生物醫學工程專業微機原理與接口技術課程教學研究

高原，謝勤嵐，張莉，陸雪松，劉曉軍

（中南民族大學生物醫學工程學院，湖北武漢 430074）

生物醫學工程專業結合電子技術與醫學類知識，具有高度的學科交叉性，其目的是培養解決醫學相關問題的復合型人才。微機原理與接口技術是中南民族大學生物醫學工程專業的學科主干課程，該課程以Intel X86 微處理器和IBM PC 系列機為主體，主要包括16 位微型計算機的基本原理、匯編語言以及接口技術三大部分。內容涵蓋微型機的系統結構，微處理器內部結構與外部特性，存儲器系統，指令系統和匯編語言程序設計，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的控制接口技術，包括定時計數控制、中斷控制、DMA 控制、并行接口、串行通信接口以及模擬接口。課程注重培養學生軟硬件設計的綜合能力，具有很強的理論性與實踐性。由于課程內容涉及面廣，綜合性強，在當前教學模式下，部分高校在該課程教學中存在學生學習難度大，教學效果不理想等問題[1-4]。

此外，隨著我國高等教育從大眾化階段步入普及化階段，國家對高等教育提出了新的任務和要求[5,6]。如何實現高等教育的高質量發展，開創我國高等教育強國建設的新局面，是當前亟須解決的問題。因此，積極探索有效的教學方法，推動教學模式改革，成為本門課程建設的重要目標。

1 課程教學過程中存在的問題

1.1 教學內容繁雜，詳略不當

微機原理課程具有很強的系統性，涵蓋的知識點多，然而其中的許多概念、知識點在其他前期課程中已經有所涉及甚至是系統性的闡述。教師在上課時為了保證課程在知識體系上的銜接性，往往會重復講解這些學生已經學過的知識點，且詳略不當，通常都是直接平鋪式展開，對每個知識點逐一進行講解。

1.2 教學手段難以激發學生興趣

在微機原理課程的教學中，教師通常側重于基本概念以及匯編語言語法等知識點，教學過程往往只強調如何做，卻很少涉及為什么要這樣做。教學手段單一導致大量概念的羅列，學生往往只是記憶知識，很難真正理解這些知識點，更難以聯系實際情況解決具體問題。學生漸漸對學習微機原理失去興趣，進而產生畏難心理，在學習過程中體會不到學習的樂趣以及成就感，越學越吃力，甚至對自身的學習能力產生懷疑，最終放棄對這門課程的學習。

1.3 實驗缺乏專業相關性

當前大多數微機原理課程的實驗教學主要基于Intel 8086 微處理器的實驗箱進行，這類設備功能十分有限，只能進行一些簡單的實驗，缺乏醫學設備應用場景的相關性。且這些設備均十分老舊，很多已經使用了十幾年，故障率高，損耗嚴重。在實際教學中，教師主要提供驗證性的實驗，學生很多時候只能仿照實驗書上的簡單示例進行機械性的重復，或僅僅簡單改動幾處代碼。學生做完了實驗并未理解其中的原理，實踐能力并沒有得到有效的鍛煉。

1.4 課程考核效果不佳

當前微機原理課程考核主要采用平時成績+期末考試的考核形式。其中平時成績包括課堂出勤、課后作業和實驗成績三個部分。在出勤方面，主要依靠點名考查學生是否到課堂聽課，這項考核僅能反映學生人在課堂，很難反映學生在課堂的學習效果。在課后作業方面，該項考核在總成績中占比較低，其作用未得到充分重視，教師在布置作業時目的性不明確，隨意性較大，學生也僅是完成教師布置的內容，該項考核沒有起到檢驗學習效果的作用。在實驗考核方面，正如前文分析，實驗教學設計存在諸多問題，很難培養學生實踐動手的能力，實驗教學效果不理想。在期末考試方面，主要采取期末卷面筆試的形式，該項考核占總成績的比重最大，在整個課程考核中占據主導地位。試卷會設置選擇題、填空題、簡單題等題目類型，考核大部分針對基礎知識以及綜合性較低的內容。這種考核形式很難全面反映出學生真實的動手解決問題的能力，并且很容易將學生的學習引導向只是記憶知識點的方向。

2 課程教學改革方案

2.1 優化教學內容

針對微機原理內容繁雜的問題，應優化課程教學內容。要優化教學內容，首先需要明確課程目的。課程目的是課程所要實現的具體目標和意圖，即學生通過學習微機原理這門課程，需要在哪些方面達到什么程度的要求。只有明確了課程目的，才能確定課程內容和教學方法。微機原理課程通常由微機原理、匯編語言以及接口技術三個部分組成，若完整講述各部分內容，則適用于軟硬件結合的情況。若側重軟件部分，則應該以微機原理為基礎，重點講解匯編語言的知識內容。若側重硬件部分，則應以接口技術部分作為主體進行講授[7]。

其次應該對微機原理課程與其他課程重合的知識點進行適當縮減。這就要求授課教師對教學大綱有整體的把握，了解學生前置課程的學習情況。例如計算機編程思想中的基本原則，常用的數制轉換、編碼系統等一些基本概念，學生在其他課程中已經學習過，因此可以縮減這些部分的內容，把有限的授課時間集中在更重要的部分。

2.2 解決學生學習的難點

微機原理晦澀難懂，學生缺乏興趣，是學習該門課程存在的難點，出現這種情況往往是因為教師忽視了學習需要循序漸進這一客觀規律。教師在授課時可以將課程拆分成若干細小的知識單元。這些單元不是零散的知識點，而是將復雜的內容進行最小化分割，每一個知識單元都是后續內容的基礎，并且每一個單元的知識點或信息量，也僅比前面的內容多一點。這樣學生在學習中遇到的每一個知識單元都是當下唯一需要認知的東西，不會難度過大，而是始終處在認知學習區，逐步克服困難。其次可設置針對性的自測題，每講解完一個單元要及時進行學生自測，學生必須在開始下一個單元知識學習之前完成自測題[8,9]。這樣不僅可以使學生及時了解自身的學習情況，也讓學生在不斷完成小目標的過程中持續積累自信，收獲學習的樂趣，激發學生繼續學習的積極性。同時教師可根據自測題及時獲取學生的學習反饋，掌握學生在學習時的薄弱環節和共性問題，針對性地加以鞏固。

此外，由于課堂上教學時間有限，有些知識點學生還沒來得及消化吸收，可以結合微視頻等在線學習的形式增加學生課下自主學習的時間[10,11]。將授課時的知識單元做成小視頻，這些視頻不僅僅是課堂講授的知識點的重復，還可以進行適當的拓展或補充說明，方便學生及時回顧所學內容與答疑解惑。

2.3 引入虛擬仿真實驗平臺

傳統實驗教學模式存在諸多弊端，學生很難在實驗設備上進行二次開發，更缺少醫學應用場景的實訓案例設計。引入計算機虛擬仿真技術可以很好地解決以上問題[12-14]。目前微機原理課程教學中效果較好的是Proteus 軟件仿真平臺，其支持包括Intel 8086 在內的眾多處理器型號，可實現原理布圖、代碼調試、電路仿真等多種功能[15,16]。將該平臺引入微機原理的實驗教學，可在講授I/O 端口、定時計數、中斷控制、串行并行通信等內容時，加入虛擬仿真實驗環節，使學生在學習這些知識時，能直觀形象地了解各類接口的工作過程。這些實驗本身也是上文所提及的自測點，學生只有完成每一個實驗內容，才能進行下一步的知識學習。此外可針對性設計具有醫學設備應用場景的綜合性實驗，如數模轉換實驗可應用于CT、超聲等設備的數據采集，中斷實驗可應用于設備急停等應用場景，以提高學生設計能力。

2.4 優化課程考核形式

調整各項考核指標在總成績中的比例分配，弱化期末卷面筆試的主導地位。對于課堂出勤的考核，不再簡單地依照點名冊進行點名，可利用學習通等教學輔助軟件，在點名時要求學生拍照上傳聽課筆記或學習小結。重視課后作業的作用，圍繞課堂上所講授知識有針對性地設計作業內容，使學生可以鞏固課堂所學，并做到舉一反三、加深對知識點的理解。前文所提及的知識單元自測、微視頻、驗證性實驗等也可作為課后作業，用以檢驗學生學習效果，使學生增加鞏固所學內容。增加實驗成績在總成績中的占比，尤其是綜合性實驗設計，從項目的設計方案、實驗過程和完成效果等維度全面考核學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

3 結語

課程的教學改革與教學思想的改進不會一蹴而就，這要求教師在教學中不斷進行實踐，在原有教學方式的基礎上進行調整，不斷深化認識，總結經驗，逐步探索出與課程相適應的有效教學方法。本文針對當前教育改革背景下的培養目標，分析了生物醫學工程專業微機原理與接口技術課程存在的主要問題，并針對這些問題，從教學內容的優化、解決學習難點、引入虛擬仿真實驗平臺、優化課程考核形式等方面對該門課程的教學改革進行了探索，以提升教學質量、改善教學效果。