基于OBE理念的電子技術(shù)教學(xué)設(shè)計

侯建華，李振武

(菏澤學(xué)院，山東 菏澤 274015)

0 引言

電子技術(shù)是非電類工科專業(yè)的專業(yè)必修課，其既有自身的理論體系，又有很強的實踐性、基礎(chǔ)性、應(yīng)用性、拓展性和創(chuàng)新性，而且隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展和計算機技術(shù)及通信技術(shù)的迅速普及，其已成為幾乎所有理工科本科生的必修課和經(jīng)管類專業(yè)選修課。由于新器件、新方法的不斷出現(xiàn)，教育教學(xué)信息化、網(wǎng)絡(luò)化手段的飛速發(fā)展，電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容在不斷豐富和更新，同時，由于課堂教學(xué)學(xué)時多次大量壓縮，使內(nèi)容多與學(xué)時少的矛盾更加突出，依據(jù)新工科和OBE理念構(gòu)建符合高素質(zhì)復(fù)合型應(yīng)用人才的需求，將傳統(tǒng)課程體系知識點解構(gòu)在學(xué)習(xí)情境中，采取融教、學(xué)、練、測于一體的線上線下混合式教學(xué)，在教育領(lǐng)域中，通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以為學(xué)生構(gòu)建更加真實的學(xué)習(xí)情境，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)、操作[1]；采用案例式教學(xué)，將課程思政與教學(xué)內(nèi)容融合，培養(yǎng)學(xué)生愛國奉獻(xiàn)的科學(xué)精神、工匠精神及家國情懷。

基于此，為全面有效反應(yīng)電子技術(shù)課程培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型應(yīng)用人才核心素養(yǎng)水平，以任意進制計數(shù)器設(shè)計為例，從學(xué)情分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點及處理、課程思政元素體現(xiàn)及切入點等方面以電路元器件為載體創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計。

1 課前準(zhǔn)備

1.1 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)二進制及十進制計數(shù)器，對集成電路74LS161和74LS290功能及管腳排列已有一定了解，除十進制外，對星期七進制及數(shù)字鐘的秒、分、小時進制的設(shè)計有強烈的學(xué)習(xí)欲望，對本節(jié)課內(nèi)容會主動預(yù)習(xí)。

1.2 基于OBE理念的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

依據(jù)OBE教學(xué)理論，教學(xué)目標(biāo)要具體化為產(chǎn)出活動。就是學(xué)生學(xué)完本節(jié)課程后，能在知識、能力、素質(zhì)方面達(dá)到以下目標(biāo)。

1)知識目標(biāo)。能應(yīng)用清零法和置數(shù)法設(shè)計任意進制加法計數(shù)器；會設(shè)計減法計數(shù)器。

2)能力目標(biāo)。提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新技能，促進學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力。

3)素質(zhì)目標(biāo)。在OBE教育模式中，學(xué)生學(xué)到了什么遠(yuǎn)比如何學(xué)和什么時間學(xué)更為重要，大學(xué)階段是學(xué)生形成世界觀、人生觀和價值觀的重要時期。學(xué)生有強烈的求知欲，渴望了解新生事物，但同時也缺乏對事物的鑒別能力。身為教師，教學(xué)育人和文化育人同等重要。因此，要求學(xué)生要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，要辯證分析問題，透過現(xiàn)象看本質(zhì)。

1.3 教學(xué)重難點及處理

任意進制計數(shù)器的構(gòu)建，采用Multisim仿真軟件，充分進行教學(xué)設(shè)計，反復(fù)練習(xí)，自主探究找出規(guī)律，從而有效解決問題。

1.4 課程思政元素體現(xiàn)及切入點

近年來，黨中央對高校思想政治教育工作越來越重視，這就要求高校在加強思想政治教育工作過程中，不能將思政教育僅僅放在思政課中由教師在課堂上完成，而是要動員所有的任課教師都參與到思政教育當(dāng)中，將思政教育貫穿落實到每一堂課當(dāng)中，讓課堂教學(xué)成為落實思政教育、以德樹人的主要渠道[2]。在任意進制計數(shù)器連接課程教學(xué)中，思政元素體現(xiàn)及切入點如表1所示。

1.5 課前學(xué)習(xí)任務(wù)單

為了讓學(xué)生提前了解課堂學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生的預(yù)習(xí)活動和教師教學(xué)建立關(guān)聯(lián)，使學(xué)生可以自主展開學(xué)習(xí)，預(yù)習(xí)時能把握新課內(nèi)容，了解重點，一般上節(jié)課結(jié)束后就下發(fā)下節(jié)課學(xué)習(xí)任務(wù)單。任意進制計數(shù)器連接學(xué)習(xí)任務(wù)單如圖1所示。

2 課堂教學(xué)設(shè)計和實施

課堂教學(xué)采用BOPPPS導(dǎo)學(xué)互動的方式教育教學(xué)模型，將教學(xué)課堂分為六個環(huán)節(jié)，分別包括：導(dǎo)入(Bridge-in, B)、目標(biāo)(Objective, O)、前測(Pre-assessment, P)、參與式學(xué)習(xí)(Participatory Learning, P)、后測(Post-assessment，P)和總結(jié)(Summary, S)[3]。 成果導(dǎo)向教育(Outcomes-Based Education, OBE)是一種以學(xué)生在學(xué)習(xí)后所取得的成果或者結(jié)果作為教學(xué)活動導(dǎo)向的教學(xué)理念，其理念高度契合“以學(xué)生為中心”。想要實現(xiàn)OBE，要求相關(guān)的教學(xué)活動與評價活動都必須圍繞著學(xué)生最終的學(xué)習(xí)結(jié)果來進行，也就是要將學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出結(jié)果、教與學(xué)活動、學(xué)習(xí)結(jié)果評估三個方面有機結(jié)合起來形成一個完整的教學(xué)體系[4]?；趦烧呱鲜鎏攸c,OBE理念和BOPPPS教學(xué)模型表現(xiàn)出良好的兼容性：兩者均“以學(xué)生為中心”，強調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使用清晰明確的標(biāo)準(zhǔn)評價學(xué)生課堂學(xué)習(xí)成果，實現(xiàn)相互補充。另一方面，OBE理念的學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向可以從培養(yǎng)高素質(zhì)人才的大框架下整體性指導(dǎo)具體課堂的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，因此將BOPPPS教學(xué)模式與OBE理念在具體的教學(xué)過程中進行結(jié)合是可行的，融合方案如表2所示。

表2 OBE教學(xué)理念和BOPPPS教學(xué)模型的融合

2.1 OBE理念與導(dǎo)入環(huán)節(jié)融合

導(dǎo)入環(huán)節(jié)是課堂的開端,通過展示相關(guān)專業(yè)和相關(guān)行業(yè)的現(xiàn)狀和成就來引入課堂，使學(xué)生明確計數(shù)器技術(shù)所處專業(yè)和行業(yè)的地位，利于學(xué)生制定自己的最終學(xué)習(xí)目標(biāo)，充分調(diào)動學(xué)生的課堂積極性。播放衛(wèi)星發(fā)射和生產(chǎn)流水線用計數(shù)器微視頻，引入新課。通過觀看微視頻，引入一分鐘倒計時計數(shù)器和大容量加法計數(shù)器，讓學(xué)生了解計數(shù)器的分類及應(yīng)用；通過衛(wèi)星發(fā)射微視頻，讓學(xué)生了解中國航天事業(yè)發(fā)展歷程，繼承和發(fā)揚中國航天精神，為推動高質(zhì)量發(fā)展注入強大動能。

2.2 OBE理念與目標(biāo)環(huán)節(jié)融合

目標(biāo)環(huán)節(jié)中，教師對學(xué)習(xí)的最終結(jié)果和效果制定相應(yīng)的評判標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)習(xí)成果目標(biāo)可以設(shè)定為以下兩種：一是應(yīng)用Multisim軟件進行電路設(shè)計能力；二是靈活運用“清零法”或“置數(shù)法”設(shè)計任意進制計數(shù)器。

2.3 OBE理念與前測(P)環(huán)節(jié)融合

針對教學(xué)內(nèi)容，教師設(shè)置相關(guān)題目，利用Multisim軟件進行測試。根據(jù)學(xué)生回答的實際情況，將基礎(chǔ)較好與基礎(chǔ)較差的同學(xué)重新分組，以達(dá)到相互幫扶和補充目的，為OBE理念中的“怎么辦”做好前期準(zhǔn)備工作。

通過回顧中規(guī)模集成芯片74LS161的管腳排列及功能表，讓學(xué)生回答哪些芯片可以實現(xiàn)視頻中的倒計時計數(shù)和十進制計數(shù)。

針對自主學(xué)習(xí)任務(wù)單達(dá)成目標(biāo)⑥：計數(shù)器分類及典型芯片介紹，學(xué)生通過查詢資料總結(jié)出加計數(shù)器和可逆計數(shù)器芯片，并各舉例，加計數(shù)器有74LS161、74LS162、74LS163、74LS290等，可逆計數(shù)器有74LS190、74LS191、74LS192等。

針對自主學(xué)習(xí)任務(wù)單課前自測題①討論：“任意進制計數(shù)器”的應(yīng)用，學(xué)生總結(jié)有交通燈用秒倒計時計數(shù)器、出租車計價器、數(shù)字鐘、搶答器等應(yīng)用。

教師以采用全半導(dǎo)體激光傳感器的手持式激光塵埃粒子計數(shù)器為例，該計數(shù)器可精確檢測并計算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒的個數(shù)，并可經(jīng)過遠(yuǎn)程傳輸和PC機相連，用于電子生產(chǎn)企業(yè)潔凈室檢測，過濾器現(xiàn)場檢測、撿漏；可監(jiān)測生物安全，計算機室，飲料包裝環(huán)境，藥品、醫(yī)療器械生產(chǎn)環(huán)境，醫(yī)院潔凈手術(shù)室，汽車噴涂環(huán)境,微電子、生化制品、食品衛(wèi)生、精細(xì)化工、精密機械和航空航天等生產(chǎn)和科研部門，是暖通空調(diào)和制藥企業(yè)及其監(jiān)督管理部門貫徹GMP規(guī)范和電子生產(chǎn)企業(yè)選用儀器[5]。讓學(xué)生了解該計數(shù)器在前沿領(lǐng)域中的應(yīng)用，了解計數(shù)器的應(yīng)用和傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)密不可分。

通過以上環(huán)節(jié)，學(xué)生了解了計數(shù)器的分類及應(yīng)用，那么如何設(shè)計任意進制的計數(shù)器，帶著疑問進入下一個教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.4 OBE理念與參與式學(xué)習(xí)(P)環(huán)節(jié)及與后測(P)環(huán)節(jié)融合

OBE 理念中學(xué)生如何取得預(yù)期學(xué)習(xí)成果的問題可以通過參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)來解決。參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)要求學(xué)生主動完整地參與到課堂學(xué)習(xí)的全過程中，包括“清零法”和“置數(shù)法”的特點及任意進制計數(shù)器的設(shè)計及芯片擴展等，避免傳統(tǒng)課堂教師“填鴨式”教學(xué)，切實地踐行“以學(xué)生為中心”。教師可以通過不同的師生互動方法，以前測環(huán)節(jié)確定的小組為單位，引導(dǎo)并鼓勵小組成員針對“清零法”和“置數(shù)法”及芯片擴展的要點和注意事項進行討論，確保教學(xué)順利進行。教師應(yīng)隨時引導(dǎo)和輔助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的困難和問題，后測環(huán)節(jié)結(jié)束后，小組成員的設(shè)計結(jié)果作為相互對比參照，討論設(shè)計過程中的收獲和不足。通過參與式學(xué)習(xí)，學(xué)生能在自主學(xué)習(xí)過程中體悟和獲得目標(biāo)知識與技能，提高解決實際問題能力。

2.4.1 “清零法”和“置數(shù)法”

教師利用PPT，講解用一片74LS161，通過“清零法”改接成六進制計數(shù)器，并通過Multisim軟件仿真驗證其正確性，如圖2所示。

圖2 用“清零法”接成六進制計數(shù)器

由于74LS161為異步清零，清零信號存在時間極端，和“0000”共占一個計數(shù)脈沖時間，用第六個脈沖到來后的狀態(tài)“0110”來清零如圖3所示。如果觸發(fā)器的復(fù)位速度有快有慢，則可能動作慢的觸發(fā)器還未及時復(fù)位清零信號已消失，導(dǎo)致電路誤動作，因此這種接法可靠性不高[5]。那怎樣來消除誤動作，提高電路可靠性，要求學(xué)生分小組討論。

小組通過討論并匯報展示答案，電路改進如圖4所示。加一個基本RS觸發(fā)器做鎖存器，當(dāng)計數(shù)器被清零后，U4輸出為1，但SR鎖存器狀態(tài)仍保持不變，因而計數(shù)器清零信號得以維持，直到計數(shù)脈沖回到低電平以后，SR鎖存器被置零，清零信號才消失，這樣可使清零信號寬度與輸入計數(shù)脈沖高電平持續(xù)時間相等。

圖4 帶鎖存器的六進制計數(shù)器連接

教師對學(xué)生匯報進行點評，通過學(xué)生對電路優(yōu)化，這樣就可避免誤動作，提高電路穩(wěn)定性。但74LS161還有同步預(yù)置數(shù)功能[4]，要求學(xué)生在清零法的基礎(chǔ)上用置零法完成六進制計數(shù)器設(shè)計。

圖5 置零法六進制計數(shù)器連接

對于有預(yù)置數(shù)功能的計數(shù)器，除置零外，也可以置其他任意一種狀態(tài)，并通過選擇題來學(xué)習(xí)此功能。學(xué)生打開學(xué)習(xí)通，進行隨堂練習(xí)，用置“0010”法把74LS161改接成六進制計數(shù)器需用()狀態(tài)來置數(shù)。完成統(tǒng)計情況如圖6所示。

圖6 隨堂練習(xí)統(tǒng)計

對以上學(xué)習(xí)，教師進行歸納總結(jié)，接成n進制計數(shù)器。

1)清零法。若為異步清零，用第n個脈沖到來后的狀態(tài)做為反饋函數(shù)來控制清零端；若為同步清零，用第(n-1)個脈沖到來后的狀態(tài)做為反饋函數(shù)來控制清零端。

2)置數(shù)法。若為異步置數(shù)，用第n個脈沖到來后的狀態(tài)做為反饋函數(shù)來控制置數(shù)端；若為同步置數(shù)，用第(n-1)個脈沖到來后的狀態(tài)做為反饋函數(shù)來控制置數(shù)端。

并不是所有的計數(shù)器都和74LS161一樣，具有異步清零和同步置數(shù)功能，如74LS162和74LS163就是同步清零；74LS190、74LS192和74LS193是異步置數(shù)，所以選擇芯片時，一定要先分析功能表。

2.4.2 大容量計數(shù)器的設(shè)計

教師利用PPT，講解用兩片74LS161接成同步六十進制計數(shù)器。

首先用清零法將個位和十位分別接成十進制和六進制，將計數(shù)脈沖分別接到兩個計數(shù)器的clk端，接成同步計數(shù)器；各位計數(shù)器EP和ET控制端接高電平，始終處于計數(shù)狀態(tài)，十位計數(shù)器在個位從0到9計數(shù)期間，處于保持狀態(tài)，在個位從9躍變到0的同時，十位加1計數(shù)，通過EP端控制如圖7所示。

圖7 同步六十進制計數(shù)器

針對達(dá)成目標(biāo)④能夠通過芯片擴展，構(gòu)建大容量計數(shù)器；小組討論并分組匯報。

一組設(shè)計的是異步二十四進制計數(shù)器，如圖8所示，并通過Multisim驗證能實現(xiàn)。

圖8 異步24進制計數(shù)器

二組設(shè)計的是異步六十進制計數(shù)器，選擇芯片為74LS160，如圖9所示，并通過Multisim驗證能實現(xiàn)。

圖9 由74LS160構(gòu)成的異步六十進制計數(shù)器

三組設(shè)計的是同步六十進制計數(shù)器，選擇芯片為74LS190，如圖10所示，并通過Multisim驗證能實現(xiàn)。

圖10 由74LS190構(gòu)成的同步六十進制計數(shù)器

四組設(shè)計的是同步三十進制計數(shù)器，選擇芯片為74LS161，如圖11所示，并通過Multisim驗證能實現(xiàn)。

圖11 由74LS161構(gòu)成的同步三十進制計數(shù)器

打開學(xué)習(xí)通，根據(jù)匯報情況和評分標(biāo)準(zhǔn)，小組自評和互評。評分標(biāo)準(zhǔn)如圖12所示，得分情況如圖13所示。

圖12 評分標(biāo)準(zhǔn)

圖13 各小組得分情況

2.5 OBE理念與總結(jié)(S)環(huán)節(jié)融合

要求學(xué)生從知識、方法、思想三方面進行總結(jié)如圖14所示，明確自己在學(xué)習(xí)過程中各方面的技能和知識的掌握是否達(dá)到預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)自身的不足，并及時改正。同時，教師對學(xué)生理解上的不足給出針對性的建議，并對課堂的教學(xué)設(shè)計進行彈性調(diào)整，進一步優(yōu)化教學(xué)方案，以達(dá)到提升教學(xué)效果、增強學(xué)生自信心目的。

圖14 本節(jié)知識小結(jié)邏輯思維圖

課程圍繞任意進制計數(shù)器設(shè)計這一中心和“清零法”及“置數(shù)法”這兩個基本點，以中規(guī)模集成計數(shù)器芯片為載體，靈活運用芯片，完成任務(wù)設(shè)計，形成一閉環(huán)。

計數(shù)器芯片模數(shù)為N，要設(shè)計的計數(shù)器模數(shù)為n：

當(dāng)nN時，需要芯片擴展。

2.6 課后拓展

課后安排作業(yè)和任務(wù)，進一步培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、科學(xué)思維和求知欲。該課程主要學(xué)習(xí)加計數(shù)器設(shè)計，課后拓展要求學(xué)生通過查找減計數(shù)器芯片，為衛(wèi)星發(fā)射中心設(shè)計60 s倒計時計數(shù)器，以增強學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力。

要求：1)合理選擇計數(shù)器芯片；2)利用同步計數(shù)和異步計數(shù)法兩種方法分別設(shè)計60 s倒計時計數(shù)器；3)利用Multisim軟件仿真設(shè)計六十進制計數(shù)器；4)電路可靠性強，實時性高，功耗低。

3 總結(jié)

OBE理念關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)成果的4個方面：達(dá)到什么樣的預(yù)期學(xué)習(xí)成果(是什么)；為什么要達(dá)到這樣的成果(為什么)；如何取得預(yù)期成果(怎么辦)；如何評價學(xué)習(xí)成果是否達(dá)成(是否完成)。BOPPPS教學(xué)模型鼓勵學(xué)生積極主動、全方位地參與到課堂教學(xué)過程的互動中。通過將兩者融合在一起，初步探討了融合OBE理念和BOPPPS教學(xué)模式的任意進制計數(shù)器教學(xué)方案的設(shè)計，在學(xué)生明確知道自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)情況下主動參與完成課程學(xué)習(xí)，在獲得自己所需要的知識同時，培養(yǎng)科學(xué)思維，增強學(xué)生學(xué)習(xí)自信心，并且根據(jù)學(xué)生的課堂反饋實時動態(tài)調(diào)整課堂教學(xué)設(shè)計，以構(gòu)建更加契合“以學(xué)生為中心”的課堂教學(xué)方案，為本科電子技術(shù)課程教學(xué)改革提供新思路和新方法。

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