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(lián)網(wǎng)的發(fā)展，教學(xué)模式也在發(fā)生著深刻變化，線上線下混合式教學(xué)模式成為高校教學(xué)改革研究的重要方向。通過分析微機原理及應(yīng)用課程的特點和教學(xué)中存在的問題，重點闡述了線上線下混合式教學(xué)模式在課程中的具體運用，包括線上課程資源建設(shè)、線上線下教學(xué)過程設(shè)計和過程化考核等。該教學(xué)模式從課前、課中和課后三個階段將線上學(xué)習(xí)與線下課堂教學(xué)有機結(jié)合，同時融入生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)（BME）知識，以期提升本課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：微機原理及應(yīng)用；混合式教學(xué)；教學(xué)改革；過程化考核；生物醫(yī)學(xué)工程

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0166-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科用工程的方法去解決醫(yī)學(xué)的問題，理、工、醫(yī)學(xué)科交叉特性非常顯著，該學(xué)科的本科層次水平培養(yǎng)具有這些能力的復(fù)合型應(yīng)用型人才。上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科是上海市重點學(xué)科，具有本-碩-博士-博士后科研流動站一體化的人才培養(yǎng)體系，該學(xué)科培養(yǎng)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(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)也是國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點、上海市本科教育高地、教育部卓越工程師教育試點專業(yè)，培養(yǎng)具有扎實的自然科學(xué)基礎(chǔ)、較強的工程實踐能力、醫(yī)與工相結(jié)合的高層次人才。其中，微機原理及應(yīng)用是上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，本課程在課程體系建設(shè)、專業(yè)建設(shè)和卓越人才培養(yǎng)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(shè)項目和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目。

該課程以采用馮·諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)的8086/8088微處理器為主體，主要內(nèi)容包括微型計算機體系結(jié)構(gòu)、8086微處理器和指令系統(tǒng)、匯編語言設(shè)計以及微型計算機各種接口技術(shù)（存儲器、輸入/輸出接口、中斷、計數(shù)器/定時器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換接口、總線技術(shù)等）。在本專業(yè)，該課程為3學(xué)分，共48學(xué)時。目前，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、電子科技大學(xué)等眾多高校在研究生入學(xué)考試初試或者復(fù)試中選用該課程。

1 教學(xué)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(xué)生既要掌握計算機硬件理論知識，又要有匯編語言程序設(shè)計的能力。對于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的初學(xué)者來說，對這門課的感覺是內(nèi)容抽象、指令多且靈活、邏輯性和系統(tǒng)性強以及實驗教學(xué)難以配套[1-5]。

1.1 內(nèi)容抽象

課程教學(xué)內(nèi)容較抽象，涵蓋的知識點眾多，但是實際教學(xué)中課時安排常常有限，使得課堂信息量很大，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)負擔(dān)較重，教師亦無法很好地兼顧授課進度和教學(xué)質(zhì)量。抽象內(nèi)容包括：數(shù)的進制、存儲器的組織與管理、堆棧和指令隊列的管理、標(biāo)志寄存器的狀態(tài)、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(tǒng)共有117條基本指令，分為數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)運算類指令、位操作類指令、串操作類指令、控制轉(zhuǎn)移類指令等。指令格式靈活、尋址功能強、具有多種數(shù)據(jù)處理能力和多處理器結(jié)構(gòu)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(tǒng)性強

本課程是理論嚴謹、邏輯性強并與工程實際密切結(jié)合的課程。微機是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，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(fù)雜的時序邏輯電路系統(tǒng)，在時鐘脈沖的統(tǒng)一控制下，按照節(jié)拍進行各項工作。

1.4 實驗教學(xué)難以配套

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

2 混合式教學(xué)改革實踐

針對傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)的不足，我們采用線上線下混合式教學(xué)，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(fā)布學(xué)習(xí)資源，線下開展相關(guān)教學(xué)活動；學(xué)生線上線下同步進行學(xué)習(xí)、完成課后作業(yè)和輔導(dǎo)答疑。教學(xué)的全過程中，對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)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(xué)以Intel 8086 /8088為控制核心，從內(nèi)核到接口逐步展開。上海理工大學(xué)采用的教材是由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shù)》，該教材內(nèi)容翔實，實例詳盡，非常適合初學(xué)者。在培養(yǎng)計劃中，本課程課時只有48學(xué)時。為了著重體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計概念，課題組經(jīng)過多次討論，縮減匯編語言教學(xué)學(xué)時，增加硬件系統(tǒng)設(shè)計課時，將線下課程授課內(nèi)容及學(xué)時分配概括如圖2所示：

2.2 線上資源

針對每個章節(jié)的知識點，梳理出教學(xué)中的難點和重點，我們分別錄制了10～15分鐘的微視頻，內(nèi)容涵蓋計算機中數(shù)的表示、CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(shù)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(chǔ)教程等內(nèi)容。

線上還以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)教學(xué)團隊、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、考核方式等常規(guī)教學(xué)組織方案。此外，還開設(shè)了通知、作業(yè)、輔導(dǎo)答疑、線上測試、線上簽到、統(tǒng)計等功能，以實施和評估每個階段的學(xué)習(xí)情況，進行和量化過程化的考核。

2.3 線下教學(xué)

充分利用好三尺講臺主戰(zhàn)場，采用靈活的授課方式進行，主要包括：

1）常規(guī)教學(xué)。利用PPT和微視頻慕課，采用智慧教室內(nèi)的多媒體和板書進行常規(guī)教學(xué)。比如，課程中數(shù)的進制和有符號數(shù)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(xué)宜采用板書的方式。

2）直觀展示法。在講微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和引腳定義時，將微機原理開發(fā)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(xiàn)機理。有時，還邀請研究生或高年級學(xué)生講解曾經(jīng)從事過的相關(guān)項目經(jīng)歷。

3）仿真教學(xué)法。目前微機原理課程教學(xué)中效果較好的是Proteus軟件仿真平臺，可實現(xiàn)原理圖繪制、代碼調(diào)試、電路仿真等多種功能。也能較好地解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)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(xiàn)編碼和譯碼等。

5）任務(wù)驅(qū)動法。在某個階段布置一定的任務(wù)（比如學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)法。有些內(nèi)容可以留給學(xué)生自己去學(xué)習(xí)，到截止時間后去檢查。

7）實驗教學(xué)法。除仿真教學(xué)外，開設(shè)了0.5學(xué)分的微機原理實驗課程，由實驗員和任課老師共同承擔(dān)；

8）高階性和有挑戰(zhàn)度的學(xué)習(xí)。將微機原理和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)緊密結(jié)合，設(shè)計帶單片機或微機的醫(yī)學(xué)電子儀器或參加競賽，比如我們設(shè)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(shù)檢測等，參加了Proteus Cortex-M3仿真設(shè)計國際大賽，并取得了較好的成績[12-13]。

9）坐班答疑。學(xué)生可以利用坐班答疑時間來接受輔導(dǎo)。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(xué)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(xué)生的應(yīng)試心理，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，不斷激發(fā)學(xué)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(yè)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(xué)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(yè)（各占10%）和平時的簽到、課堂提問、小組討論等情況（占10%）構(gòu)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(jié)合，解決理論教學(xué)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(shè)計）的仿真，采用“積木式”設(shè)計、搭建CPU和外圍接口電路，把Proteus與數(shù)字邏輯、組成原理、體系結(jié)構(gòu)和接口電路相組合?；赑roteus的仿真可包括：靜態(tài)存儲器擴展、8255A并行接口、8259A中斷控制、8251A串行接口、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、8253可編程定時器/計數(shù)器等。

3 教學(xué)改革成效

經(jīng)過近幾年的教學(xué)實踐和探索，本課程取得了如下成效：

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

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

3）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和安排上注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識的能力；同時，探索課程的高階性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)度，并積極探索與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)高度融合的教學(xué)方式，受到學(xué)生們的歡迎。

4）結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科理學(xué)、工學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的特點，利用微機原理制作過自制教學(xué)實驗儀器，并于2021年獲得第六屆全國高等學(xué)校教師自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽三等獎。

5）本課程已經(jīng)入選2022年度上海高校市級重點課程建設(shè)項目：微機原理及應(yīng)用（線上線下混合式課程）和2022年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目：基于Proteus軟件的微機原理教學(xué)改革。

4 結(jié)語

本文針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)“微機原理及應(yīng)用”課程線上線下混合式教學(xué)模式進行探討，提出了該課程實施混合式教學(xué)模式的改革思路，重點分析了線上課程資源建設(shè)、線上線下教學(xué)過程設(shè)計、基于Proteus軟件的教學(xué)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(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

經(jīng)過實踐檢驗，采用線上線下混合式教學(xué)，將線上學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)有機融合，能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，促進教學(xué)效果和質(zhì)量的不斷提高，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打好很好的基礎(chǔ)，為生物醫(yī)學(xué)工程培養(yǎng)工程型、應(yīng)用型、國際化的人才做出較好的貢獻。

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【通聯(lián)編輯：王 力】