基于OBE理念的电子技术教学设计

侯建华，李振武

(菏泽学院，山东 菏泽 274015)

0 引言

电子技术是非电类工科专业的专业必修课，其既有自身的理论体系，又有很强的实践性、基础性、应用性、拓展性和创新性，而且随着人工智能、大数据、物联网技术飞速发展和计算机技术及通信技术的迅速普及，其已成为几乎所有理工科本科生的必修课和经管类专业选修课。由于新器件、新方法的不断出现，教育教学信息化、网络化手段的飞速发展，电子技术课程教学内容在不断丰富和更新，同时，由于课堂教学学时多次大量压缩，使内容多与学时少的矛盾更加突出，依据新工科和OBE理念构建符合高素质复合型应用人才的需求，将传统课程体系知识点解构在学习情境中，采取融教、学、练、测于一体的线上线下混合式教学，在教育领域中，通过虚拟仿真技术的应用可以为学生构建更加真实的学习情境，有助于学生学习、操作[1]；采用案例式教学，将课程思政与教学内容融合，培养学生爱国奉献的科学精神、工匠精神及家国情怀。

基于此，为全面有效反应电子技术课程培养高素质复合型应用人才核心素养水平，以任意进制计数器设计为例，从学情分析、教学目标、教学重难点及处理、课程思政元素体现及切入点等方面以电路元器件为载体创新教学设计。

1 课前准备

1.1 学情分析

学生已经学习二进制及十进制计数器，对集成电路74LS161和74LS290功能及管脚排列已有一定了解，除十进制外，对星期七进制及数字钟的秒、分、小时进制的设计有强烈的学习欲望，对本节课内容会主动预习。

1.2 基于OBE理念的教学目标设计

依据OBE教学理论，教学目标要具体化为产出活动。就是学生学完本节课程后，能在知识、能力、素质方面达到以下目标。

1)知识目标。能应用清零法和置数法设计任意进制加法计数器；会设计减法计数器。

2)能力目标。提高学生的创新思维能力和创新技能，促进学生分析问题和解决问题的综合能力。

3)素质目标。在OBE教育模式中，学生学到了什么远比如何学和什么时间学更为重要，大学阶段是学生形成世界观、人生观和价值观的重要时期。学生有强烈的求知欲，渴望了解新生事物，但同时也缺乏对事物的鉴别能力。身为教师，教学育人和文化育人同等重要。因此，要求学生要有严谨的科学态度，要辩证分析问题，透过现象看本质。

1.3 教学重难点及处理

任意进制计数器的构建，采用Multisim仿真软件，充分进行教学设计，反复练习，自主探究找出规律，从而有效解决问题。

1.4 课程思政元素体现及切入点

近年来，党中央对高校思想政治教育工作越来越重视，这就要求高校在加强思想政治教育工作过程中，不能将思政教育仅仅放在思政课中由教师在课堂上完成，而是要动员所有的任课教师都参与到思政教育当中，将思政教育贯穿落实到每一堂课当中，让课堂教学成为落实思政教育、以德树人的主要渠道[2]。在任意进制计数器连接课程教学中，思政元素体现及切入点如表1所示。

1.5 课前学习任务单

为了让学生提前了解课堂学习任务，让学生的预习活动和教师教学建立关联，使学生可以自主展开学习，预习时能把握新课内容，了解重点，一般上节课结束后就下发下节课学习任务单。任意进制计数器连接学习任务单如图1所示。

2 课堂教学设计和实施

课堂教学采用BOPPPS导学互动的方式教育教学模型，将教学课堂分为六个环节，分别包括：导入(Bridge-in, B)、目标(Objective, O)、前测(Pre-assessment, P)、参与式学习(Participatory Learning, P)、后测(Post-assessment，P)和总结(Summary, S)[3]。 成果导向教育(Outcomes-Based Education, OBE)是一种以学生在学习后所取得的成果或者结果作为教学活动导向的教学理念，其理念高度契合“以学生为中心”。想要实现OBE，要求相关的教学活动与评价活动都必须围绕着学生最终的学习结果来进行，也就是要将学生的学习产出结果、教与学活动、学习结果评估三个方面有机结合起来形成一个完整的教学体系[4]。基于两者上述特点,OBE理念和BOPPPS教学模型表现出良好的兼容性：两者均“以学生为中心”，强调学生的学习自主性，激发学生的学习兴趣，使用清晰明确的标准评价学生课堂学习成果，实现相互补充。另一方面，OBE理念的学习成果导向可以从培养高素质人才的大框架下整体性指导具体课堂的教学模式和教学内容，因此将BOPPPS教学模式与OBE理念在具体的教学过程中进行结合是可行的，融合方案如表2所示。

表2 OBE教学理念和BOPPPS教学模型的融合

2.1 OBE理念与导入环节融合

导入环节是课堂的开端,通过展示相关专业和相关行业的现状和成就来引入课堂，使学生明确计数器技术所处专业和行业的地位，利于学生制定自己的最终学习目标，充分调动学生的课堂积极性。播放卫星发射和生产流水线用计数器微视频，引入新课。通过观看微视频，引入一分钟倒计时计数器和大容量加法计数器，让学生了解计数器的分类及应用；通过卫星发射微视频，让学生了解中国航天事业发展历程，继承和发扬中国航天精神，为推动高质量发展注入强大动能。

2.2 OBE理念与目标环节融合

目标环节中，教师对学习的最终结果和效果制定相应的评判标准。学习成果目标可以设定为以下两种：一是应用Multisim软件进行电路设计能力；二是灵活运用“清零法”或“置数法”设计任意进制计数器。

2.3 OBE理念与前测(P)环节融合

针对教学内容，教师设置相关题目，利用Multisim软件进行测试。根据学生回答的实际情况，将基础较好与基础较差的同学重新分组，以达到相互帮扶和补充目的，为OBE理念中的“怎么办”做好前期准备工作。

通过回顾中规模集成芯片74LS161的管脚排列及功能表，让学生回答哪些芯片可以实现视频中的倒计时计数和十进制计数。

针对自主学习任务单达成目标⑥：计数器分类及典型芯片介绍，学生通过查询资料总结出加计数器和可逆计数器芯片，并各举例，加计数器有74LS161、74LS162、74LS163、74LS290等，可逆计数器有74LS190、74LS191、74LS192等。

针对自主学习任务单课前自测题①讨论：“任意进制计数器”的应用，学生总结有交通灯用秒倒计时计数器、出租车计价器、数字钟、抢答器等应用。

教师以采用全半导体激光传感器的手持式激光尘埃粒子计数器为例，该计数器可精确检测并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒的个数，并可经过远程传输和PC机相连，用于电子生产企业洁净室检测，过滤器现场检测、捡漏；可监测生物安全，计算机室，饮料包装环境，药品、医疗器械生产环境，医院洁净手术室，汽车喷涂环境,微电子、生化制品、食品卫生、精细化工、精密机械和航空航天等生产和科研部门，是暖通空调和制药企业及其监督管理部门贯彻GMP规范和电子生产企业选用仪器[5]。让学生了解该计数器在前沿领域中的应用，了解计数器的应用和传感器技术、微处理器技术及网络技术密不可分。

通过以上环节，学生了解了计数器的分类及应用，那么如何设计任意进制的计数器，带着疑问进入下一个教学环节。

2.4 OBE理念与参与式学习(P)环节及与后测(P)环节融合

OBE 理念中学生如何取得预期学习成果的问题可以通过参与式学习环节来解决。参与式学习环节要求学生主动完整地参与到课堂学习的全过程中，包括“清零法”和“置数法”的特点及任意进制计数器的设计及芯片扩展等，避免传统课堂教师“填鸭式”教学，切实地践行“以学生为中心”。教师可以通过不同的师生互动方法，以前测环节确定的小组为单位，引导并鼓励小组成员针对“清零法”和“置数法”及芯片扩展的要点和注意事项进行讨论，确保教学顺利进行。教师应随时引导和辅助学生解决学习中的困难和问题，后测环节结束后，小组成员的设计结果作为相互对比参照，讨论设计过程中的收获和不足。通过参与式学习，学生能在自主学习过程中体悟和获得目标知识与技能，提高解决实际问题能力。

2.4.1 “清零法”和“置数法”

教师利用PPT，讲解用一片74LS161，通过“清零法”改接成六进制计数器，并通过Multisim软件仿真验证其正确性，如图2所示。

图2 用“清零法”接成六进制计数器

由于74LS161为异步清零，清零信号存在时间极端，和“0000”共占一个计数脉冲时间，用第六个脉冲到来后的状态“0110”来清零如图3所示。如果触发器的复位速度有快有慢，则可能动作慢的触发器还未及时复位清零信号已消失，导致电路误动作，因此这种接法可靠性不高[5]。那怎样来消除误动作，提高电路可靠性，要求学生分小组讨论。

小组通过讨论并汇报展示答案，电路改进如图4所示。加一个基本RS触发器做锁存器，当计数器被清零后，U4输出为1，但SR锁存器状态仍保持不变，因而计数器清零信号得以维持，直到计数脉冲回到低电平以后，SR锁存器被置零，清零信号才消失，这样可使清零信号宽度与输入计数脉冲高电平持续时间相等。

图4 带锁存器的六进制计数器连接

教师对学生汇报进行点评，通过学生对电路优化，这样就可避免误动作，提高电路稳定性。但74LS161还有同步预置数功能[4]，要求学生在清零法的基础上用置零法完成六进制计数器设计。

图5 置零法六进制计数器连接

对于有预置数功能的计数器，除置零外，也可以置其他任意一种状态，并通过选择题来学习此功能。学生打开学习通，进行随堂练习，用置“0010”法把74LS161改接成六进制计数器需用()状态来置数。完成统计情况如图6所示。

图6 随堂练习统计

对以上学习，教师进行归纳总结，接成n进制计数器。

1)清零法。若为异步清零，用第n个脉冲到来后的状态做为反馈函数来控制清零端；若为同步清零，用第(n-1)个脉冲到来后的状态做为反馈函数来控制清零端。

2)置数法。若为异步置数，用第n个脉冲到来后的状态做为反馈函数来控制置数端；若为同步置数，用第(n-1)个脉冲到来后的状态做为反馈函数来控制置数端。

并不是所有的计数器都和74LS161一样，具有异步清零和同步置数功能，如74LS162和74LS163就是同步清零；74LS190、74LS192和74LS193是异步置数，所以选择芯片时，一定要先分析功能表。

2.4.2 大容量计数器的设计

教师利用PPT，讲解用两片74LS161接成同步六十进制计数器。

首先用清零法将个位和十位分别接成十进制和六进制，将计数脉冲分别接到两个计数器的clk端，接成同步计数器；各位计数器EP和ET控制端接高电平，始终处于计数状态，十位计数器在个位从0到9计数期间，处于保持状态，在个位从9跃变到0的同时，十位加1计数，通过EP端控制如图7所示。

图7 同步六十进制计数器

针对达成目标④能够通过芯片扩展，构建大容量计数器；小组讨论并分组汇报。

一组设计的是异步二十四进制计数器，如图8所示，并通过Multisim验证能实现。

图8 异步24进制计数器

二组设计的是异步六十进制计数器，选择芯片为74LS160，如图9所示，并通过Multisim验证能实现。

图9 由74LS160构成的异步六十进制计数器

三组设计的是同步六十进制计数器，选择芯片为74LS190，如图10所示，并通过Multisim验证能实现。

图10 由74LS190构成的同步六十进制计数器

四组设计的是同步三十进制计数器，选择芯片为74LS161，如图11所示，并通过Multisim验证能实现。

图11 由74LS161构成的同步三十进制计数器

打开学习通，根据汇报情况和评分标准，小组自评和互评。评分标准如图12所示，得分情况如图13所示。

图12 评分标准

图13 各小组得分情况

2.5 OBE理念与总结(S)环节融合

要求学生从知识、方法、思想三方面进行总结如图14所示，明确自己在学习过程中各方面的技能和知识的掌握是否达到预设的标准，发现自身的不足，并及时改正。同时，教师对学生理解上的不足给出针对性的建议，并对课堂的教学设计进行弹性调整，进一步优化教学方案，以达到提升教学效果、增强学生自信心目的。

图14 本节知识小结逻辑思维图

课程围绕任意进制计数器设计这一中心和“清零法”及“置数法”这两个基本点，以中规模集成计数器芯片为载体，灵活运用芯片，完成任务设计，形成一闭环。

计数器芯片模数为N，要设计的计数器模数为n：

当nN时，需要芯片扩展。

2.6 课后拓展

课后安排作业和任务，进一步培养学生的探索精神、科学思维和求知欲。该课程主要学习加计数器设计，课后拓展要求学生通过查找减计数器芯片，为卫星发射中心设计60 s倒计时计数器，以增强学生分析问题和解决问题的综合能力。

要求：1)合理选择计数器芯片；2)利用同步计数和异步计数法两种方法分别设计60 s倒计时计数器；3)利用Multisim软件仿真设计六十进制计数器；4)电路可靠性强，实时性高，功耗低。

3 总结

OBE理念关注学生学习成果的4个方面：达到什么样的预期学习成果(是什么)；为什么要达到这样的成果(为什么)；如何取得预期成果(怎么办)；如何评价学习成果是否达成(是否完成)。BOPPPS教学模型鼓励学生积极主动、全方位地参与到课堂教学过程的互动中。通过将两者融合在一起，初步探讨了融合OBE理念和BOPPPS教学模式的任意进制计数器教学方案的设计，在学生明确知道自己的学习目标情况下主动参与完成课程学习，在获得自己所需要的知识同时，培养科学思维，增强学生学习自信心，并且根据学生的课堂反馈实时动态调整课堂教学设计，以构建更加契合“以学生为中心”的课堂教学方案，为本科电子技术课程教学改革提供新思路和新方法。

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