生物医学工程学科的《微机原理》课程改革
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前言
生物医学工程(Biomedical Engineering, BME)是在生物医学和工程技术交叉融合的基础上发展起来的新兴边缘学科。该学科的迅速发展,大幅度提高了卫生服务水平和患者生活生存质量,促进了相关领域科技进步。我国有很多高校开设了生物医学工程专业,以满足社会发展需要。生物医学工程由于其学科交叉的广泛性,因此该学科的课程特别多。普遍认为该学科的主干课程至少包括电子信息类《电路分析基础》《模拟电子技术》《数值电子技术》《微机原理》《单片机原理》《接口技术》等20余门,生物医学类《解剖学》《生理学》《生理化学》《普通生物学》《细胞分子生物学》《康复工程学》《生物工程学》《临床医学概要》等30余门。课时总量超过3000学时。如果再加上《英语》《数学》《物理》等公共课程,总学时将会超过4000学时,远远超过了教育部人才培养方案的学时限制。在2012年教育部最新颁布的人才培养方案修订要求4年制理工专业总学时控制2800左右。如此大量的课程在短短的4年学制内,无法有效地组织教学。虽然,各个学校结合自己教学特色进行裁剪,但仍然面临着课时不够、学生负担过重的问题。因此,为了有效地教学、提高教学效果、减轻学生负担,课程的优化成为一个长期讨论的热点。毫无疑问,优化课程应该从学时多,内容相似的课程着手。《微机原理》和《单片机原理与应用》这两门课都高达60学时而且还为压缩后的学时,因此,成为优化的重点考虑对象,也是教学研讨会经常争论的话题。
1 内容相似性
以往,《微机原理》和《单片机原理与应用》这两门课程是生物医学工程专业的两门必修课程,有近20年的历史。《微机原理》以Intel的80i86为教学内容作为嵌入式处理器学习的基础课,而《单片机原理与应用》以80C51为教学内容作为嵌入式处理器学习实例的应用课程。为我国培养了许多电子技术相关领域的科技人才。严格来说,这两门课,一门作为基础,一门作为应用相辅相成,不可分割。而在实际教学过程中,并非如此。首先从教学内容来看,这两门课的教学内容高度相似。微机原理的教学内容有:微处理器基本概念、工作原理和硬件结构,汇编语言指令系统和程序设计方法与技巧,中断系统、定时器/计数器和串行通讯的工作原理和应用,微机系统扩展、人机交互、A/D和D/A等接口技术,以及微机应用系统设计实例等。《单片机原理与应用》的教学内容有:单片机结构原理、指令系统和汇编语言程序设计、存储器扩展技术、中断系统、定时器/计数器、串行通信原理及应用、系统扩展、人机交互、A/D与D/A转换器接口技术、单片机应用系统的设计与开发等。从中,我们不难看出这两门课的区别无非是处理器不同而已,教学内容存在高度相似性。
而在实际教学时,这两门课通常由两个教师来上,课时都在60左右。一方面,由于课时少,授课难以面面俱到而进行选择性授课,从而导致教学内容遗漏;另一方面,由于任课教师的不同,教学内容出现大量重复。虽然学生经过两门课程的学习,但不能精通任何一门,甚至由于不能入门而对嵌入式系统产生恐惧。因此,同时开设这两门课程并没有达到想象中的教学效果。针对这一现象,有不少学者提出将《微机原理》和《单片机原理与应用》这两门课程进行合并,教学时对这两种处理器进行比较教学以提高学习效率,减少课时量,减轻学生负担。毫无疑问,经过课程的合并必提高教学效果,但从现代企业对相关专业技术人员的理论知识和素质能力要求来看,《微机原理》已经落后于时代,学无所用。
2 社会需求
经过大量课程的学习,生物医学工程学生的就业竞争力并没有得到很大提升。大量的课程培养了知识面很宽的工程师。这些工程师只懂得一般工程原理而不具备任一领域的专业知识。因此,当他们与其他专业的毕业生竞争时,生物医学工程毕业生往往处于劣势,许多BME 公司宁愿聘用信息工程技术相关专业的学生,而不聘用BME的学生。美国犹他州立大学生物医学工程系在BME工业部门做的问卷调查发现40%的人认为BME学生知识面很宽是他们最大的优势,75%的人认为BME学生没有坚实的专业知识。这表明目前的BME课程体系设置还需要在专业知识上进一步巩固。设置更多专业课势必进一步增加课程,显然是行不通的。因此,必须进行优化整合进行探讨,培养学生既拥有广阔的知识面,又具备坚实的专业知识。
《微机原理》以8086/8088处理器为蓝本介绍处理器的工作原理,并学习使用该处理器。当然,诞生于1978年的8086的诞生开启了仪器智能化的新时代。但随着处理器的发展,单片机的崛起,8086/8088处理器早已经走下神坛而被淘汰,目前市场很难见到8086/8088的踪迹。以8051为代表的单片机逐步取代8086/8088成为行业应用的主流。随着技术的发展,8051虽然也被淘汰,但是其指令兼容的单片机形成庞大的家族活跃在各个行业应用上,从简单的玩具到复杂的航空航天、医疗设备等高科技随处可见51兼容单片机的影子。当然,还发展出其它类型的单片机,如:AVR、PIC等。现代企业招聘时,通常要求应聘者具有一定的单片机开发能力。企业要求的单片机开发能力,显然不是指8086/8088微处理器的开发能力,而是指8051兼容单片机的开发能力,如果再掌握AVR或者PIC单片机开发技能则会更受企业欢迎。《微机原理》课程已经出现教学内容与社会需求脱节,学与用脱节的现象,也导致企业抱怨学生掌握的知识过于陈旧而不愿意招聘应届毕业生。此外,很多毕业生也反应《微机原理》课程中学习的知识无实际用处,对学习其它嵌入式处理器的学习与理解帮助不大。而对于单片机由于就业需要强劲,实用性强,容易上手等因素,学生有很强的学习欲望。
总之,8086/8088系列微处理器已经在生产实际中淘汰,如果《微机原理》仍然以8086/8088为蓝本讲解微处理器的原理,则显得知识过于陈旧,与企业需求脱节。由于在生产实际中8051兼容的单片机庞大家族仍然广泛应用,因此要加强单片机的学习,不仅可以让学生了解微处理器的工作原理,也能与社会需求接轨,培养出合格的现代企业工程师。
3 可行性验证
自2009年以来,我校生物医学工程系就开始小范围试点取消《微机原理》,强化《单片机原理与应用》的教学,取得很好的教学效果。2010年二年级6个本科生由于参加电子设计竞赛而在没有学习《微机原理》的情况下,直接学习单片机开发。在学习过程中,并不比那些有《微机原理》基础的学生表现差。事实上,2011年电子设计竞赛中,他们表现得极为出色。此外,也有不少学校已经开设微机原理课程,并在教学实践中获得良好的教学效果。
目前,市场涌现出许多零基础学习单片机的教材,如:杜洋的《爱上单片机》、周兴华的《手把手教你学单片机》等。《爱上单片机》和《手把手教你学单片机》不仅市场上脱销,而且网上扫描版下载量奇高,新手几乎人手一本。纵观这些教材都不要求学习者拥有《微机原理》基础,大幅度降低了单片机的学习难度和入门起点。读者对这些教材的热捧不仅说明单片机存在广泛的需求,更表明单片机学习的起点可以很低。
不论是从我们的教学实践中,还是从目前单片机教材来看,《微机原理》完全没有必要作为《单片机原理与应用》的前置课程。取消该课程,不仅不影响教学效果,反而有利于减轻学生负担,促进《单片机原理与应用》的教学,缩短教学与企业需求距离。
4 总结
从减轻学生负担角度来看,生物医学工程学科减少学时势在必行。从教学内容、行业需求角度来看,《微机原理》由于其教学内容与《单片机原理与应用》高度相似,知识陈旧,与企业需求脱节,因此应该取消。取消的同时,强化《单片机原理与应用》以适应企业的需求,提高学生的就业竞争力。