自动化类专业人才的系统思维能力培养探析

［摘 要］自动化类专业人才的系统思维能力培养非常重要，如何通过课程教学把系统思维贯彻到人才培养的具体行动中值得思考。文章将本科核心基础课数字电子技术基础、微机原理及接口技术的思维进行融通，重构课程教学内容体系，分别增加了数字系统和计算机应用系统设计相关教学内容；并以典型而复杂的数字系统——计算机硬件系统为例开展数字电子技术基础课程教学，培养了学生的系统观和系统思维，提高了学生解决复杂工程问题的能力。

［关键词］系统思维；数字系统；复杂工程问题

［中图分类号］G640 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）19-0135-06

2017年，教育部开始推进新工科建设的研究与实践，聚焦“复杂工程问题”，培养学生解决“复杂工程问题”的能力，积极主动培养适应新一轮科技革命与产业变革所需的新型工科人才，以应对新工科建设背景下各产业的新需求和新挑战[1]。《中国制造2025》为我国自动化行业发展以及人才需求的变化指明了方向，迫切需求具有系统思维、跨学科融合创新能力与工程职业素养的人才[2]。

在新工科和智能制造的背景下，自动化专业人才需要具备系统思维和解决“复杂工程问题”能力，能够对各种应用系统进行检测、控制与优化，小到温度检测系统，大到电力系统、飞机、火箭等的系统控制。系统思维水平与设计思维水平有显著的相关性，系统思维水平越高，设计思维水平越高。若学生对于系统的结构特征认识不足，将导致其在设计过程中缺乏对系统结构和变化的思考[3]。自动化专业的学生必须具有系统观，以及系统思维的能力。在本科教学中，如何更早地培养学生的系统思维，对自动化专业学生的学习来说至关重要。

本文将笔者主讲的数字电子技术基础（以下简称“数电”）、微机原理及接口技术（以下简称“微原”）课程进行思维融通，从基本门电路→数字电路→数字系统→计算机系统→计算机应用系统，逐步培养学生的系统思维和解决复杂工程问题的能力。以大二下的“数电”课程教学为例，介绍了系统思维的培养过程，实现了从数字电路设计到数字系统设计的飞跃。

一、自动化专业的系统思维

自动化专业属工学门类，涵盖范围较广，包括控制科学与工程、电气工程、计算机技术等。自动化专业的人才培养特点之一是强调系统思维能力的培养，让学生学会从系统思维的角度思考学科相关内容并解决实际问题[4]。

钱学森院士作为中国系统工程学科专业的开创者、控制理论方面的专家，在《论系统工程》中提出，“系统”是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。这些组成部分称为分系统。我们把极其复杂的研制对象称为“系统”，而且这个“系统”本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。书中表述了系统、分系统、大系统及其之间的关系[5]。

钱学森在谈到系统思维和系统思想方法时，认为人类在知道系统思想、系统工程之前，就已在进行辩证的系统思维了，把系统思维看成是人类社会自然形成的思维[5]。系统思维指以系统的规则去看待事物的思维方式，这些规则包括关注系统边界、系统结构和相互关系，采用多视角，考虑系统随时间的变化，运用整体和全局思维思考问题等[3]。

北京航空航天大学自动化专业主要面向航空航天领域，以飞机、导弹、载人飞船等复杂系统为研究对象。飞机作为一个大系统，包含飞机系统、发动机系统、飞机操纵系统、航空电子系统等多个系统，每个系统又包含多个分系统，各分系统之间相互作用、相互依赖，必须作为一个整体进行系统研究。飞机设计是一个多学科协同设计优化的过程，因此，自动化专业的学生必须具有系统思维的能力，从系统及其分系统关联的角度看问题，强调全局优化的观念。

二、基于系统思维的课程内容体系设计

（一）多课思维融通，优化课程内容体系

“数电”“微原”课程是电子、信息、通信、自动化等相关专业的核心基础课程[6]。这两门课程是引领自动化、电子电气工程相关工科专业学生进入现代自动化系统和复杂数字系统领域的基石。目前国内很多高校自动化专业这些课程的教学内容、教学方式没有跟上电子技术发展的步伐，其主要表现在以下几方面。

1.“数电”课程的基本内容有逻辑代数基础、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器、可编程器件、脉冲电路、数模和模数转换[7]。课程没有数字系统应用设计的内容，导致培养出来的学生缺乏复杂数字系统设计的思维和能力。

2.“微原”的基本内容有计算机基础、处理器技术、指令系统与程序设计、接口技术与中断技术、常用接口芯片及其应用。课程缺乏计算机应用系统设计的内容，导致学生缺乏计算机应用系统设计实践和系统思维能力。

3.各门课程各自为政，教学环节存在孤立性与单一性，能力培养环节分散在各门课程中，各环节的设计与衔接缺乏清晰的组织与规划，能力训练缺少循序渐进的过程[3]。如部分学生在学习“微原”课程时，分不清寄存器与存储器。学生系统思维能力没有得到充分锻炼，在毕业设计和研究生阶段不能真正地运用所学知识解决实际问题。

针对上述问题，笔者利用系统思维的教学理念，将主讲的自动化专业本科生核心课“数电”“微原”融会贯通，重构教学内容设计，构建了从基本门电路→数字电路→数字系统→计算机系统→计算机应用系统的课程内容体系，具体如图1所示。

模型计算机内容放在大三的“微原”课程中，用于说明计算机的组成与工作原理，但如果只用简单的框图说明，多数学生不能很好地理解。而其各组成部件在“数电”课程中都有介绍，只是学生把它们当成了一个个孤立的知识点，不能将其与计算机联系起来。因此，在大二下学期的“数电”课程中，增加了“模型计算机”章节，以计算机硬件系统这个典型数字系统为例，综合运用中小规模集成电路和大规模集成电路进行模型计算机的设计与实现，建立学生的系统观念与系统思维。

在大三上学期的“微原”课程中，学生对于计算机的硬件基础知识体系已经建立，计算机组成原理讲解就顺畅了许多，并节省了课时。在“微原”课程中，增加了“计算机应用系统”章节，以温度检测报警系统为例，综合运用CPU、常用DI/DO接口和AI/AO接口芯片、温度传感器和蜂鸣器等实际外部设备，进行计算机应用系统的设计与实现，强化学生的系统思维；进一步以飞机操纵系统为例，启发学生运用计算机、常用接口、飞机驾驶杆与操纵舵面进行飞机操纵系统的软硬件设计，结合同期学习的自动控制原理课程中的设计控制算法等，提升学生系统思维能力，为后期的专业课程学习、毕业设计等环节夯实基础。

（二）“数电”教学系统思维设计

下面以“数电”课程为例，介绍在实际教学中如何培养学生的系统观及系统思维。

作为本专业第一门工程基础课程，“数电”与现代电子技术发展紧密联系。电子元器件具有理论性、逻辑性强的特点，且其内容较抽象，使部分学生感觉学习起来比较困难，且难以将其与实际应用联系起来。如何做到学以致用，培养学生的实践能力和系统思维？这一问题需要教师认真思考。

现代社会，计算机已是每个大学生的标配，因此计算机对于大学生来讲既熟悉又陌生，每天都在用却不知其组成及工作原理。计算机的物理基础为门电路，计算机是一个典型而复杂的数字系统。因此，本文以模型计算机为桥梁，将“数电”与“微原”课程进行融通，优化和重构了课程内容体系，并以计算机硬件系统为例介绍数字系统的设计，培养学生系统思维的能力。

计算机的硬件系统由控制器、运算器、内存储器、输入设备、输出设备五部分组成，各部分之间通过总线进行信息交换。而控制器和运算器集成在一个芯片里，称为微处理器，即CPU。

计算机硬件系统是一个非常复杂的数字系统，各组成部分可以看作计算机系统的分系统，每一个分系统又由多个子系统组成。笔者分析了计算机各组成部分的硬件电路与“数电”课程中关键知识点之间的关系（见图2），并设计了一系列计算机硬件系统的数字电路案例，构建了“数电”课程思维导图（见图3）。

根据系统思维的整体观，在“数电”课程的第一堂课，采用提问与总结的形式介绍“计算机组成”。首先启发学生分析计算机的各组成部分，然后根据计算机的冯·诺依曼结构，将各设备归纳到计算机的五大组成部分中，让学生建立起对计算机系统的整体认识。接着以计算机硬件系统为例，在数电课程学习过程中，通过一系列计算机硬件系统的数字电路设计案例，讲解门电路、组合逻辑电路设计、触发器与时序逻辑电路设计、大规模集成电路等知识。最后以模型计算机为例，有机串联起数电课程的知识点，详细阐述如何运用系统思维进行复杂的数字系统的设计与实现，建立起数字系统的观念。让学生先见到“树”（整体），然后看树上包含哪些“枝”（知识点），最后跳出来再看包含“枝”的“树”，培养学生系统思维和设计复杂数字系统的能力。

三、基于系统思维的“数电”教学实践

在讲授“数电”课程时，采用系统思维法，将各章节相应知识点与计算机系统设计相关案例相对应，使学生清楚课程之间的紧密关系，激发学生的学习兴趣，使其更加积极地探索知识的海洋。

（一）逻辑代数基础与计算机中数据存储与处理

第一章“逻辑代数基础”中“编码”部分包括无符号数编码，有符号数的原码、反码、补码编码，以及BCD码和ASCII码等。以往教学中，教师仅侧重讲解所有的数据与符号在数字电路中以0、1形式表示，但对为什么有这么多编码方式、它们又有何意义，教师并没有进行阐述。引入计算机系统后，将学生听过的8位机、16位机等关联起来，并以8位机为例，进一步引申到计算机、嵌入式系统等数字系统中各种数据、符号以8位二进制数的形式存储和处理方法，有符号数据以补码形式表示等概念。

（二） 三态门与计算机总线机制

在门电路中，三态门是应用于计算机系统最常见、最经典的部分。三态门是一种逻辑门，具有三种输出状态，即高电平、低电平和高阻态，通过使能信号控制它的输出状态。一般来讲，高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0，而高阻态表示门的输出不连接到任何电源，类似于一个断路。对应到计算机系统中，三态门能允许多个设备连接到一条信号线上，即形成了总线。

计算机总线是一组电子线路，用于连接计算机内部各个组件，如CPU、内存设备、输入/输出设备等。而三态门在计算机总线机制中可以实现多路复用并避免冲突，以确保准确、高效的数据运作。这有利于计算机内部各个组件之间的协调，并实现正常操作。

教学中，讲述三态门原理后，教师要向学生解释与之相关的计算机总线知识，帮助学生构建系统思维。通过三态门，可以让多个设备（分系统）挂在系统总线上，通过总线实现各设备的信息交换。进行信息交换的设备之间传送0或1；不进行信息交换的设备处于高阻态，相当于断路，对系统总线无影响。总线按功能分为地址总线、数据总线和控制总线，按数据传送方向分为单向总线和双向总线。综上，学生能更全面立体地认识到“数电”与计算机的紧密联系。

（三）组合逻辑电路与计算机运行

“组合逻辑电路”是“数电”课程中内容最多，最重要的章节之一，包括组合电路的分析与设计，以及常用的集成组合器件——加法器、运算器、译码器、编码器、数据选择器、数据比较器等。这些器件在计算机的运行中起着关键作用。

计算机的最基本功能就是运算功能，由运算器（分系统）完成，包括逻辑运算和算术运算。在讲解集成加法器74283时，由一位加法器的设计到4位集成加法器再到级联成8位加法器，实现了8位计算机中数据加法的运算。通过实例发现无符号数和有符号数的加法运算可通过同一硬件电路实现，进一步理解了计算机中有符号数以补码形式存储处理的意义，并用集成加法器74283实现减法运算。如图4，当M=0时完成8位二进制数的加法运算功能，当M=1时完成8位二进制数的减法运算功能。此外，用集成运算器74181可实现逻辑运算和算术运算的功能。

前面提到，通过三态门可让多个设备（分系统）挂在总线上，实现各设备的信息交换，但在某一时刻，只允许一个设备向总线发送数据0或1，其他设备只能处于高阻态或数据接收状态。而允许哪个设备向总线上发送数据呢？本章的最小项译码器就可以完成这样的功能。如3线-8线最小项译码器74138的8个输出端在任意时刻最多只允许一个输出为低电平，8个输出端可接8个设备的使能端，在任意时刻只允许一个设备的三态门使能有效，向总线发送数据；CPU的地址总线接74138的输入端，控制设备的选择。

总的来说，组合数字电路在计算机内部的各个层面都扮演着重要角色，它们用于执行各种逻辑、算术运算和控制操作，使计算机能够处理数据、执行指令和完成各种计算任务。这些电路的设计和性能对计算机的效率和功能起着关键作用。

了解计算机运算和设备选择与组合数字电路的关系，可以帮助学生提高学习这部分知识的兴趣，让他们能够更好地理解和设计组合数字电路。

（四）时序逻辑电路与计算机的时序控制

“时序逻辑电路”是“数电”课程中最重要、最难的章节，包括时序电路的分析与设计，以及常用的集成时序器件——寄存器、计数器。这些器件在计算机的数据存储和控制运行中起着关键作用。

计算机是典型的时序电路。在时钟作用下完成一条条指令的取指、译码、执行与结果回送，从而实现程序的自动运行。

一个指令周期需要若干个时钟周期完成。通过74160/161/162/163等集成计数器构成n进制状态序，并与集成译码器74138设计成节拍发生器，控制计算机每条指令的取指、译码与执行过程，具体如图5所示。

程序自动运行靠的是程序计数器的自动修改。简单的顺序执行的程序为每取走一条指令，程序计数器就自动加1，指向下一条指令，而集成计数器74161、74163等可在触发信号（如Y2节拍）作用下自动加1，从而实现程序计数器的功能。

通过这些计算机实例，可以帮助学生理解时序的概念和意义，使其对计算机系统的工作原理逐渐熟悉，系统思维逐渐建立。

（五）大规模集成电路与存储器

在“数电”课程中，教师一般侧重讲解只读存储器是可编程逻辑器件的基础，导致在“微原”课程中许多学生分不清存储器与寄存器。笔者补充了只读存储器与随机存储器在计算机中存储指令与数据的作用，以及CPU对存储器的读写操作。计算机在时序控制下，根据程序计数器的内容，从存储器读指令、译码并执行，根据指令执行需要从存储器取数据并把运算结果送回存储器。根据计算机地址总线和数据总线与存储器的连接不同实现存储器的字扩展和位扩展，根据控制总线实现对存储器的读、写操作。

（六）模型计算机的设计实现

通过各章节中的计算机系统应用实例，学生对计算机的组成、工作原理、实现方法有了初步认知。在“数电”课程教材最后一章，以复杂数字系统——模型计算机的设计实现为例[8]（见图6），笔者通过指令集设计与编码、指令微操作设计，以及硬件系统的时钟信号发生器、节拍发生器、内存储器、数据寄存器、指令寄存器、指令译码器、运算器、控制电路、输出显示电路等的综合设计，将“数电”课程的知识点串联起来，启发学生进行数字系统设计，建立系统观。在模型计算机的设计过程中，必须进行系统思维，综合考虑各组成电路（分系统）之间的相互关系与硬件连接，根据设计的指令微操作进行时序设计与各种控制信号设计。在时钟作用下，控制处理器自动地从内存器中取指、译码、执行，并自动修改程序计数器的内容，完成一条指令的执行后自动地取下一条指令并译码执行，从而完成程序的自动运行。由于分系统之间的相互依赖，触发器的触发选择对系统的功能性能影响非常大，因此需对计算机硬件系统进行全面综合考虑。

四、结语

自动化专业人才需利用系统思维进行自动化系统的检测、信号处理与控制等工作，越早建立系统思维，越能更好地理解和掌握本学科的基础理论和专业知识。笔者将主讲的两门自动化专业核心课程“数电”“微原”进行思维融通，优化重构了课程内容体系，并以典型而复杂的数字系统——计算机硬件系统、温度检测报警系统和飞机操纵系统等为例开展了课程教学，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的系统观和系统思维，提高了学生解决复杂工程问题的能力。

在大二的“数电”课程教学中，笔者以模型计算机为切入点引入系统思维，在优化教学理念的同时不断完善教材内容与教学形式，创新性地将模型计算机的内容编入《数字电子技术基础》第3版教材，并录制视频上传到MOOC平台。通过自动售货系统、交通灯控制系统、模型计算机等数字系统综合项目的设计、仿真与硬件实现，表明学生全面深刻地理解了理论知识，具有系统思维和解决复杂逻辑问题的能力和创新意识，使课程教学更加有效。笔者主讲的数字电子技术基础课程被评为国家级一流本科课程。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 孙大为，张玉清.新工科背景下计算机系统思维能力培养模式探析[J].计算机教育，2020（7）：94-97.

[2] 李卫军，邢延，蔡述，等.面向多学科融合的自动化类人才培养模式探索与实践[J].高等工程教育研究，2021（6）：31-37.

[3] 纪阳，孙英敏.基于量表的工科学生设计思维与系统思维关系研究[J].高等工程教育研究，2023（5）：150-157.

[4] 蓝波，张晓燕，晏涌.OBE教育模式下的系统思维能力培养：以数字电子技术实验为例[J].大学教育，2018（8）：6-8.

[5] 李国辉，唐国明，崔婧.钱学森系统思维思想在大学课堂教学中的实践[J].高等教育研究学报，2019，42（4）：13-19.

[6] 左冬红，程文青，罗杰，等.“新工科”理念下数字系统贯穿式教学探索[J].电气电子教学学报，2019，41（5）：78-80.

[7] 谢玲，陈琳琳，朱娴，等.基于应用型人才培养的数电课程教学探索与研究[J].中国教育技术装备，2019（22）：79-81.

[8] 胡晓光，徐东，刘丽.数字电子技术基础[M].第3版.北京：北京航空航天大学出版社，2021.

［责任编辑：刘凤华］