生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)（BME）微機(jī)原理及應(yīng)用課程混合式教學(xué)探索

嚴(yán)榮國(guó) 周穎 項(xiàng)華中 許紅玉

摘要：隨著信息時(shí)代的到來(lái)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，教學(xué)模式也在發(fā)生著深刻變化，線上線下混合式教學(xué)模式成為高校教學(xué)改革研究的重要方向。通過(guò)分析微機(jī)原理及應(yīng)用課程的特點(diǎn)和教學(xué)中存在的問(wèn)題，重點(diǎn)闡述了線上線下混合式教學(xué)模式在課程中的具體運(yùn)用，包括線上課程資源建設(shè)、線上線下教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)和過(guò)程化考核等。該教學(xué)模式從課前、課中和課后三個(gè)階段將線上學(xué)習(xí)與線下課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，同時(shí)融入生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)（BME）知識(shí)，以期提升本課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理及應(yīng)用；混合式教學(xué)；教學(xué)改革；過(guò)程化考核；生物醫(yī)學(xué)工程

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）36-0166-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科用工程的方法去解決醫(yī)學(xué)的問(wèn)題，理、工、醫(yī)學(xué)科交叉特性非常顯著，該學(xué)科的本科層次水平培養(yǎng)具有這些能力的復(fù)合型應(yīng)用型人才。上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科是上海市重點(diǎn)學(xué)科，具有本-碩-博士-博士后科研流動(dòng)站一體化的人才培養(yǎng)體系，該學(xué)科培養(yǎng)的各個(gè)層次人才深受用人單位的歡迎和信賴(lài)。上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)也是國(guó)家級(jí)一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)、上海市本科教育高地、教育部卓越工程師教育試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)具有扎實(shí)的自然科學(xué)基礎(chǔ)、較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、醫(yī)與工相結(jié)合的高層次人才。其中，微機(jī)原理及應(yīng)用是上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課程，本課程在課程體系建設(shè)、專(zhuān)業(yè)建設(shè)和卓越人才培養(yǎng)方面占有非常重要的地位。本課程于2022年獲得上海高校市級(jí)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目。

該課程以采用馮·諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)的8086/8088微處理器為主體，主要內(nèi)容包括微型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、8086微處理器和指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)以及微型計(jì)算機(jī)各種接口技術(shù)（存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、中斷、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換接口、總線技術(shù)等）。在本專(zhuān)業(yè)，該課程為3學(xué)分，共48學(xué)時(shí)。目前，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、電子科技大學(xué)等眾多高校在研究生入學(xué)考試初試或者復(fù)試中選用該課程。

1 教學(xué)中存在問(wèn)題

微機(jī)原理課程綜合了微型計(jì)算機(jī)軟、硬件理論知識(shí)，要求學(xué)生既要掌握計(jì)算機(jī)硬件理論知識(shí)，又要有匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的能力。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，對(duì)這門(mén)課的感覺(jué)是內(nèi)容抽象、指令多且靈活、邏輯性和系統(tǒng)性強(qiáng)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以配套[1-5]。

1.1 內(nèi)容抽象

課程教學(xué)內(nèi)容較抽象，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)眾多，但是實(shí)際教學(xué)中課時(shí)安排常常有限，使得課堂信息量很大，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)較重，教師亦無(wú)法很好地兼顧授課進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量。抽象內(nèi)容包括：數(shù)的進(jìn)制、存儲(chǔ)器的組織與管理、堆棧和指令隊(duì)列的管理、標(biāo)志寄存器的狀態(tài)、存儲(chǔ)器和IO端口的地址空間分配等。

1.2 指令多且靈活

8086指令系統(tǒng)共有117條基本指令，分為數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令、算術(shù)運(yùn)算類(lèi)指令、位操作類(lèi)指令、串操作類(lèi)指令、控制轉(zhuǎn)移類(lèi)指令等。指令格式靈活、尋址功能強(qiáng)、具有多種數(shù)據(jù)處理能力和多處理器結(jié)構(gòu)的指令。而且，與高級(jí)語(yǔ)言相比，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼是低層次的語(yǔ)言，往往代碼冗長(zhǎng)、可讀性差、易出差錯(cuò)。

1.3 邏輯性和系統(tǒng)性強(qiáng)

本課程是理論嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)并與工程實(shí)際密切結(jié)合的課程。微機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，任何一條指令所進(jìn)行的操作需要分解成一系列微操作，這些微操作有的同時(shí)進(jìn)行，有的要按照先后的邏輯順序進(jìn)行，它實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)序邏輯電路系統(tǒng)，在時(shí)鐘脈沖的統(tǒng)一控制下，按照節(jié)拍進(jìn)行各項(xiàng)工作。

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以配套

實(shí)驗(yàn)可以很好地幫助學(xué)生理解書(shū)本知識(shí)。然而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用的是微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)箱，這些實(shí)驗(yàn)箱裝置主要實(shí)現(xiàn)芯片功能的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需照著連線圖連接幾根重要的導(dǎo)線，編寫(xiě)少量的匯編代碼即可得出結(jié)果，完全沒(méi)有發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，沒(méi)有做到理論知識(shí)和實(shí)踐操作的結(jié)合。

2 混合式教學(xué)改革實(shí)踐

針對(duì)傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)的不足，我們采用線上線下混合式教學(xué)，并進(jìn)行過(guò)程化考核方式，具體實(shí)施方案如圖1所示。教師線上管理和發(fā)布學(xué)習(xí)資源，線下開(kāi)展相關(guān)教學(xué)活動(dòng)；學(xué)生線上線下同步進(jìn)行學(xué)習(xí)、完成課后作業(yè)和輔導(dǎo)答疑。教學(xué)的全過(guò)程中，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)積極性等情況進(jìn)行全面而綜合的過(guò)程化考核[6-7]。

2.1 合理分配課時(shí)

本課程教學(xué)以Intel 8086 /8088為控制核心，從內(nèi)核到接口逐步展開(kāi)。上海理工大學(xué)采用的教材是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社出版的，周荷琴、馮煥清主編的《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》，該教材內(nèi)容翔實(shí)，實(shí)例詳盡，非常適合初學(xué)者。在培養(yǎng)計(jì)劃中，本課程課時(shí)只有48學(xué)時(shí)。為了著重體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，課題組經(jīng)過(guò)多次討論，縮減匯編語(yǔ)言教學(xué)學(xué)時(shí)，增加硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)課時(shí)，將線下課程授課內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配概括如圖2所示：

2.2 線上資源

針對(duì)每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，梳理出教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，我們分別錄制了10～15分鐘的微視頻，內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示、CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、尋址方式、常用指令、存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展、并行接口、串行接口、可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器等。此外，還提供了基于EMU 8086的軟件指令仿真教程、基于Proteus的軟硬件仿真功能基礎(chǔ)教程等內(nèi)容。

線上還以網(wǎng)頁(yè)的形式呈現(xiàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、考核方式等常規(guī)教學(xué)組織方案。此外，還開(kāi)設(shè)了通知、作業(yè)、輔導(dǎo)答疑、線上測(cè)試、線上簽到、統(tǒng)計(jì)等功能，以實(shí)施和評(píng)估每個(gè)階段的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行和量化過(guò)程化的考核。

2.3 線下教學(xué)

充分利用好三尺講臺(tái)主戰(zhàn)場(chǎng)，采用靈活的授課方式進(jìn)行，主要包括：

1）常規(guī)教學(xué)。利用PPT和微視頻慕課，采用智慧教室內(nèi)的多媒體和板書(shū)進(jìn)行常規(guī)教學(xué)。比如，課程中數(shù)的進(jìn)制和有符號(hào)數(shù)的補(bǔ)碼運(yùn)算、匯編語(yǔ)言流程圖及其代碼、存儲(chǔ)器和IO端口的擴(kuò)展地址分配等的教學(xué)宜采用板書(shū)的方式。

2）直觀展示法。在講微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和引腳定義時(shí)，將微機(jī)原理開(kāi)發(fā)板、自制實(shí)驗(yàn)儀器帶入課堂，講解封裝（包括封裝形式、芯片1腳的識(shí)別及各引腳的定義）和儀器實(shí)現(xiàn)機(jī)理。有時(shí)，還邀請(qǐng)研究生或高年級(jí)學(xué)生講解曾經(jīng)從事過(guò)的相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)歷。

3）仿真教學(xué)法。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)，可實(shí)現(xiàn)原理圖繪制、代碼調(diào)試、電路仿真等多種功能。也能較好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的諸多弊端，如實(shí)驗(yàn)儀器故障率高、損耗嚴(yán)重等問(wèn)題[8-11]。

4）討論法。如討論計(jì)算機(jī)為什么采用補(bǔ)碼的形式進(jìn)行加減乘除等運(yùn)算？討論計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)編碼和譯碼等。

5）任務(wù)驅(qū)動(dòng)法。在某個(gè)階段布置一定的任務(wù)（比如學(xué)習(xí)Proteus軟件的基本功能），到時(shí)間進(jìn)行檢查，并通過(guò)課堂、騰訊會(huì)議等進(jìn)行交流。

6）自主學(xué)習(xí)法。有些內(nèi)容可以留給學(xué)生自己去學(xué)習(xí)，到截止時(shí)間后去檢查。

7）實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。除仿真教學(xué)外，開(kāi)設(shè)了0.5學(xué)分的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課程，由實(shí)驗(yàn)員和任課老師共同承擔(dān)；

8）高階性和有挑戰(zhàn)度的學(xué)習(xí)。將微機(jī)原理和生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)帶單片機(jī)或微機(jī)的醫(yī)學(xué)電子儀器或參加競(jìng)賽，比如我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Proteus和微機(jī)原理的電子秒表、簡(jiǎn)易計(jì)算器、輸液器滴數(shù)檢測(cè)等，參加了Proteus Cortex-M3仿真設(shè)計(jì)國(guó)際大賽，并取得了較好的成績(jī)[12-13]。

9）坐班答疑。學(xué)生可以利用坐班答疑時(shí)間來(lái)接受輔導(dǎo)。坐班時(shí)間一般安排在白天，答疑時(shí)間可靈活安排線上或線下進(jìn)行。

2.4 過(guò)程化考核

推進(jìn)過(guò)程化考核，加強(qiáng)全過(guò)程評(píng)價(jià)，是本科教育教學(xué)綜合改革的有力抓手。實(shí)施過(guò)程化考核可以增強(qiáng)課堂的互動(dòng)性，避免學(xué)生的應(yīng)試心理，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，不斷激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。期末成績(jī)由出勤率、課堂互動(dòng)、小組討論、平時(shí)作業(yè)成績(jī)和期末閉卷筆試成績(jī)按照一定的比例組成。通過(guò)過(guò)程化考核，有力提升學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

在第一次上課時(shí)，明確告知本課程采用全程式—過(guò)程化考核，課程最后成績(jī)包括五次平時(shí)成績(jī)（各占10%）和期末筆試成績(jī)（占50%）。其中，五次平時(shí)成績(jī)由四次作業(yè)（各占10%）和平時(shí)的簽到、課堂提問(wèn)、小組討論等情況（占10%）構(gòu)成。

2.5 基于Proteus的仿真

基于Proteus軟件的仿真可以做到“虛”（仿真）和“實(shí)”（實(shí)踐）結(jié)合，解決理論教學(xué)課時(shí)緊張，硬件實(shí)驗(yàn)箱資源有限，損壞率高的問(wèn)題，兼顧軟件（支持匯編語(yǔ)言）和硬件（微處理器及其外圍電路設(shè)計(jì)）的仿真，采用“積木式”設(shè)計(jì)、搭建CPU和外圍接口電路，把Proteus與數(shù)字邏輯、組成原理、體系結(jié)構(gòu)和接口電路相組合?；赑roteus的仿真可包括：靜態(tài)存儲(chǔ)器擴(kuò)展、8255A并行接口、8259A中斷控制、8251A串行接口、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、8253可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等。

3 教學(xué)改革成效

經(jīng)過(guò)近幾年的教學(xué)實(shí)踐和探索，本課程取得了如下成效：

1）在學(xué)校課程資源中心（一網(wǎng)暢學(xué)平臺(tái)）建有獨(dú)立的、內(nèi)容豐富的課程網(wǎng)站，在網(wǎng)站上實(shí)施全程式—過(guò)程化考核，在該網(wǎng)站能夠看到學(xué)生簽到情況、學(xué)生觀看線上視頻的情況、學(xué)生提交作業(yè)和老師批閱的情況，在該平臺(tái)完成所有過(guò)程化考核的相關(guān)教學(xué)工作，并一直保存在服務(wù)器上，便于后續(xù)的教學(xué)檢查和審核評(píng)估。

2）建成教學(xué)內(nèi)容豐富、教學(xué)方法靈活、學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)和評(píng)教優(yōu)秀的課程。圖3為近三年本課程期末成績(jī)的統(tǒng)計(jì)情況。由該圖可知，近三年本課程選課人數(shù)均較多，成績(jī)（90-100分）優(yōu)秀的學(xué)生一直較多，良（80-89分）、中（70-79分）等成績(jī)的學(xué)生比例明顯升高，線上線下混合式教學(xué)成效明顯，學(xué)生的評(píng)教歷年均為優(yōu)秀。

3）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和安排上注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識(shí)的能力；同時(shí)，探索課程的高階性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)度，并積極探索與生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)高度融合的教學(xué)方式，受到學(xué)生們的歡迎。

4）結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科理學(xué)、工學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的特點(diǎn)，利用微機(jī)原理制作過(guò)自制教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，并于2021年獲得第六屆全國(guó)高等學(xué)校教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽三等獎(jiǎng)。

5）本課程已經(jīng)入選2022年度上海高校市級(jí)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目：微機(jī)原理及應(yīng)用（線上線下混合式課程）和2022年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目：基于Proteus軟件的微機(jī)原理教學(xué)改革。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)“微機(jī)原理及應(yīng)用”課程線上線下混合式教學(xué)模式進(jìn)行探討，提出了該課程實(shí)施混合式教學(xué)模式的改革思路，重點(diǎn)分析了線上課程資源建設(shè)、線上線下教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)、基于Proteus軟件的教學(xué)改革和過(guò)程化考核評(píng)價(jià)方式改革等具體舉措，以期提升本課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，采用線上線下混合式教學(xué)，將線上學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)有機(jī)融合，能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)教學(xué)效果和質(zhì)量的不斷提高，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打好很好的基礎(chǔ)，為生物醫(yī)學(xué)工程培養(yǎng)工程型、應(yīng)用型、國(guó)際化的人才做出較好的貢獻(xiàn)。

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【通聯(lián)編輯：王 力】