生物医学工程专业微机原理与接口技术课程教学研究

高原，谢勤岚，张莉，陆雪松，刘晓军

（中南民族大学生物医学工程学院，湖北武汉 430074）

生物医学工程专业结合电子技术与医学类知识，具有高度的学科交叉性，其目的是培养解决医学相关问题的复合型人才。微机原理与接口技术是中南民族大学生物医学工程专业的学科主干课程，该课程以Intel X86 微处理器和IBM PC 系列机为主体，主要包括16 位微型计算机的基本原理、汇编语言以及接口技术三大部分。内容涵盖微型机的系统结构，微处理器内部结构与外部特性，存储器系统，指令系统和汇编语言程序设计，总线及总线接口，输入/输出及接口，典型的接口芯片以及相关的控制接口技术，包括定时计数控制、中断控制、DMA 控制、并行接口、串行通信接口以及模拟接口。课程注重培养学生软硬件设计的综合能力，具有很强的理论性与实践性。由于课程内容涉及面广，综合性强，在当前教学模式下，部分高校在该课程教学中存在学生学习难度大，教学效果不理想等问题[1-4]。

此外，随着我国高等教育从大众化阶段步入普及化阶段，国家对高等教育提出了新的任务和要求[5,6]。如何实现高等教育的高质量发展，开创我国高等教育强国建设的新局面，是当前亟须解决的问题。因此，积极探索有效的教学方法，推动教学模式改革，成为本门课程建设的重要目标。

1 课程教学过程中存在的问题

1.1 教学内容繁杂，详略不当

微机原理课程具有很强的系统性，涵盖的知识点多，然而其中的许多概念、知识点在其他前期课程中已经有所涉及甚至是系统性的阐述。教师在上课时为了保证课程在知识体系上的衔接性，往往会重复讲解这些学生已经学过的知识点，且详略不当，通常都是直接平铺式展开，对每个知识点逐一进行讲解。

1.2 教学手段难以激发学生兴趣

在微机原理课程的教学中，教师通常侧重于基本概念以及汇编语言语法等知识点，教学过程往往只强调如何做，却很少涉及为什么要这样做。教学手段单一导致大量概念的罗列，学生往往只是记忆知识，很难真正理解这些知识点，更难以联系实际情况解决具体问题。学生渐渐对学习微机原理失去兴趣，进而产生畏难心理，在学习过程中体会不到学习的乐趣以及成就感，越学越吃力，甚至对自身的学习能力产生怀疑，最终放弃对这门课程的学习。

1.3 实验缺乏专业相关性

当前大多数微机原理课程的实验教学主要基于Intel 8086 微处理器的实验箱进行，这类设备功能十分有限，只能进行一些简单的实验，缺乏医学设备应用场景的相关性。且这些设备均十分老旧，很多已经使用了十几年，故障率高，损耗严重。在实际教学中，教师主要提供验证性的实验，学生很多时候只能仿照实验书上的简单示例进行机械性的重复，或仅仅简单改动几处代码。学生做完了实验并未理解其中的原理，实践能力并没有得到有效的锻炼。

1.4 课程考核效果不佳

当前微机原理课程考核主要采用平时成绩+期末考试的考核形式。其中平时成绩包括课堂出勤、课后作业和实验成绩三个部分。在出勤方面，主要依靠点名考查学生是否到课堂听课，这项考核仅能反映学生人在课堂，很难反映学生在课堂的学习效果。在课后作业方面，该项考核在总成绩中占比较低，其作用未得到充分重视，教师在布置作业时目的性不明确，随意性较大，学生也仅是完成教师布置的内容，该项考核没有起到检验学习效果的作用。在实验考核方面，正如前文分析，实验教学设计存在诸多问题，很难培养学生实践动手的能力，实验教学效果不理想。在期末考试方面，主要采取期末卷面笔试的形式，该项考核占总成绩的比重最大，在整个课程考核中占据主导地位。试卷会设置选择题、填空题、简单题等题目类型，考核大部分针对基础知识以及综合性较低的内容。这种考核形式很难全面反映出学生真实的动手解决问题的能力，并且很容易将学生的学习引导向只是记忆知识点的方向。

2 课程教学改革方案

2.1 优化教学内容

针对微机原理内容繁杂的问题，应优化课程教学内容。要优化教学内容，首先需要明确课程目的。课程目的是课程所要实现的具体目标和意图，即学生通过学习微机原理这门课程，需要在哪些方面达到什么程度的要求。只有明确了课程目的，才能确定课程内容和教学方法。微机原理课程通常由微机原理、汇编语言以及接口技术三个部分组成，若完整讲述各部分内容，则适用于软硬件结合的情况。若侧重软件部分，则应该以微机原理为基础，重点讲解汇编语言的知识内容。若侧重硬件部分，则应以接口技术部分作为主体进行讲授[7]。

其次应该对微机原理课程与其他课程重合的知识点进行适当缩减。这就要求授课教师对教学大纲有整体的把握，了解学生前置课程的学习情况。例如计算机编程思想中的基本原则，常用的数制转换、编码系统等一些基本概念，学生在其他课程中已经学习过，因此可以缩减这些部分的内容，把有限的授课时间集中在更重要的部分。

2.2 解决学生学习的难点

微机原理晦涩难懂，学生缺乏兴趣，是学习该门课程存在的难点，出现这种情况往往是因为教师忽视了学习需要循序渐进这一客观规律。教师在授课时可以将课程拆分成若干细小的知识单元。这些单元不是零散的知识点，而是将复杂的内容进行最小化分割，每一个知识单元都是后续内容的基础，并且每一个单元的知识点或信息量，也仅比前面的内容多一点。这样学生在学习中遇到的每一个知识单元都是当下唯一需要认知的东西，不会难度过大，而是始终处在认知学习区，逐步克服困难。其次可设置针对性的自测题，每讲解完一个单元要及时进行学生自测，学生必须在开始下一个单元知识学习之前完成自测题[8,9]。这样不仅可以使学生及时了解自身的学习情况，也让学生在不断完成小目标的过程中持续积累自信，收获学习的乐趣，激发学生继续学习的积极性。同时教师可根据自测题及时获取学生的学习反馈，掌握学生在学习时的薄弱环节和共性问题，针对性地加以巩固。

此外，由于课堂上教学时间有限，有些知识点学生还没来得及消化吸收，可以结合微视频等在线学习的形式增加学生课下自主学习的时间[10,11]。将授课时的知识单元做成小视频，这些视频不仅仅是课堂讲授的知识点的重复，还可以进行适当的拓展或补充说明，方便学生及时回顾所学内容与答疑解惑。

2.3 引入虚拟仿真实验平台

传统实验教学模式存在诸多弊端，学生很难在实验设备上进行二次开发，更缺少医学应用场景的实训案例设计。引入计算机虚拟仿真技术可以很好地解决以上问题[12-14]。目前微机原理课程教学中效果较好的是Proteus 软件仿真平台，其支持包括Intel 8086 在内的众多处理器型号，可实现原理布图、代码调试、电路仿真等多种功能[15,16]。将该平台引入微机原理的实验教学，可在讲授I/O 端口、定时计数、中断控制、串行并行通信等内容时，加入虚拟仿真实验环节，使学生在学习这些知识时，能直观形象地了解各类接口的工作过程。这些实验本身也是上文所提及的自测点，学生只有完成每一个实验内容，才能进行下一步的知识学习。此外可针对性设计具有医学设备应用场景的综合性实验，如数模转换实验可应用于CT、超声等设备的数据采集，中断实验可应用于设备急停等应用场景，以提高学生设计能力。

2.4 优化课程考核形式

调整各项考核指标在总成绩中的比例分配，弱化期末卷面笔试的主导地位。对于课堂出勤的考核，不再简单地依照点名册进行点名，可利用学习通等教学辅助软件，在点名时要求学生拍照上传听课笔记或学习小结。重视课后作业的作用，围绕课堂上所讲授知识有针对性地设计作业内容，使学生可以巩固课堂所学，并做到举一反三、加深对知识点的理解。前文所提及的知识单元自测、微视频、验证性实验等也可作为课后作业，用以检验学生学习效果，使学生增加巩固所学内容。增加实验成绩在总成绩中的占比，尤其是综合性实验设计，从项目的设计方案、实验过程和完成效果等维度全面考核学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。

3 结语

课程的教学改革与教学思想的改进不会一蹴而就，这要求教师在教学中不断进行实践，在原有教学方式的基础上进行调整，不断深化认识，总结经验，逐步探索出与课程相适应的有效教学方法。本文针对当前教育改革背景下的培养目标，分析了生物医学工程专业微机原理与接口技术课程存在的主要问题，并针对这些问题，从教学内容的优化、解决学习难点、引入虚拟仿真实验平台、优化课程考核形式等方面对该门课程的教学改革进行了探索，以提升教学质量、改善教学效果。