醫(yī)學院校單片機課程實驗教學改革探討*

隋美蓉 李運運 唐鶴云 時梅林

1 徐州醫(yī)科大學醫(yī)學影像學院 江蘇徐州 221004 2 徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院醫(yī)療設備管理處 江蘇徐州 221000

0 引言

隨著“四新”專業(yè)[1]建設的推進，培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才已成為各高校新工科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標。醫(yī)學院校生物醫(yī)學工程專業(yè)[2]學生畢業(yè)后多數(shù)從事醫(yī)療設備的維修、研發(fā)等工作，單片機原理及接口技術作為專業(yè)主干課程之一，涵蓋51 單片機基礎知識、結構組成及工作原理、指令系統(tǒng)及程序設計、中斷系統(tǒng)、計數(shù)器/定時器結構及應用、串口設計、輸入輸出設備等知識點。傳統(tǒng)實驗教學往往圍繞課程各知識點設置相應的實驗教學，這種實驗教學方式雖有助于學生理解對應理論知識，但在綜合運用所學解決實際問題方面，卻有所欠缺[3-4]。為了讓學生切實把所學知識理解透徹，真正做到學以致用，筆者在實驗教學過程中，改變以往按各知識點單獨進行實驗的做法，轉而結合臨床應用，引入創(chuàng)新型項目，將多個知識點融合在一個實驗設計中，培養(yǎng)學生的綜合分析、設計及實際應用的能力[5]。本文將從課程培養(yǎng)目標、教學內容、授課方式及考核評價等方面對單片機課程實驗教學進行探討。

1 課程培養(yǎng)目標

生物醫(yī)學工程專業(yè)培養(yǎng)的學生不僅要掌握生物醫(yī)學工程的基本原理和實驗技能，更要具有較強的實踐能力和創(chuàng)新精神，能夠在生物醫(yī)學工程領域、醫(yī)療設備等相關領域從事研究、開發(fā)、應用等。相比于工科院校，醫(yī)學院校培養(yǎng)的生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生，更多地就業(yè)于各大醫(yī)院的設備管理處、放射科，以及醫(yī)療器械公司等[6]。醫(yī)學院校的單片機課程實驗教學要緊緊圍繞專業(yè)設置，其培養(yǎng)目標與專業(yè)培養(yǎng)目標密不可分。單片機原理及接口技術作為醫(yī)學院校生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，不僅要使學生掌握單片機原理與接口技術的基本知識，還要培養(yǎng)學生具有基本的單片機硬件系統(tǒng)分析及接口設計能力，尤其是簡單醫(yī)療設備的設計及開發(fā)應用能力。在教學過程中，應貫徹“醫(yī)工結合，學以致用”的教學理念，課堂教學緊密聯(lián)系工程應用，采用項目化的案例教學，注重創(chuàng)新理念和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 教學內容

單片機課程內容涵蓋51 單片機基礎知識、結構組成及工作原理、指令系統(tǒng)及程序設計、中斷系統(tǒng)、計數(shù)器/定時器結構及應用、串口設計、輸入輸出設備等知識點，是一門實踐性很強的課程。理論知識學會了，并不意味著就會用單片機。只有在實踐過程中，通過不斷地解決難題，才能對書本的知識領悟得更深、更透徹。同時，單片機知識需要系統(tǒng)學習，不能割裂地掌握部分知識，在單片機的學習環(huán)節(jié)中，任何一個環(huán)節(jié)掌握不好，都不能透徹地理解單片機，更談不上熟練使用了。為了響應“四新”專業(yè)建設號召，真正提升學生的動手能力，筆者對實驗教學內容做了改進，改變以往按知識點進行單獨實驗的做法，如IO 口基本輸入輸出實驗、中斷實驗、定時器實驗、串口實驗等，轉而以課程設計的形式將多個知識點融合在一個課程設計中，如表1 所示。課程設計題目可以從教師給定的題目中選擇，也可以由學生自主提出，師生共同探討設計要求及實施步驟。

表1 單片機課程設計內容

例如，基于單片機的頸椎按摩儀系統(tǒng)設計，以臨床頸椎病的預防和治療為出發(fā)點，采用單片機作為驅動核心，設計一款按摩儀，幫助頸椎病初期患者緩解疼痛和疲勞。電路組成模塊包括：單片機主控模塊、按鍵控制模塊、震動模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、觸摸檢測模塊、報警模塊等，如圖1 所示。硬件開發(fā)板如圖2 所示。以單片機STC89C52 作為主控芯片，統(tǒng)一協(xié)調各模塊工作，使用者通過按鍵設置模塊對按摩擋位、定時時間和加熱溫度進行調節(jié)，震動模塊可以實現(xiàn)高、中、低三擋位驅動。采用LCD 1602 液晶模塊實現(xiàn)溫度、定時時間、擋位高低等信息向使用者實時顯示，采用DS18B20 溫度傳感器對外界溫度實時測量，將檢測溫度傳遞給單片機，由主控模塊判斷是否啟動加熱模塊實現(xiàn)恒溫熱敷。使用觸摸傳感器監(jiān)測是否與人體接觸從而判斷需不需要溫度元件進入工作狀態(tài)。采用震動馬達代替頸椎按摩儀的電機來提供按摩震感，使用蜂鳴器在未與人體接觸時和超出按摩定時時間進行報警提醒。

圖1 頸椎按摩儀電路組成

圖2 頸椎按摩儀硬件開發(fā)板

整個課題設計將多個知識點融合在一個綜合實驗中，涵蓋單片機內部結構、中斷、定時器、IO 口、串行口、按鍵輸入、電機驅動、液晶顯示等各知識點。以實驗項目為導向，引領學生利用所學理論知識解決具體臨床醫(yī)學問題，提高學生的學習興趣，真正鍛煉學生的單片機硬件系統(tǒng)分析、接口設計、編程及開發(fā)應用的能力。

3 授課方式

3.1 開放實驗室

在項目化課題設計的過程中，開放實驗室是很有必要的。為了滿足學生的學習要求，除計劃安排的實驗上課時間外，實驗室以IC 卡形式開放給學生使用，學生可以通過系統(tǒng)預約，自由選擇課外實驗時間。在開設單片機課程的整個學期內，學生可以自由地在實驗室中開展相關工作，碰到問題可以隨時請教實驗室值班教師。

3.2 網絡資源共享

通過超星學習通平臺開展線上單片機原理及接口技術課程，學生可以隨時隨地學習相關知識。線上課程作為輔助教學內容，各章節(jié)知識點除了有電子教案及視頻講解外，還有相應的測驗及答案講解。對于各知識點的獨立實驗，如開關檢測及LED 控制、中斷及數(shù)碼管顯示、定時器、串口、電機驅動等，線上課程均有相應的電路搭建及程序講解視頻。另外，歷年學生的優(yōu)秀實驗作品也以視頻及電子文檔形式，共享給學生，借此鼓勵并啟發(fā)學生設計出更優(yōu)秀的作品。

3.3 啟發(fā)式教學，全程指導

采用啟發(fā)式教學，根據學生特點，因材施教[9]。引導學生主動思考并探究：課題設計要實現(xiàn)什么功能？如何構建系統(tǒng)組成模塊？各組成模塊電路及接口設計具體怎樣連接？等等。實驗中涉及的電路、測量方法等都需要學生自行設計和擬定，這就促使學生思考問題并進行深入分析。對于實驗中出現(xiàn)的問題，教師從“知識灌輸”變成“知識引導”，給學生獨立思考的空間，引導學生開展自主式深度學習并達成教學目標。同時，通過和組內同學討論、合作，學生的團隊協(xié)作意識得到增強，團隊凝聚力得到提升，進而產生協(xié)同效應。

課題設計由教師全程指導，安排16 個學時，4周內完成，每周1 次課，包含4 個學時。整個課題設計分三個階段進行：前期系統(tǒng)總體設計、中期檢查、后期實驗結果，在實驗前期和后期都要求學生按組以PowerPoint 電子文檔形式講述報告。第1周的主要任務是系統(tǒng)總體設計，學生分組，選定課題，查閱相關知識，擬定系統(tǒng)總體設計方案，并在實驗課堂上以小組為單元，分組匯報并討論系統(tǒng)各組成模塊及功能實現(xiàn)，師生共同探討，強化實驗設計。第2 周和第3 周的主要任務是進行系統(tǒng)各模塊電路的搭建及程序編寫、調試等，除每周一次的實驗上課時間外，學生可將單片機開發(fā)板等硬件電路帶回宿舍或其他地方繼續(xù)調試，也可通過系統(tǒng)自由預約課外實驗，遇到困難隨時可以和值班教師探討。第4 周進行系統(tǒng)總體測試和分析，并進行實驗結果匯報。

4 考核評價

實行分階段過程性評價模式[10-11]，考核成績主要由兩部分組成：平時成績（40%）+階段匯報成績（60%）。平時成績主要由教師打分，教師根據學生的上課表現(xiàn)、實驗動手能力及知識運用等各方面給出評價分數(shù)。階段匯報分前期和后期共兩次進行，每次匯報成績由教師評價和學生互評組成，最終階段匯報成績由兩次匯報成績平均得到。在各階段匯報中，學生按要求寫出技術文件與研究報告，通過PowerPoint 電子文檔形式展示并匯報，教師和其他同學根據各組實驗方案、電路實現(xiàn)及功能調試等，對其實驗結果進行判斷和評價并給出成績。其中，學生打分分組內評價和組間評價，組內評價為小組內同學根據各自對實驗項目的貢獻給出評價成績，而組間評價則是其他組根據報告內容給匯報組打分的平均值，各評價成績采用百分制，如表2所示，具體評價實施可以通過超星學習通發(fā)起“分組任務”，并進行打分設置，如圖3 所示。

圖3 超星學習通“分組任務”打分設置

表2 階段匯報打分表

5 結束語

本文探討了醫(yī)學院校單片機課程實驗教學改革，改變了以往按知識點進行單獨實驗的做法，轉而以項目化課程設計的形式進行，以臨床問題為導向，引導學生開展自主探索式學習和實驗，讓學生自主地進行研究性學習，有助于考查學生對所學知識進行實際應用的能力。近三年，單片機課程實驗教學改革順利進行，教學效果良好，并在創(chuàng)新課程設計的基礎上申報課題，其中，基于單片機核心控制類課題獲得省級及以上大學生創(chuàng)新計劃課題10余項。同時，孵育科研創(chuàng)新項目，參與國家級、省級等各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，在學生參加競賽的過程中開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設計思維訓練，全方位提升學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，并形成了較高質量的師生共同體成果產出。