郭 亮， 姜文聰， 呂新榮

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

0 引 言

四要素教學設計模型(4C/ID)是20世紀90年代荷蘭開放大學的約倫·范·麥里恩伯爾教授及其合作伙伴荷蘭土溫蒂大學戴杰克斯特拉教授主持研究和開發(fā)的教學模型[1-2]，是面向復雜學習的整體性教學設計模型。4C/ID教學設計包括“要素1：學習任務(1C)、要素2：支持性信息(2C)、要素3：即時性信息(3C)和要素4：分任務練習(4C)”4個組成部分。適合于復雜學習任務的4個要素之間相互關聯(lián)，且靈活組合、切換，構成了復雜學習任務實施的基本環(huán)境。

4C/ID教學設計模式認為，復雜學習任務分為兩類：非重復性技能和重復性技能。非重復性技能是指在學習任務和遷移任務兩者之間不同的技能；重復性技能是指在學習任務和遷移任務兩者之間相同的技能[3-4]。傳統(tǒng)的學習認為“整體等于部分之和”，而復雜學習得到的是“整體大于部分之和”，多出來的部分是綜合、協(xié)調這些“部分”的能力，也即4C/ID教學設計模式最大的宗旨在于培養(yǎng)學生“舉一反三”的能力。[5-7]

數(shù)字電子技術實驗教學內容寬泛，知識面廣，知識點之間的聯(lián)系較為松散[8-11]，恰恰屬于典型的復雜學習任務，知識點中蘊含了大量的重復性和非重復性技能。在4C/ID教學設計模式的框架下，將數(shù)字電子技術課程的教學內容按照“1C ：學習任務、2C：支持性信息、3C：即時性信息和4C：分任務練習”進行分類，重新組織教學內容，構建了基于4C/ID的數(shù)字電子技術教學內容體系，并在我校自動化拔尖班、電氣卓越班開展了教學實踐檢驗，為學生提供了更加有效的教學實踐模式，培養(yǎng)了學生綜合應用知識的能力，取得了顯著的效果。

1 4C/ID模式下的教學內容多元化設計

按照圖1所示結構，將數(shù)字電子技術課程教學內容按照四要素法進行劃分。首先在每一章確定若干個整體學習任務，并將其分為支持性信息和即時性信息兩部分：圍繞學習任務設計，采用課堂講授的方式傳授

圖1 4C/ID教學體系設計流程圖

支持性信息；以小組討論的方式，構建即時性信息。最后圍繞整體學習任務將二者整合到一起，以分任務訓練的策略，實現(xiàn)對學生學習過程的支持、引導與考核。

這里的支持性信息類似于傳統(tǒng)教學模式中的基礎知識，主要采用課堂講授和課后練習的信息呈現(xiàn)方式；而即時性信息類似于傳統(tǒng)教學模式中的應用練習：針對不同的應用環(huán)境，即時性信息都是不確定的，需要學生自主分析實際問題，并將其與所用到的基礎知識相關聯(lián)，因此主要采用研究性大作業(yè)、課堂討論和翻轉課堂的信息呈現(xiàn)方式。

在教學設計過程中，無論是支持性信息還是即時性息信，都圍繞具體的學習任務展開。將數(shù)字電子技術傳統(tǒng)教學內容和現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計的知識相結合，構建了13個“整體學習任務”。這些“整體學習任務”既包含數(shù)字電子技術課程的基礎知識(2C)，又涉及更高層次上的應用知識(3C)。每一個知識點的講解，都圍繞這兩個要素展開，以“整體學習任務”為主線進行課堂授課，使學生在知道“學了什么”的基礎上，還掌握了“為什么學”這個關鍵問題。

例如在第三章“組合邏輯電路的設計”中，涉及的基礎知識有：邏輯描述的理解、真值表的設計、由真值表列寫邏輯函數(shù)表達式、邏輯函數(shù)的化簡和變換、邏輯單元電路的選取與畫邏輯電路圖等。如果從課程的一開始就分別去講解這些基本知識點，例如由真值表列寫邏輯函數(shù)表達式，即使學生當時掌握了這個方法，他們也很難將其與實際問題聯(lián)系起來，因而理解不夠深刻。

在教學實踐中，首先通過“整體學習任務”將這些分散的知識點聯(lián)系起來，例如可以用“十字路口交通燈控制電路的設計”這樣一個“整體學習任務”為抓手，再圍繞它開展基礎知識的講解，這將大大提高學生對這些分散知識點的整體把控能力。它為學生提供了具體、真實、與實際應用密切相關的整體學習任務，讓學生對學習任務形成一個整體認識，提高了學生將分散知識點關聯(lián)在一起的綜合應用技能，培養(yǎng)了學生解決實際問題的整體思維方式和知識遷移能力。

將上述例子應用到整體教學設計中，構建數(shù)字電子技術課程模塊化的“整體學習任務”體系如圖2所示。

圖2中，13個整體學習任務位于右側一列，左側一列是課程的基本知識點。通過基本知識點與整體學習任務之間的連接箭頭可以看出，每個知識點不僅可以解決當前的學習任務，也可以用來解決其他多個學習任務；而在每個學習任務的教學過程中，也不僅僅涉及當前的知識點，也可能涉及其他章節(jié)的知識點——即整體學習任務與基本知識點之間是多對多的關系，這正體現(xiàn)了數(shù)字電子技術基礎知識內容龐雜、數(shù)字系統(tǒng)設計復雜多變的特點。因此，使學生在學習過程中建立知識點之間的聯(lián)系顯得尤為重要。研究性學習要求學生在掌握各個知識點的同時，更要掌握箭頭所示的連接關系。通過設立圖2所示的“整體學習任務體系”結構，將知識點與學習任務之間的關系理清，便于在以學習任務為主線的教學中覆蓋全面、突出重點。

圖2 數(shù)字電子技術4C/ID整體學習任務與支持性信息關系圖

這13個整體學習任務都源于數(shù)字電子技術的基本知識結構，涵蓋了課程的所有知識點，每個整體學習任務涉及多個支持性信息，只有靈活運用這些支持性息信，將其與實際學習任務相關聯(lián)，才能完成整體學習任務。

例如，對于復雜的整體學習任務7：秒表計時器電路分析，給學生提供了一個完整的秒表計時器的時序邏輯電路，內部包含了基本門電路、8421 BCD譯碼電路、顯示譯碼電路、計數(shù)器電路和方波脈沖產生電路等，完成這個學習任務需要首先傳授這些支持性信息，然后由學生自主的將其聯(lián)系在一起，才能實現(xiàn)預定的學習目標。

在這里，以復雜學習任務(1C)為中心的教學設計要求先把復雜學習任務進行任務劃分。在上述例子中，就是將秒表計時器電路分為時鐘產生電路、譯碼器電路、計數(shù)器電路和顯示電路等幾個分任務；然后以傳統(tǒng)課堂授課的方式依次講解針對每個分任務的支持性信息，例如：時鐘產生電路的支持性信息就是多諧振蕩器，譯碼器電路的支持性信息就是組合邏輯電路及其8421BCD譯碼方法，計數(shù)器電路的支持性信息就是觸發(fā)器及其構成的計數(shù)器電路分析，顯示電路的支持性信息就是顯示譯碼電路；最后再以設計大作業(yè)和翻轉課堂的形式，圍繞復雜學習任務本身，引導學生進行知識點的連接和再呈現(xiàn)，進而完成整個復雜學習任務的教學。

在以復雜學習任務為中心的教學設計中，經常會遇到多個復雜學習任務共用一個支持性信息的情況。例如學習任務7、10、13共用了多諧振蕩器中的方波脈沖產生電路。在教學設計過程中，只在第一次用到該支持性信息時進行詳細的課堂授課，而在以后的學習任務實現(xiàn)過程中通過MOOC和網絡、多媒體等形式引導學生復習回顧，從而加深了學生對重點、常用數(shù)字功能模塊的理解和掌握。

2 數(shù)字電子技術實驗“即時性信息”的融合教學

4C/ID模型中的“即時性信息”是針對復用性技能而言的，通常是指那些不需要理解、只需記憶的信息，它能夠促進規(guī)則的自動化，使學生熟練地使用復用性技能，能夠節(jié)省學習時間。在數(shù)字電子技術教學內容中，有一個非常典型的“即時性信息”，就是可編程邏輯器件與EDA設計方法。

為了將數(shù)字電子技術實驗教學與現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計方法相結合，將可編程邏輯器件與EDA設計方法作為“即時性信息”，融入到“支持性信息”的教學中，使其貫穿于整個數(shù)字電子技術教學過程的始終，構建了用該內容連接起整個數(shù)字電子技術課程的新型教學方法。

首先將可編程邏輯器件與EDA設計方法分為4大部分：可編程邏輯器件、硬件描述語言Verilog、數(shù)字系統(tǒng)的EDA設計方法和常用EDA設計軟件的使用，然后以時間順序分配到各個“支持性信息”的教學中。這部分內容以學生自學為主，將其拆分成單個小知識點作為自學任務，通過小測驗或自主設計答辯的形式進行督促并考核自學效果。

按照時間進度分配“即時性信息”的流程如圖3所示。圖中箭頭表示授課的時間先后順序。將可編程邏輯器件與EDA設計方法按照圖示順序融入到“支持性信息”的授課中，能夠使基本知識介紹、復雜學習任務講解和設計、仿真工具的使用同步起來，真正使學生做到即學即用。

其中的EDA仿真軟件是學習可編程邏輯器件與EDA設計方法的有力抓手，利用仿真軟件對分析設計結果進行驗證，能提高學生獨立分析和設計的能力。

圖3 將“即時性信息”融入“支持性信息”的流程示意圖

在實際的教學實踐中，引導學生對“復雜學習任務”開展研究性學習，同學們以小組為單位，自擬題目或隨機抽取已有題目，利用現(xiàn)代EDA設計方法自主設計和仿真，集體答辯，撰寫分析和設計報告。

3 基于4C/ID的課程考核與評價模式

改變傳統(tǒng)的以期末考試成績?yōu)橹?、平時作業(yè)為輔的考核方式，在強調自主學習的同時，實行多元化考核，加大數(shù)字系統(tǒng)設計與EDA仿真的實驗考核比重?？己朔绞降慕M成結構如圖4所示。

圖4 基于4C/ID的課程考核與評價模式

(1) 基于數(shù)字系統(tǒng)設計與EDA仿真的考核方法。為了達到數(shù)字電子技術課程的教學目標，讓學生具備設計數(shù)字電子系統(tǒng)的分析、設計能力，要求學生3人1組，自由組合，自主命題[12-16]，以整體學習任務為背景，學生分工合作，進行資料查閱、電路設計、EDA仿真，最后撰寫設計報告。期中采取的主要考核方式有：① 設計報告。教師根據上交的設計報告開展綜合評定，確定最終成績。創(chuàng)新性作為一個重要的評分指標，占據較高的分值。② 現(xiàn)場答辯。以班為單位，以小組答辯的形式進行考核。每小組制作PPT并選出1名代表進行課題匯報，其余小組成員負責解答問題。評委由其他班的班長和學習委員組成，給出每個小組的總成績、匯報成績及每位成員的回答問題成績。小組成績可以由組長按貢獻大小分配給組員。

(2) 以課堂測驗為日常督促手段的考核方式。為了督促學生日常的學習、考核學生的日常表現(xiàn)，每個“整體學習任務”結束后在課堂上進行小測驗，具體措施為：① 提前準備。測驗的目的是為了督促和檢驗學生對整體學習任務的開展情況，要讓學生有充分的時間進行復習、準備。② 簡化流程。每次只做一道測驗題，答題時間在5 min左右，設計整體學習任務中的某一個支持性信息，以便不占用太多的課堂時間。③ 詳細講解。每次測驗完并交卷后在整體學習任務的大背景下進行詳細講解，查缺補漏，可以達到更好的教學效果。

(3) 以課堂抽查為主的作業(yè)評價模式。為了檢驗學生對支持性息信和即時性信息的掌握程度以及應用的熟練程度，采取了以課堂抽查為督促手段的實驗評價模式。隨機抽查每個實驗小組的隨堂仿真波形和實物制作進展，用于實驗作業(yè)的日常評價，更為準確、客觀反應了同學們對整體應用技能的把握程度。

(4) 以綜合能力考查為主的實驗考試。設立實驗期末考試，占比50%?？荚噧热菔窃?3個學習任務以外選取的8個分任務訓練。要求學生3人1組，在這8個分任務訓練中任選1個，3 h內在開放實驗室完成設計、仿真、連線和測試，最后上交測試數(shù)據。

4 結 語

電工電子教學中心通過2年多的摸索與實踐，建立并不斷完善了基于4C/ID的數(shù)字電子技術實驗教學模式，創(chuàng)新性地圍繞“整體學習任務”構建了將“支持性信息”和“即時性信息”相融合的數(shù)字電子技術實驗教學內容，并不斷完善了新的教學體系，逐步形成了獨有的教學特色，大大提高了學生在數(shù)字系統(tǒng)分析和設計方面的實踐能力，取得了顯著的教學效果。