自動化類專業人才的系統思維能力培養探析

［摘 要］自動化類專業人才的系統思維能力培養非常重要，如何通過課程教學把系統思維貫徹到人才培養的具體行動中值得思考。文章將本科核心基礎課數字電子技術基礎、微機原理及接口技術的思維進行融通，重構課程教學內容體系，分別增加了數字系統和計算機應用系統設計相關教學內容；并以典型而復雜的數字系統——計算機硬件系統為例開展數字電子技術基礎課程教學，培養了學生的系統觀和系統思維，提高了學生解決復雜工程問題的能力。

［關鍵詞］系統思維；數字系統；復雜工程問題

［中圖分類號］G640 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）19-0135-06

2017年，教育部開始推進新工科建設的研究與實踐，聚焦“復雜工程問題”，培養學生解決“復雜工程問題”的能力，積極主動培養適應新一輪科技革命與產業變革所需的新型工科人才，以應對新工科建設背景下各產業的新需求和新挑戰[1]。《中國制造2025》為我國自動化行業發展以及人才需求的變化指明了方向，迫切需求具有系統思維、跨學科融合創新能力與工程職業素養的人才[2]。

在新工科和智能制造的背景下，自動化專業人才需要具備系統思維和解決“復雜工程問題”能力，能夠對各種應用系統進行檢測、控制與優化，小到溫度檢測系統，大到電力系統、飛機、火箭等的系統控制。系統思維水平與設計思維水平有顯著的相關性，系統思維水平越高，設計思維水平越高。若學生對于系統的結構特征認識不足，將導致其在設計過程中缺乏對系統結構和變化的思考[3]。自動化專業的學生必須具有系統觀，以及系統思維的能力。在本科教學中，如何更早地培養學生的系統思維，對自動化專業學生的學習來說至關重要。

本文將筆者主講的數字電子技術基礎（以下簡稱“數電”）、微機原理及接口技術（以下簡稱“微原”）課程進行思維融通，從基本門電路→數字電路→數字系統→計算機系統→計算機應用系統，逐步培養學生的系統思維和解決復雜工程問題的能力。以大二下的“數電”課程教學為例，介紹了系統思維的培養過程，實現了從數字電路設計到數字系統設計的飛躍。

一、自動化專業的系統思維

自動化專業屬工學門類，涵蓋范圍較廣，包括控制科學與工程、電氣工程、計算機技術等。自動化專業的人才培養特點之一是強調系統思維能力的培養，讓學生學會從系統思維的角度思考學科相關內容并解決實際問題[4]。

錢學森院士作為中國系統工程學科專業的開創者、控制理論方面的專家，在《論系統工程》中提出，“系統”是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的具有特定功能的有機整體。這些組成部分稱為分系統。我們把極其復雜的研制對象稱為“系統”，而且這個“系統”本身又是它所從屬的一個更大系統的組成部分。書中表述了系統、分系統、大系統及其之間的關系[5]。

錢學森在談到系統思維和系統思想方法時，認為人類在知道系統思想、系統工程之前，就已在進行辯證的系統思維了，把系統思維看成是人類社會自然形成的思維[5]。系統思維指以系統的規則去看待事物的思維方式，這些規則包括關注系統邊界、系統結構和相互關系，采用多視角，考慮系統隨時間的變化，運用整體和全局思維思考問題等[3]。

北京航空航天大學自動化專業主要面向航空航天領域，以飛機、導彈、載人飛船等復雜系統為研究對象。飛機作為一個大系統，包含飛機系統、發動機系統、飛機操縱系統、航空電子系統等多個系統，每個系統又包含多個分系統，各分系統之間相互作用、相互依賴，必須作為一個整體進行系統研究。飛機設計是一個多學科協同設計優化的過程，因此，自動化專業的學生必須具有系統思維的能力，從系統及其分系統關聯的角度看問題，強調全局優化的觀念。

二、基于系統思維的課程內容體系設計

（一）多課思維融通，優化課程內容體系

“數電”“微原”課程是電子、信息、通信、自動化等相關專業的核心基礎課程[6]。這兩門課程是引領自動化、電子電氣工程相關工科專業學生進入現代自動化系統和復雜數字系統領域的基石。目前國內很多高校自動化專業這些課程的教學內容、教學方式沒有跟上電子技術發展的步伐，其主要表現在以下幾方面。

1.“數電”課程的基本內容有邏輯代數基礎、門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、半導體存儲器、可編程器件、脈沖電路、數模和模數轉換[7]。課程沒有數字系統應用設計的內容，導致培養出來的學生缺乏復雜數字系統設計的思維和能力。

2.“微原”的基本內容有計算機基礎、處理器技術、指令系統與程序設計、接口技術與中斷技術、常用接口芯片及其應用。課程缺乏計算機應用系統設計的內容，導致學生缺乏計算機應用系統設計實踐和系統思維能力。

3.各門課程各自為政，教學環節存在孤立性與單一性，能力培養環節分散在各門課程中，各環節的設計與銜接缺乏清晰的組織與規劃，能力訓練缺少循序漸進的過程[3]。如部分學生在學習“微原”課程時，分不清寄存器與存儲器。學生系統思維能力沒有得到充分鍛煉，在畢業設計和研究生階段不能真正地運用所學知識解決實際問題。

針對上述問題，筆者利用系統思維的教學理念，將主講的自動化專業本科生核心課“數電”“微原”融會貫通，重構教學內容設計，構建了從基本門電路→數字電路→數字系統→計算機系統→計算機應用系統的課程內容體系，具體如圖1所示。

模型計算機內容放在大三的“微原”課程中，用于說明計算機的組成與工作原理，但如果只用簡單的框圖說明，多數學生不能很好地理解。而其各組成部件在“數電”課程中都有介紹，只是學生把它們當成了一個個孤立的知識點，不能將其與計算機聯系起來。因此，在大二下學期的“數電”課程中，增加了“模型計算機”章節，以計算機硬件系統這個典型數字系統為例，綜合運用中小規模集成電路和大規模集成電路進行模型計算機的設計與實現，建立學生的系統觀念與系統思維。

在大三上學期的“微原”課程中，學生對于計算機的硬件基礎知識體系已經建立，計算機組成原理講解就順暢了許多，并節省了課時。在“微原”課程中，增加了“計算機應用系統”章節，以溫度檢測報警系統為例，綜合運用CPU、常用DI/DO接口和AI/AO接口芯片、溫度傳感器和蜂鳴器等實際外部設備，進行計算機應用系統的設計與實現，強化學生的系統思維；進一步以飛機操縱系統為例，啟發學生運用計算機、常用接口、飛機駕駛桿與操縱舵面進行飛機操縱系統的軟硬件設計，結合同期學習的自動控制原理課程中的設計控制算法等，提升學生系統思維能力，為后期的專業課程學習、畢業設計等環節夯實基礎。

（二）“數電”教學系統思維設計

下面以“數電”課程為例，介紹在實際教學中如何培養學生的系統觀及系統思維。

作為本專業第一門工程基礎課程，“數電”與現代電子技術發展緊密聯系。電子元器件具有理論性、邏輯性強的特點，且其內容較抽象，使部分學生感覺學習起來比較困難，且難以將其與實際應用聯系起來。如何做到學以致用，培養學生的實踐能力和系統思維？這一問題需要教師認真思考。

現代社會，計算機已是每個大學生的標配，因此計算機對于大學生來講既熟悉又陌生，每天都在用卻不知其組成及工作原理。計算機的物理基礎為門電路，計算機是一個典型而復雜的數字系統。因此，本文以模型計算機為橋梁，將“數電”與“微原”課程進行融通，優化和重構了課程內容體系，并以計算機硬件系統為例介紹數字系統的設計，培養學生系統思維的能力。

計算機的硬件系統由控制器、運算器、內存儲器、輸入設備、輸出設備五部分組成，各部分之間通過總線進行信息交換。而控制器和運算器集成在一個芯片里，稱為微處理器，即CPU。

計算機硬件系統是一個非常復雜的數字系統，各組成部分可以看作計算機系統的分系統，每一個分系統又由多個子系統組成。筆者分析了計算機各組成部分的硬件電路與“數電”課程中關鍵知識點之間的關系（見圖2），并設計了一系列計算機硬件系統的數字電路案例，構建了“數電”課程思維導圖（見圖3）。

根據系統思維的整體觀，在“數電”課程的第一堂課，采用提問與總結的形式介紹“計算機組成”。首先啟發學生分析計算機的各組成部分，然后根據計算機的馮·諾依曼結構，將各設備歸納到計算機的五大組成部分中，讓學生建立起對計算機系統的整體認識。接著以計算機硬件系統為例，在數電課程學習過程中，通過一系列計算機硬件系統的數字電路設計案例，講解門電路、組合邏輯電路設計、觸發器與時序邏輯電路設計、大規模集成電路等知識。最后以模型計算機為例，有機串聯起數電課程的知識點，詳細闡述如何運用系統思維進行復雜的數字系統的設計與實現，建立起數字系統的觀念。讓學生先見到“樹”（整體），然后看樹上包含哪些“枝”（知識點），最后跳出來再看包含“枝”的“樹”，培養學生系統思維和設計復雜數字系統的能力。

三、基于系統思維的“數電”教學實踐

在講授“數電”課程時，采用系統思維法，將各章節相應知識點與計算機系統設計相關案例相對應，使學生清楚課程之間的緊密關系，激發學生的學習興趣，使其更加積極地探索知識的海洋。

（一）邏輯代數基礎與計算機中數據存儲與處理

第一章“邏輯代數基礎”中“編碼”部分包括無符號數編碼，有符號數的原碼、反碼、補碼編碼，以及BCD碼和ASCII碼等。以往教學中，教師僅側重講解所有的數據與符號在數字電路中以0、1形式表示，但對為什么有這么多編碼方式、它們又有何意義，教師并沒有進行闡述。引入計算機系統后，將學生聽過的8位機、16位機等關聯起來，并以8位機為例，進一步引申到計算機、嵌入式系統等數字系統中各種數據、符號以8位二進制數的形式存儲和處理方法，有符號數據以補碼形式表示等概念。

（二） 三態門與計算機總線機制

在門電路中，三態門是應用于計算機系統最常見、最經典的部分。三態門是一種邏輯門，具有三種輸出狀態，即高電平、低電平和高阻態，通過使能信號控制它的輸出狀態。一般來講，高電平表示邏輯1，低電平表示邏輯0，而高阻態表示門的輸出不連接到任何電源，類似于一個斷路。對應到計算機系統中，三態門能允許多個設備連接到一條信號線上，即形成了總線。

計算機總線是一組電子線路，用于連接計算機內部各個組件，如CPU、內存設備、輸入/輸出設備等。而三態門在計算機總線機制中可以實現多路復用并避免沖突，以確保準確、高效的數據運作。這有利于計算機內部各個組件之間的協調，并實現正常操作。

教學中，講述三態門原理后，教師要向學生解釋與之相關的計算機總線知識，幫助學生構建系統思維。通過三態門，可以讓多個設備（分系統）掛在系統總線上，通過總線實現各設備的信息交換。進行信息交換的設備之間傳送0或1；不進行信息交換的設備處于高阻態，相當于斷路，對系統總線無影響。總線按功能分為地址總線、數據總線和控制總線，按數據傳送方向分為單向總線和雙向總線。綜上，學生能更全面立體地認識到“數電”與計算機的緊密聯系。

（三）組合邏輯電路與計算機運行

“組合邏輯電路”是“數電”課程中內容最多，最重要的章節之一，包括組合電路的分析與設計，以及常用的集成組合器件——加法器、運算器、譯碼器、編碼器、數據選擇器、數據比較器等。這些器件在計算機的運行中起著關鍵作用。

計算機的最基本功能就是運算功能，由運算器（分系統）完成，包括邏輯運算和算術運算。在講解集成加法器74283時，由一位加法器的設計到4位集成加法器再到級聯成8位加法器，實現了8位計算機中數據加法的運算。通過實例發現無符號數和有符號數的加法運算可通過同一硬件電路實現，進一步理解了計算機中有符號數以補碼形式存儲處理的意義，并用集成加法器74283實現減法運算。如圖4，當M=0時完成8位二進制數的加法運算功能，當M=1時完成8位二進制數的減法運算功能。此外，用集成運算器74181可實現邏輯運算和算術運算的功能。

前面提到，通過三態門可讓多個設備（分系統）掛在總線上，實現各設備的信息交換，但在某一時刻，只允許一個設備向總線發送數據0或1，其他設備只能處于高阻態或數據接收狀態。而允許哪個設備向總線上發送數據呢？本章的最小項譯碼器就可以完成這樣的功能。如3線-8線最小項譯碼器74138的8個輸出端在任意時刻最多只允許一個輸出為低電平，8個輸出端可接8個設備的使能端，在任意時刻只允許一個設備的三態門使能有效，向總線發送數據；CPU的地址總線接74138的輸入端，控制設備的選擇。

總的來說，組合數字電路在計算機內部的各個層面都扮演著重要角色，它們用于執行各種邏輯、算術運算和控制操作，使計算機能夠處理數據、執行指令和完成各種計算任務。這些電路的設計和性能對計算機的效率和功能起著關鍵作用。

了解計算機運算和設備選擇與組合數字電路的關系，可以幫助學生提高學習這部分知識的興趣，讓他們能夠更好地理解和設計組合數字電路。

（四）時序邏輯電路與計算機的時序控制

“時序邏輯電路”是“數電”課程中最重要、最難的章節，包括時序電路的分析與設計，以及常用的集成時序器件——寄存器、計數器。這些器件在計算機的數據存儲和控制運行中起著關鍵作用。

計算機是典型的時序電路。在時鐘作用下完成一條條指令的取指、譯碼、執行與結果回送，從而實現程序的自動運行。

一個指令周期需要若干個時鐘周期完成。通過74160/161/162/163等集成計數器構成n進制狀態序，并與集成譯碼器74138設計成節拍發生器，控制計算機每條指令的取指、譯碼與執行過程，具體如圖5所示。

程序自動運行靠的是程序計數器的自動修改。簡單的順序執行的程序為每取走一條指令，程序計數器就自動加1，指向下一條指令，而集成計數器74161、74163等可在觸發信號（如Y2節拍）作用下自動加1，從而實現程序計數器的功能。

通過這些計算機實例，可以幫助學生理解時序的概念和意義，使其對計算機系統的工作原理逐漸熟悉，系統思維逐漸建立。

（五）大規模集成電路與存儲器

在“數電”課程中，教師一般側重講解只讀存儲器是可編程邏輯器件的基礎，導致在“微原”課程中許多學生分不清存儲器與寄存器。筆者補充了只讀存儲器與隨機存儲器在計算機中存儲指令與數據的作用，以及CPU對存儲器的讀寫操作。計算機在時序控制下，根據程序計數器的內容，從存儲器讀指令、譯碼并執行，根據指令執行需要從存儲器取數據并把運算結果送回存儲器。根據計算機地址總線和數據總線與存儲器的連接不同實現存儲器的字擴展和位擴展，根據控制總線實現對存儲器的讀、寫操作。

（六）模型計算機的設計實現

通過各章節中的計算機系統應用實例，學生對計算機的組成、工作原理、實現方法有了初步認知。在“數電”課程教材最后一章，以復雜數字系統——模型計算機的設計實現為例[8]（見圖6），筆者通過指令集設計與編碼、指令微操作設計，以及硬件系統的時鐘信號發生器、節拍發生器、內存儲器、數據寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、運算器、控制電路、輸出顯示電路等的綜合設計，將“數電”課程的知識點串聯起來，啟發學生進行數字系統設計，建立系統觀。在模型計算機的設計過程中，必須進行系統思維，綜合考慮各組成電路（分系統）之間的相互關系與硬件連接，根據設計的指令微操作進行時序設計與各種控制信號設計。在時鐘作用下，控制處理器自動地從內存器中取指、譯碼、執行，并自動修改程序計數器的內容，完成一條指令的執行后自動地取下一條指令并譯碼執行，從而完成程序的自動運行。由于分系統之間的相互依賴，觸發器的觸發選擇對系統的功能性能影響非常大，因此需對計算機硬件系統進行全面綜合考慮。

四、結語

自動化專業人才需利用系統思維進行自動化系統的檢測、信號處理與控制等工作，越早建立系統思維，越能更好地理解和掌握本學科的基礎理論和專業知識。筆者將主講的兩門自動化專業核心課程“數電”“微原”進行思維融通，優化重構了課程內容體系，并以典型而復雜的數字系統——計算機硬件系統、溫度檢測報警系統和飛機操縱系統等為例開展了課程教學，激發了學生的學習興趣，培養了學生的系統觀和系統思維，提高了學生解決復雜工程問題的能力。

在大二的“數電”課程教學中，筆者以模型計算機為切入點引入系統思維，在優化教學理念的同時不斷完善教材內容與教學形式，創新性地將模型計算機的內容編入《數字電子技術基礎》第3版教材，并錄制視頻上傳到MOOC平臺。通過自動售貨系統、交通燈控制系統、模型計算機等數字系統綜合項目的設計、仿真與硬件實現，表明學生全面深刻地理解了理論知識，具有系統思維和解決復雜邏輯問題的能力和創新意識，使課程教學更加有效。筆者主講的數字電子技術基礎課程被評為國家級一流本科課程。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 孫大為，張玉清.新工科背景下計算機系統思維能力培養模式探析[J].計算機教育，2020（7）：94-97.

[2] 李衛軍，邢延，蔡述，等.面向多學科融合的自動化類人才培養模式探索與實踐[J].高等工程教育研究，2021（6）：31-37.

[3] 紀陽，孫英敏.基于量表的工科學生設計思維與系統思維關系研究[J].高等工程教育研究，2023（5）：150-157.

[4] 藍波，張曉燕，晏涌.OBE教育模式下的系統思維能力培養：以數字電子技術實驗為例[J].大學教育，2018（8）：6-8.

[5] 李國輝，唐國明，崔婧.錢學森系統思維思想在大學課堂教學中的實踐[J].高等教育研究學報，2019，42（4）：13-19.

[6] 左冬紅，程文青，羅杰，等.“新工科”理念下數字系統貫穿式教學探索[J].電氣電子教學學報，2019，41（5）：78-80.

[7] 謝玲，陳琳琳，朱嫻，等.基于應用型人才培養的數電課程教學探索與研究[J].中國教育技術裝備，2019（22）：79-81.

[8] 胡曉光，徐東，劉麗.數字電子技術基礎[M].第3版.北京：北京航空航天大學出版社，2021.

［責任編輯：劉鳳華］