生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)研究

高原，謝勤嵐，張莉，陸雪松，劉曉軍

（中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)結(jié)合電子技術(shù)與醫(yī)學(xué)類知識(shí)，具有高度的學(xué)科交叉性，其目的是培養(yǎng)解決醫(yī)學(xué)相關(guān)問(wèn)題的復(fù)合型人才。微機(jī)原理與接口技術(shù)是中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)科主干課程，該課程以Intel X86 微處理器和IBM PC 系列機(jī)為主體，主要包括16 位微型計(jì)算機(jī)的基本原理、匯編語(yǔ)言以及接口技術(shù)三大部分。內(nèi)容涵蓋微型機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部特性，存儲(chǔ)器系統(tǒng)，指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，總線及總線接口，輸入/輸出及接口，典型的接口芯片以及相關(guān)的控制接口技術(shù)，包括定時(shí)計(jì)數(shù)控制、中斷控制、DMA 控制、并行接口、串行通信接口以及模擬接口。課程注重培養(yǎng)學(xué)生軟硬件設(shè)計(jì)的綜合能力，具有很強(qiáng)的理論性與實(shí)踐性。由于課程內(nèi)容涉及面廣，綜合性強(qiáng)，在當(dāng)前教學(xué)模式下，部分高校在該課程教學(xué)中存在學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，教學(xué)效果不理想等問(wèn)題[1-4]。

此外，隨著我國(guó)高等教育從大眾化階段步入普及化階段，國(guó)家對(duì)高等教育提出了新的任務(wù)和要求[5,6]。如何實(shí)現(xiàn)高等教育的高質(zhì)量發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)的新局面，是當(dāng)前亟須解決的問(wèn)題。因此，積極探索有效的教學(xué)方法，推動(dòng)教學(xué)模式改革，成為本門課程建設(shè)的重要目標(biāo)。

1 課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

1.1 教學(xué)內(nèi)容繁雜，詳略不當(dāng)

微機(jī)原理課程具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)多，然而其中的許多概念、知識(shí)點(diǎn)在其他前期課程中已經(jīng)有所涉及甚至是系統(tǒng)性的闡述。教師在上課時(shí)為了保證課程在知識(shí)體系上的銜接性，往往會(huì)重復(fù)講解這些學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)，且詳略不當(dāng)，通常都是直接平鋪式展開(kāi)，對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)逐一進(jìn)行講解。

1.2 教學(xué)手段難以激發(fā)學(xué)生興趣

在微機(jī)原理課程的教學(xué)中，教師通常側(cè)重于基本概念以及匯編語(yǔ)言語(yǔ)法等知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)過(guò)程往往只強(qiáng)調(diào)如何做，卻很少涉及為什么要這樣做。教學(xué)手段單一導(dǎo)致大量概念的羅列，學(xué)生往往只是記憶知識(shí)，很難真正理解這些知識(shí)點(diǎn)，更難以聯(lián)系實(shí)際情況解決具體問(wèn)題。學(xué)生漸漸對(duì)學(xué)習(xí)微機(jī)原理失去興趣，進(jìn)而產(chǎn)生畏難心理，在學(xué)習(xí)過(guò)程中體會(huì)不到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣以及成就感，越學(xué)越吃力，甚至對(duì)自身的學(xué)習(xí)能力產(chǎn)生懷疑，最終放棄對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)。

1.3 實(shí)驗(yàn)缺乏專業(yè)相關(guān)性

當(dāng)前大多數(shù)微機(jī)原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要基于Intel 8086 微處理器的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，這類設(shè)備功能十分有限，只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，缺乏醫(yī)學(xué)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的相關(guān)性。且這些設(shè)備均十分老舊，很多已經(jīng)使用了十幾年，故障率高，損耗嚴(yán)重。在實(shí)際教學(xué)中，教師主要提供驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很多時(shí)候只能仿照實(shí)驗(yàn)書(shū)上的簡(jiǎn)單示例進(jìn)行機(jī)械性的重復(fù)，或僅僅簡(jiǎn)單改動(dòng)幾處代碼。學(xué)生做完了實(shí)驗(yàn)并未理解其中的原理，實(shí)踐能力并沒(méi)有得到有效的鍛煉。

1.4 課程考核效果不佳

當(dāng)前微機(jī)原理課程考核主要采用平時(shí)成績(jī)+期末考試的考核形式。其中平時(shí)成績(jī)包括課堂出勤、課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)?nèi)齻€(gè)部分。在出勤方面，主要依靠點(diǎn)名考查學(xué)生是否到課堂聽(tīng)課，這項(xiàng)考核僅能反映學(xué)生人在課堂，很難反映學(xué)生在課堂的學(xué)習(xí)效果。在課后作業(yè)方面，該項(xiàng)考核在總成績(jī)中占比較低，其作用未得到充分重視，教師在布置作業(yè)時(shí)目的性不明確，隨意性較大，學(xué)生也僅是完成教師布置的內(nèi)容，該項(xiàng)考核沒(méi)有起到檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的作用。在實(shí)驗(yàn)考核方面，正如前文分析，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)存在諸多問(wèn)題，很難培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。在期末考試方面，主要采取期末卷面筆試的形式，該項(xiàng)考核占總成績(jī)的比重最大，在整個(gè)課程考核中占據(jù)主導(dǎo)地位。試卷會(huì)設(shè)置選擇題、填空題、簡(jiǎn)單題等題目類型，考核大部分針對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)以及綜合性較低的內(nèi)容。這種考核形式很難全面反映出學(xué)生真實(shí)的動(dòng)手解決問(wèn)題的能力，并且很容易將學(xué)生的學(xué)習(xí)引導(dǎo)向只是記憶知識(shí)點(diǎn)的方向。

2 課程教學(xué)改革方案

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)微機(jī)原理內(nèi)容繁雜的問(wèn)題，應(yīng)優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容。要優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，首先需要明確課程目的。課程目的是課程所要實(shí)現(xiàn)的具體目標(biāo)和意圖，即學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)微機(jī)原理這門課程，需要在哪些方面達(dá)到什么程度的要求。只有明確了課程目的，才能確定課程內(nèi)容和教學(xué)方法。微機(jī)原理課程通常由微機(jī)原理、匯編語(yǔ)言以及接口技術(shù)三個(gè)部分組成，若完整講述各部分內(nèi)容，則適用于軟硬件結(jié)合的情況。若側(cè)重軟件部分，則應(yīng)該以微機(jī)原理為基礎(chǔ)，重點(diǎn)講解匯編語(yǔ)言的知識(shí)內(nèi)容。若側(cè)重硬件部分，則應(yīng)以接口技術(shù)部分作為主體進(jìn)行講授[7]。

其次應(yīng)該對(duì)微機(jī)原理課程與其他課程重合的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)縮減。這就要求授課教師對(duì)教學(xué)大綱有整體的把握，了解學(xué)生前置課程的學(xué)習(xí)情況。例如計(jì)算機(jī)編程思想中的基本原則，常用的數(shù)制轉(zhuǎn)換、編碼系統(tǒng)等一些基本概念，學(xué)生在其他課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)，因此可以縮減這些部分的內(nèi)容，把有限的授課時(shí)間集中在更重要的部分。

2.2 解決學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)

微機(jī)原理晦澀難懂，學(xué)生缺乏興趣，是學(xué)習(xí)該門課程存在的難點(diǎn)，出現(xiàn)這種情況往往是因?yàn)榻處熀鲆暳藢W(xué)習(xí)需要循序漸進(jìn)這一客觀規(guī)律。教師在授課時(shí)可以將課程拆分成若干細(xì)小的知識(shí)單元。這些單元不是零散的知識(shí)點(diǎn)，而是將復(fù)雜的內(nèi)容進(jìn)行最小化分割，每一個(gè)知識(shí)單元都是后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)，并且每一個(gè)單元的知識(shí)點(diǎn)或信息量，也僅比前面的內(nèi)容多一點(diǎn)。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的每一個(gè)知識(shí)單元都是當(dāng)下唯一需要認(rèn)知的東西，不會(huì)難度過(guò)大，而是始終處在認(rèn)知學(xué)習(xí)區(qū)，逐步克服困難。其次可設(shè)置針對(duì)性的自測(cè)題，每講解完一個(gè)單元要及時(shí)進(jìn)行學(xué)生自測(cè)，學(xué)生必須在開(kāi)始下一個(gè)單元知識(shí)學(xué)習(xí)之前完成自測(cè)題[8,9]。這樣不僅可以使學(xué)生及時(shí)了解自身的學(xué)習(xí)情況，也讓學(xué)生在不斷完成小目標(biāo)的過(guò)程中持續(xù)積累自信，收獲學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)教師可根據(jù)自測(cè)題及時(shí)獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，掌握學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)和共性問(wèn)題，針對(duì)性地加以鞏固。

此外，由于課堂上教學(xué)時(shí)間有限，有些知識(shí)點(diǎn)學(xué)生還沒(méi)來(lái)得及消化吸收，可以結(jié)合微視頻等在線學(xué)習(xí)的形式增加學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)的時(shí)間[10,11]。將授課時(shí)的知識(shí)單元做成小視頻，這些視頻不僅僅是課堂講授的知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)，還可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣够蜓a(bǔ)充說(shuō)明，方便學(xué)生及時(shí)回顧所學(xué)內(nèi)容與答疑解惑。

2.3 引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在諸多弊端，學(xué)生很難在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，更缺少醫(yī)學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)訓(xùn)案例設(shè)計(jì)。引入計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)可以很好地解決以上問(wèn)題[12-14]。目前微機(jī)原理課程教學(xué)中效果較好的是Proteus 軟件仿真平臺(tái)，其支持包括Intel 8086 在內(nèi)的眾多處理器型號(hào)，可實(shí)現(xiàn)原理布圖、代碼調(diào)試、電路仿真等多種功能[15,16]。將該平臺(tái)引入微機(jī)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可在講授I/O 端口、定時(shí)計(jì)數(shù)、中斷控制、串行并行通信等內(nèi)容時(shí)，加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)這些知識(shí)時(shí)，能直觀形象地了解各類接口的工作過(guò)程。這些實(shí)驗(yàn)本身也是上文所提及的自測(cè)點(diǎn)，學(xué)生只有完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，才能進(jìn)行下一步的知識(shí)學(xué)習(xí)。此外可針對(duì)性設(shè)計(jì)具有醫(yī)學(xué)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的綜合性實(shí)驗(yàn)，如數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于CT、超聲等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，中斷實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于設(shè)備急停等應(yīng)用場(chǎng)景，以提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力。

2.4 優(yōu)化課程考核形式

調(diào)整各項(xiàng)考核指標(biāo)在總成績(jī)中的比例分配，弱化期末卷面筆試的主導(dǎo)地位。對(duì)于課堂出勤的考核，不再簡(jiǎn)單地依照點(diǎn)名冊(cè)進(jìn)行點(diǎn)名，可利用學(xué)習(xí)通等教學(xué)輔助軟件，在點(diǎn)名時(shí)要求學(xué)生拍照上傳聽(tīng)課筆記或?qū)W習(xí)小結(jié)。重視課后作業(yè)的作用，圍繞課堂上所講授知識(shí)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)作業(yè)內(nèi)容，使學(xué)生可以鞏固課堂所學(xué)，并做到舉一反三、加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。前文所提及的知識(shí)單元自測(cè)、微視頻、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)等也可作為課后作業(yè)，用以檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生增加鞏固所學(xué)內(nèi)容。增加實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的占比，尤其是綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和完成效果等維度全面考核學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

課程的教學(xué)改革與教學(xué)思想的改進(jìn)不會(huì)一蹴而就，這要求教師在教學(xué)中不斷進(jìn)行實(shí)踐，在原有教學(xué)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，不斷深化認(rèn)識(shí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步探索出與課程相適應(yīng)的有效教學(xué)方法。本文針對(duì)當(dāng)前教育改革背景下的培養(yǎng)目標(biāo)，分析了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程存在的主要問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、解決學(xué)習(xí)難點(diǎn)、引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、優(yōu)化課程考核形式等方面對(duì)該門課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索，以提升教學(xué)質(zhì)量、改善教學(xué)效果。