在往期的教學中，約65%的學生可以完成該知識點的中型項目，極少有人能完成復雜項目；在實施“小-中-大”三級工程項目訓練體系之后，約95% 的學生可以完成中型項目，約90%的學生可以完成復雜項目，說明該方法可以極大地提高教學效果。此外，三級工程項目訓練體系也激發了學生對數字系統分析與設計的興趣，基于本課時的教學內容，學生在此基礎上再度優化設計出了功能更多、更先進的呼叫系統，比如基于Zigbee、藍牙的無線呼叫系統，并參加大學生創新創業活動取得了良好成績。

5 總結與討論

本文對編碼器與譯碼器兩個章節的教學內容進行了融合優化，用“小-中-大”三級項目訓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”，系統中的各個模塊將編碼、譯碼和顯示有機組合在一起，學以致用。通過該教學體系，實現了對學生從知識點到知識鏈再到復雜系統的思維模式的培養，解決了知識碎片化的問題，既兼顧了理論內容的學習，也做到了理實合一，培養了學生自主學習意識和工程實踐能力。

可以將這種教學思路拓展至整個數電課程，將整個課程的教學內容用三級工程項目體系連結在一起，讓學生在項目實施的過程中培養高階能力。可以采用“一例到底”的方式，比如“智能交通燈”項目，將計數器、顯示譯碼、555電路等各單元電路結合在一起，讓學生在一個學期中不同的學習階段完成各個單元電路，最后將各階段的單元聯系起來，構成完整的綜合性系統。通過學生分階段學習、連續性實踐地完成大型系統中的各個模塊，實現數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體系。比如用“心電信號采集與分析系統”項目中的各個模塊將大一至大四的課程串聯起來，完成各個獨立單元的設計，跨年級、跨課程、分階段地完成整個系統，真正實現理論與實踐的一體化教學。

參考文獻：

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[4] 褚馨怡，辛佳宇，秦嘉琦，等.面向新工科的BCD碼-余三碼轉換電路設計應用[J].電子技術與軟件工程，2021（17）：65-69.

[5] 曹文，姜書艷，王銀玲，等“. 雙實一虛” 數電實驗運行與人才培養模式[J].實驗技術與管理，2020，37（3）：207-211.

[6] 肖杰，李強，龍勝春，等.數字邏輯電路課程設計實驗教學改革與實踐[J].計算機教育，2018（5）：71-75.

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【通聯編輯：王 力】