數字系統故障診斷與可靠設計教學過程中研究生創新性思維培養方法探索\t

摘 要 創新型人才的培養一直是高校教育的重大課題。針對研究生專業理論課程數字系統故障診斷與可靠設計基本概念抽象、容量較大等特點，從遷移思維、輻射思維、原點思維三個角度出發，探索對學生創新性思維的培養方法，并給出具體踐行實例。該方法可以加深學生對于知識的理解，提高教學效果，也可以為其他課程的教學工作提供參考。

關鍵詞 數字系統故障診斷與可靠設計；研究生；創新性思維；遷移思維；輻射思維；原點思維

中圖分類號：G643.2 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0109-03

0 引言

創新性思維是一種具有開創意義的思維活動，是人類開拓認識新領域、開創認識新成果的重要手段。習近平總書記在全國科技創新大會、兩院院士大會和中國科協第九次全國代表大會上指出：“到2030年時我國應進入創新型國家前列，到新中國成立100年時我國應成為世界科技強國 [1]。”而我國要建設世界科技強國的關鍵是要培育符合創新發展要求的人才隊伍。但是，創新性思維能力不是與生俱來的，而是需要經過長期的知識積累、素質磨礪才能具備的。因此，如何采取合理的教學方法加強創新型人才的培養已成為高校教育的重大課題[2-6]。

1 數字系統故障診斷與可靠設計課程

數字系統故障診斷與可靠設計是控制科學與工程方向一門重要的研究生學位專業課[7]，具備以下特點：

1）基本概念比較抽象，要求學生有扎實的數學功底，測試與設計方法復雜不易理解；

2）課程的容量較大，涵蓋數字系統的測試和綜合設計的全過程；

3）課程內容的通用性強，可以應用于各種領域的數字測試系統。

一方面，數字系統故障診斷與可靠設計的上述特點使很多學生望而生畏；另一方面，傳統的教學方法比較注重知識的傳授，忽視對學生創新性思維的培養。因此，如何采取有效的教學方法使學生在輕松掌握知識的同時，得到創新性思維的培養，值得教育工作者不斷探索。

創新性思維是以感知、記憶、思考、聯想、理解等能力為基礎，以綜合性、探索性和求新性為特征的高級心理活動[8]。針對創新性思維的特點，本文從遷移思維、輻射思維、原點思維三個角度出發，探索數字系統故障診斷與可靠設計課程對學生創新性思維的培養方法，從而提高學生的創造力，加深學生對于知識的理解，提高教學效果。

2 研究生創新性思維的培養方法

2.1?69fc23b0e5a03f412708eab32f6d9736; 遷移思維的培養

遷移思維是指人腦在發展創造性的思維過程中，根據已經獲得的知識、技能和方法等因素獲取新知識、新技能和新方法的思維能力[9]。要培養學生的遷移思維，就要引導學生在解決問題時將不同學科的知識進行遷移，并將解決其他問題的方法遷移到新問題的解決上。

例如：在講授布爾差分法時，通過解釋學生掌握了當數字系統輸入端Xi分別發生單固定故障Xi（s-a-1）和Xi（s-a-0）時，其測試矢量的求解方程分別為式（1）和（2）：

（1）

（2）

在此基礎上，進一步向學生拋出問題：如果單固定故障不是發生在輸入端，而是發生在系統內部，其測試矢量的求解方程應該如何建立呢？拋出問題后，進一步引導學生采用遷移思維進行思考：既然已經采用一定的方法建立數字系統輸入端分別發生單固定故障的測試矢量求解方程，那么類似的方法是否也可以用來解決內部單固定故障的測試問題？

要解決這個問題，首先要啟發學生思考輸入端單固定故障測試矢量求解方程的本質是什么。以單固定故障Xi（s-a-1）為例，其求解方程（1）事實上可以分解為兩個式子（3）和（4）：

（3）

（4）

其中，式（3）表示測試矢量應使故障處的正確邏輯值與故障值相反。式（4）表示數字電路輸出的正確邏輯值與故障時的值不同，也就是所求的測試矢量能使錯誤信息傳播到輸出端。在學生梳理上述求解方程的本質后，進一步引導學生采用相同的思路提出系統內部故障測試矢量的求解方法。通過學生分組討論以及與教師之間的互動，學生很快可以發現，對于系統內部某h處的單固定故障

h（s-a-1）和h（s-a-0）的測試矢量可分別用式（5）和（6）求得：

（5）

（6）

式（5）和（6）與式（3）和（4）形式十分相似。同樣以單固定故障h（s-a-1）為例，在式（5）中，表示測試矢量應使故障處的正確邏輯值與故障值相反，測試矢量應該使得h=0；表示系統輸出的正確邏輯值與故障時的值不同。由此，學生采用遷移思維解決了新問題。

遷移是思想過程中的特有現象，是人的思維發生空間的轉移。一些問題的解決方法經過遷移往往可以促使另一些問題得到解決。例如，掌握數學的基本原理有助于了解眾多普通科學技術規律。因此，在授課中注重知識之間的遷移關系，不僅有助于學生加深對知識點的理解，更有利于學生未來基于相同的思維解決新的問題。

2.2 輻射思維的培養

輻射思維又稱為發散思維、放射思維，是指大腦在思考時呈現的一種擴散狀態的思維模式，表現為思維視野廣闊、思維呈現出多維發散狀，如“一題多解”“一事多寫”“一物多用”。輻射思維的培養不僅有助于學生基于已有的方法解決新的問題，更有助于學生針對老問題提出創造性的新方法。這是創新型人才不可或缺的素質。

例如，在梳理數字系統故障診斷與可靠設計課程中所講的組合邏輯電路故障診斷方法時，可以引導學生思考：可以從哪些不同角度，提出哪些不同的方法，解決組合邏輯電路的故障診斷問題？拋出問題后，進一步引導學生采用輻射思維思考：如果采用最簡單粗暴的方式，則是窮舉法，進一步針對窮舉法測試矢量過多不實用的問題，對其進行分塊測試改進后，就形成現在使用的偽窮舉法；如果采用列方程求解某一種故障測試矢量集的思路，則是布爾差分法；如果只求某個故障一個測試矢量，則是D算法；如果采用求取所有故障的完備測試矢量集的思路，就是因果函數法。

通過上述各種方法的串講，讓學生充分體會到解決同一個問題可以有很多的思路和方法。

又例如，具有最大周期的線性移位寄存器，既可以作為隨機信號的發生器，又可以作為特征提取器，從而讓學生體會“一物多用”的妙處，進而培養學生多角度思考問題、用相同方法解決不同問題的創新性思維。

2.3 原點思維的培養

所謂原點思維，就是回歸事情的本源，重新思考問題的心智模式。培養學生的原點思維，更有利于學生看到多種問題之間的本質和聯系。

例如，在講解基于跳變次數的測試結果特征提取方法時，學生對于如何構建基于跳變次數的診斷序列很難理解。為了便于學生理解，授課教師將該問題與生活中常見的一個智趣題聯系起來。該智趣題如下：

有6袋金硬幣，其中5袋是真的，１袋屬偽造。每枚真金幣的重量完全一樣，每枚假金幣的重量完全一樣，但每枚假幣比真幣少1 g。現有一讀數秤，如何只稱一次，就能確定哪一袋金幣是假的？

對于這一問題，通過師生之間的互動，學生很快發現可以進行如下操作：

從第1袋取1枚金幣，第2袋取2枚金幣，第3袋取3枚金幣，以此類推，第6袋取6枚，然后一起稱重，少幾克就是第幾袋是假幣。

在討論獲得上述問題的答案后，進一步引導學生思考：如果6袋金幣不確定有幾袋金幣是假，如何稱重？針對這一問題，學生會發現原來的方法不再可行。通過教師的引導啟發，學生會蠻有興趣地發現，如果從第1袋取1枚金幣，第2袋取2枚金幣，第3袋取4枚金幣，以此類推，第6袋取25枚金幣，然后將稱重后減少的克數轉化為二進制，哪幾位為1，哪幾袋就是假金幣。

在解決上述智趣題的基礎上，引入基于跳變次數的數字電路診斷序列的構建問題。類似的，判斷一個電路是否有故障以及有幾個故障，就如同判斷金幣中有幾袋是假的。可以采用類似的方法解決故障診斷的問題，即可以使得當編號為1的故障發生時讓電路輸出“0”“1”的跳變次數改變1次，當編號為2的故障發生時讓電路輸出“0”“1”的跳變次數改變2次，以此類推，編號為n的故障發生時讓電路輸出“0”“1”的跳變次數改變2n-1次。如此，借助一個生活中的智趣題，學生就可以很容易地理解測試序列的構造思想。

原點思維的培養可以幫助學生快速發現事物的本質并有效建立挖掘多種問題之間本質關聯的思維習慣，對學生創新性思維的培養大有裨益。

3 結束語

創新型人才是國家發展的力量和源泉，培養創新型人才是研究生培養過程中值得不斷探索的命題。針對研究生專業理論課程數字系統故障診斷與可靠設計，從遷移思維、輻射思維、原點思維三個方面出發，探索對學生創新性思維的培養方法，并給出教學實例。該方法可以加深學生對于知識的理解，提高教學效果，獲得廣大學生的一致認可。

4 參考文獻

[1] 習近平在全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上的講話[EB/OL].（2020-06-23）[2023-05-30].https：//www.guizhou.gov.cn/ztzl/hhxxsrxxgclsxjpxsdsx/zyjh/2016n_5642402/202110/t20211011_70834856.html.

[2] 吳洪印，黃娟.創新思維與創新人才培養研究[J].企業科技與發展，2018（11）：251-252.

[3] 吳照奇，朱傳喜.基于研究生創新思維能力培養的“非線性泛函分析”課程教學探究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2022（3）：4-6.

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[6] 羅萍，周澤坤，樊華，等.研究生課程教學中“三位一體”創新思維培養[J].電氣電子教學學報，2021（23）：5-8，26.

[7] 劉穎異，袁海文，崔勇，等.科教融合視域下研究生檢測類課程的教學模式探索[J].中國教育技術裝備，2019（20）：74-76.

[8] 詹澤慧，梅虎，麥子號，等.創造性思維與創新思維：內涵辨析、聯動與展望[J].現代遠程教育研究，2019（2）：40-49，66.

[9] 劉姿彤.淺談思維遷移在高中物理學習過程中的重要意義[J].新教育時代電子雜志（學生版），2018（23）：1-2.

*項目來源：北京航空航天大學研究生教育與發展研究基金項目“科教融合培養模式在研究生檢測類課程中的實踐探索”。

作者簡介：劉穎異、崔勇、呂建勛，博士，副教授；袁海文，博士，教授。