OBE教育模式下的系統(tǒng)思維能力培養(yǎng)

藍波 張曉燕 晏涌

[摘 要]系統(tǒng)思維能力和工程素養(yǎng)是基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的OBE教育模式最為關(guān)鍵的評價指標之一，實驗教材作為實踐教學(xué)體系的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生上述能力方面應(yīng)發(fā)揮其不可或缺的作用。數(shù)字電子技術(shù)課程教材《電子電子基礎(chǔ)實踐教程》的編寫突出了學(xué)生系統(tǒng)思維能力的建立和培養(yǎng)，可將數(shù)字電子技術(shù)全部實驗內(nèi)容構(gòu)建成若干個具有一定實際功能的綜合性實驗項目，每個項目分解為相互關(guān)聯(lián)的不同單元模塊，每個模塊包含相應(yīng)的知識點。試用結(jié)果表明，使用該教材使學(xué)生的系統(tǒng)性思維得到了有效訓(xùn)練，使其對知識的理解和掌握更加穩(wěn)固。

[關(guān)鍵詞]系統(tǒng)思維能力；OBE；以學(xué)生為中心；數(shù)字電子技術(shù)；實驗教材

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）08-0006-03

○、引言

受高等教育質(zhì)量問責(zé)運動以及工程人才國際流動性增強等影響，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的OBE（Outcome Based Education）教育模式已得到國內(nèi)外越來越多的高校的認同。OBE理念強調(diào)教育者必須對學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)達到的能力及其水平有清楚的構(gòu)想，然后尋求設(shè)計適宜的教育結(jié)構(gòu)來保證學(xué)生達到這些預(yù)期目標。各個國家對工科專業(yè)畢業(yè)生的知識、能力和職業(yè)素養(yǎng)的制定標準不完全一樣，但大致相同，可分為專業(yè)知識、工程能力、工程背景、個人素質(zhì)和職業(yè)能力等幾大類。課程是教育結(jié)構(gòu)中最為基礎(chǔ)卻又最重要的組成部分，OBE模式明確了每門課程都應(yīng)進行“反向設(shè)計”，以實現(xiàn)其應(yīng)承擔的對畢業(yè)能力的貢獻。與此同時，“以學(xué)生為中心” （Student-centeredness，SC）的學(xué)習(xí)范式開始逐漸取代傳統(tǒng)的傳授范式在課程教學(xué)中得到推廣和應(yīng)用。“以學(xué)生為中心”的學(xué)習(xí)范式與傳統(tǒng)范式最大的不同就是把學(xué)生作為教學(xué)的“主體”，課程設(shè)計者需要重點關(guān)注的是為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)建立穩(wěn)固的知識架構(gòu)，并讓學(xué)生學(xué)會從系統(tǒng)性思維的角度思考學(xué)科相關(guān)的內(nèi)容并解決實際問題。系統(tǒng)性思維能力是一種運用系統(tǒng)論理論及成果，來創(chuàng)造新概念、新思路、新事物，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。用系統(tǒng)性思維思考解決某一問題時，并不是把其當成一個孤立的問題來處理，而是將其放在一個有機關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)里進行觀察與分析。從本質(zhì)上說，系統(tǒng)性思維是思考者以系統(tǒng)的觀點，從整體與部分、部分與部分、整體與環(huán)境的相互聯(lián)系和作用的關(guān)系中，綜合地進行分析、考察和認識事物的思維方法。

數(shù)字電子技術(shù)是電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)培養(yǎng)方案框架中占據(jù)著非常重要的位置，課程包括理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩個環(huán)節(jié)，二者相互支撐，同等重要。實踐教材是實踐教學(xué)的載體，對于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力和工程實踐能力來說必不可少。傳統(tǒng)的實踐教材編寫思路通常將實驗分為驗證性、設(shè)計性、綜合性幾個類別，并以知識點設(shè)置實驗項目，這就導(dǎo)致學(xué)生掌握的是一個個割裂的知識碎片，當他們面對實際應(yīng)用性問題時，仍無法從既有知識庫中構(gòu)建有效的知識框架。《電工電子基礎(chǔ)實踐教程》（以下簡稱《教程》）是國家級規(guī)劃教材和北京市精品教材，迄今已累計發(fā)行逾二十萬冊，在全國具有一定的影響力。《教程》第三版的修訂工作于2013年4月啟動，2017年完成出版。本文作者負責(zé)其中的數(shù)字電子技術(shù)實驗的編寫，基于OBE模式和“以學(xué)生為中心”的理念，以能力素質(zhì)為導(dǎo)向設(shè)置實驗項目，將系統(tǒng)思維能力的建立和培養(yǎng)融入教材中。

一、總體編寫思路

現(xiàn)代腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的研究結(jié)果表明，學(xué)習(xí)是大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受和加工外部信息并改變自身結(jié)構(gòu)從而造成行為變化的過程，記憶是信息存儲和提取的過程。初級認知模型形成的知識是碎片化的，只有經(jīng)過思維整理之后形成更大的知識框架，知識才是整體性的，位于其中不同層次、不同環(huán)節(jié)的知識點才更便于理解和記憶。現(xiàn)有的實驗教材通常由若干個分散的、獨立的實驗內(nèi)容構(gòu)成，因此，學(xué)生在做完全部實驗之后，在大腦中形成的知識大多是散亂的、片段的，難以形成體系性的知識架構(gòu)，故在以后的學(xué)習(xí)或?qū)嵺`應(yīng)用中很難有效地利用已有的知識，更難形成有效的系統(tǒng)思維方式。因此，如何幫助學(xué)生有效地建構(gòu)和整理知識，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性思維能力，是“以學(xué)生為中心”的教學(xué)范式改革研究的核心內(nèi)容之一，也是本文作者編寫教材時重點思考的問題。教材總體編寫思路如下：

首先，進行頂層設(shè)計，從系統(tǒng)性思維和能力培養(yǎng)出發(fā)，考慮如何設(shè)置實驗項目能夠讓學(xué)生通過實驗預(yù)習(xí)、設(shè)計和實際操作，在大腦中構(gòu)建完整的知識體系架構(gòu)，并從系統(tǒng)的角度去理解單元模塊和知識點的功能，進而對實現(xiàn)這些功能的電路和器件有更深刻的認識。例如教材修訂之后的內(nèi)容只保留了“基本邏輯門邏輯功能測試”和“觸發(fā)器、鎖存器邏輯功能測試”兩個基礎(chǔ)驗證性實驗，增加了組合邏輯、時序邏輯以及模數(shù)混合綜合設(shè)計實驗項目，每一個綜合設(shè)計實驗項目都是由若干個單元電路實驗有機構(gòu)成的（單元電路實驗均可獨立進行），指導(dǎo)教師可根據(jù)具體情況靈活安排實驗內(nèi)容。

其次，知識記憶代表著大腦對知識的基本認知，知識提取則表明大腦在后期學(xué)習(xí)及實踐中對記憶知識的靈活拓展應(yīng)用。因此在培養(yǎng)學(xué)生從系統(tǒng)的角度理解知識的基礎(chǔ)上，實驗教材更注重于在實驗的過程中通過不斷強化學(xué)生對知識的系統(tǒng)性思維和整理，提高學(xué)生對已學(xué)過知識的靈活及拓展應(yīng)用的能力，從而使學(xué)生真正具備數(shù)字電子技術(shù)的初級實踐能力。

第三，考慮到實驗教材的定位是實驗教學(xué)，不是電子課程設(shè)計或電子設(shè)計創(chuàng)新，因此教材中實驗項目的選擇原則是系統(tǒng)性、應(yīng)用性、設(shè)計性、完整性，不追求功能強大、指標高精尖。

二、具體實施

下面以組合邏輯綜合設(shè)計實驗項目為例介紹編寫的具體實施過程。

（一）設(shè)計任務(wù)及要求

1.完成兩個1位十進制數(shù)相加并顯示其結(jié)果；2.采用常用中規(guī)模集成電路；3.被加數(shù)和加數(shù)通過按鍵輸入，結(jié)果通過數(shù)碼管顯示；4.設(shè)計思路要清晰，單元電路的功能定位準確，整體電路的穩(wěn)定性強，可擴展性強。

（二）設(shè)計要點

1.邏輯思維的建立

數(shù)字邏輯電路處理的對象是用兩種不同電平表示的0和1這兩個離散量，而要解決的實際問題在現(xiàn)實生活中的表現(xiàn)形式卻多種多樣，如何將二者有機地聯(lián)系起來，這需要電路設(shè)計者建立正確的邏輯思維。

2.準確理解設(shè)計任務(wù)，完成頂層設(shè)計

具體而言，就是確定整體系統(tǒng)架構(gòu)中輸入量、輸出量、中間處理環(huán)節(jié)三者之間的聯(lián)系，以及各個模塊電路的功能。頂層設(shè)計的成功與否在很大程度上將決定知識架構(gòu)的完整與否。

3.按照最優(yōu)原則，完成各模塊電路的設(shè)計

所謂最優(yōu)原則，是指在保證完成各項設(shè)計要求的前提下，設(shè)計的可靠性、經(jīng)濟性、可擴展性、工藝性等諸方面的平衡統(tǒng)一，即最適合性。模塊電路的設(shè)計側(cè)重具體的知識點應(yīng)用，應(yīng)在理解整體知識架構(gòu)的基礎(chǔ)上完成此項工作。

4.功能模塊電路互聯(lián)、測試、統(tǒng)調(diào)

此環(huán)節(jié)非常容易出現(xiàn)新的問題，并由此帶來原設(shè)計方案的調(diào)整和再設(shè)計，循環(huán)往復(fù)，直至完成所有的設(shè)計要求。也正是基于此環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)知識的反復(fù)性記憶、提取和應(yīng)用。

（三）設(shè)計原理及參考電路

1.題目分析

十進制是日常生活中大家最常用也最熟悉的數(shù)制，其構(gòu)成的個體從0至9，需要十→四編碼器得到加數(shù)和被加數(shù)相應(yīng)的4位二進制數(shù)，然后用二進制加法器完成相加運算，再通過譯碼顯示電路將結(jié)果顯示出來。其頂層設(shè)計框圖如圖1所示。

2.單元功能模塊設(shè)計

（1）10-4編碼電路：十進制數(shù)包含0至9十個個體，根據(jù)編碼的要求，需要4位二進制數(shù)加以區(qū)分，可采用74LS147優(yōu)先編碼器來實現(xiàn)此設(shè)計目標，它能將輸入的十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的8421BCD碼。

（2）二進制加法電路：查閱資料可知，能夠完成兩個4位二進制數(shù)相加的常用集成電路是74LS283，它有一個低位進位輸入端CI0，有一個高位進位輸出端CO4，所以，很容易利用這兩個端口實現(xiàn)多個加法器的級聯(lián)，以此實現(xiàn)多位二進制數(shù)的相加。

（3）顯示電路：包括數(shù)碼管和譯碼電路。數(shù)碼管內(nèi)部一般由8個發(fā)光二極管組成，包含7個段劃和一個小數(shù)點，位置排成“—.”形，有共陰和共陽兩種不同的類型。一般而言，發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降為1.5～2.0 V，工作電流為10～20 mA，電流過大會損壞器件，使用時必須查閱器件的參數(shù)手冊并選擇合適的限流電阻。顯示譯碼電路的功能實質(zhì)上是將輸入的8421BCD碼轉(zhuǎn)換成輸出的7段碼以點亮數(shù)碼管，其實質(zhì)是一種代碼轉(zhuǎn)換電路，和共陰數(shù)碼管配合使用的有74LS48，和共陽數(shù)碼管配合使用的有74LS47。代碼轉(zhuǎn)換電路屬于譯碼器的一種，常用的譯碼器還有2→4譯碼器74LS139、3→8譯碼器74LS138、4→10譯碼器74LS42等。

3.系統(tǒng)電路

按照上述分析，將各個單元電路綜合起來，構(gòu)成系統(tǒng)電路，進行實驗接線驗證。

4.問題分析

當兩個十進制數(shù)相加的結(jié)果小于等于9時，系統(tǒng)功能一切正常，但當結(jié)果大于9時，就會顯示錯誤的字符，原因在于一個數(shù)碼管能顯示的最大數(shù)字就是9。解決方法是增加一個數(shù)碼管，分別顯示個位和十位。接下來需要思考的是，如何用電路完成對74LS283輸出結(jié)果是否大于9的判斷。

5.故障解決

可將相加后的結(jié)果和9進行比較，查閱資料可知，能夠完成兩個4位二進制數(shù)比較的常用集成電路有74LS85。

至此，我們對該綜合設(shè)計實驗項目題目有了新的、更深入的認識。兩個1位十進制數(shù)A和B分別通過10→4編碼器得到兩個4位二進制數(shù)，送到加法器完成加法運算，其結(jié)果送到比較器與9進行比較，當結(jié)果小于等于9時，通過控制端有效直接進行顯示；當結(jié)果大于9時，其與6相加后再通過相應(yīng)控制端顯示。修改后的設(shè)計框圖如圖2所示。

6.完成最終設(shè)計

可先通過multisim等仿真軟件對總體電路進行邏輯功能測試，如果滿足設(shè)計要求，再連接實際電路驗證。

（四）設(shè)計拓展

如果設(shè)計題目改為完成兩個1位十進制數(shù)相減并顯示其結(jié)果，那么又該如何完成設(shè)計任務(wù)呢？通過分析可知，兩個1位十進制數(shù)相減，同樣要先轉(zhuǎn)換成兩個4位的二進制數(shù)，再利用補數(shù)的概念將減法轉(zhuǎn)換成加法，即先將兩個數(shù)A和B進行大小比較，如果A≥B，就進行A+（B）補的運算，如果A

這里A和B的比較結(jié)果決定了是選擇A+（B）補操作還是選擇B+（A）補操作，數(shù)字電子技術(shù)中的數(shù)據(jù)選擇器的工作原理也是如此，只是執(zhí)行的工作是從若干路輸入端數(shù)據(jù)中將滿足條件的一路數(shù)據(jù)選出來。常用的有4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153，8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151等。

（五）總結(jié)

根據(jù)以上介紹的內(nèi)容可知，上述綜合設(shè)計實驗項目涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)所有常見和典型的中規(guī)模組合集成電路，包括編碼器、譯碼器、加法器、比較器、顯示器和數(shù)據(jù)選擇器，更為關(guān)鍵的是，這些集成電路是相互關(guān)聯(lián)的，它們構(gòu)成了系統(tǒng)的各個功能模塊。學(xué)生通過完整的實驗實施過程，系統(tǒng)性思維將得到有效訓(xùn)練，對知識的理解和掌握必將更加穩(wěn)固。限于篇幅，上述集成芯片的管腳圖、功能表和單元電路的實驗接線圖、數(shù)據(jù)記錄表格均略去不表。時序邏輯電路綜合實驗同樣設(shè)計了一個包含鎖存器、計數(shù)器和555定時器等典型時序集成器件的項目，實施過程同上，在此不再贅述。

三、結(jié)語

本次數(shù)字電子技術(shù)實驗教材的修訂是在參編院校多年工程教育改革的基礎(chǔ)上，不斷總結(jié)、積累和創(chuàng)新的結(jié)果。基于OBE和“以學(xué)生為中心”的理念，將系統(tǒng)性思維能力訓(xùn)練融入基礎(chǔ)實驗教材中，是一次全新的嘗試，修訂力度非常大。修訂后的教材已在北京石油化工學(xué)院試用了兩輪，總體效果較好。下一步希望通過全國其他高校的使用得到相應(yīng)反饋意見，且根據(jù)科學(xué)評價進而決定是否將基于系統(tǒng)思維能力培養(yǎng)的編寫理念推廣到教材的其他部分。

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[責(zé)任編輯 劉鳳華]