生医工专业嵌入式系统项目式教学改革与实践
作者: 霍新明 陈巧珍 周建华 王佳思 林旭东 蒋乐伦
摘 要:嵌入式系统原理及实验是生物医学工程学科的核心专业课程。该课程的目标是以单片机为对象,通过基本理论学习、程序开发和硬件设计,使学生掌握嵌入式系统在测量与控制等相关领域的应用技能,为将来从事生物医学工程相关测控系统的开发打下基础。然而,传统的实验课程大纲主要面向泛工科体系下模块式实验教学案例而设计,存在如下局限性,一方面,无法深度锻炼学生的整体化项目开发思维和合作精神;另一方面,缺乏针对生物医学工程专业的特异性培养,使得学生的专业性体验不强。为此,该文以中山大学生物医学工程学院嵌入式系统原理及实验为例,对该课程进行项目式教学改革与实践。我们针对原本的模块化分立式实验,结合生医工专业应用需求,融合成综合实践课题项目,并通过分组对比的形式发现新型教学模式在提高学生主观接受程度、增强实验课掌握程度及促进理论课学习方面都具有明显提升。该课程的教学改革实践不仅增强学生对基础知识及应用实践关联性的理解,而且提高学生对嵌入式系统的综合应用创新能力,同时也加深学生的学科认同感和对学科前沿需求的了解,从而促进本科生高质量内涵式发展。
关键词:生物医学工程;嵌入式系统原理;嵌入式系统实验;课程教学改革;项目式教学
中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2024)25-0123-06
Abstract: Embedded System Principle and Experiment is the core professional course of biomedical engineering. The goal of this course is to master the application skills of embedded systems in measurement and control and other related fields through basic theory learning, program development and hardware design, so as to lay a foundation for the development of measurement and control systems related to biomedical engineering in the future. However, the traditional experimental course outline is mainly designed for the modular experimental teaching cases under the pan-engineering system. There are the following limitations: on the one hand, it can not deeply train students' thinking and cooperative spirit of integrated project development; On the other hand, the lack of specific training for biomedical engineering makes the professional experience of students not strong. Therefore, this paper takes Embedded System Principle and Experiment of School of Biomedical Engineering of Sun Yat-sen University as an example to carry out the project teaching reform and practice of the course. Based on the original modular and discrete experiments, combined with the application needs of health and medical engineering, we integrated them into comprehensive practical projects. Through the form of grouping and comparison, we found that the new teaching mode had significant improvements in improving students' subjective acceptance, enhancing the mastery of experimental courses and promoting the learning of theoretical courses. The teaching reform practice of this course not only enhances students' understanding of the correlation between basic knowledge and applied practice, improves students' comprehensive application and innovation ability of embedded systems, but also deepens students' disciplinary identity and understanding of frontier demands of disciplines, thus promoting the high-quality and connotative development of undergraduates.
Keywords: biomedical engineering; embedded system principle; embedded system experiment; curriculum teaching reform; project-based teaching
自党的二十大以来,以习近平同志为核心的党中央高度重视高等教育发展,强调实施科教兴国战略,强化现代化建设人才支撑,这为新时代持续深化本科教育教学改革发展指明了方向[1]。生物医学工程专业,作为一门融合“理-工-医”多学科交叉的新型学科,涉及工程学、生物学、医学、化学、物理学、材料学、电子学和计算机科学等复杂交叉的知识体系,对本科生培养提出了较大的挑战。这就要求我们在日常教育教学环节中不断地推陈出新,持续深化教学改革,最大限度地激发学生的学习主动性、积极性、创造性和好奇心,最大限度培养学生自主学习、分析和解决问题的综合能力[2-3]。
在生物医学工程学科课程体系中,嵌入式系统原理及实验作为医疗电子方向的核心专业课程,是在学生学完电子技术类基础课程和计算机应用类基础课程之后,为加强对学生芯片控制、软件编程与电子技术应用能力的培养而开设的体现电子技术、计算机技术综合应用的课程。本课程的目的在于使学生学习嵌入式系统设计的基本理论、基本知识和基本技能,以单片机为例,了解嵌入式系统在测量、控制及其他电子技术领域的应用,培养学生单片机应用系统程序设计的能力,使其具备单片机应用系统软硬件联合调试的基本技能,为将来从事生物医学工程领域相关测控系统的研发打下坚实的基础。近年来随着教学改革的不断深入,已经涌现多个有关生物医学工程专业嵌入式系统相关课程的教改案例[4-6],这为相关一线教学人员提供了诸多参考借鉴。
而嵌入式系统作为测控技术领域的通用工具,其相关课程也并非专门针对生物医学工程专业开展,它在机械、电子、自动化、通信、计算机和微电子等其他工科学科当中同样发挥重要作用,并且在这些领域应用更早也更加广泛。因此,调研目前可参考的嵌入式系统原理及实验相关课程建设方案会发现有以下两个特点:一方面,为了充分调动学生的学习积极性和培养学生的实际应用能力,相关课程越来越重视实践教学[7-8]。特别是口袋实验箱形式的出现[9],利用一套开发板套件即可以对课程的各个知识点进行模块式实验练习,大大锻炼了学生的实践应用能力。但是这种模块化实验教学也存在弊端,即无法深度锻炼学生的整体化项目开发思维和合作精神,所以陆续地也出现了一些如“项目式”教学[10]以及“产品研发式”教学[11]的新思路。另一方面,正因为嵌入式系统应用的广泛性,目前已有的教改方案更多地是针对泛工科体系下其知识点内容本身的实验案例,缺乏结合专业自身行业特点而设计个性化教学方案[12],特别是缺少针对生物医学工程学院的专业化应用需求典范。这从嵌入式系统领域相关的国家级精品课程分布便可见一斑,如北京交通大学电子信息工程学院单片机原理及应用,哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院单片机原理及应用,浙江大学计算机科学与技术学院嵌入式系统,以及清华大学工程物理系数字电路与嵌入式系统等。
针对上述嵌入式系统原理及实验课程在生物医学工程专业本科学生培养中遇到的两个关键核心问题,本文以中山大学生物医学工程学院为例,开展了该课程的项目式教学方案改革与实践。我们将原本的模块化分立式实验,结合生物医学工程专业的个性化应用需求,融合成需要多人协作完成的综合实践性项目。在教学实践过程中,鼓励学生自愿组队,并通过传统实验与项目实验分组对比的形式,对新型教学模式在学生主观接受程度、实验课掌握状况及理论课促进情况等方面进行统计分析,以求在新时代高等教育高质量内涵式建设背景下,探寻如何构建适应于生物医学工程专业嵌入式系统原理及实验课程培养体系的新方案,以帮助学生建立牢固扎实的理论体系和创新开放的实践思维,同时加深学生的学科认同感和对行业前沿需求的了解,从而促进源头创新。
一 教学改革思路与具体实施方案
(一) 原课程培养方案简介
如前所述,嵌入式系统原理及实验是生物医学工程专业的核心课程,同时嵌入式系统开发技能也是从事医疗仪器相关领域开发的基本技能。为了增加学生对嵌入式系统体系的理论认识,打牢学生在相关工程实践中的基本功,中山大学生物医学工程学院选择在嵌入式体系中最具典型的8051内核单片机为核心入门机型展开课程建设。并选择由哈尔滨工业大学张毅刚教授主编的“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材、高等学校电气名师大讲堂推荐教材《单片机原理及应用(第4版)》作为主要参考教材,重点介绍ATMEL公司的AT89S52单片机内部结构及片内各外围部件的工作原理、程序设计方法以及应用系统案例。同时,课程还辅助以深圳市普中科技有限公司推出的普中-双核-A7开发板套装为口袋实验箱,开展系列实验实践练习。
传统教学培养方案由54学时的理论课讲解配合36学时的实验练习组成。实验课的加入主要目的在于与理论课程相配合,以加深学生对嵌入式系统基础理论的理解,并在AT89S52单片机为主的实验基本知识、基本方法和基本技能方面受到较系统的训练,为后续嵌入式系统的应用打下坚实的基础,进而培养学生理论联系实践的能力,初步具备分析解决工程实际问题的能力。根据课程教学大纲设计,学生需独立完成七个平时实验和一个课程设计实验。平时实验包括I/O口实验、中断与定时器实验、交通灯实验、串行通信实验、IO接口实验、IO扩展实验以及电机实验。而在课程设计实验环节,结合课上学习知识选取具有代表性的自主设计题目作为考核题目,考核学生运用知识分析问题、解决问题的能力和展示表达能力。这些自主设计考核题目包括智能电子钟、定时闹钟、密码锁、音乐计数器、数字温度计、波形发生器、数字频率计、竞赛抢答器、单词记忆测试器和数字音乐盒等。
(二) 项目式教学改革方案与实施方式