基于4C/ID模型的《數字電子技術》課程教學設計研究

【摘要】4C/ID模型是一種新型的面向復雜認知技能訓練的教學設計模型。本文運用4C/ID模型，研究了大學理工科教學中對學生綜合設計能力培養的教學設計，首先建立了4C/ID模型的設計框架，然后針對“組合邏輯電路的設計”這一教學內容進行任務分解、分析每一分任務的支持信息、即時信息和提供相應的任務練習，最后給出了在本設計中所需的技術支持（Moodle網絡教學平臺、EDA計算機輔助設計與仿真分析軟件等），希望能對大學理工科教學中針對學生復雜認知技能的培養和訓練的教學設計提供幫助和參考。

【關鍵詞】4C/ID模型 教學設計 電路設計 復雜認知技能

【基金項目】國家自然科學基金項目：“keV高荷電離子與高溫環境下壁材料作用的電子發射研究”，項目批準號：11075125；甘肅政法學院2012年教學改革項目：“基于4C/ID模型的創新型實驗教學模式的構建與實效研究”。

【中圖分類號】G42【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）02-0243-03

一、面向專業技能培訓的四要素教學設計模型——4C/ID模型

1.4C/ID模型簡介

20世紀90 年代，荷蘭開放大學教授麥里恩博爾主持研究和開發了面向復雜學習的 4C/ID 整體任務設計模型，這是一種面向專業技能培訓的四要素教學設計模型，在此模型中把學習任務、支持性信息、即時信息、部分任務練習作為訓練復雜認知技能、改進業績表現的四個主要設計要素。

復雜學習并不是簡單地學習一些被分解的孤立知識碎片，而是將知識、技能和態度綜合為一個整體，協調運用各種復雜認知技能來完成面向工作實際的學習任務，促使學生有能力把所學的知識應用到真實的實際工作問題解決實踐之中，所以，四要素教學設計模式面向復雜學習是以提高和改進學生在專業領域的業績表現為宗旨的，注重的是如何應用這些知識解決實際生活中所遇到問題的能力，這是 4C/ID 的根本特征。[1]

2.4C/ID模型應用于教學設計領域非常適合對于復雜認知技能的培訓

4C/ID模型主要是針對航空、汽車、加工、軍隊等各個行業復雜技能訓練的需要，為有關的訓練設計開發的，盡管4C/ID模型最初不是專為教學設計的，但是該模型是基于真實學習任務提出的培訓策略和分析任務的方法，應用教學設計能夠聚焦于完整的任務練習，為我們掌握和學習復雜技能知識有著重要的指導意義。首先，4C/ID模型適合對于復雜認知技能的整體性的教學設計模型；第二，4C/ID模型是基于實踐性的，從國外研究現狀來看，4C/ID模型主要立足于實踐，而國內的研究僅停留在對模型的理解、認識上，因此，我們應該去做基于4C/ID模型的一些應用性研究，尤其是用該模型來指導復雜認知技能的訓練、培訓上。第三，4C/ID模型是基于技術的，技術成為提升教學設計水平的重要因素，借助技術的力量實施各種問題解決學習策略是教學設計的又一個發展趨勢，4C/ID模型就倡導基于技術的支持來實施案例學習、模擬示范、輔導和教學支架等教學策略，它是基于認知理論和信息加工理論的一個實用模型。[2]

一個好的復雜技能培訓設計項目， 目的不是使受訓練者分開習得這些構成性技能， 而是試圖實現受訓練者在“做”真實的學習任務時，以一種協調和綜合的方式運用所有這些技能，從而提高他們在復雜認知技能操作上的整體能力。4C/ID的整體性復雜技能訓練遵循這樣一個設計序列一開始提供高度的學習者支持，訓練他們掌握整體性任務的“簡化版”，逐步進行到最后，撤消所有的學習者支持時，他們能夠掌握整體性任務的“真實版”最為復雜的問題情境。始終將學習任務作為一個復雜的整體來對待，面向真實，面向工作實踐，這是設計的精髓。[3]

4C/ID 利用整體任務學習代替了部分任務學習，它強調給學生提供一套具體的、真實的、面向實際工作實踐的整體學習任務，始終將學習任務作為一個復雜的整體來對待，它有利于知識、態度和技能的綜合運用，有利于訓練學生把所學知識遷移到實際工作和日常生活中的能力。[1]

3.4C/ID模式應用于復雜技能訓練的教學設計框架[4]

4C/ID模式中的四個核心要素就是學習任務、支持性信息、即時性信息和分任務練習，以上述四個要素為核心的模型設計包含如下步驟。（如圖1所示）

（1）復雜性技能的分解：這一工作沿兩個方向進行，一方面將目標技能按照由易而難的次序分解出技能層級，形成相互關聯的技能簇，便于進行任務設計；另一方面依據學習過程的差異將其分解為非復用性技能（相關知識為支持性信息）與復用性技能（相關知識為即時信息）， 便于支持任務訓練的練習序列設計和信息呈現設計。

（2）技能層級與學習任務設計：復雜技能在保持整合性原則的基礎上被劃分為技能層級，每一層級中可能包括若干個技能簇或任務組，每個任務組由同一難度但情境和具體問題不同的學習任務組成。這一部分的設計，包括了如何確定任務組及其序列安排， 以及進一步如何設計學習任務進行。

（3）非復用性技能及其相關知識分析：包括引導認知圖式建構或重構的心智模型分析，引導新異問題解決的認知策略分析，以及支持性信息分析。

（4）支持非復用性技能的信息呈現設計與練習設計。

（5）復用性技能及其相關知識分析：包括引導規則自動化的JIT信息分析、規則及理解和利用規則所必備的知識分析。

（6）支持復用性技能的信息呈現設計與練習設計。

（7）將訓練策略合成為一個整體性的復雜技能訓練項目。

二、應用4C/ID模型在“組合邏輯電路的設計”中的教學設計

4C/ID模型專門用于培養復雜的認知技能，該模式已經在計算機編程、統計分析、制造業次品管理等專業領域經過了實證研究，研究表明 4C/ID 比傳統教學設計方案的培訓效果顯著得多，特別是遷移任務與培訓任務差距越大，培訓效果也就越好，這一點充分表明4C/ID 具有很高的促進遠遷移的能力。

本研究的啟示是源于在2007年筆者申報的一項甘肅政法學院教學改革項目“基于moodle的網絡教學平臺的研究與應用”的研究，還有在同年被評為甘肅政法學院校級精品課程的《數字邏輯與分析》的課程建設過程中我們發現，雖然我們的moodle網絡教學平臺建構得比較完善，內容很豐富，練習多樣，溝通和互動環節也有，但是在實際教學中怎樣和具體的教學過程相結合來真正輔助到教學，一直是個難題，還有在《數字邏輯與分析》課程的教學中理論和實驗經常相互脫離，不能很好地結合，筆者在苦于這些矛盾和問題的時候，接觸到了麥里恩博爾教授等人主持研究和開發的這種4C/ID模型，通過學習該模型及相關理論，認為該模型非常適合用于學生對于復雜的認知技能的培訓，為此筆者申報了2012年甘肅政法學院教學改革項目“基于4C/ID模型的創新型實驗教學模式的構建與實效研究”。

結合筆者在高校長期講授《數字電子技術》[5]課程的經驗和體會，對于數字電路的設計這樣一項復雜的認知技能，若能運用4C/ID模型進行設計和培訓，應該能取得很好的訓練效果的。下面就是筆者運用4C/ID模式的設計框架，針對“組合邏輯電路的設計”進行的教學設計。

1. “組合邏輯電路設計”分解的任務結構圖（如圖2所示）

圖2 具體地呈現了完成一個組合邏輯電路的設計應該學習的知識和需要掌握的技能，下層技能的習得是學習上層技能的先決條件，在此階段有7個方面的技能需要學習，有的技能可以獨立學習，而有的技能的學習是在一個學習過程中同時習得的，所以說這些技能之間的關系即相互獨立又相互聯系。

2.具體分析每一項分任務的完成所需的支持性信息和即時性信息以及信息呈現方式和練習設計[5]

任務1：掌握邏輯代數基礎知識

支持性信息：邏輯代數形式的變換、邏輯函數五種表示方式及相互任意轉換。

信息呈現：課堂教學中的案例分析；moodle網絡教學平臺上的多媒體教學內容的呈現；課本上的例題等。

練習設計：課堂教學中的討論、隨堂練習；moodle網絡教學平臺上的自測題；課本每章節后的習題等。

即時性信息：邏輯代數的公式、定理，邏輯函數的兩種標準形式和兩種化簡方法。

信息呈現：課本呈現；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；課本上的例題等。

練習設計：課堂教學中的隨堂練習；課本每章節后的習題等。

任務2：熟悉TTL、COMS門電路的特性

支持性信息：TTL、COMS門電路的電特性。

信息呈現：課堂教學中的案例分析；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；通過實驗驗證體會。（實驗1 基本門電路邏輯功能的測試）

練習設計：課堂教學中的討論、隨堂練習；moodle網絡教學平臺上的自測題；認真實驗并完成實驗報告。

即時性信息：TTL、COMS門電路中幾種基本的門電路的電路結構、工作原理以及正確使用方法等。

信息呈現：課本呈現；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；實驗講義以及實驗臺說明書等。

練習設計：課本每章節后的習題等。

任務3：熟悉譯碼器等集成芯片的功能

支持性信息：譯碼器等集成芯片的功能、特殊的輸入輸出控制端、多片級聯方法；每種芯片的特殊應用等。

信息呈現：課堂教學中的案例分析；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；課本上的例題，使用EDA計算機輔助設計與仿真分析軟件對譯碼器等中規模集成電路芯片進行輸入輸出波形的顯示等。

練習設計：課堂教學中的討論；moodle網絡教學平臺上的自測題；計算機輔助分析等。

即時性信息：譯碼器等中規模集成電路芯片的電路結構、功能特性等。

信息呈現：課本呈現；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；實驗講義等。

練習設計：課堂教學中的隨堂練習；課本每章節后的習題等。

任務4：掌握組合邏輯電路的設計方法

支持性信息：組合邏輯電路的設計思想。（用簡單分立元件進行設計、利用譯碼器等中規模集成電路芯片進行設計）

信息呈現：課堂教學中的案例分析；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；課本上的例題等。

練習設計：課堂教學中的小組討論、隨堂練習；moodle網絡教學平臺上的自測題；課本每章節后的習題等。

即時性信息：常用簡單門電路的工作特性、譯碼器等中規模集成電路芯片的工作特性。

信息呈現：課本呈現；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；課本上的例題等。

練習設計：課堂教學中的隨堂練習；課本每章節后的習題等。

任務5：應用EDA計算機輔助設計與仿真分析軟件對設計進行仿真分析

支持性信息：EDA軟件的學習及應用。

信息呈現：在實驗課開始的教學中進行學習講授，所使用的軟件可以在moodle網絡教學平臺上下載，用2次課的教學教會學生使用。在選用的教材（《數字電子技術基礎》，閻石主編）中，在每章教學內容之后都有用Multisim 7進行分析的實例，可參照學習。

練習設計：課堂教學中的討論、隨堂練習；moodle網絡教學平臺上的自測題；課本每章節后的習題等。

即時性信息：Multisim軟件的具體應用。

信息呈現： moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；查看相關該軟件的介紹和使用方法技巧等的資料。

練習設計：結合自己的學習，完成課本每章節后的習題。

任務6：分析電路是否存在競爭——冒險現象并消除

支持性信息：利用計算機輔助分析等方法分析是否存在競爭——冒險現象；消除競爭——冒險現象的方法。

信息呈現：課堂教學中的案例分析；查閱資料了解該方面的知識；課本上的例題等。

練習設計：課堂教學中的討論、隨堂練習；moodle網絡教學平臺上的自測題；課本該章節后的習題等。

即時性信息：什么是競爭——冒險現象，怎樣消除。

信息呈現：課本內容呈現；moodle網絡教學平臺上多媒體教學內容的呈現；課本上的例題等。

練習設計：課本該章節后的習題。

任務7：在實驗室搭建電路及驗證

支持性信息：在實驗室搭建電路并比較、檢查、完善該電路。

信息呈現：實驗中的相關要求，通過真值表、波形圖等方式驗證電路的正確。

練習設計：實驗1、實驗2的各項訓練。

即時性信息：實驗臺操作規范、所使用各元件的特性等。

信息呈現：實驗講義呈現；moodle網絡教學平臺上教學內容的呈現；實驗室實驗臺的各項操作說明等。

練習設計：在實驗1、實驗2中的各項練習。

3.在基于4C/ID模型的教學設計中需要相關的技術支持和輔助教學手段

進行上述的教學設計，需要有相應的技術支持和輔助教學的手段和方法，我們在實踐中有moodle網絡教學平臺、EDA計算機輔助設計與仿真分析軟件的應用等。

（1）Moodle網絡教學平臺

Moodle是由澳大利亞的教師 Martin Dougiamas 基于建構主義教育理論而開發的課程管理系統，是一個免費的開放源代碼的軟件，目前在國內外已廣泛應用。Moodle 平臺界面簡單、精巧，還具有兼容和易用性，它通過大量模塊控制Moodle平臺內容，增加課程等，在課程格式設計與開發中，我們可以為它添加資源（如文本頁、網頁、鏈接到文件或站點和顯示目錄等）和活動（如作業、投票、測驗、聊天和討論等），應用Moodle創設的虛擬學習環境中有技術管理維度、學習任務維度和社會交往維度，發展前景很大。

自2007年至2010年，我們建成了一個適用于我校校園網環境下的電子技術類課程的網絡教學平臺，通過應用該平臺于教學實踐中，探索在信息化環境下高等教育教學改革的方法和途徑，完成了大量的教研工作，發表相關教研論文7篇。

我們首先在這一平臺上添加了《數字邏輯與分析》的網絡課程，集中了豐富的各類教學資源，在網頁中可以添加文字、圖片、幻燈片、FLASH、視頻、音頻等豐富的學習資源，在課程學習中完成每一項分任務所需的所有的支持性信息的信息呈現和即時性信息的信息呈現；還有學生自主學習時的作業提交、完成測驗的功能；還開辟了聊天室、討論區等模塊，加強了學生與學生、學生與教師的相互交流，為教學提供了很好的輔助，為學生自主學習提供了最佳學習平臺。

（2）EDA計算機輔助設計與仿真分析軟件

由于目前電子電路的復雜程度日益提高，更新速度越來越快，這就對電路設計工作自動化提出了迫切的要求，現有很多優秀的軟件開發工具，其中包括用于電路性能和參數分析的、用于運行狀態仿真的、用于可編程器件設計的以及用于印刷電路板設計的等等，就是豐富的EDA軟件。EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，MATLAB和Multisim就是其中很常用的軟件。

在教學中我們讓學生學習和使用EDA軟件幫助自己設計新電路，并對自己設計的電路進行運行狀態仿真和電路完備性的檢查，這些技能的學習和掌握對他們的自主設計能力、創新能力的培養都是非常有幫助的。下面是組合邏輯電路中交通信號燈工作狀態的邏輯電路圖，用MATLAB設計完成。

圖4 封裝后交通信號燈組合電路的內部結構圖

圖5 交通信號燈組合邏輯電路的電路圖

圖6 交通信號燈電路中各信號的邏輯波形圖

三、結束語

數字電子技術課程是電子工程、通信工程、計算機科學與技術等眾多專業的重要基礎課，實踐性很強，是對學生的分析能力、綜合設計能力、實踐操作能力和創新能力都會有所鍛煉和提高的一門專業基礎課程，多年來我們對該課程的教學方法和模式進行了不斷的研究和探索，有很多的感受和體會，希望在今后的教學中通過不斷努力，爭取探索出一套適合高校理工科教學的新的模式、新的方法。

參考文獻：

[1]馮銳，李曉華.教學設計新發展：面向復雜學習的整體性教學設計——荷蘭開放大學麥里恩博爾（Jeroen J. G. van Merrienboer）教授訪談[J].中國電化教育，總第265期 2009.（2）1-2

[2]孫瓊玲，任翔. 四要素教學設計模型（4C/ID）研究[J].軟件導刊，第10卷 第7期 2011（7）

[3]高佩紅，朱榮.4C/ID 模型對我國課堂教學的啟示[J].科協論壇，2011（1） 期 171-172

[4]趙健.面向復雜認知技能的訓練：四要素教學設計（4C/ID）模型述評[J].全球教育展望，2005（5）

[5]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.5

作者簡介：

陸冰，女，1966.12.12生，副教授，研究方向為電子技術理論與實驗、現代教育技術等。