基于4C_ID模型的《数字电子技术》课程教学设计研究

基于4C_ID模型的数字电子技术课程教学设计研究【摘要】4C/ID模型是一种新型的面向复杂认知技能训练的教学设计模型。本文运用4C/ID模型，研究了大学理工科教学中对学生综合设计能力培养的教学设计，首先建立了4C/ID模型的设计框架，然后针对“组合逻辑电路的设计”这一教学内容进行任务分解、分析每一分任务的支持信息、即时信息和提供相应的任务练习，最后给出了在本设计中所需的技术支持（Moodle网络教学平台、EDA计算机辅助设计与仿真分析软件等），希望能对大学理工科教学中针对学生复杂认知技能的培养和训练的教学设计提供帮助和参考。【关键词】4C/ID模型教学设计电路设计复杂认知技能【基金项目】国家自然科学基金项目：“keV高荷电离子与高温环境下壁材料作用的电子发射研究”，项目批准号：11075125；甘肃政法学院2012年教学改革项目：“基于4C/ID模型的创新型实验教学模式的构建与实效研究”。【中图分类号】G42【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2013）02-0243-03一、面向专业技能培训的四要素教学设计模型4C/ID模型1.4C/ID模型简介20世纪90年代，荷兰开放大学教授麦里恩博尔主持研究和开发了面向复杂学习的4C/ID整体任务设计模型，这是一种面向专业技能培训的四要素教学设计模型，在此模型中把学习任务、支持性信息、即时信息、部分任务练习作为训练复杂认知技能、改进业绩表现的四个主要设计要素。复杂学习并不是简单地学习一些被分解的孤立知识碎片，而是将知识、技能和态度综合为一个整体，协调运用各种复杂认知技能来完成面向工作实际的学习任务，促使学生有能力把所学的知识应用到真实的实际工作问题解决实践之中，所以，四要素教学设计模式面向复杂学习是以提高和改进学生在专业领域的业绩表现为宗旨的，注重的是如何应用这些知识解决实际生活中所遇到问题的能力，这是4C/ID的根本特征。12.4C/ID模型应用于教学设计领域非常适合对于复杂认知技能的培训4C/ID模型主要是针对航空、汽车、加工、军队等各个行业复杂技能训练的需要，为有关的训练设计开发的，尽管4C/ID模型最初不是专为教学设计的，但是该模型是基于真实学习任务提出的培训策略和分析任务的方法，应用教学设计能够聚焦于完整的任务练习，为我们掌握和学习复杂技能知识有着重要的指导意义。首先，4C/ID模型适合对于复杂认知技能的整体性的教学设计模型；第二，4C/ID模型是基于实践性的，从国外研究现状来看，4C/ID模型主要立足于实践，而国内的研究仅停留在对模型的理解、认识上，因此，我们应该去做基于4C/ID模型的一些应用性研究，尤其是用该模型来指导复杂认知技能的训练、培训上。第三，4C/ID模型是基于技术的，技术成为提升教学设计水平的重要因素，借助技术的力量实施各种问题解决学习策略是教学设计的又一个发展趋势，4C/ID模型就倡导基于技术的支持来实施案例学习、模拟示范、辅导和教学支架等教学策略，它是基于认知理论和信息加工理论的一个实用模型。2一个好的复杂技能培训设计项目，目的不是使受训练者分开习得这些构成性技能，而是试图实现受训练者在“做”真实的学习任务时，以一种协调和综合的方式运用所有这些技能，从而提高他们在复杂认知技能操作上的整体能力。4C/ID的整体性复杂技能训练遵循这样一个设计序列一开始提供高度的学习者支持，训练他们掌握整体性任务的“简化版”，逐步进行到最后，撤消所有的学习者支持时，他们能够掌握整体性任务的“真实版”最为复杂的问题情境。始终将学习任务作为一个复杂的整体来对待，面向真实，面向工作实践，这是设计的精髓。34C/ID利用整体任务学习代替了部分任务学习，它强调给学生提供一套具体的、真实的、面向实际工作实践的整体学习任务，始终将学习任务作为一个复杂的整体来对待，它有利于知识、态度和技能的综合运用，有利于训练学生把所学知识迁移到实际工作和日常生活中的能力。13.4C/ID模式应用于复杂技能训练的教学设计框架44C/ID模式中的四个核心要素就是学习任务、支持性信息、即时性信息和分任务练习，以上述四个要素为核心的模型设计包含如下步骤。（如图1所示）（1）复杂性技能的分解：这一工作沿两个方向进行，一方面将目标技能按照由易而难的次序分解出技能层级，形成相互关联的技能簇，便于进行任务设计；另一方面依据学习过程的差异将其分解为非复用性技能（相关知识为支持性信息）与复用性技能（相关知识为即时信息），便于支持任务训练的练习序列设计和信息呈现设计。（2）技能层级与学习任务设计：复杂技能在保持整合性原则的基础上被划分为技能层级，每一层级中可能包括若干个技能簇或任务组，每个任务组由同一难度但情境和具体问题不同的学习任务组成。这一部分的设计，包括了如何确定任务组及其序列安排，以及进一步如何设计学习任务进行。（3）非复用性技能及其相关知识分析：包括引导认知图式建构或重构的心智模型分析，引导新异问题解决的认知策略分析，以及支持性信息分析。（4）支持非复用性技能的信息呈现设计与练习设计。（5）复用性技能及其相关知识分析：包括引导规则自动化的JIT信息分析、规则及理解和利用规则所必备的知识分析。（6）支持复用性技能的信息呈现设计与练习设计。（7）将训练策略合成为一个整体性的复杂技能训练项目。二、应用4C/ID模型在“组合逻辑电路的设计”中的教学设计4C/ID模型专门用于培养复杂的认知技能，该模式已经在计算机编程、统计分析、制造业次品管理等专业领域经过了实证研究，研究表明4C/ID比传统教学设计方案的培训效果显著得多，特别是迁移任务与培训任务差距越大，培训效果也就越好，这一点充分表明4C/ID具有很高的促进远迁移的能力。本研究的启示是源于在2007年笔者申报的一项甘肃政法学院教学改革项目“基于moodle的网络教学平台的研究与应用”的研究，还有在同年被评为甘肃政法学院校级精品课程的数字逻辑与分析的课程建设过程中我们发现，虽然我们的moodle网络教学平台建构得比较完善，内容很丰富，练习多样，沟通和互动环节也有，但是在实际教学中怎样和具体的教学过程相结合来真正辅助到教学，一直是个难题，还有在数字逻辑与分析课程的教学中理论和实验经常相互脱离，不能很好地结合，笔者在苦于这些矛盾和问题的时候，接触到了麦里恩博尔教授等人主持研究和开发的这种4C/ID模型，通过学习该模型及相关理论，认为该模型非常适合用于学生对于复杂的认知技能的培训，为此笔者申报了2012年甘肃政法学院教学改革项目“基于4C/ID模型的创新型实验教学模式的构建与实效研究”。结合笔者在高校长期讲授数字电子技术5课程的经验和体会，对于数字电路的设计这样一项复杂的认知技能，若能运用4C/ID模型进行设计和培训，应该能取得很好的训练效果的。下面就是笔者运用4C/ID模式的设计框架，针对“组合逻辑电路的设计”进行的教学设计。1.“组合逻辑电路设计”分解的任务结构图（如图2所示）图2具体地呈现了完成一个组合逻辑电路的设计应该学习的知识和需要掌握的技能，下层技能的习得是学习上层技能的先决条件，在此阶段有7个方面的技能需要学习，有的技能可以独立学习，而有的技能的学习是在一个学习过程中同时习得的，所以说这些技能之间的关系即相互独立又相互联系。2.具体分析每一项分任务的完成所需的支持性信息和即时性信息以及信息呈现方式和练习设计5任务1：掌握逻辑代数基础知识支持性信息：逻辑代数形式的变换、逻辑函数五种表示方式及相互任意转换。信息呈现：课堂教学中的案例分析；moodle网络教学平台上的多媒体教学内容的呈现；课本上的例题等。练习设计：课堂教学中的讨论、随堂练习；moodle网络教学平台上的自测题；课本每章节后的习题等。即时性信息：逻辑代数的公式、定理，逻辑函数的两种标准形式和两种化简方法。信息呈现：课本呈现；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；课本上的例题等。练习设计：课堂教学中的随堂练习；课本每章节后的习题等。任务2：熟悉TTL、COMS门电路的特性支持性信息：TTL、COMS门电路的电特性。信息呈现：课堂教学中的案例分析；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；通过实验验证体会。（实验1基本门电路逻辑功能的测试）练习设计：课堂教学中的讨论、随堂练习；moodle网络教学平台上的自测题；认真实验并完成实验报告。即时性信息：TTL、COMS门电路中几种基本的门电路的电路结构、工作原理以及正确使用方法等。信息呈现：课本呈现；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；实验讲义以及实验台说明书等。练习设计：课本每章节后的习题等。任务3：熟悉译码器等集成芯片的功能支持性信息：译码器等集成芯片的功能、特殊的输入输出控制端、多片级联方法；每种芯片的特殊应用等。信息呈现：课堂教学中的案例分析；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；课本上的例题，使用EDA计算机辅助设计与仿真分析软件对译码器等中规模集成电路芯片进行输入输出波形的显示等。练习设计：课堂教学中的讨论；moodle网络教学平台上的自测题；计算机辅助分析等。即时性信息：译码器等中规模集成电路芯片的电路结构、功能特性等。信息呈现：课本呈现；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；实验讲义等。练习设计：课堂教学中的随堂练习；课本每章节后的习题等。任务4：掌握组合逻辑电路的设计方法支持性信息：组合逻辑电路的设计思想。（用简单分立元件进行设计、利用译码器等中规模集成电路芯片进行设计）信息呈现：课堂教学中的案例分析；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；课本上的例题等。练习设计：课堂教学中的小组讨论、随堂练习；moodle网络教学平台上的自测题；课本每章节后的习题等。即时性信息：常用简单门电路的工作特性、译码器等中规模集成电路芯片的工作特性。信息呈现：课本呈现；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；课本上的例题等。练习设计：课堂教学中的随堂练习；课本每章节后的习题等。任务5：应用EDA计算机辅助设计与仿真分析软件对设计进行仿真分析支持性信息：EDA软件的学习及应用。信息呈现：在实验课开始的教学中进行学习讲授，所使用的软件可以在moodle网络教学平台上下载，用2次课的教学教会学生使用。在选用的教材（数字电子技术基础，阎石主编）中，在每章教学内容之后都有用Multisim7进行分析的实例，可参照学习。练习设计：课堂教学中的讨论、随堂练习；moodle网络教学平台上的自测题；课本每章节后的习题等。即时性信息：Multisim软件的具体应用。信息呈现：moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；查看相关该软件的介绍和使用方法技巧等的资料。练习设计：结合自己的学习，完成课本每章节后的习题。任务6：分析电路是否存在竞争冒险现象并消除支持性信息：利用计算机辅助分析等方法分析是否存在竞争冒险现象；消除竞争冒险现象的方法。信息呈现：课堂教学中的案例分析；查阅资料了解该方面的知识；课本上的例题等。练习设计：课堂教学中的讨论、随堂练习；moodle网络教学平台上的自测题；课本该章节后的习题等。即时性信息：什么是竞争冒险现象，怎样消除。信息呈现：课本内容呈现；moodle网络教学平台上多媒体教学内容的呈现；课本上的例题等。练习设计：课本该章节后的习题。任务7：在实验室搭建电路及验证支持性信息：在实验室搭建电路并比较、检查、完善该电路。信息呈现：实验中的相关要求，通过真值表、波形图等方式验证电路的正确。练习设计：实验1、实验2的各项训练。即时性信息：实验台操作规范、所使用各元件的特性等。信息呈现：实验讲义呈现；moodle网络教学平台上教学内容的呈现；实验室实验台的各项操作说明等。练习设计：在实验1、实验2中的各项练习。3.在基于4C/ID模型的教学设计中需要相关的技术支持和辅助教学手段进行上述的教学设计，需要有相应的技术支持和辅助教学的手段和方法，我们在实践中有moodle网络教学平台、EDA计算机辅助设计与仿真分析软件的应用等。（1）Moodle网络教学平台Moodle是由澳大利亚的教师MartinDougiamas基于建构主义教育理论而开发的课程管理系统，是一个免费的开放源代码的软件，目前在国内外已广泛应用。Moodle平台界面简单、精巧，还具有兼容和易用性，它通过大量模块控制Moodle平台内容，增加课程等，在课程格式设计与开发中，我们可以为它添加资源（如文本页、网页、链接到文件或站点和显示目录等）和活动（如作业、投票、测验、聊天和讨论等），应用Moodle创设的虚拟学习环境中有技术管理维度、学习任务维度和社会交往维度，发展前景很大。自2007年至2010年，我们建成了一个适用于我校校园网环境下的电子技术类课程的网络教学平台，通过应用该平台于教学实践中，探索在信息化环境下高等教育教学改革的方法和途径，完成了大量的教研工作，发表相关教研论文7篇。我们首先在这一平台上添加了数字逻辑与分析的网络课程，集中了丰富的各类教学资源，在网页中可以添加文字、图片、幻灯片、FLASH、视频、音频等丰富的学习资源，在课程学习中完成每一项分任务所需的所有的支持性信息的信息呈现和即时性信息的信息呈现；还有学生自主学习时的作业提交、完成测验的功能；还开辟了聊天室、讨论区等模块，加强了学生与学生、学生与教师的相互交流，为教学提供了很好的辅助，为学生自主学习提供了最佳学习平台。（2）EDA计算机辅助设计与仿真分析软件由于目前电子电路的复杂程度日益提高，更新速度越来越快，这就对电路设计工作自动化提出了迫切的要求，现有很多优秀的软件开发工具，其中包括用于电路性能和参数分析的、用于运行状态仿真的、用于可编程器件设计的以及用于印刷电路板设计的等等，就是丰富的EDA软件。EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，MATLAB和Multisim就是其中很常用的软件。在教学中我们让学生学习和使用EDA软件帮助自己设计新电路，并对自己设计的电路进行运行状态仿真和电路