四要素教学设计模型的数字电子技术实验教学模式探索

郭 亮， 姜文聪， 吕新荣

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

0 引 言

四要素教学设计模型(4C/ID)是20世纪90年代荷兰开放大学的约伦·范·麦里恩伯尔教授及其合作伙伴荷兰土温蒂大学戴杰克斯特拉教授主持研究和开发的教学模型[1-2]，是面向复杂学习的整体性教学设计模型。4C/ID教学设计包括“要素1：学习任务(1C)、要素2：支持性信息(2C)、要素3：即时性信息(3C)和要素4：分任务练习(4C)”4个组成部分。适合于复杂学习任务的4个要素之间相互关联，且灵活组合、切换，构成了复杂学习任务实施的基本环境。

4C/ID教学设计模式认为，复杂学习任务分为两类：非重复性技能和重复性技能。非重复性技能是指在学习任务和迁移任务两者之间不同的技能；重复性技能是指在学习任务和迁移任务两者之间相同的技能[3-4]。传统的学习认为“整体等于部分之和”，而复杂学习得到的是“整体大于部分之和”，多出来的部分是综合、协调这些“部分”的能力，也即4C/ID教学设计模式最大的宗旨在于培养学生“举一反三”的能力。[5-7]

数字电子技术实验教学内容宽泛，知识面广，知识点之间的联系较为松散[8-11]，恰恰属于典型的复杂学习任务，知识点中蕴含了大量的重复性和非重复性技能。在4C/ID教学设计模式的框架下，将数字电子技术课程的教学内容按照“1C ：学习任务、2C：支持性信息、3C：即时性信息和4C：分任务练习”进行分类，重新组织教学内容，构建了基于4C/ID的数字电子技术教学内容体系，并在我校自动化拔尖班、电气卓越班开展了教学实践检验，为学生提供了更加有效的教学实践模式，培养了学生综合应用知识的能力，取得了显著的效果。

1 4C/ID模式下的教学内容多元化设计

按照图1所示结构，将数字电子技术课程教学内容按照四要素法进行划分。首先在每一章确定若干个整体学习任务，并将其分为支持性信息和即时性信息两部分：围绕学习任务设计，采用课堂讲授的方式传授

图1 4C/ID教学体系设计流程图

支持性信息；以小组讨论的方式，构建即时性信息。最后围绕整体学习任务将二者整合到一起，以分任务训练的策略，实现对学生学习过程的支持、引导与考核。

这里的支持性信息类似于传统教学模式中的基础知识，主要采用课堂讲授和课后练习的信息呈现方式；而即时性信息类似于传统教学模式中的应用练习：针对不同的应用环境，即时性信息都是不确定的，需要学生自主分析实际问题，并将其与所用到的基础知识相关联，因此主要采用研究性大作业、课堂讨论和翻转课堂的信息呈现方式。

在教学设计过程中，无论是支持性信息还是即时性息信，都围绕具体的学习任务展开。将数字电子技术传统教学内容和现代数字系统设计的知识相结合，构建了13个“整体学习任务”。这些“整体学习任务”既包含数字电子技术课程的基础知识(2C)，又涉及更高层次上的应用知识(3C)。每一个知识点的讲解，都围绕这两个要素展开，以“整体学习任务”为主线进行课堂授课，使学生在知道“学了什么”的基础上，还掌握了“为什么学”这个关键问题。

例如在第三章“组合逻辑电路的设计”中，涉及的基础知识有：逻辑描述的理解、真值表的设计、由真值表列写逻辑函数表达式、逻辑函数的化简和变换、逻辑单元电路的选取与画逻辑电路图等。如果从课程的一开始就分别去讲解这些基本知识点，例如由真值表列写逻辑函数表达式，即使学生当时掌握了这个方法，他们也很难将其与实际问题联系起来，因而理解不够深刻。

在教学实践中，首先通过“整体学习任务”将这些分散的知识点联系起来，例如可以用“十字路口交通灯控制电路的设计”这样一个“整体学习任务”为抓手，再围绕它开展基础知识的讲解，这将大大提高学生对这些分散知识点的整体把控能力。它为学生提供了具体、真实、与实际应用密切相关的整体学习任务，让学生对学习任务形成一个整体认识，提高了学生将分散知识点关联在一起的综合应用技能，培养了学生解决实际问题的整体思维方式和知识迁移能力。

将上述例子应用到整体教学设计中，构建数字电子技术课程模块化的“整体学习任务”体系如图2所示。

图2中，13个整体学习任务位于右侧一列，左侧一列是课程的基本知识点。通过基本知识点与整体学习任务之间的连接箭头可以看出，每个知识点不仅可以解决当前的学习任务，也可以用来解决其他多个学习任务；而在每个学习任务的教学过程中，也不仅仅涉及当前的知识点，也可能涉及其他章节的知识点——即整体学习任务与基本知识点之间是多对多的关系，这正体现了数字电子技术基础知识内容庞杂、数字系统设计复杂多变的特点。因此，使学生在学习过程中建立知识点之间的联系显得尤为重要。研究性学习要求学生在掌握各个知识点的同时，更要掌握箭头所示的连接关系。通过设立图2所示的“整体学习任务体系”结构，将知识点与学习任务之间的关系理清，便于在以学习任务为主线的教学中覆盖全面、突出重点。

图2 数字电子技术4C/ID整体学习任务与支持性信息关系图

这13个整体学习任务都源于数字电子技术的基本知识结构，涵盖了课程的所有知识点，每个整体学习任务涉及多个支持性信息，只有灵活运用这些支持性息信，将其与实际学习任务相关联，才能完成整体学习任务。

例如，对于复杂的整体学习任务7：秒表计时器电路分析，给学生提供了一个完整的秒表计时器的时序逻辑电路，内部包含了基本门电路、8421 BCD译码电路、显示译码电路、计数器电路和方波脉冲产生电路等，完成这个学习任务需要首先传授这些支持性信息，然后由学生自主的将其联系在一起，才能实现预定的学习目标。

在这里，以复杂学习任务(1C)为中心的教学设计要求先把复杂学习任务进行任务划分。在上述例子中，就是将秒表计时器电路分为时钟产生电路、译码器电路、计数器电路和显示电路等几个分任务；然后以传统课堂授课的方式依次讲解针对每个分任务的支持性信息，例如：时钟产生电路的支持性信息就是多谐振荡器，译码器电路的支持性信息就是组合逻辑电路及其8421BCD译码方法，计数器电路的支持性信息就是触发器及其构成的计数器电路分析，显示电路的支持性信息就是显示译码电路；最后再以设计大作业和翻转课堂的形式，围绕复杂学习任务本身，引导学生进行知识点的连接和再呈现，进而完成整个复杂学习任务的教学。

在以复杂学习任务为中心的教学设计中，经常会遇到多个复杂学习任务共用一个支持性信息的情况。例如学习任务7、10、13共用了多谐振荡器中的方波脉冲产生电路。在教学设计过程中，只在第一次用到该支持性信息时进行详细的课堂授课，而在以后的学习任务实现过程中通过MOOC和网络、多媒体等形式引导学生复习回顾，从而加深了学生对重点、常用数字功能模块的理解和掌握。

2 数字电子技术实验“即时性信息”的融合教学

4C/ID模型中的“即时性信息”是针对复用性技能而言的，通常是指那些不需要理解、只需记忆的信息，它能够促进规则的自动化，使学生熟练地使用复用性技能，能够节省学习时间。在数字电子技术教学内容中，有一个非常典型的“即时性信息”，就是可编程逻辑器件与EDA设计方法。

为了将数字电子技术实验教学与现代数字系统设计方法相结合，将可编程逻辑器件与EDA设计方法作为“即时性信息”，融入到“支持性信息”的教学中，使其贯穿于整个数字电子技术教学过程的始终，构建了用该内容连接起整个数字电子技术课程的新型教学方法。

首先将可编程逻辑器件与EDA设计方法分为4大部分：可编程逻辑器件、硬件描述语言Verilog、数字系统的EDA设计方法和常用EDA设计软件的使用，然后以时间顺序分配到各个“支持性信息”的教学中。这部分内容以学生自学为主，将其拆分成单个小知识点作为自学任务，通过小测验或自主设计答辩的形式进行督促并考核自学效果。

按照时间进度分配“即时性信息”的流程如图3所示。图中箭头表示授课的时间先后顺序。将可编程逻辑器件与EDA设计方法按照图示顺序融入到“支持性信息”的授课中，能够使基本知识介绍、复杂学习任务讲解和设计、仿真工具的使用同步起来，真正使学生做到即学即用。

其中的EDA仿真软件是学习可编程逻辑器件与EDA设计方法的有力抓手，利用仿真软件对分析设计结果进行验证，能提高学生独立分析和设计的能力。

图3 将“即时性信息”融入“支持性信息”的流程示意图

在实际的教学实践中，引导学生对“复杂学习任务”开展研究性学习，同学们以小组为单位，自拟题目或随机抽取已有题目，利用现代EDA设计方法自主设计和仿真，集体答辩，撰写分析和设计报告。

3 基于4C/ID的课程考核与评价模式

改变传统的以期末考试成绩为主、平时作业为辅的考核方式，在强调自主学习的同时，实行多元化考核，加大数字系统设计与EDA仿真的实验考核比重。考核方式的组成结构如图4所示。

图4 基于4C/ID的课程考核与评价模式

(1) 基于数字系统设计与EDA仿真的考核方法。为了达到数字电子技术课程的教学目标，让学生具备设计数字电子系统的分析、设计能力，要求学生3人1组，自由组合，自主命题[12-16]，以整体学习任务为背景，学生分工合作，进行资料查阅、电路设计、EDA仿真，最后撰写设计报告。期中采取的主要考核方式有：① 设计报告。教师根据上交的设计报告开展综合评定，确定最终成绩。创新性作为一个重要的评分指标，占据较高的分值。② 现场答辩。以班为单位，以小组答辩的形式进行考核。每小组制作PPT并选出1名代表进行课题汇报，其余小组成员负责解答问题。评委由其他班的班长和学习委员组成，给出每个小组的总成绩、汇报成绩及每位成员的回答问题成绩。小组成绩可以由组长按贡献大小分配给组员。

(2) 以课堂测验为日常督促手段的考核方式。为了督促学生日常的学习、考核学生的日常表现，每个“整体学习任务”结束后在课堂上进行小测验，具体措施为：① 提前准备。测验的目的是为了督促和检验学生对整体学习任务的开展情况，要让学生有充分的时间进行复习、准备。② 简化流程。每次只做一道测验题，答题时间在5 min左右，设计整体学习任务中的某一个支持性信息，以便不占用太多的课堂时间。③ 详细讲解。每次测验完并交卷后在整体学习任务的大背景下进行详细讲解，查缺补漏，可以达到更好的教学效果。

(3) 以课堂抽查为主的作业评价模式。为了检验学生对支持性息信和即时性信息的掌握程度以及应用的熟练程度，采取了以课堂抽查为督促手段的实验评价模式。随机抽查每个实验小组的随堂仿真波形和实物制作进展，用于实验作业的日常评价，更为准确、客观反应了同学们对整体应用技能的把握程度。

(4) 以综合能力考查为主的实验考试。设立实验期末考试，占比50%。考试内容是在13个学习任务以外选取的8个分任务训练。要求学生3人1组，在这8个分任务训练中任选1个，3 h内在开放实验室完成设计、仿真、连线和测试，最后上交测试数据。

4 结 语

电工电子教学中心通过2年多的摸索与实践，建立并不断完善了基于4C/ID的数字电子技术实验教学模式，创新性地围绕“整体学习任务”构建了将“支持性信息”和“即时性信息”相融合的数字电子技术实验教学内容，并不断完善了新的教学体系，逐步形成了独有的教学特色，大大提高了学生在数字系统分析和设计方面的实践能力，取得了显著的教学效果。