醫(yī)學(xué)院校單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討*

隋美蓉 李運(yùn)運(yùn) 唐鶴云 時(shí)梅林

1 徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院 江蘇徐州 221004 2 徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備管理處 江蘇徐州 221000

0 引言

隨著“四新”專業(yè)[1]建設(shè)的推進(jìn)，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才已成為各高校新工科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)[2]學(xué)生畢業(yè)后多數(shù)從事醫(yī)療設(shè)備的維修、研發(fā)等工作，單片機(jī)原理及接口技術(shù)作為專業(yè)主干課程之一，涵蓋51 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、結(jié)構(gòu)組成及工作原理、指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用、串口設(shè)計(jì)、輸入輸出設(shè)備等知識(shí)點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往圍繞課程各知識(shí)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式雖有助于學(xué)生理解對(duì)應(yīng)理論知識(shí)，但在綜合運(yùn)用所學(xué)解決實(shí)際問題方面，卻有所欠缺[3-4]。為了讓學(xué)生切實(shí)把所學(xué)知識(shí)理解透徹，真正做到學(xué)以致用，筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，改變以往按各知識(shí)點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的做法，轉(zhuǎn)而結(jié)合臨床應(yīng)用，引入創(chuàng)新型項(xiàng)目，將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融合在一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析、設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用的能力[5]。本文將從課程培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、授課方式及考核評(píng)價(jià)等方面對(duì)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探討。

1 課程培養(yǎng)目標(biāo)

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生不僅要掌握生物醫(yī)學(xué)工程的基本原理和實(shí)驗(yàn)技能，更要具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，能夠在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)域從事研究、開發(fā)、應(yīng)用等。相比于工科院校，醫(yī)學(xué)院校培養(yǎng)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，更多地就業(yè)于各大醫(yī)院的設(shè)備管理處、放射科，以及醫(yī)療器械公司等[6]。醫(yī)學(xué)院校的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)要緊緊圍繞專業(yè)設(shè)置，其培養(yǎng)目標(biāo)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)密不可分。單片機(jī)原理及接口技術(shù)作為醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，不僅要使學(xué)生掌握單片機(jī)原理與接口技術(shù)的基本知識(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生具有基本的單片機(jī)硬件系統(tǒng)分析及接口設(shè)計(jì)能力，尤其是簡單醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)及開發(fā)應(yīng)用能力。在教學(xué)過程中，應(yīng)貫徹“醫(yī)工結(jié)合，學(xué)以致用”的教學(xué)理念，課堂教學(xué)緊密聯(lián)系工程應(yīng)用，采用項(xiàng)目化的案例教學(xué)，注重創(chuàng)新理念和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 教學(xué)內(nèi)容

單片機(jī)課程內(nèi)容涵蓋51 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、結(jié)構(gòu)組成及工作原理、指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用、串口設(shè)計(jì)、輸入輸出設(shè)備等知識(shí)點(diǎn)，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。理論知識(shí)學(xué)會(huì)了，并不意味著就會(huì)用單片機(jī)。只有在實(shí)踐過程中，通過不斷地解決難題，才能對(duì)書本的知識(shí)領(lǐng)悟得更深、更透徹。同時(shí)，單片機(jī)知識(shí)需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)，不能割裂地掌握部分知識(shí)，在單片機(jī)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)掌握不好，都不能透徹地理解單片機(jī)，更談不上熟練使用了。為了響應(yīng)“四新”專業(yè)建設(shè)號(hào)召，真正提升學(xué)生的動(dòng)手能力，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容做了改進(jìn)，改變以往按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)實(shí)驗(yàn)的做法，如IO 口基本輸入輸出實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、串口實(shí)驗(yàn)等，轉(zhuǎn)而以課程設(shè)計(jì)的形式將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融合在一個(gè)課程設(shè)計(jì)中，如表1 所示。課程設(shè)計(jì)題目可以從教師給定的題目中選擇，也可以由學(xué)生自主提出，師生共同探討設(shè)計(jì)要求及實(shí)施步驟。

表1 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

例如，基于單片機(jī)的頸椎按摩儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以臨床頸椎病的預(yù)防和治療為出發(fā)點(diǎn)，采用單片機(jī)作為驅(qū)動(dòng)核心，設(shè)計(jì)一款按摩儀，幫助頸椎病初期患者緩解疼痛和疲勞。電路組成模塊包括：單片機(jī)主控模塊、按鍵控制模塊、震動(dòng)模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、觸摸檢測模塊、報(bào)警模塊等，如圖1 所示。硬件開發(fā)板如圖2 所示。以單片機(jī)STC89C52 作為主控芯片，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各模塊工作，使用者通過按鍵設(shè)置模塊對(duì)按摩擋位、定時(shí)時(shí)間和加熱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，震動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)高、中、低三擋位驅(qū)動(dòng)。采用LCD 1602 液晶模塊實(shí)現(xiàn)溫度、定時(shí)時(shí)間、擋位高低等信息向使用者實(shí)時(shí)顯示，采用DS18B20 溫度傳感器對(duì)外界溫度實(shí)時(shí)測量，將檢測溫度傳遞給單片機(jī)，由主控模塊判斷是否啟動(dòng)加熱模塊實(shí)現(xiàn)恒溫?zé)岱蟆Ｊ褂糜|摸傳感器監(jiān)測是否與人體接觸從而判斷需不需要溫度元件進(jìn)入工作狀態(tài)。采用震動(dòng)馬達(dá)代替頸椎按摩儀的電機(jī)來提供按摩震感，使用蜂鳴器在未與人體接觸時(shí)和超出按摩定時(shí)時(shí)間進(jìn)行報(bào)警提醒。

圖1 頸椎按摩儀電路組成

圖2 頸椎按摩儀硬件開發(fā)板

整個(gè)課題設(shè)計(jì)將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融合在一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)中，涵蓋單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、中斷、定時(shí)器、IO 口、串行口、按鍵輸入、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液晶顯示等各知識(shí)點(diǎn)。以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為導(dǎo)向，引領(lǐng)學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)解決具體臨床醫(yī)學(xué)問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正鍛煉學(xué)生的單片機(jī)硬件系統(tǒng)分析、接口設(shè)計(jì)、編程及開發(fā)應(yīng)用的能力。

3 授課方式

3.1 開放實(shí)驗(yàn)室

在項(xiàng)目化課題設(shè)計(jì)的過程中，開放實(shí)驗(yàn)室是很有必要的。為了滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，除計(jì)劃安排的實(shí)驗(yàn)上課時(shí)間外，實(shí)驗(yàn)室以IC 卡形式開放給學(xué)生使用，學(xué)生可以通過系統(tǒng)預(yù)約，自由選擇課外實(shí)驗(yàn)時(shí)間。在開設(shè)單片機(jī)課程的整個(gè)學(xué)期內(nèi)，學(xué)生可以自由地在實(shí)驗(yàn)室中開展相關(guān)工作，碰到問題可以隨時(shí)請(qǐng)教實(shí)驗(yàn)室值班教師。

3.2 網(wǎng)絡(luò)資源共享

通過超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)開展線上單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程，學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。線上課程作為輔助教學(xué)內(nèi)容，各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)除了有電子教案及視頻講解外，還有相應(yīng)的測驗(yàn)及答案講解。對(duì)于各知識(shí)點(diǎn)的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，如開關(guān)檢測及LED 控制、中斷及數(shù)碼管顯示、定時(shí)器、串口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，線上課程均有相應(yīng)的電路搭建及程序講解視頻。另外，歷年學(xué)生的優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)作品也以視頻及電子文檔形式，共享給學(xué)生，借此鼓勵(lì)并啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的作品。

3.3 啟發(fā)式教學(xué)，全程指導(dǎo)

采用啟發(fā)式教學(xué)，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，因材施教[9]。引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考并探究：課題設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)什么功能？如何構(gòu)建系統(tǒng)組成模塊？各組成模塊電路及接口設(shè)計(jì)具體怎樣連接？等等。實(shí)驗(yàn)中涉及的電路、測量方法等都需要學(xué)生自行設(shè)計(jì)和擬定，這就促使學(xué)生思考問題并進(jìn)行深入分析。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，教師從“知識(shí)灌輸”變成“知識(shí)引導(dǎo)”，給學(xué)生獨(dú)立思考的空間，引導(dǎo)學(xué)生開展自主式深度學(xué)習(xí)并達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，通過和組內(nèi)同學(xué)討論、合作，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)得到增強(qiáng)，團(tuán)隊(duì)凝聚力得到提升，進(jìn)而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

課題設(shè)計(jì)由教師全程指導(dǎo)，安排16 個(gè)學(xué)時(shí)，4周內(nèi)完成，每周1 次課，包含4 個(gè)學(xué)時(shí)。整個(gè)課題設(shè)計(jì)分三個(gè)階段進(jìn)行：前期系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、中期檢查、后期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)前期和后期都要求學(xué)生按組以PowerPoint 電子文檔形式講述報(bào)告。第1周的主要任務(wù)是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，學(xué)生分組，選定課題，查閱相關(guān)知識(shí)，擬定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)驗(yàn)課堂上以小組為單元，分組匯報(bào)并討論系統(tǒng)各組成模塊及功能實(shí)現(xiàn)，師生共同探討，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。第2 周和第3 周的主要任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)各模塊電路的搭建及程序編寫、調(diào)試等，除每周一次的實(shí)驗(yàn)上課時(shí)間外，學(xué)生可將單片機(jī)開發(fā)板等硬件電路帶回宿舍或其他地方繼續(xù)調(diào)試，也可通過系統(tǒng)自由預(yù)約課外實(shí)驗(yàn)，遇到困難隨時(shí)可以和值班教師探討。第4 周進(jìn)行系統(tǒng)總體測試和分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯報(bào)。

4 考核評(píng)價(jià)

實(shí)行分階段過程性評(píng)價(jià)模式[10-11]，考核成績主要由兩部分組成：平時(shí)成績（40%）+階段匯報(bào)成績（60%）。平時(shí)成績主要由教師打分，教師根據(jù)學(xué)生的上課表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力及知識(shí)運(yùn)用等各方面給出評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。階段匯報(bào)分前期和后期共兩次進(jìn)行，每次匯報(bào)成績由教師評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)組成，最終階段匯報(bào)成績由兩次匯報(bào)成績平均得到。在各階段匯報(bào)中，學(xué)生按要求寫出技術(shù)文件與研究報(bào)告，通過PowerPoint 電子文檔形式展示并匯報(bào)，教師和其他同學(xué)根據(jù)各組實(shí)驗(yàn)方案、電路實(shí)現(xiàn)及功能調(diào)試等，對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷和評(píng)價(jià)并給出成績。其中，學(xué)生打分分組內(nèi)評(píng)價(jià)和組間評(píng)價(jià)，組內(nèi)評(píng)價(jià)為小組內(nèi)同學(xué)根據(jù)各自對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的貢獻(xiàn)給出評(píng)價(jià)成績，而組間評(píng)價(jià)則是其他組根據(jù)報(bào)告內(nèi)容給匯報(bào)組打分的平均值，各評(píng)價(jià)成績采用百分制，如表2所示，具體評(píng)價(jià)實(shí)施可以通過超星學(xué)習(xí)通發(fā)起“分組任務(wù)”，并進(jìn)行打分設(shè)置，如圖3 所示。

圖3 超星學(xué)習(xí)通“分組任務(wù)”打分設(shè)置

表2 階段匯報(bào)打分表

5 結(jié)束語

本文探討了醫(yī)學(xué)院校單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，改變了以往按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)實(shí)驗(yàn)的做法，轉(zhuǎn)而以項(xiàng)目化課程設(shè)計(jì)的形式進(jìn)行，以臨床問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生開展自主探索式學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自主地進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，有助于考查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的能力。近三年，單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革順利進(jìn)行，教學(xué)效果良好，并在創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上申報(bào)課題，其中，基于單片機(jī)核心控制類課題獲得省級(jí)及以上大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃課題10余項(xiàng)。同時(shí)，孵育科研創(chuàng)新項(xiàng)目，參與國家級(jí)、省級(jí)等各級(jí)各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，在學(xué)生參加競賽的過程中開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練，全方位提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，并形成了較高質(zhì)量的師生共同體成果產(chǎn)出。