OBE教育模式下的系統思維能力培養

藍波 張曉燕 晏涌

[摘 要]系統思維能力和工程素養是基于學習產出的OBE教育模式最為關鍵的評價指標之一，實驗教材作為實踐教學體系的重要組成部分，在培養學生上述能力方面應發揮其不可或缺的作用。數字電子技術課程教材《電子電子基礎實踐教程》的編寫突出了學生系統思維能力的建立和培養，可將數字電子技術全部實驗內容構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聯的不同單元模塊，每個模塊包含相應的知識點。試用結果表明，使用該教材使學生的系統性思維得到了有效訓練，使其對知識的理解和掌握更加穩固。

[關鍵詞]系統思維能力；OBE；以學生為中心；數字電子技術；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

受高等教育質量問責運動以及工程人才國際流動性增強等影響，基于學習產出的OBE（Outcome Based Education）教育模式已得到國內外越來越多的高校的認同。OBE理念強調教育者必須對學生畢業時應達到的能力及其水平有清楚的構想，然后尋求設計適宜的教育結構來保證學生達到這些預期目標。各個國家對工科專業畢業生的知識、能力和職業素養的制定標準不完全一樣，但大致相同，可分為專業知識、工程能力、工程背景、個人素質和職業能力等幾大類。課程是教育結構中最為基礎卻又最重要的組成部分，OBE模式明確了每門課程都應進行“反向設計”，以實現其應承擔的對畢業能力的貢獻。與此同時，“以學生為中心” （Student-centeredness，SC）的學習范式開始逐漸取代傳統的傳授范式在課程教學中得到推廣和應用。“以學生為中心”的學習范式與傳統范式最大的不同就是把學生作為教學的“主體”，課程設計者需要重點關注的是為學生的后續學習建立穩固的知識架構，并讓學生學會從系統性思維的角度思考學科相關的內容并解決實際問題。系統性思維能力是一種運用系統論理論及成果，來創造新概念、新思路、新事物，發現問題和解決問題的能力。用系統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聯的系統里進行觀察與分析。從本質上說，系統性思維是思考者以系統的觀點，從整體與部分、部分與部分、整體與環境的相互聯系和作用的關系中，綜合地進行分析、考察和認識事物的思維方法。

數字電子技術是電氣信息類專業的專業基礎課，在專業培養方案框架中占據著非常重要的位置，課程包括理論教學和實踐教學兩個環節，二者相互支撐，同等重要。實踐教材是實踐教學的載體，對于培養學生的系統性思維能力和工程實踐能力來說必不可少。傳統的實踐教材編寫思路通常將實驗分為驗證性、設計性、綜合性幾個類別，并以知識點設置實驗項目，這就導致學生掌握的是一個個割裂的知識碎片，當他們面對實際應用性問題時，仍無法從既有知識庫中構建有效的知識框架。《電工電子基礎實踐教程》（以下簡稱《教程》）是國家級規劃教材和北京市精品教材，迄今已累計發行逾二十萬冊，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。本文作者負責其中的數字電子技術實驗的編寫，基于OBE模式和“以學生為中心”的理念，以能力素質為導向設置實驗項目，將系統思維能力的建立和培養融入教材中。

一、總體編寫思路

現代腦科學和神經科學的研究結果表明，學習是大腦神經網絡接受和加工外部信息并改變自身結構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、不同環節的知識點才更便于理解和記憶。現有的實驗教材通常由若干個分散的、獨立的實驗內容構成，因此，學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，故在以后的學習或實踐應用中很難有效地利用已有的知識，更難形成有效的系統思維方式。因此，如何幫助學生有效地建構和整理知識，培養學生系統性思維能力，是“以學生為中心”的教學范式改革研究的核心內容之一，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，進行頂層設計，從系統性思維和能力培養出發，考慮如何設置實驗項目能夠讓學生通過實驗預習、設計和實際操作，在大腦中構建完整的知識體系架構，并從系統的角度去理解單元模塊和知識點的功能，進而對實現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容只保留了“基本邏輯門邏輯功能測試”和“觸發器、鎖存器邏輯功能測試”兩個基礎驗證性實驗，增加了組合邏輯、時序邏輯以及模數混合綜合設計實驗項目，每一個綜合設計實驗項目都是由若干個單元電路實驗有機構成的（單元電路實驗均可獨立進行），指導教師可根據具體情況靈活安排實驗內容。

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習及實踐中對記憶知識的靈活拓展應用。因此在培養學生從系統的角度理解知識的基礎上，實驗教材更注重于在實驗的過程中通過不斷強化學生對知識的系統性思維和整理，提高學生對已學過知識的靈活及拓展應用的能力，從而使學生真正具備數字電子技術的初級實踐能力。

第三，考慮到實驗教材的定位是實驗教學，不是電子課程設計或電子設計創新，因此教材中實驗項目的選擇原則是系統性、應用性、設計性、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計實驗項目為例介紹編寫的具體實施過程。

（一）設計任務及要求

1.完成兩個1位十進制數相加并顯示其結果；2.采用常用中規模集成電路；3.被加數和加數通過按鍵輸入，結果通過數碼管顯示；4.設計思路要清晰，單元電路的功能定位準確，整體電路的穩定性強，可擴展性強。

（二）設計要點

1.邏輯思維的建立

數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實生活中的表現形式卻多種多樣，如何將二者有機地聯系起來，這需要電路設計者建立正確的邏輯思維。

2.準確理解設計任務，完成頂層設計

具體而言，就是確定整體系統架構中輸入量、輸出量、中間處理環節三者之間的聯系，以及各個模塊電路的功能。頂層設計的成功與否在很大程度上將決定知識架構的完整與否。

3.按照最優原則，完成各模塊電路的設計

所謂最優原則，是指在保證完成各項設計要求的前提下，設計的可靠性、經濟性、可擴展性、工藝性等諸方面的平衡統一，即最適合性。模塊電路的設計側重具體的知識點應用，應在理解整體知識架構的基礎上完成此項工作。

4.功能模塊電路互聯、測試、統調

此環節非常容易出現新的問題，并由此帶來原設計方案的調整和再設計，循環往復，直至完成所有的設計要求。也正是基于此環節，可以實現知識的反復性記憶、提取和應用。

（三）設計原理及參考電路

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制，其構成的個體從0至9，需要十→四編碼器得到加數和被加數相應的4位二進制數，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果顯示出來。其頂層設計框圖如圖1所示。

2.單元功能模塊設計

（1）10-4編碼電路：十進制數包含0至9十個個體，根據編碼的要求，需要4位二進制數加以區分，可采用74LS147優先編碼器來實現此設計目標，它能將輸入的十進制數轉換成對應的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多個加法器的級聯，以此實現多位二進制數的相加。

（3）顯示電路：包括數碼管和譯碼電路。數碼管內部一般由8個發光二極管組成，包含7個段劃和一個小數點，位置排成“—.”形，有共陰和共陽兩種不同的類型。一般而言，發光二極管的導通壓降為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手冊并選擇合適的限流電阻。顯示譯碼電路的功能實質上是將輸入的8421BCD碼轉換成輸出的7段碼以點亮數碼管，其實質是一種代碼轉換電路，和共陰數碼管配合使用的有74LS48，和共陽數碼管配合使用的有74LS47。代碼轉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.系統電路

按照上述分析，將各個單元電路綜合起來，構成系統電路，進行實驗接線驗證。

4.問題分析

當兩個十進制數相加的結果小于等于9時，系統功能一切正常，但當結果大于9時，就會顯示錯誤的字符，原因在于一個數碼管能顯示的最大數字就是9。解決方法是增加一個數碼管，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輸出結果是否大于9的判斷。

5.故障解決

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

至此，我們對該綜合設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A和B分別通過10→4編碼器得到兩個4位二進制數，送到加法器完成加法運算，其結果送到比較器與9進行比較，當結果小于等于9時，通過控制端有效直接進行顯示；當結果大于9時，其與6相加后再通過相應控制端顯示。修改后的設計框圖如圖2所示。

6.完成最終設計

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

（四）設計拓展

如果設計題目改為完成兩個1位十進制數相減并顯示其結果，那么又該如何完成設計任務呢？通過分析可知，兩個1位十進制數相減，同樣要先轉換成兩個4位的二進制數，再利用補數的概念將減法轉換成加法，即先將兩個數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的比較結果決定了是選擇A+（B）補操作還是選擇B+（A）補操作，數字電子技術中的數據選擇器的工作原理也是如此，只是執行的工作是從若干路輸入端數據中將滿足條件的一路數據選出來。常用的有4選1數據選擇器74LS153，8選1數據選擇器74LS151等。

（五）總結

根據以上介紹的內容可知，上述綜合設計實驗項目涵蓋了數字電子技術所有常見和典型的中規模組合集成電路，包括編碼器、譯碼器、加法器、比較器、顯示器和數據選擇器，更為關鍵的是，這些集成電路是相互關聯的，它們構成了系統的各個功能模塊。學生通過完整的實驗實施過程，系統性思維將得到有效訓練，對知識的理解和掌握必將更加穩固。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、數據記錄表格均略去不表。時序邏輯電路綜合實驗同樣設計了一個包含鎖存器、計數器和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、結語

本次數字電子技術實驗教材的修訂是在參編院校多年工程教育改革的基礎上，不斷總結、積累和創新的結果。基于OBE和“以學生為中心”的理念，將系統性思維能力訓練融入基礎實驗教材中，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反饋意見，且根據科學評價進而決定是否將基于系統思維能力培養的編寫理念推廣到教材的其他部分。

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[責任編輯 劉鳳華]