隋美蓉 李运运 唐鹤云 时梅林

1 徐州医科大学医学影像学院 江苏徐州 221004 2 徐州医科大学附属医院医疗设备管理处 江苏徐州 221000

0 引言

随着“四新”专业[1]建设的推进，培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才已成为各高校新工科专业的人才培养目标。医学院校生物医学工程专业[2]学生毕业后多数从事医疗设备的维修、研发等工作，单片机原理及接口技术作为专业主干课程之一，涵盖51 单片机基础知识、结构组成及工作原理、指令系统及程序设计、中断系统、计数器/定时器结构及应用、串口设计、输入输出设备等知识点。传统实验教学往往围绕课程各知识点设置相应的实验教学，这种实验教学方式虽有助于学生理解对应理论知识，但在综合运用所学解决实际问题方面，却有所欠缺[3-4]。为了让学生切实把所学知识理解透彻，真正做到学以致用，笔者在实验教学过程中，改变以往按各知识点单独进行实验的做法，转而结合临床应用，引入创新型项目，将多个知识点融合在一个实验设计中，培养学生的综合分析、设计及实际应用的能力[5]。本文将从课程培养目标、教学内容、授课方式及考核评价等方面对单片机课程实验教学进行探讨。

1 课程培养目标

生物医学工程专业培养的学生不仅要掌握生物医学工程的基本原理和实验技能，更要具有较强的实践能力和创新精神，能够在生物医学工程领域、医疗设备等相关领域从事研究、开发、应用等。相比于工科院校，医学院校培养的生物医学工程专业的学生，更多地就业于各大医院的设备管理处、放射科，以及医疗器械公司等[6]。医学院校的单片机课程实验教学要紧紧围绕专业设置，其培养目标与专业培养目标密不可分。单片机原理及接口技术作为医学院校生物医学工程专业的一门重要专业课，不仅要使学生掌握单片机原理与接口技术的基本知识，还要培养学生具有基本的单片机硬件系统分析及接口设计能力，尤其是简单医疗设备的设计及开发应用能力。在教学过程中，应贯彻“医工结合，学以致用”的教学理念，课堂教学紧密联系工程应用，采用项目化的案例教学，注重创新理念和创新能力的培养。

2 教学内容

单片机课程内容涵盖51 单片机基础知识、结构组成及工作原理、指令系统及程序设计、中断系统、计数器/定时器结构及应用、串口设计、输入输出设备等知识点，是一门实践性很强的课程。理论知识学会了，并不意味着就会用单片机。只有在实践过程中，通过不断地解决难题，才能对书本的知识领悟得更深、更透彻。同时，单片机知识需要系统学习，不能割裂地掌握部分知识，在单片机的学习环节中，任何一个环节掌握不好，都不能透彻地理解单片机，更谈不上熟练使用了。为了响应“四新”专业建设号召，真正提升学生的动手能力，笔者对实验教学内容做了改进，改变以往按知识点进行单独实验的做法，如IO 口基本输入输出实验、中断实验、定时器实验、串口实验等，转而以课程设计的形式将多个知识点融合在一个课程设计中，如表1 所示。课程设计题目可以从教师给定的题目中选择，也可以由学生自主提出，师生共同探讨设计要求及实施步骤。

表1 单片机课程设计内容

例如，基于单片机的颈椎按摩仪系统设计，以临床颈椎病的预防和治疗为出发点，采用单片机作为驱动核心，设计一款按摩仪，帮助颈椎病初期患者缓解疼痛和疲劳。电路组成模块包括：单片机主控模块、按键控制模块、震动模块、温度采集模块、加热模块、触摸检测模块、报警模块等，如图1 所示。硬件开发板如图2 所示。以单片机STC89C52 作为主控芯片，统一协调各模块工作，使用者通过按键设置模块对按摩挡位、定时时间和加热温度进行调节，震动模块可以实现高、中、低三挡位驱动。采用LCD 1602 液晶模块实现温度、定时时间、挡位高低等信息向使用者实时显示，采用DS18B20 温度传感器对外界温度实时测量，将检测温度传递给单片机，由主控模块判断是否启动加热模块实现恒温热敷。使用触摸传感器监测是否与人体接触从而判断需不需要温度元件进入工作状态。采用震动马达代替颈椎按摩仪的电机来提供按摩震感，使用蜂鸣器在未与人体接触时和超出按摩定时时间进行报警提醒。

图1 颈椎按摩仪电路组成

图2 颈椎按摩仪硬件开发板

整个课题设计将多个知识点融合在一个综合实验中，涵盖单片机内部结构、中断、定时器、IO 口、串行口、按键输入、电机驱动、液晶显示等各知识点。以实验项目为导向，引领学生利用所学理论知识解决具体临床医学问题，提高学生的学习兴趣，真正锻炼学生的单片机硬件系统分析、接口设计、编程及开发应用的能力。

3 授课方式

3.1 开放实验室

在项目化课题设计的过程中，开放实验室是很有必要的。为了满足学生的学习要求，除计划安排的实验上课时间外，实验室以IC 卡形式开放给学生使用，学生可以通过系统预约，自由选择课外实验时间。在开设单片机课程的整个学期内，学生可以自由地在实验室中开展相关工作，碰到问题可以随时请教实验室值班教师。

3.2 网络资源共享

通过超星学习通平台开展线上单片机原理及接口技术课程，学生可以随时随地学习相关知识。线上课程作为辅助教学内容，各章节知识点除了有电子教案及视频讲解外，还有相应的测验及答案讲解。对于各知识点的独立实验，如开关检测及LED 控制、中断及数码管显示、定时器、串口、电机驱动等，线上课程均有相应的电路搭建及程序讲解视频。另外，历年学生的优秀实验作品也以视频及电子文档形式，共享给学生，借此鼓励并启发学生设计出更优秀的作品。

3.3 启发式教学，全程指导

采用启发式教学，根据学生特点，因材施教[9]。引导学生主动思考并探究：课题设计要实现什么功能？如何构建系统组成模块？各组成模块电路及接口设计具体怎样连接？等等。实验中涉及的电路、测量方法等都需要学生自行设计和拟定，这就促使学生思考问题并进行深入分析。对于实验中出现的问题，教师从“知识灌输”变成“知识引导”，给学生独立思考的空间，引导学生开展自主式深度学习并达成教学目标。同时，通过和组内同学讨论、合作，学生的团队协作意识得到增强，团队凝聚力得到提升，进而产生协同效应。

课题设计由教师全程指导，安排16 个学时，4周内完成，每周1 次课，包含4 个学时。整个课题设计分三个阶段进行：前期系统总体设计、中期检查、后期实验结果，在实验前期和后期都要求学生按组以PowerPoint 电子文档形式讲述报告。第1周的主要任务是系统总体设计，学生分组，选定课题，查阅相关知识，拟定系统总体设计方案，并在实验课堂上以小组为单元，分组汇报并讨论系统各组成模块及功能实现，师生共同探讨，强化实验设计。第2 周和第3 周的主要任务是进行系统各模块电路的搭建及程序编写、调试等，除每周一次的实验上课时间外，学生可将单片机开发板等硬件电路带回宿舍或其他地方继续调试，也可通过系统自由预约课外实验，遇到困难随时可以和值班教师探讨。第4 周进行系统总体测试和分析，并进行实验结果汇报。

4 考核评价

实行分阶段过程性评价模式[10-11]，考核成绩主要由两部分组成：平时成绩（40%）+阶段汇报成绩（60%）。平时成绩主要由教师打分，教师根据学生的上课表现、实验动手能力及知识运用等各方面给出评价分数。阶段汇报分前期和后期共两次进行，每次汇报成绩由教师评价和学生互评组成，最终阶段汇报成绩由两次汇报成绩平均得到。在各阶段汇报中，学生按要求写出技术文件与研究报告，通过PowerPoint 电子文档形式展示并汇报，教师和其他同学根据各组实验方案、电路实现及功能调试等，对其实验结果进行判断和评价并给出成绩。其中，学生打分分组内评价和组间评价，组内评价为小组内同学根据各自对实验项目的贡献给出评价成绩，而组间评价则是其他组根据报告内容给汇报组打分的平均值，各评价成绩采用百分制，如表2所示，具体评价实施可以通过超星学习通发起“分组任务”，并进行打分设置，如图3 所示。

图3 超星学习通“分组任务”打分设置

表2 阶段汇报打分表

5 结束语

本文探讨了医学院校单片机课程实验教学改革，改变了以往按知识点进行单独实验的做法，转而以项目化课程设计的形式进行，以临床问题为导向，引导学生开展自主探索式学习和实验，让学生自主地进行研究性学习，有助于考查学生对所学知识进行实际应用的能力。近三年，单片机课程实验教学改革顺利进行，教学效果良好，并在创新课程设计的基础上申报课题，其中，基于单片机核心控制类课题获得省级及以上大学生创新计划课题10余项。同时，孵育科研创新项目，参与国家级、省级等各级各类创新创业竞赛，在学生参加竞赛的过程中开展创新创业设计思维训练，全方位提升学生的创新创业能力，并形成了较高质量的师生共同体成果产出。