醫(yī)學影像技術專業(yè)的微機原理課程教學研究

許紅玉, 周穎, 任杰,王遠軍上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院(上海，200093)

醫(yī)學影像技術所培養(yǎng)的學生，要能在醫(yī)學影像技術領域從事相關的設備研發(fā)、 管理經(jīng)營以及技術服務方面的理、 工、 醫(yī)相結合的高級工程技術人才。他們將來要在醫(yī)院、 企業(yè)等單位工作，要研發(fā)和操作大型CT機、 磁共振設備、 X線機等多種現(xiàn)代化設備，這些設備現(xiàn)在已經(jīng)基本與PC機相連，其醫(yī)學圖像需要經(jīng)過圖像處理編程算法進行分割、 增強或融合，幫助醫(yī)生診斷和治療。其中一些電路板也采用微型計算系統(tǒng)設計，工作時需要定期維修與設計，所以醫(yī)學影像工程專業(yè)的學生應認真學習《微機原理及應用》這門專業(yè)基礎課程，掌握微型計算機原理的硬件連線與編程思想。而且，在所有專業(yè)課當中，這門課是學生接觸最早的一門專業(yè)基礎課，是培養(yǎng)學生的專業(yè)核心知識和核心能力的重要陣地[1]。

圖1 微機原理在課程體系中的位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the position of the microcomputer principle in the course system

本課程教學目前采用的還是傳統(tǒng)的通用微機教學，圍繞微型計算機原理和應用主題，以Intel x86 CPU為主線，系統(tǒng)介紹微型計算機的基本知識和基本組成[2]。目前本專業(yè)大部分學生感覺，一方面理論課程不僅知識點繁多，而且學起來比較枯燥乏味； 另一方面由于個人計算機的發(fā)展迅速，市面上出現(xiàn)的計算機無論從軟硬件配備，還是外型設計，都遠遠超出了書本上的描述，這導致學生認為教學內(nèi)容陳舊，從而對教學講授失去興趣，使理論授課困難； 另外，該課程內(nèi)容繁雜、 知識點零散，理論性和實踐性都較強，初學者普遍感到內(nèi)容抽象、 難以理解。因此，如何提高該課程的教學效果，激發(fā)學生們的學習興趣 ，培養(yǎng)學生們分析解決問題的能力，是教學過程中必須充分重視的問題[3]?；谝陨显颍疚挠懻撛诮虒W中的幾點體會。

1 注重理論基礎教學引導

一門課程要引起學生的學習興趣并不容易， 尤其是理工科的課程， 其中充滿各種枯燥的公式、 編程和硬件電路分析等內(nèi)容； 在教程編寫上也不像文科一樣做過多修飾， 它的每一句話都具有科學的嚴謹性。但是， 如果學生帶著目的性和好奇心去學習， 那么它就不會那么難懂了。所以， 在第一次課時， 有必要通過對實際情況的分析和這門課在整個專業(yè)的位置等做詳細講解。

1.1 強調(diào)課程在專業(yè)課程體系中的位置和重要性

在學習這門課程之前，學生已經(jīng)選修了C語言編程課程，但學生反映很難理解和掌握，究其原因，是因為學生對計算機的硬件結構、 工作原理和編程方式不了解。而且，醫(yī)學影像專業(yè)的后續(xù)課程包含硬件醫(yī)學圖像處理、 醫(yī)學影像設備、 磁共振成像設備等內(nèi)容，從技術的角度來看，是硬件電路設計和軟件算法編程，而學生前期所學習的C語言和電子電路等內(nèi)容，不能完全滿足專業(yè)需要。所以應從本專業(yè)對計算機的編程和電路板設計的應用舉例開始,指出這門課是本專業(yè)的基礎，學好這門課，不僅能夠幫助學生解決軟件編程和硬件設計的一些基礎問題，而且也為后續(xù)課程奠定了基礎。

1.2 強調(diào)學習的關鍵部分應是編程思想和理念

教材主要講授8086系統(tǒng)的結構、 編程以及擴展芯片等內(nèi)容，有必要告訴學生，在硬件方面的數(shù)字芯片模塊化設計理念和編程的一些常用算法和編程基本方法，仍然是相關研發(fā)人員沿用至今的，掌握了這些基礎的理念和思想，將來學生學習任何相關軟硬件技術都很容易掌握和理解。

1.3 強調(diào)要關注計算技術的發(fā)展和應用

本課程強調(diào)的是微型計算機的計算技術在醫(yī)療器械領域內(nèi)的應用與研究，而不僅僅局限在個人電腦上。計算技術在醫(yī)學影像專業(yè)的應用尤其突出，以醫(yī)院X線機的影像拍攝為例，為了避免醫(yī)院工作人員受到更多劑量的射線照射，目前已經(jīng)采用了計算機在拍片室外面進行控制，而且圖像的后期處理和輔助計算機診斷也成為重點技術，這應當引起學生足夠的重視。

2 加強編程實踐積累

醫(yī)學影像專業(yè)的學生后期要學習醫(yī)學圖像處理課程， 它要求學生能夠熟練使用MATLAB語言、 Visual C等高級編程語言， 所以對學生的編程能力要求很高。而C語言是一種編譯型程序設計語言， 具有程序可讀性好、 開發(fā)效率高、 移植容易等優(yōu)點， 又具備匯編語言的部分功能[4]。因此在講授到編程部分時， 要拿一些編程語句和方法與C語言進行比較學習， 幫他們進一步理解匯編語言的編程， 掌握匯編語言與C語言的編程區(qū)別， 提高學習的效率。

例如， 在講到算術運算指令時， 將INC指令和DEC指令與C語言中的加1指令相比較； 在講到查表指令時， 將它的編程過程與C語言中的查表編程相比較； 在講到循環(huán)控制指令時， 著重講授循環(huán)控制程序的方法和思想， 其中排序法和邏輯尺可以專門拿出多種情況來講解， 并通過C語言的編程舉例說明， 加深學生對程序段的理解， 最后可以引用本專業(yè)圖像處理中常用的二維圖像像素掃描和灰度提取算法、 圖像灰度直方圖等的編程。

再如， 在講到標志寄存器PSW 時， 教材并沒有對奇偶校驗位PF展開說明。因此， 在講課時， 指出奇偶校驗能夠檢測出在信息傳輸過程中的部分誤碼， 類型分為奇校驗和偶校驗， 其做法是在所傳輸?shù)拿恳蛔止?jié)(8位)之外又增加了一位作為錯誤檢測位。在某字節(jié)中存儲數(shù)據(jù)之后， 在其8個位上存儲的數(shù)據(jù)是固定的， 假設為1、1、1、0、0、1、0、1， 把每個位相加， 結果是奇數(shù)。對于偶校驗， 校驗位就定義為1， 對于奇校驗， 就定義為0， 這樣， 當CPU讀取所存儲的數(shù)據(jù)時， 它會再次把每位數(shù)據(jù)相加， 計算結果看是偶數(shù)還是奇數(shù)， 從而能檢測出傳輸錯誤， 并列舉相關編程片段說明。通過這樣的講解， 學生對PF有更深的理解， 也明白PF的用途， 并對數(shù)據(jù)傳輸檢錯糾錯編程有了一定了解， 最后再要求學生去查詢工程設計技術常用的循環(huán)冗余檢驗(CRC)方法。

另外， 在講到程序設計方法中， 除了講授教材中所列的編程結構， 包括順序結構、 分支結構、 循環(huán)結構和子程序結構外[5]， 還專門就編程算法展開講授， 結合本專業(yè)MATLAB課程和C語言編程應用經(jīng)驗， 補充講授了常用的插值算法、 數(shù)字信號濾波算法以及一些簡單的數(shù)字信號處理算法的編程思路， 再引申到數(shù)據(jù)的擬合、 函數(shù)的極值計算和數(shù)據(jù)的均值、 平均差、 標準差等數(shù)據(jù)統(tǒng)計應用描述。為學生學習后期的專業(yè)課程打下堅實的編程基礎。

3 重視結合硬件技術

在學習本課程前， 學生已經(jīng)修讀完或者正在修讀模擬電子技術和數(shù)字電子技術課程， 但是學生對獨立芯片的學習和應用還停留在實驗室階段， 而醫(yī)學影像專業(yè)學生后期要學習醫(yī)學影像設備、 核磁共振成像設備以及放射測量與防護等專業(yè)課程， 這些課程中所講解的設備大多都是電子設備， 著重講述電子線路原理圖以及相應的實驗測試和設計等， 這也要求學生對集成電路的設計要比較熟悉。

因此， 在講到后面的芯片擴展時， 要首先講解一個芯片的外部特點， 從簡單的74LS138譯碼器開始， 著重講述所有數(shù)字芯片外圍管腳的類型特征、 使用方法、 以及如何與其他芯片連接， 如何進行工作等， 指導學生學會自己理解和應用新的芯片的使用說明。然后對存儲器擴展、 輸入輸出擴展、 以及定時計數(shù)器的使用等展開講解， 并舉出相應的電路原理圖進行原理分析和工作編程， 讓學生深入了解可編程芯片如何連接電路以及如何對其進行編程， 并結合實驗室操作和學習掌握相關技能。這一部分可以在實驗室里讓學生一邊實踐操作， 一邊進行理論學習， 這樣可以達到事半功倍的效果。

4 仿真平臺建設

實驗教學在對學生能力培養(yǎng)方面起著理論教學不可替代的作用， 是培養(yǎng)學生實驗技能、 應用能力和科學作風的重要環(huán)節(jié)[6]?，F(xiàn)在實驗室操作系統(tǒng)大多已是Win7以上的版本， CPU以64位為主流， 所以我們采用基于8086CPU的EMU8086交互式集成仿真軟件， 與具有獨特的8086模塊的協(xié)同仿真功能VSM的Proteus ISIS相結合， 來滿足教學和學生自學的雙重需求[7]。

結合醫(yī)學影像技術專業(yè)課程中的主要內(nèi)容， 實驗室設計了醫(yī)學數(shù)字圖像的灰度變化算法、 灰度直方圖算法、 數(shù)組的平移、 均值和中值算法、 閾值化去噪算法濾波算法等與專業(yè)相關的實驗編程， 以及設計了射線測量系統(tǒng)、 磁共振信號檢測系統(tǒng)、 X線機信號檢測系統(tǒng)等多個具有醫(yī)學影像技術專業(yè)特色的硬件系統(tǒng)實驗。圖2為射線測量系統(tǒng)， 為了避免輻射， 射線探測探頭的信號用已經(jīng)實測到的數(shù)字信號替代。

5 結束語

綜上， 《微機原理及應用》課程涉及面廣， 知識點比較繁雜， 學生不僅要掌握系統(tǒng)結構， 而且還要會進行電路設計和連線， 最后還要對其進行編程測試， 所以學習起來比較困難。因此針對本專業(yè)特點和需要， 在理論講授中著重講述軟件的編程經(jīng)驗和電子線路原理圖的設計與連接。在教學手段上， 不但借助多媒體技術提升課堂教學效果， 將書上的一些內(nèi)容做成動畫或者其他生動形象的形式， 以激發(fā)學生的學習興趣， 增加學生的注意力， 而且充分利用網(wǎng)絡教學平臺輔助教學， 建立了教學網(wǎng)站， 在線進行問題解惑和試題解答等， 有效調(diào)動本專業(yè)學生的學習積極性和主動性， 達到了很好的講授效果。

圖2 射線測量系統(tǒng)Fig.2 Radial measuring system

[1] 王秀芳,周穎,許紅玉 ,等. 生物醫(yī)學工程專業(yè)微機原理課程改革的探索與實踐[J].中國醫(yī)學物理學雜志[J].2014, 31(2): 4846-4848.

[2] 鄒甲,程紅. 機械類專業(yè) 《微機原理與接口技術 》教學改革的探討[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版)，2011(6):56-58.

[3] 王刻奇.《微機原理及應用》教學方法探討[J]. 科技創(chuàng)新導報, 2010(12):174.

[4] 胡杰,文漢云. 基于C語言的《微機原理及應用》課程教學的探討[J].長江大學學報(自然科學版),2011,8(11):139-140.

[5] 周何琴,馮煥清. 微型計算機原理與接口技術[M].第五版,合肥:中國科學技術大學出版社,2013.

[6] 張紅云.微機原理實驗教學改革探討[J].廣西大學學報(自然科學版),2007,32(增刊):207-209.

[7] 周穎,許紅玉,蔣青峰, 等. BME專業(yè)微機原理創(chuàng)新教學方法研究[J].生物醫(yī)學工程學進展,2017, 38(2):121-124.