基于OBE理念的電子技術教學設計

侯建華，李振武

(菏澤學院，山東 菏澤 274015)

0 引言

電子技術是非電類工科專業的專業必修課，其既有自身的理論體系，又有很強的實踐性、基礎性、應用性、拓展性和創新性，而且隨著人工智能、大數據、物聯網技術飛速發展和計算機技術及通信技術的迅速普及，其已成為幾乎所有理工科本科生的必修課和經管類專業選修課。由于新器件、新方法的不斷出現，教育教學信息化、網絡化手段的飛速發展，電子技術課程教學內容在不斷豐富和更新，同時，由于課堂教學學時多次大量壓縮，使內容多與學時少的矛盾更加突出，依據新工科和OBE理念構建符合高素質復合型應用人才的需求，將傳統課程體系知識點解構在學習情境中，采取融教、學、練、測于一體的線上線下混合式教學，在教育領域中，通過虛擬仿真技術的應用可以為學生構建更加真實的學習情境，有助于學生學習、操作[1]；采用案例式教學，將課程思政與教學內容融合，培養學生愛國奉獻的科學精神、工匠精神及家國情懷。

基于此，為全面有效反應電子技術課程培養高素質復合型應用人才核心素養水平，以任意進制計數器設計為例，從學情分析、教學目標、教學重難點及處理、課程思政元素體現及切入點等方面以電路元器件為載體創新教學設計。

1 課前準備

1.1 學情分析

學生已經學習二進制及十進制計數器，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，對星期七進制及數字鐘的秒、分、小時進制的設計有強烈的學習欲望，對本節課內容會主動預習。

1.2 基于OBE理念的教學目標設計

依據OBE教學理論，教學目標要具體化為產出活動。就是學生學完本節課程后，能在知識、能力、素質方面達到以下目標。

1)知識目標。能應用清零法和置數法設計任意進制加法計數器；會設計減法計數器。

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

3)素質目標。在OBE教育模式中，學生學到了什么遠比如何學和什么時間學更為重要，大學階段是學生形成世界觀、人生觀和價值觀的重要時期。學生有強烈的求知欲，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，教學育人和文化育人同等重要。因此，要求學生要有嚴謹的科學態度，要辯證分析問題，透過現象看本質。

1.3 教學重難點及處理

任意進制計數器的構建，采用Multisim仿真軟件，充分進行教學設計，反復練習，自主探究找出規律，從而有效解決問題。

1.4 課程思政元素體現及切入點

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中，將思政教育貫穿落實到每一堂課當中，讓課堂教學成為落實思政教育、以德樹人的主要渠道[2]。在任意進制計數器連接課程教學中，思政元素體現及切入點如表1所示。

1.5 課前學習任務單

為了讓學生提前了解課堂學習任務，讓學生的預習活動和教師教學建立關聯，使學生可以自主展開學習，預習時能把握新課內容，了解重點，一般上節課結束后就下發下節課學習任務單。任意進制計數器連接學習任務單如圖1所示。

2 課堂教學設計和實施

課堂教學采用BOPPPS導學互動的方式教育教學模型，將教學課堂分為六個環節，分別包括：導入(Bridge-in, B)、目標(Objective, O)、前測(Pre-assessment, P)、參與式學習(Participatory Learning, P)、后測(Post-assessment，P)和總結(Summary, S)[3]。 成果導向教育(Outcomes-Based Education, OBE)是一種以學生在學習后所取得的成果或者結果作為教學活動導向的教學理念，其理念高度契合“以學生為中心”。想要實現OBE，要求相關的教學活動與評價活動都必須圍繞著學生最終的學習結果來進行，也就是要將學生的學習產出結果、教與學活動、學習結果評估三個方面有機結合起來形成一個完整的教學體系[4]。基于兩者上述特點,OBE理念和BOPPPS教學模型表現出良好的兼容性：兩者均“以學生為中心”，強調學生的學習自主性，激發學生的學習興趣，使用清晰明確的標準評價學生課堂學習成果，實現相互補充。另一方面，OBE理念的學習成果導向可以從培養高素質人才的大框架下整體性指導具體課堂的教學模式和教學內容，因此將BOPPPS教學模式與OBE理念在具體的教學過程中進行結合是可行的，融合方案如表2所示。

表2 OBE教學理念和BOPPPS教學模型的融合

2.1 OBE理念與導入環節融合

導入環節是課堂的開端,通過展示相關專業和相關行業的現狀和成就來引入課堂，使學生明確計數器技術所處專業和行業的地位，利于學生制定自己的最終學習目標，充分調動學生的課堂積極性。播放衛星發射和生產流水線用計數器微視頻，引入新課。通過觀看微視頻，引入一分鐘倒計時計數器和大容量加法計數器，讓學生了解計數器的分類及應用；通過衛星發射微視頻，讓學生了解中國航天事業發展歷程，繼承和發揚中國航天精神，為推動高質量發展注入強大動能。

2.2 OBE理念與目標環節融合

目標環節中，教師對學習的最終結果和效果制定相應的評判標準。學習成果目標可以設定為以下兩種：一是應用Multisim軟件進行電路設計能力；二是靈活運用“清零法”或“置數法”設計任意進制計數器。

2.3 OBE理念與前測(P)環節融合

針對教學內容，教師設置相關題目，利用Multisim軟件進行測試。根據學生回答的實際情況，將基礎較好與基礎較差的同學重新分組，以達到相互幫扶和補充目的，為OBE理念中的“怎么辦”做好前期準備工作。

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

針對自主學習任務單達成目標⑥：計數器分類及典型芯片介紹，學生通過查詢資料總結出加計數器和可逆計數器芯片，并各舉例，加計數器有74LS161、74LS162、74LS163、74LS290等，可逆計數器有74LS190、74LS191、74LS192等。

針對自主學習任務單課前自測題①討論：“任意進制計數器”的應用，學生總結有交通燈用秒倒計時計數器、出租車計價器、數字鐘、搶答器等應用。

教師以采用全半導體激光傳感器的手持式激光塵埃粒子計數器為例，該計數器可精確檢測并計算單位體積內空氣中不同粒徑的懸浮顆粒的個數，并可經過遠程傳輸和PC機相連，用于電子生產企業潔凈室檢測，過濾器現場檢測、撿漏；可監測生物安全，計算機室，飲料包裝環境，藥品、醫療器械生產環境，醫院潔凈手術室，汽車噴涂環境,微電子、生化制品、食品衛生、精細化工、精密機械和航空航天等生產和科研部門，是暖通空調和制藥企業及其監督管理部門貫徹GMP規范和電子生產企業選用儀器[5]。讓學生了解該計數器在前沿領域中的應用，了解計數器的應用和傳感器技術、微處理器技術及網絡技術密不可分。

通過以上環節，學生了解了計數器的分類及應用，那么如何設計任意進制的計數器，帶著疑問進入下一個教學環節。

2.4 OBE理念與參與式學習(P)環節及與后測(P)環節融合

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

2.4.1 “清零法”和“置數法”

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”共占一個計數脈沖時間，用第六個脈沖到來后的狀態“0110”來清零如圖3所示。如果觸發器的復位速度有快有慢，則可能動作慢的觸發器還未及時復位清零信號已消失，導致電路誤動作，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觸發器做鎖存器，當計數器被清零后，U4輸出為1，但SR鎖存器狀態仍保持不變，因而計數器清零信號得以維持，直到計數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脈沖高電平持續時間相等。

圖4 帶鎖存器的六進制計數器連接

教師對學生匯報進行點評，通過學生對電路優化，這樣就可避免誤動作，提高電路穩定性。但74LS161還有同步預置數功能[4]，要求學生在清零法的基礎上用置零法完成六進制計數器設計。

圖5 置零法六進制計數器連接

對于有預置數功能的計數器，除置零外，也可以置其他任意一種狀態，并通過選擇題來學習此功能。學生打開學習通，進行隨堂練習，用置“0010”法把74LS161改接成六進制計數器需用()狀態來置數。完成統計情況如圖6所示。

圖6 隨堂練習統計

對以上學習，教師進行歸納總結，接成n進制計數器。

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

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

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

2.4.2 大容量計數器的設計

教師利用PPT，講解用兩片74LS161接成同步六十進制計數器。

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

圖7 同步六十進制計數器

針對達成目標④能夠通過芯片擴展，構建大容量計數器；小組討論并分組匯報。

一組設計的是異步二十四進制計數器，如圖8所示，并通過Multisim驗證能實現。

圖8 異步24進制計數器

二組設計的是異步六十進制計數器，選擇芯片為74LS160，如圖9所示，并通過Multisim驗證能實現。

圖9 由74LS160構成的異步六十進制計數器

三組設計的是同步六十進制計數器，選擇芯片為74LS190，如圖10所示，并通過Multisim驗證能實現。

圖10 由74LS190構成的同步六十進制計數器

四組設計的是同步三十進制計數器，選擇芯片為74LS161，如圖11所示，并通過Multisim驗證能實現。

圖11 由74LS161構成的同步三十進制計數器

打開學習通，根據匯報情況和評分標準，小組自評和互評。評分標準如圖12所示，得分情況如圖13所示。

圖12 評分標準

圖13 各小組得分情況

2.5 OBE理念與總結(S)環節融合

要求學生從知識、方法、思想三方面進行總結如圖14所示，明確自己在學習過程中各方面的技能和知識的掌握是否達到預設的標準，發現自身的不足，并及時改正。同時，教師對學生理解上的不足給出針對性的建議，并對課堂的教學設計進行彈性調整，進一步優化教學方案，以達到提升教學效果、增強學生自信心目的。

圖14 本節知識小結邏輯思維圖

課程圍繞任意進制計數器設計這一中心和“清零法”及“置數法”這兩個基本點，以中規模集成計數器芯片為載體，靈活運用芯片，完成任務設計，形成一閉環。

計數器芯片模數為N，要設計的計數器模數為n：

當nN時，需要芯片擴展。

2.6 課后拓展

課后安排作業和任務，進一步培養學生的探索精神、科學思維和求知欲。該課程主要學習加計數器設計，課后拓展要求學生通過查找減計數器芯片，為衛星發射中心設計60 s倒計時計數器，以增強學生分析問題和解決問題的綜合能力。

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

3 總結

OBE理念關注學生學習成果的4個方面：達到什么樣的預期學習成果(是什么)；為什么要達到這樣的成果(為什么)；如何取得預期成果(怎么辦)；如何評價學習成果是否達成(是否完成)。BOPPPS教學模型鼓勵學生積極主動、全方位地參與到課堂教學過程的互動中。通過將兩者融合在一起，初步探討了融合OBE理念和BOPPPS教學模式的任意進制計數器教學方案的設計，在學生明確知道自己的學習目標情況下主動參與完成課程學習，在獲得自己所需要的知識同時，培養科學思維，增強學生學習自信心，并且根據學生的課堂反饋實時動態調整課堂教學設計，以構建更加契合“以學生為中心”的課堂教學方案，為本科電子技術課程教學改革提供新思路和新方法。

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