BME專業(yè)微機(jī)原理創(chuàng)新教學(xué)方法研究

周穎，許紅玉，蔣清峰，王秀芳，徐秀林

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

BME專業(yè)微機(jī)原理創(chuàng)新教學(xué)方法研究

周穎，許紅玉，蔣清峰，王秀芳，徐秀林

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

微機(jī)原理與接口技術(shù)》是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。針對學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、 內(nèi)容抽象、 課時(shí)偏少、 教學(xué)脫離專業(yè)、 缺少標(biāo)準(zhǔn)化練習(xí)等問題， 該文提出了軟硬件仿真平臺(tái)的融合、 專業(yè)驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、 微課視頻等多元?jiǎng)?chuàng)新性手段， 增加了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣， 提高了本科教學(xué)效果， 符合培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的卓越的生物醫(yī)學(xué)工程人才需求。

生物醫(yī)學(xué)工程； Emu8086； Proteus ISIS； 仿真平臺(tái)

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程(Biomedical Engineering， BME)是一門理工醫(yī)結(jié)合的交叉學(xué)科， 要求畢業(yè)生深入掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)基本理論知識(shí)， 具有微處理器和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力， 并能運(yùn)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研發(fā)?！拔⑿陀?jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”是BME重要的計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課， 課程內(nèi)容和教學(xué)方式面臨著新的考驗(yàn)。

本專業(yè)課程內(nèi)容仍以8086系列芯片為代表， 包括匯編語言軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容， 又涉及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)硬件知識(shí)的學(xué)習(xí)[1-2]， 教材內(nèi)容多而枯燥晦澀， 軟件編程練習(xí)比教學(xué)內(nèi)容滯后， 造成匯編語言編程的困難； 硬件實(shí)踐采用內(nèi)部線路已連好的現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)箱， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的簡單化， 只需學(xué)生簡單的步驟化地連接若干跳線， 沒有給學(xué)生設(shè)計(jì)微機(jī)系統(tǒng)的感受， 實(shí)驗(yàn)效果不理想[3]。教學(xué)與BME專業(yè)脫節(jié)， 造成學(xué)習(xí)動(dòng)力缺乏， 產(chǎn)生專業(yè)困惑， 也不能與單片嵌入式技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備測控中應(yīng)用有效地銜接， 使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)必要性的疑問。

針對上述問題， 本文在常規(guī)教學(xué)改革的基礎(chǔ)上， 深入地探討多元化的創(chuàng)新性解決方案和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 建立軟硬件仿真平臺(tái)

匯編語言編程難度高于其他高級編程語言是不爭的事實(shí)， 早期以DOS環(huán)境下宏匯編軟件和連接程序， 輔之DEBUG調(diào)試程序來進(jìn)行編程學(xué)習(xí)[4]?，F(xiàn)在操作系統(tǒng)大多已是Win7以上的版本， CPU以64位為主流， 學(xué)習(xí)和實(shí)踐16位的匯編語言編程和硬件接口實(shí)驗(yàn)， 主要有三種方法可選擇： ①安裝虛擬機(jī)VirtualBox模擬WindowsXP系統(tǒng)， 在此虛擬系統(tǒng)下運(yùn)行MASM5.0以上的匯編軟件[5]； ②運(yùn)用DOS模擬器DOSBox軟件， 將MASM32等匯編軟件掛載至某硬盤分區(qū)運(yùn)行[6]； ③采用基于8086CPU的EMU8086交互式集成仿真軟件， 與具有獨(dú)特的8086模塊的協(xié)同仿真功能VSM的Proteus ISIS相結(jié)合。前兩種方法虛擬機(jī)安裝和使用較復(fù)雜， 模擬器和MASM結(jié)合時(shí)需要設(shè)計(jì)批處理軟件， 運(yùn)行時(shí)模擬在DOS環(huán)境下， 需要熟悉DOS操作命令， 觀察程序運(yùn)行過程和結(jié)果仍然不直觀； 最重要的二者無法兼顧硬件接口的學(xué)習(xí)要求。采用第三種方法兼顧軟件和硬件仿真， 可滿足教學(xué)和學(xué)生自學(xué)的雙重需求。

1.1 EMU8086交互式仿真軟件

在做中學(xué)、 在學(xué)中做是高效率的教育理論方法， 在實(shí)踐中得到體現(xiàn)[7]， 因此軟件學(xué)習(xí)推薦使用基于8086CPU的EMU8086交互式集成仿真軟件。該微處理器仿真軟件集成源代碼編輯器， 匯編/反匯編工具及運(yùn)行debug模擬器于一體， 提供函數(shù)庫emu8086.inc文件， 解決了輸入輸出不方便的問題[8]， 包含特殊的虛擬外設(shè)(LED顯示器、 打印機(jī)、 機(jī)器人、 步進(jìn)電機(jī)、 溫度計(jì)、 交通紅綠燈和VGA等外設(shè))和循序漸進(jìn)的教程， 與Intel下一代處理器兼容。

匯編語言指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)的教學(xué)時(shí)， 教師要求學(xué)生將講授的指令序列或任務(wù)示例， 補(bǔ)充成完整程序， 運(yùn)用EMU8086驗(yàn)證。該驗(yàn)證過程可以觀察寄存器值的變化和存儲(chǔ)器的值， 了解機(jī)器碼的形式和程序執(zhí)行狀態(tài)， 調(diào)試程序的錯(cuò)誤和解決邏輯問題， 直觀地體會(huì)匯編語言的特點(diǎn)， 達(dá)到基于視覺的直觀實(shí)驗(yàn)， 完成認(rèn)知具有難度的知識(shí)的目的[7]。

EMU8086編譯系統(tǒng)不完全支持某些指令(LEA、 算術(shù)表達(dá)式)和某些偽指令(EQU、 SEG、 EVEN)， 故學(xué)生需要嘗試用其他可行方法實(shí)現(xiàn)特定要求； 也有特定的約束， 例如COM類型程序不需要定義段， 且代碼段由ORG定位在100H位置； 這些編程體驗(yàn)有助于提高學(xué)生調(diào)試程序的能力， 可使所用指令逐漸地融會(huì)貫通， 為自學(xué)高級語言打下良好的基礎(chǔ)。

1.2 ProteusVSM仿真平臺(tái)

微機(jī)原理課程硬件接口芯片部分的實(shí)踐性很強(qiáng)， 需要較好的電路分析和設(shè)計(jì)能力， 理論和實(shí)際聯(lián)系緊密。學(xué)生對電路的搭建和分析、 CPU引腳和接口芯片連接的靈活性、 可編程芯片的初始化設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)感到困難。在電路設(shè)計(jì)與仿真成為電子技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必然趨勢下， 學(xué)習(xí)一個(gè)EDA工具軟件有助于實(shí)踐設(shè)計(jì)動(dòng)手能力培養(yǎng)。

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的唯一將電路仿真軟件、 虛擬模型實(shí)物仿真軟件及PCB設(shè)計(jì)軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)[9]， 由ISIS和ARES兩部分組成， 其ISIS從7.5版開始提供獨(dú)特的微處理器協(xié)同仿真功能VSM(Visual System Modeling)for 8086模塊[10]， 可以設(shè)計(jì)電路原理圖， 利用外部編譯器編譯程序， 并進(jìn)行基于8086微處理器的VSM仿真， 為硬件接口電路提供理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

Proteus ISIS不僅可以將微處理器實(shí)例功能形象化， 也可將微處理器實(shí)例運(yùn)行過程形象化， 具有實(shí)物演示都難以達(dá)到的效果。它的元器件庫、 連接線路、 虛擬儀表等和硬件實(shí)物高度對應(yīng)， 相當(dāng)程度上替代了元器件選擇、 電路連接、 電路檢測、 電路修改、 軟件調(diào)試、 運(yùn)行結(jié)果觀察等實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能， 真正實(shí)現(xiàn)從概念到實(shí)物的便捷而靈活實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)， 非常有利于學(xué)生積極性的提高[11]。

Proteus的器件級仿真過程使得匯編程序運(yùn)行在無操作系統(tǒng)的狀態(tài)， 不再支持DOS和BIOS調(diào)用； 仿真過程必須持續(xù)的， 主程序不能結(jié)束并退出運(yùn)行， 必須以某種方式使其循環(huán)運(yùn)行， 例如JMP START 指令構(gòu)成無條件循環(huán)使得仿真持續(xù)進(jìn)行[11]。

1.3 軟硬件平臺(tái)的整合

將2個(gè)軟硬件仿真軟件無縫連接構(gòu)成EMU8086+Proteus ISIS組合， 作為微機(jī)原理課程的實(shí)踐平臺(tái)， 既豐富了本課程教學(xué)內(nèi)容， 也提高了同學(xué)們軟件方面的實(shí)戰(zhàn)能力， 提高了計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)效果。

在Proteus ISIS中繪制系統(tǒng)原理圖后， 按照設(shè)置方法， 導(dǎo)入?yún)R編程序方可進(jìn)行仿真調(diào)試。平臺(tái)整合時(shí)的設(shè)置方法包括2個(gè)步驟， 如圖1所示。

圖1 軟硬件平臺(tái)的設(shè)置方法

其中， 8086處理器需要一定的設(shè)置， 可加載.bin、 .com、 .exe的文件； 設(shè)置內(nèi)存起始地址、 大小和外部程序的加載地址段； 默認(rèn)時(shí)鐘為1MHz。仿真設(shè)計(jì)時(shí)通常要使用地址鎖存器件74LS373和地址譯碼器74LS145。

教學(xué)過程中可直觀地演示例題的運(yùn)行結(jié)果， 要求學(xué)生將書本的硬件設(shè)計(jì)題目在仿真平臺(tái)上逐一設(shè)計(jì)、 編程和驗(yàn)證， 利用虛擬儀表等生動(dòng)地觀察描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 培養(yǎng)了學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件操作能力。

2 專業(yè)驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)

目前實(shí)驗(yàn)的形式嚴(yán)重束縛學(xué)生的設(shè)計(jì)能力[12]， 內(nèi)容和BME專業(yè)沒有聯(lián)系， 學(xué)生的興趣性和主動(dòng)性皆得不到啟迪。改變實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)目標(biāo)， 以項(xiàng)目的形式提出與BME專業(yè)相關(guān)的課題， 打破了按照知識(shí)點(diǎn)組織實(shí)驗(yàn)的模式[13]， 一個(gè)實(shí)驗(yàn)題目就是一個(gè)簡化、 濃縮的BME小課題， 這種基于工作過程的[14]、 貼近專業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)啟發(fā)、 鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)思一些專業(yè)課題。以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式， 整合和優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)， 培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)， 實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新教育教學(xué)目標(biāo)[15]。

設(shè)計(jì)項(xiàng)目種類范圍較廣， 目前精心設(shè)置有基于8255A的醫(yī)院門診叫號系統(tǒng)、 基于AD的體溫測量系統(tǒng)、 心電信號采集系統(tǒng)、 輸液器報(bào)警發(fā)生系統(tǒng)等。每一個(gè)項(xiàng)目功能廣泛， 如定時(shí)器、 并/串口、 AD轉(zhuǎn)換、 中斷等新知識(shí)點(diǎn)， 要求2～3名學(xué)生組隊(duì)協(xié)同工作。學(xué)習(xí)過程中既有對知識(shí)的深入掌握， 也有項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的完整認(rèn)識(shí)， 學(xué)習(xí)了需求分析、 項(xiàng)目設(shè)計(jì)、 仿真實(shí)現(xiàn)、 硬件調(diào)試等諸多方面。學(xué)習(xí)過程中采用開放式教學(xué)模式[12]， 學(xué)生需要自行安裝和配置軟硬件仿真平臺(tái)， 課內(nèi)和課外時(shí)間結(jié)合， 驗(yàn)證和調(diào)試程序與電路設(shè)計(jì)； 配套的實(shí)驗(yàn)室的資源對學(xué)生全面開放， 保證學(xué)生有足夠的時(shí)間使用實(shí)驗(yàn)室的軟硬件設(shè)備和資源； 教師積極地解答難點(diǎn)、 指導(dǎo)學(xué)生的設(shè)計(jì)思路， 了解小組各成員的進(jìn)展和參與度情況。項(xiàng)目式設(shè)計(jì)的難度高于以往的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)， 學(xué)生自主設(shè)計(jì)難免出現(xiàn)只實(shí)現(xiàn)部分課題要求的情況， 考核方法調(diào)整為以設(shè)計(jì)過程的學(xué)生表現(xiàn)為主， 兼顧實(shí)現(xiàn)結(jié)果的原則[13]， 通過規(guī)范的項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式交納課題報(bào)告， 組員合作以口頭答辯的方式和全體同學(xué)交流。該過程增加了學(xué)習(xí)的趣味性和專業(yè)性， 激發(fā)學(xué)生的意愿和主動(dòng)性。

以基于8255A的醫(yī)院就診叫號系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例， 學(xué)生2～3人一組， 自主選取LED數(shù)碼顯示管和點(diǎn)陣顯示屏、 I/O輸出輸入接口芯片(74LS273地址鎖存器、 4-16譯碼器、 74LS244總線驅(qū)動(dòng)器)、 按鍵電路、 基本數(shù)字電路及8086CPU處理器， 如圖2、 3所示。學(xué)會(huì)運(yùn)用PCtoLCD2002字模軟件提取所需顯示字體的16進(jìn)制編碼庫。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療場所門診的叫號功能， 按鍵SW1表示新的叫號任務(wù)， 數(shù)碼管和32 16點(diǎn)陣組合顯示1-50號數(shù)字以及文字提示信息“ 號請就診”。

設(shè)計(jì)中涉及硬件電路的選擇、 設(shè)計(jì)、 連接和調(diào)試的完整過程， 彌補(bǔ)了基于實(shí)驗(yàn)箱的硬件試驗(yàn)的缺點(diǎn)； 設(shè)計(jì)軟件在視覺暫留原理的基礎(chǔ)上， 利用逐列掃描法動(dòng)態(tài)顯示文字， 地址鎖存和譯碼電路芯片的硬件控制， 較好地使用循環(huán)、 分支、 子程序等程序結(jié)構(gòu)； 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告和口頭答辯的形式進(jìn)行考核， 很好地總結(jié)了設(shè)計(jì)過程， 培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。

圖2 8086CPU及地址分配

圖3 按鍵輸入及數(shù)字顯示

3 特色微課視頻

微課視頻是指基于教學(xué)設(shè)計(jì)思想， 使用多媒體技術(shù)在5～10 min[16]以內(nèi)就一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行針對性講解的一段視音頻。這些知識(shí)點(diǎn)可以是教材解讀、 題型精講、 考點(diǎn)歸納； 也可以是方法傳授、 教學(xué)經(jīng)驗(yàn)等技能方面的知識(shí)講解和展示[17]。

針對微機(jī)原理的微課設(shè)計(jì)由2部分組成， 一部分收錄整理現(xiàn)有新知識(shí)視頻， 如《從沙子到芯片， Intel英特爾微處理器制作過程》、 《PCI_Express_Tech》、 《22nm到底如何小而強(qiáng)大》、 《現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展史》、 《SSD和HHD硬盤的工作原理》等； 另一部分針對軟硬件平臺(tái)的簡介和設(shè)置、 各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)、 重要例題和習(xí)題精講等， 自行錄制約15個(gè)視頻， 如《EMU8086操作簡介》、 《ISIS操作簡介》、 《8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)》、 《8086CPU最小模式構(gòu)成》、 《<火星救援>中的ASCII運(yùn)用》等。微課形式使學(xué)生靈活地利用課后時(shí)間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上學(xué)習(xí)， 了解新技術(shù)的發(fā)展和開拓視野， 也可以有效解決實(shí)際教學(xué)難點(diǎn)， 具有針對性地解惑、 啟惑， 能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性。

4 總結(jié)與展望

作為BME專業(yè)的微機(jī)原理與接口技術(shù)特色課程， 在新時(shí)代下面臨著挑戰(zhàn)和機(jī)遇。教研小組從各個(gè)方面加以探討， 提出教學(xué)體會(huì)和實(shí)踐措施[18]， 課程網(wǎng)站建立， 提供基于知識(shí)點(diǎn)的習(xí)題庫和生成模擬試卷， 從軟件硬件仿真平臺(tái)融合、 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的專業(yè)化課題、 微課視頻等各方面創(chuàng)新性結(jié)合， 經(jīng)過2學(xué)期的實(shí)踐， 較全面地提高教學(xué)效果， 更好地融入生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域， 為今后的學(xué)習(xí)擴(kuò)展打下良好的基礎(chǔ)。在師生互動(dòng)方面， 學(xué)生主動(dòng)參與度還有待提高， 這是今后本課程教學(xué)中有待努力完善的地方。

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Research on Creative Teaching Methods of Microcomputer Principles in BME Major

ZHOU Ying, XU Hongyu, JIANG Qingfeng, WANG Xiufang, XU Xiulin

School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai, 200093)

"Microcomputer principle and interface technology" is an important basicprofessional course ofbiomedical engineering (BME). Specific to a variety of problems, such as students'weak fundaments, abstract contents, less teaching time, the disjoint between teaching and majors, and the lack of standard practices,it proposed many multiple innovative methods, including the integrating of software and hardware simulative platform, the design of major-driven project and micro lesson videos, to realize the aims thatimproving students' study interest and teaching effects.Our multiple innovative methods are conformed to the requirement of training outstanding biomedical engineering talents with innovative spirit and practical ability.

biomedical engineering, Emu8086, Proteus ISIS, simulation platform

10.3969/j.issn.1674-1242.2017.02.022

上海理工大學(xué)2016年度教師教育發(fā)展研究項(xiàng)目

周穎，講師，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程，

E-mail: jenniferzhy@hotmail.com

R318.6

A

1674-1242(2017)02-0121-04

2016-12-30)

(NO：CFTD16034Y，CFTD16037Y)