生物醫學工程專業（BME）微機原理及應用課程混合式教學探索

嚴榮國 周穎 項華中 許紅玉

摘要：隨著信息時代的到來和互聯網的發展，教學模式也在發生著深刻變化，線上線下混合式教學模式成為高校教學改革研究的重要方向。通過分析微機原理及應用課程的特點和教學中存在的問題，重點闡述了線上線下混合式教學模式在課程中的具體運用，包括線上課程資源建設、線上線下教學過程設計和過程化考核等。該教學模式從課前、課中和課后三個階段將線上學習與線下課堂教學有機結合，同時融入生物醫學工程專業（BME）知識，以期提升本課程的教學質量和學習效果。

關鍵詞：微機原理及應用；混合式教學；教學改革；過程化考核；生物醫學工程

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0166-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

生物醫學工程學科用工程的方法去解決醫學的問題，理、工、醫學科交叉特性非常顯著，該學科的本科層次水平培養具有這些能力的復合型應用型人才。上海理工大學生物醫學工程學科是上海市重點學科，具有本-碩-博士-博士后科研流動站一體化的人才培養體系，該學科培養的各個層次人才深受用人單位的歡迎和信賴。上海理工大學生物醫學工程專業也是國家級一流本科專業建設點、上海市本科教育高地、教育部卓越工程師教育試點專業，培養具有扎實的自然科學基礎、較強的工程實踐能力、醫與工相結合的高層次人才。其中，微機原理及應用是上海理工大學生物醫學工程專業核心基礎課程，本課程在課程體系建設、專業建設和卓越人才培養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重點課程建設項目和教育部產學合作協同育人項目。

該課程以采用馮·諾依曼（Von Neumann）結構的8086/8088微處理器為主體，主要內容包括微型計算機體系結構、8086微處理器和指令系統、匯編語言設計以及微型計算機各種接口技術（存儲器、輸入/輸出接口、中斷、計數器/定時器、A/D轉換和D/A轉換接口、總線技術等）。在本專業，該課程為3學分，共48學時。目前，上海交通大學、西安交通大學、電子科技大學等眾多高校在研究生入學考試初試或者復試中選用該課程。

1 教學中存在問題

微機原理課程綜合了微型計算機軟、硬件理論知識，要求學生既要掌握計算機硬件理論知識，又要有匯編語言程序設計的能力。對于生物醫學工程專業的初學者來說，對這門課的感覺是內容抽象、指令多且靈活、邏輯性和系統性強以及實驗教學難以配套[1-5]。

1.1 內容抽象

課程教學內容較抽象，涵蓋的知識點眾多，但是實際教學中課時安排常常有限，使得課堂信息量很大，導致學生學習負擔較重，教師亦無法很好地兼顧授課進度和教學質量。抽象內容包括：數的進制、存儲器的組織與管理、堆棧和指令隊列的管理、標志寄存器的狀態、存儲器和IO端口的地址空間分配等。

1.2 指令多且靈活

8086指令系統共有117條基本指令，分為數據傳送類指令、算術運算類指令、位操作類指令、串操作類指令、控制轉移類指令等。指令格式靈活、尋址功能強、具有多種數據處理能力和多處理器結構的指令。而且，與高級語言相比，用匯編語言編寫的代碼是低層次的語言，往往代碼冗長、可讀性差、易出差錯。

1.3 邏輯性和系統性強

本課程是理論嚴謹、邏輯性強并與工程實際密切結合的課程。微機是一個復雜的系統，任何一條指令所進行的操作需要分解成一系列微操作，這些微操作有的同時進行，有的要按照先后的邏輯順序進行，它實際上是一個復雜的時序邏輯電路系統，在時鐘脈沖的統一控制下，按照節拍進行各項工作。

1.4 實驗教學難以配套

實驗可以很好地幫助學生理解書本知識。然而，實驗教學中采用的是微機原理實驗箱，這些實驗箱裝置主要實現芯片功能的驗證性實驗，學生只需照著連線圖連接幾根重要的導線，編寫少量的匯編代碼即可得出結果，完全沒有發揮學生的自主創新能力，沒有做到理論知識和實踐操作的結合。

2 混合式教學改革實踐

針對傳統線下課堂教學的不足，我們采用線上線下混合式教學，并進行過程化考核方式，具體實施方案如圖1所示。教師線上管理和發布學習資源，線下開展相關教學活動；學生線上線下同步進行學習、完成課后作業和輔導答疑。教學的全過程中，對學生的學習行為、學習表現、學習積極性等情況進行全面而綜合的過程化考核[6-7]。

2.1 合理分配課時

本課程教學以Intel 8086 /8088為控制核心，從內核到接口逐步展開。上海理工大學采用的教材是由中國科學技術大學出版社出版的，周荷琴、馮煥清主編的《微型計算機原理與接口技術》，該教材內容翔實，實例詳盡，非常適合初學者。在培養計劃中，本課程課時只有48學時。為了著重體現系統設計概念，課題組經過多次討論，縮減匯編語言教學學時，增加硬件系統設計課時，將線下課程授課內容及學時分配概括如圖2所示：

2.2 線上資源

針對每個章節的知識點，梳理出教學中的難點和重點，我們分別錄制了10～15分鐘的微視頻，內容涵蓋計算機中數的表示、CPU的系統結構、尋址方式、常用指令、存儲器及其擴展、并行接口、串行接口、可編程定時計數器等。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教程等內容。

線上還以網頁的形式呈現教學團隊、教學大綱、教學日歷、考核方式等常規教學組織方案。此外，還開設了通知、作業、輔導答疑、線上測試、線上簽到、統計等功能，以實施和評估每個階段的學習情況，進行和量化過程化的考核。

2.3 線下教學

充分利用好三尺講臺主戰場，采用靈活的授課方式進行，主要包括：

1）常規教學。利用PPT和微視頻慕課，采用智慧教室內的多媒體和板書進行常規教學。比如，課程中數的進制和有符號數的補碼運算、匯編語言流程圖及其代碼、存儲器和IO端口的擴展地址分配等的教學宜采用板書的方式。

2）直觀展示法。在講微機系統結構和引腳定義時，將微機原理開發板、自制實驗儀器帶入課堂，講解封裝（包括封裝形式、芯片1腳的識別及各引腳的定義）和儀器實現機理。有時，還邀請研究生或高年級學生講解曾經從事過的相關項目經歷。

3）仿真教學法。目前微機原理課程教學中效果較好的是Proteus軟件仿真平臺，可實現原理圖繪制、代碼調試、電路仿真等多種功能。也能較好地解決傳統實驗教學中的諸多弊端，如實驗儀器故障率高、損耗嚴重等問題[8-11]。

4）討論法。如討論計算機為什么采用補碼的形式進行加減乘除等運算？討論計算機如何實現編碼和譯碼等。

5）任務驅動法。在某個階段布置一定的任務（比如學習Proteus軟件的基本功能），到時間進行檢查，并通過課堂、騰訊會議等進行交流。

6）自主學習法。有些內容可以留給學生自己去學習，到截止時間后去檢查。

7）實驗教學法。除仿真教學外，開設了0.5學分的微機原理實驗課程，由實驗員和任課老師共同承擔；

8）高階性和有挑戰度的學習。將微機原理和生物醫學工程專業緊密結合，設計帶單片機或微機的醫學電子儀器或參加競賽，比如我們設計了基于Proteus和微機原理的電子秒表、簡易計算器、輸液器滴數檢測等，參加了Proteus Cortex-M3仿真設計國際大賽，并取得了較好的成績[12-13]。

9）坐班答疑。學生可以利用坐班答疑時間來接受輔導。坐班時間一般安排在白天，答疑時間可靈活安排線上或線下進行。

2.4 過程化考核

推進過程化考核，加強全過程評價，是本科教育教學綜合改革的有力抓手。實施過程化考核可以增強課堂的互動性，避免學生的應試心理，轉變學生的學習態度，不斷激發學生的主觀能動性。期末成績由出勤率、課堂互動、小組討論、平時作業成績和期末閉卷筆試成績按照一定的比例組成。通過過程化考核，有力提升學生分析和解決問題的能力。

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

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”（實踐）結合，解決理論教學課時緊張，硬件實驗箱資源有限，損壞率高的問題，兼顧軟件（支持匯編語言）和硬件（微處理器及其外圍電路設計）的仿真，采用“積木式”設計、搭建CPU和外圍接口電路，把Proteus與數字邏輯、組成原理、體系結構和接口電路相組合?；赑roteus的仿真可包括：靜態存儲器擴展、8255A并行接口、8259A中斷控制、8251A串行接口、A/D轉換、D/A轉換、8253可編程定時器/計數器等。

3 教學改革成效

經過近幾年的教學實踐和探索，本課程取得了如下成效：

1）在學校課程資源中心（一網暢學平臺）建有獨立的、內容豐富的課程網站，在網站上實施全程式—過程化考核，在該網站能夠看到學生簽到情況、學生觀看線上視頻的情況、學生提交作業和老師批閱的情況，在該平臺完成所有過程化考核的相關教學工作，并一直保存在服務器上，便于后續的教學檢查和審核評估。

2）建成教學內容豐富、教學方法靈活、學生學習體驗和評教優秀的課程。圖3為近三年本課程期末成績的統計情況。由該圖可知，近三年本課程選課人數均較多，成績（90-100分）優秀的學生一直較多，良（80-89分）、中（70-79分）等成績的學生比例明顯升高，線上線下混合式教學成效明顯，學生的評教歷年均為優秀。

3）教學內容設計和安排上注重培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養學生自主學習知識的能力；同時，探索課程的高階性、創造性和挑戰度，并積極探索與生物醫學工程專業高度融合的教學方式，受到學生們的歡迎。

4）結合生物醫學工程學科理學、工學和醫學相結合的特點，利用微機原理制作過自制教學實驗儀器，并于2021年獲得第六屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽三等獎。

5）本課程已經入選2022年度上海高校市級重點課程建設項目：微機原理及應用（線上線下混合式課程）和2022年教育部產學合作協同育人項目：基于Proteus軟件的微機原理教學改革。

4 結語

本文針對生物醫學工程專業“微機原理及應用”課程線上線下混合式教學模式進行探討，提出了該課程實施混合式教學模式的改革思路，重點分析了線上課程資源建設、線上線下教學過程設計、基于Proteus軟件的教學改革和過程化考核評價方式改革等具體舉措，以期提升本課程的教學質量和學習效果。

經過實踐檢驗，采用線上線下混合式教學，將線上學習與傳統的課堂教學有機融合，能充分激發學生的學習興趣，提升學生的自學能力和創新能力，促進教學效果和質量的不斷提高，為學生后續課程的學習打好很好的基礎，為生物醫學工程培養工程型、應用型、國際化的人才做出較好的貢獻。

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【通聯編輯：王 力】