生物医学工程专业（BME）微机原理及应用课程混合式教学探索

严荣国 周颖 项华中 许红玉

摘要：随着信息时代的到来和互联网的发展，教学模式也在发生着深刻变化，线上线下混合式教学模式成为高校教学改革研究的重要方向。通过分析微机原理及应用课程的特点和教学中存在的问题，重点阐述了線上线下混合式教学模式在课程中的具体运用，包括线上课程资源建设、线上线下教学过程设计和过程化考核等。该教学模式从课前、课中和课后三个阶段将线上学习与线下课堂教学有机结合，同时融入生物医学工程专业（BME）知识，以期提升本课程的教学质量和学习效果。

关键词：微机原理及应用；混合式教学；教学改革；过程化考核；生物医学工程

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）36-0166-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

生物医学工程学科用工程的方法去解决医学的问题，理、工、医学科交叉特性非常显著，该学科的本科层次水平培养具有这些能力的复合型应用型人才。上海理工大学生物医学工程学科是上海市重点学科，具有本-硕-博士-博士后科研流动站一体化的人才培养体系，该学科培养的各个层次人才深受用人单位的欢迎和信赖。上海理工大学生物医学工程专业也是国家级一流本科专业建设点、上海市本科教育高地、教育部卓越工程师教育试点专业，培养具有扎实的自然科学基础、较强的工程实践能力、医与工相结合的高层次人才。其中，微机原理及应用是上海理工大学生物医学工程专业核心基础课程，本课程在课程体系建设、专业建设和卓越人才培养方面占有非常重要的地位。本课程于2022年获得上海高校市级重点课程建设项目和教育部产学合作协同育人项目。

该课程以采用冯·诺依曼（Von Neumann）结构的8086/8088微处理器为主体，主要内容包括微型计算机体系结构、8086微处理器和指令系统、汇编语言设计以及微型计算机各种接口技术（存储器、输入/输出接口、中断、计数器/定时器、A/D转换和D/A转换接口、总线技术等）。在本专业，该课程为3学分，共48学时。目前，上海交通大学、西安交通大学、电子科技大学等众多高校在研究生入学考试初试或者复试中选用该课程。

1 教学中存在问题

微机原理课程综合了微型计算机软、硬件理论知识，要求学生既要掌握计算机硬件理论知识，又要有汇编语言程序设计的能力。对于生物医学工程专业的初学者来说，对这门课的感觉是内容抽象、指令多且灵活、逻辑性和系统性强以及实验教学难以配套[1-5]。

1.1 内容抽象

课程教学内容较抽象，涵盖的知识点众多，但是实际教学中课时安排常常有限，使得课堂信息量很大，导致学生学习负担较重，教师亦无法很好地兼顾授课进度和教学质量。抽象内容包括：数的进制、存储器的组织与管理、堆栈和指令队列的管理、标志寄存器的状态、存储器和IO端口的地址空间分配等。

1.2 指令多且灵活

8086指令系统共有117条基本指令，分为数据传送类指令、算术运算类指令、位操作类指令、串操作类指令、控制转移类指令等。指令格式灵活、寻址功能强、具有多种数据处理能力和多处理器结构的指令。而且，与高级语言相比，用汇编语言编写的代码是低层次的语言，往往代码冗长、可读性差、易出差错。

1.3 逻辑性和系统性强

本课程是理论严谨、逻辑性强并与工程实际密切结合的课程。微机是一个复杂的系统，任何一条指令所进行的操作需要分解成一系列微操作，这些微操作有的同时进行，有的要按照先后的逻辑顺序进行，它实际上是一个复杂的时序逻辑电路系统，在时钟脉冲的统一控制下，按照节拍进行各项工作。

1.4 实验教学难以配套

实验可以很好地帮助学生理解书本知识。然而，实验教学中采用的是微机原理实验箱，这些实验箱装置主要实现芯片功能的验证性实验，学生只需照着连线图连接几根重要的导线，编写少量的汇编代码即可得出结果，完全没有发挥学生的自主创新能力，没有做到理论知识和实践操作的结合。

2 混合式教学改革实践

针对传统线下课堂教学的不足，我们采用线上线下混合式教学，并进行过程化考核方式，具体实施方案如图1所示。教师线上管理和发布学习资源，线下开展相关教学活动；学生线上线下同步进行学习、完成课后作业和辅导答疑。教学的全过程中，对学生的学习行为、学习表现、学习积极性等情况进行全面而综合的过程化考核[6-7]。

2.1 合理分配课时

本课程教学以Intel 8086 /8088为控制核心，从内核到接口逐步展开。上海理工大学采用的教材是由中国科学技术大学出版社出版的，周荷琴、冯焕清主编的《微型计算机原理与接口技术》，该教材内容翔实，实例详尽，非常适合初学者。在培养计划中，本课程课时只有48学时。为了着重体现系统设计概念，课题组经过多次讨论，缩减汇编语言教学学时，增加硬件系统设计课时，将线下课程授课内容及学时分配概括如图2所示：

2.2 线上资源

针对每个章节的知识点，梳理出教学中的难点和重点，我们分别录制了10～15分钟的微视频，内容涵盖计算机中数的表示、CPU的系统结构、寻址方式、常用指令、存储器及其扩展、并行接口、串行接口、可编程定时计数器等。此外，还提供了基于EMU 8086的软件指令仿真教程、基于Proteus的软硬件仿真功能基础教程等内容。

线上还以网页的形式呈现教学团队、教学大纲、教学日历、考核方式等常规教学组织方案。此外，还开设了通知、作业、辅导答疑、线上测试、线上签到、统计等功能，以实施和评估每个阶段的学习情况，进行和量化过程化的考核。

2.3 线下教学

充分利用好三尺讲台主战场，采用灵活的授课方式进行，主要包括：

1）常规教学。利用PPT和微视频慕课，采用智慧教室内的多媒体和板书进行常规教学。比如，课程中数的进制和有符号数的补码运算、汇编语言流程图及其代码、存储器和IO端口的扩展地址分配等的教学宜采用板书的方式。

2）直观展示法。在讲微機系统结构和引脚定义时，将微机原理开发板、自制实验仪器带入课堂，讲解封装（包括封装形式、芯片1脚的识别及各引脚的定义）和仪器实现机理。有时，还邀请研究生或高年级学生讲解曾经从事过的相关项目经历。

3）仿真教学法。目前微机原理课程教学中效果较好的是Proteus软件仿真平台，可实现原理图绘制、代码调试、电路仿真等多种功能。也能较好地解决传统实验教学中的诸多弊端，如实验仪器故障率高、损耗严重等问题[8-11]。

4）讨论法。如讨论计算机为什么采用补码的形式进行加减乘除等运算？讨论计算机如何实现编码和译码等。

5）任务驱动法。在某个阶段布置一定的任务（比如学习Proteus软件的基本功能），到时间进行检查，并通过课堂、腾讯会议等进行交流。

6）自主学习法。有些内容可以留给学生自己去学习，到截止时间后去检查。

7）实验教学法。除仿真教学外，开设了0.5学分的微机原理实验课程，由实验员和任课老师共同承担；

8）高阶性和有挑战度的学习。将微机原理和生物医学工程专业紧密结合，设计带单片机或微机的医学电子仪器或参加竞赛，比如我们设计了基于Proteus和微机原理的电子秒表、简易计算器、输液器滴数检测等，参加了Proteus Cortex-M3仿真设计国际大赛，并取得了较好的成绩[12-13]。

9）坐班答疑。学生可以利用坐班答疑时间来接受辅导。坐班时间一般安排在白天，答疑时间可灵活安排线上或线下进行。

2.4 过程化考核

推进过程化考核，加强全过程评价，是本科教育教学综合改革的有力抓手。实施过程化考核可以增强课堂的互动性，避免学生的应试心理，转变学生的学习态度，不断激发学生的主观能动性。期末成绩由出勤率、课堂互动、小组讨论、平时作业成绩和期末闭卷笔试成绩按照一定的比例组成。通过过程化考核，有力提升学生分析和解决问题的能力。

在第一次上课时，明确告知本课程采用全程式—过程化考核，课程最后成绩包括五次平时成绩（各占10%）和期末笔试成绩（占50%）。其中，五次平时成绩由四次作业（各占10%）和平时的签到、课堂提问、小组讨论等情况（占10%）构成。

2.5 基于Proteus的仿真

基于Proteus软件的仿真可以做到“虚”（仿真）和“实”（实践）结合，解决理论教学课时紧张，硬件实验箱资源有限，损坏率高的问题，兼顾软件（支持汇编语言）和硬件（微处理器及其外围电路设计）的仿真，采用“积木式”设计、搭建CPU和外围接口电路，把Proteus与数字逻辑、组成原理、体系结构和接口电路相组合。基于Proteus的仿真可包括：静态存储器扩展、8255A并行接口、8259A中断控制、8251A串行接口、A/D转换、D/A转换、8253可编程定时器/计数器等。

3 教学改革成效

经过近几年的教学实践和探索，本课程取得了如下成效：

1）在学校课程资源中心（一网畅学平台）建有独立的、内容丰富的课程网站，在网站上实施全程式—过程化考核，在该网站能够看到学生签到情况、学生观看线上视频的情况、学生提交作业和老师批阅的情况，在该平台完成所有过程化考核的相关教学工作，并一直保存在服务器上，便于后续的教学检查和审核评估。

2）建成教学内容丰富、教学方法灵活、学生学习体验和评教优秀的课程。图3为近三年本课程期末成绩的统计情况。由该图可知，近三年本课程选课人数均较多，成绩（90-100分）优秀的学生一直较多，良（80-89分）、中（70-79分）等成绩的学生比例明显升高，线上线下混合式教学成效明显，学生的评教历年均为优秀。

3）教学内容设计和安排上注重培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生自主学习知识的能力；同时，探索课程的高阶性、创造性和挑战度，并积极探索与生物医学工程专业高度融合的教学方式，受到学生们的欢迎。

4）结合生物医学工程学科理学、工学和医学相结合的特点，利用微机原理制作过自制教学实验仪器，并于2021年获得第六届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛三等奖。

5）本课程已经入选2022年度上海高校市级重点课程建设项目：微机原理及应用（线上线下混合式课程）和2022年教育部产学合作协同育人项目：基于Proteus软件的微机原理教学改革。

4 结语

本文针对生物医学工程专业“微机原理及应用”课程线上线下混合式教学模式进行探讨，提出了该课程实施混合式教学模式的改革思路，重点分析了线上课程资源建设、线上线下教学过程设计、基于Proteus软件的教学改革和过程化考核评价方式改革等具体举措，以期提升本课程的教学质量和学习效果。

经过实践检验，采用线上线下混合式教学，将线上学习与传统的课堂教学有机融合，能充分激发学生的学习兴趣，提升学生的自学能力和创新能力，促进教学效果和质量的不断提高，为学生后续课程的学习打好很好的基础，为生物医学工程培养工程型、应用型、国际化的人才做出较好的贡献。

参考文献：

[1] 肖洁，曹清国，洪连环.“微机原理及应用” 教学改革探索与实践[J].电气电子教学学报，2020，42（5）：72-75.

[2] 林新.“微机原理” 教学方法研究实例[J].电气电子教学学报，2021，43（5）：94-97.

[3] 卢希钊.《微机原理及接口技术》课程综合实践教学创新探索[J].创新创业理论研究与实践，2020，3（5）：46-47，56.

[4] 桑红石.基于有指导自学的微机原理汇编语言课堂教学方法[J].中国现代教育装备，2021（21）：89-92.

[5] 刘威，尹青，井靖.“新工科” 背景下微机原理课程的困境思考与改革对策[J].计算机教育，2019（2）：86-90.

[6] 葛芬，王毅，陈未央，等.线上线下混合式教学模式研究与实践——以“微机原理与应用” 课程为例[J].教育教学论坛，2022（19）：121-124.

[7] 张俊杰，崔建华.基于雨课堂的“微机原理与接口技术” 课程改革探索[J].工业和信息化教育，2021（2）：49-51，57.

[8] 程兰，马春燕，阎高伟.仿真软件在微机原理与接口技术教学及实验中的应用和探讨[J].计算机教育，2021（9）：181-185.

[9] 肖洁，洪连环，方平.基于Proteus仿真的《微机原理及应用》实验教学改革与实践[J].软件，2019，40（2）：59-62.

[10] 胡建波. 微机原理与接口技术实验——基于Proteus 仿真[M]. 北京：机械工业出版社， 2017.

[11] 程宏斌，孙霞.基于Proteus的微机原理仿真实验[M].西安：西安电子科技大学出版社，2019.

[12] 高原，谢勤岚，张莉，等.生物医学工程专业微机原理与接口技术课程教学研究[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（16）：53-55.

[13] 周皓阳，李静，冯宝，等.基于项目驱动的自动化专业微机原理课程模块化教学探索[J].教育教学论坛，2020（42）：200-201.

【通联编辑：王 力】