藍(lán)波 張曉燕 晏涌

[摘 要]系統(tǒng)思維能力和工程素養(yǎng)是基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的OBE教育模式最為關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，實(shí)驗(yàn)教材作為實(shí)踐教學(xué)體系的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生上述能力方面應(yīng)發(fā)揮其不可或缺的作用。數(shù)字電子技術(shù)課程教材《電子電子基礎(chǔ)實(shí)踐教程》的編寫突出了學(xué)生系統(tǒng)思維能力的建立和培養(yǎng)，可將數(shù)字電子技術(shù)全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)建成若干個(gè)具有一定實(shí)際功能的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目分解為相互關(guān)聯(lián)的不同單元模塊，每個(gè)模塊包含相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。試用結(jié)果表明，使用該教材使學(xué)生的系統(tǒng)性思維得到了有效訓(xùn)練，使其對(duì)知識(shí)的理解和掌握更加穩(wěn)固。

[關(guān)鍵詞]系統(tǒng)思維能力；OBE；以學(xué)生為中心；數(shù)字電子技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教材

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）08-0006-03

○、引言

受高等教育質(zhì)量問責(zé)運(yùn)動(dòng)以及工程人才國(guó)際流動(dòng)性增強(qiáng)等影響，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的OBE（Outcome Based Education）教育模式已得到國(guó)內(nèi)外越來越多的高校的認(rèn)同。OBE理念強(qiáng)調(diào)教育者必須對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的能力及其水平有清楚的構(gòu)想，然后尋求設(shè)計(jì)適宜的教育結(jié)構(gòu)來保證學(xué)生達(dá)到這些預(yù)期目標(biāo)。各個(gè)國(guó)家對(duì)工科專業(yè)畢業(yè)生的知識(shí)、能力和職業(yè)素養(yǎng)的制定標(biāo)準(zhǔn)不完全一樣，但大致相同，可分為專業(yè)知識(shí)、工程能力、工程背景、個(gè)人素質(zhì)和職業(yè)能力等幾大類。課程是教育結(jié)構(gòu)中最為基礎(chǔ)卻又最重要的組成部分，OBE模式明確了每門課程都應(yīng)進(jìn)行“反向設(shè)計(jì)”，以實(shí)現(xiàn)其應(yīng)承擔(dān)的對(duì)畢業(yè)能力的貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，“以學(xué)生為中心” （Student-centeredness，SC）的學(xué)習(xí)范式開始逐漸取代傳統(tǒng)的傳授范式在課程教學(xué)中得到推廣和應(yīng)用?！耙詫W(xué)生為中心”的學(xué)習(xí)范式與傳統(tǒng)范式最大的不同就是把學(xué)生作為教學(xué)的“主體”，課程設(shè)計(jì)者需要重點(diǎn)關(guān)注的是為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)建立穩(wěn)固的知識(shí)架構(gòu)，并讓學(xué)生學(xué)會(huì)從系統(tǒng)性思維的角度思考學(xué)科相關(guān)的內(nèi)容并解決實(shí)際問題。系統(tǒng)性思維能力是一種運(yùn)用系統(tǒng)論理論及成果，來創(chuàng)造新概念、新思路、新事物，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。用系統(tǒng)性思維思考解決某一問題時(shí)，并不是把其當(dāng)成一個(gè)孤立的問題來處理，而是將其放在一個(gè)有機(jī)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)里進(jìn)行觀察與分析。從本質(zhì)上說，系統(tǒng)性思維是思考者以系統(tǒng)的觀點(diǎn)，從整體與部分、部分與部分、整體與環(huán)境的相互聯(lián)系和作用的關(guān)系中，綜合地進(jìn)行分析、考察和認(rèn)識(shí)事物的思維方法。

數(shù)字電子技術(shù)是電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)培養(yǎng)方案框架中占據(jù)著非常重要的位置，課程包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)，二者相互支撐，同等重要。實(shí)踐教材是實(shí)踐教學(xué)的載體，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力和工程實(shí)踐能力來說必不可少。傳統(tǒng)的實(shí)踐教材編寫思路通常將實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性幾個(gè)類別，并以知識(shí)點(diǎn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這就導(dǎo)致學(xué)生掌握的是一個(gè)個(gè)割裂的知識(shí)碎片，當(dāng)他們面對(duì)實(shí)際應(yīng)用性問題時(shí)，仍無法從既有知識(shí)庫(kù)中構(gòu)建有效的知識(shí)框架?！峨姽る娮踊A(chǔ)實(shí)踐教程》（以下簡(jiǎn)稱《教程》）是國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材和北京市精品教材，迄今已累計(jì)發(fā)行逾二十萬冊(cè)，在全國(guó)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(dòng)，2017年完成出版。本文作者負(fù)責(zé)其中的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的編寫，基于OBE模式和“以學(xué)生為中心”的理念，以能力素質(zhì)為導(dǎo)向設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將系統(tǒng)思維能力的建立和培養(yǎng)融入教材中。

一、總體編寫思路

現(xiàn)代腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的研究結(jié)果表明，學(xué)習(xí)是大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受和加工外部信息并改變自身結(jié)構(gòu)從而造成行為變化的過程，記憶是信息存儲(chǔ)和提取的過程。初級(jí)認(rèn)知模型形成的知識(shí)是碎片化的，只有經(jīng)過思維整理之后形成更大的知識(shí)框架，知識(shí)才是整體性的，位于其中不同層次、不同環(huán)節(jié)的知識(shí)點(diǎn)才更便于理解和記憶?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教材通常由若干個(gè)分散的、獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成，因此，學(xué)生在做完全部實(shí)驗(yàn)之后，在大腦中形成的知識(shí)大多是散亂的、片段的，難以形成體系性的知識(shí)架構(gòu)，故在以后的學(xué)習(xí)或?qū)嵺`應(yīng)用中很難有效地利用已有的知識(shí)，更難形成有效的系統(tǒng)思維方式。因此，如何幫助學(xué)生有效地建構(gòu)和整理知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性思維能力，是“以學(xué)生為中心”的教學(xué)范式改革研究的核心內(nèi)容之一，也是本文作者編寫教材時(shí)重點(diǎn)思考的問題。教材總體編寫思路如下：

首先，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)性思維和能力培養(yǎng)出發(fā)，考慮如何設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、設(shè)計(jì)和實(shí)際操作，在大腦中構(gòu)建完整的知識(shí)體系架構(gòu)，并從系統(tǒng)的角度去理解單元模塊和知識(shí)點(diǎn)的功能，進(jìn)而對(duì)實(shí)現(xiàn)這些功能的電路和器件有更深刻的認(rèn)識(shí)。例如教材修訂之后的內(nèi)容只保留了“基本邏輯門邏輯功能測(cè)試”和“觸發(fā)器、鎖存器邏輯功能測(cè)試”兩個(gè)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加了組合邏輯、時(shí)序邏輯以及模數(shù)混合綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每一個(gè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是由若干個(gè)單元電路實(shí)驗(yàn)有機(jī)構(gòu)成的（單元電路實(shí)驗(yàn)均可獨(dú)立進(jìn)行），指導(dǎo)教師可根據(jù)具體情況靈活安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

其次，知識(shí)記憶代表著大腦對(duì)知識(shí)的基本認(rèn)知，知識(shí)提取則表明大腦在后期學(xué)習(xí)及實(shí)踐中對(duì)記憶知識(shí)的靈活拓展應(yīng)用。因此在培養(yǎng)學(xué)生從系統(tǒng)的角度理解知識(shí)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)教材更注重于在實(shí)驗(yàn)的過程中通過不斷強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)性思維和整理，提高學(xué)生對(duì)已學(xué)過知識(shí)的靈活及拓展應(yīng)用的能力，從而使學(xué)生真正具備數(shù)字電子技術(shù)的初級(jí)實(shí)踐能力。

第三，考慮到實(shí)驗(yàn)教材的定位是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不是電子課程設(shè)計(jì)或電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新，因此教材中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇原則是系統(tǒng)性、應(yīng)用性、設(shè)計(jì)性、完整性，不追求功能強(qiáng)大、指標(biāo)高精尖。

二、具體實(shí)施

下面以組合邏輯綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例介紹編寫的具體實(shí)施過程。

（一）設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

1.完成兩個(gè)1位十進(jìn)制數(shù)相加并顯示其結(jié)果；2.采用常用中規(guī)模集成電路；3.被加數(shù)和加數(shù)通過按鍵輸入，結(jié)果通過數(shù)碼管顯示；4.設(shè)計(jì)思路要清晰，單元電路的功能定位準(zhǔn)確，整體電路的穩(wěn)定性強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

（二）設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.邏輯思維的建立

數(shù)字邏輯電路處理的對(duì)象是用兩種不同電平表示的0和1這兩個(gè)離散量，而要解決的實(shí)際問題在現(xiàn)實(shí)生活中的表現(xiàn)形式卻多種多樣，如何將二者有機(jī)地聯(lián)系起來，這需要電路設(shè)計(jì)者建立正確的邏輯思維。

2.準(zhǔn)確理解設(shè)計(jì)任務(wù)，完成頂層設(shè)計(jì)

具體而言，就是確定整體系統(tǒng)架構(gòu)中輸入量、輸出量、中間處理環(huán)節(jié)三者之間的聯(lián)系，以及各個(gè)模塊電路的功能。頂層設(shè)計(jì)的成功與否在很大程度上將決定知識(shí)架構(gòu)的完整與否。

3.按照最優(yōu)原則，完成各模塊電路的設(shè)計(jì)

所謂最優(yōu)原則，是指在保證完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求的前提下，設(shè)計(jì)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、工藝性等諸方面的平衡統(tǒng)一，即最適合性。模塊電路的設(shè)計(jì)側(cè)重具體的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用，應(yīng)在理解整體知識(shí)架構(gòu)的基礎(chǔ)上完成此項(xiàng)工作。

4.功能模塊電路互聯(lián)、測(cè)試、統(tǒng)調(diào)

此環(huán)節(jié)非常容易出現(xiàn)新的問題，并由此帶來原設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和再設(shè)計(jì)，循環(huán)往復(fù)，直至完成所有的設(shè)計(jì)要求。也正是基于此環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的反復(fù)性記憶、提取和應(yīng)用。

（三）設(shè)計(jì)原理及參考電路

1.題目分析

十進(jìn)制是日常生活中大家最常用也最熟悉的數(shù)制，其構(gòu)成的個(gè)體從0至9，需要十→四編碼器得到加數(shù)和被加數(shù)相應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)，然后用二進(jìn)制加法器完成相加運(yùn)算，再通過譯碼顯示電路將結(jié)果顯示出來。其頂層設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2.單元功能模塊設(shè)計(jì)

（1）10-4編碼電路：十進(jìn)制數(shù)包含0至9十個(gè)個(gè)體，根據(jù)編碼的要求，需要4位二進(jìn)制數(shù)加以區(qū)分，可采用74LS147優(yōu)先編碼器來實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)目標(biāo)，它能將輸入的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的8421BCD碼。

（2）二進(jìn)制加法電路：查閱資料可知，能夠完成兩個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)相加的常用集成電路是74LS283，它有一個(gè)低位進(jìn)位輸入端CI0，有一個(gè)高位進(jìn)位輸出端CO4，所以，很容易利用這兩個(gè)端口實(shí)現(xiàn)多個(gè)加法器的級(jí)聯(lián)，以此實(shí)現(xiàn)多位二進(jìn)制數(shù)的相加。

（3）顯示電路：包括數(shù)碼管和譯碼電路。數(shù)碼管內(nèi)部一般由8個(gè)發(fā)光二極管組成，包含7個(gè)段劃和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，位置排成“—.”形，有共陰和共陽兩種不同的類型。一般而言，發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降為1.5～2.0 V，工作電流為10～20 mA，電流過大會(huì)損壞器件，使用時(shí)必須查閱器件的參數(shù)手冊(cè)并選擇合適的限流電阻。顯示譯碼電路的功能實(shí)質(zhì)上是將輸入的8421BCD碼轉(zhuǎn)換成輸出的7段碼以點(diǎn)亮數(shù)碼管，其實(shí)質(zhì)是一種代碼轉(zhuǎn)換電路，和共陰數(shù)碼管配合使用的有74LS48，和共陽數(shù)碼管配合使用的有74LS47。代碼轉(zhuǎn)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(tǒng)電路

按照上述分析，將各個(gè)單元電路綜合起來，構(gòu)成系統(tǒng)電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)接線驗(yàn)證。

4.問題分析

當(dāng)兩個(gè)十進(jìn)制數(shù)相加的結(jié)果小于等于9時(shí)，系統(tǒng)功能一切正常，但當(dāng)結(jié)果大于9時(shí)，就會(huì)顯示錯(cuò)誤的字符，原因在于一個(gè)數(shù)碼管能顯示的最大數(shù)字就是9。解決方法是增加一個(gè)數(shù)碼管，分別顯示個(gè)位和十位。接下來需要思考的是，如何用電路完成對(duì)74LS283輸出結(jié)果是否大于9的判斷。

5.故障解決

可將相加后的結(jié)果和9進(jìn)行比較，查閱資料可知，能夠完成兩個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)比較的常用集成電路有74LS85。

至此，我們對(duì)該綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目題目有了新的、更深入的認(rèn)識(shí)。兩個(gè)1位十進(jìn)制數(shù)A和B分別通過10→4編碼器得到兩個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，送到加法器完成加法運(yùn)算，其結(jié)果送到比較器與9進(jìn)行比較，當(dāng)結(jié)果小于等于9時(shí)，通過控制端有效直接進(jìn)行顯示；當(dāng)結(jié)果大于9時(shí)，其與6相加后再通過相應(yīng)控制端顯示。修改后的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

6.完成最終設(shè)計(jì)

可先通過multisim等仿真軟件對(duì)總體電路進(jìn)行邏輯功能測(cè)試，如果滿足設(shè)計(jì)要求，再連接實(shí)際電路驗(yàn)證。

（四）設(shè)計(jì)拓展

如果設(shè)計(jì)題目改為完成兩個(gè)1位十進(jìn)制數(shù)相減并顯示其結(jié)果，那么又該如何完成設(shè)計(jì)任務(wù)呢？通過分析可知，兩個(gè)1位十進(jìn)制數(shù)相減，同樣要先轉(zhuǎn)換成兩個(gè)4位的二進(jìn)制數(shù)，再利用補(bǔ)數(shù)的概念將減法轉(zhuǎn)換成加法，即先將兩個(gè)數(shù)A和B進(jìn)行大小比較，如果A≥B，就進(jìn)行A+（B）補(bǔ)的運(yùn)算，如果A

這里A和B的比較結(jié)果決定了是選擇A+（B）補(bǔ)操作還是選擇B+（A）補(bǔ)操作，數(shù)字電子技術(shù)中的數(shù)據(jù)選擇器的工作原理也是如此，只是執(zhí)行的工作是從若干路輸入端數(shù)據(jù)中將滿足條件的一路數(shù)據(jù)選出來。常用的有4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153，8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151等。

（五）總結(jié)

根據(jù)以上介紹的內(nèi)容可知，上述綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)所有常見和典型的中規(guī)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(shù)據(jù)選擇器，更為關(guān)鍵的是，這些集成電路是相互關(guān)聯(lián)的，它們構(gòu)成了系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。學(xué)生通過完整的實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程，系統(tǒng)性思維將得到有效訓(xùn)練，對(duì)知識(shí)的理解和掌握必將更加穩(wěn)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(shí)驗(yàn)接線圖、數(shù)據(jù)記錄表格均略去不表。時(shí)序邏輯電路綜合實(shí)驗(yàn)同樣設(shè)計(jì)了一個(gè)包含鎖存器、計(jì)數(shù)器和555定時(shí)器等典型時(shí)序集成器件的項(xiàng)目，實(shí)施過程同上，在此不再贅述。

三、結(jié)語

本次數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教材的修訂是在參編院校多年工程教育改革的基礎(chǔ)上，不斷總結(jié)、積累和創(chuàng)新的結(jié)果?；贠BE和“以學(xué)生為中心”的理念，將系統(tǒng)性思維能力訓(xùn)練融入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(xué)院試用了兩輪，總體效果較好。下一步希望通過全國(guó)其他高校的使用得到相應(yīng)反饋意見，且根據(jù)科學(xué)評(píng)價(jià)進(jìn)而決定是否將基于系統(tǒng)思維能力培養(yǎng)的編寫理念推廣到教材的其他部分。

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[責(zé)任編輯 劉鳳華]