生醫工專業嵌入式系統項目式教學改革與實踐

摘" 要：嵌入式系統原理及實驗是生物醫學工程學科的核心專業課程。該課程的目標是以單片機為對象，通過基本理論學習、程序開發和硬件設計，使學生掌握嵌入式系統在測量與控制等相關領域的應用技能，為將來從事生物醫學工程相關測控系統的開發打下基礎。然而，傳統的實驗課程大綱主要面向泛工科體系下模塊式實驗教學案例而設計，存在如下局限性，一方面，無法深度鍛煉學生的整體化項目開發思維和合作精神；另一方面，缺乏針對生物醫學工程專業的特異性培養，使得學生的專業性體驗不強。為此，該文以中山大學生物醫學工程學院嵌入式系統原理及實驗為例，對該課程進行項目式教學改革與實踐。我們針對原本的模塊化分立式實驗，結合生醫工專業應用需求，融合成綜合實踐課題項目，并通過分組對比的形式發現新型教學模式在提高學生主觀接受程度、增強實驗課掌握程度及促進理論課學習方面都具有明顯提升。該課程的教學改革實踐不僅增強學生對基礎知識及應用實踐關聯性的理解，而且提高學生對嵌入式系統的綜合應用創新能力，同時也加深學生的學科認同感和對學科前沿需求的了解，從而促進本科生高質量內涵式發展。

關鍵詞：生物醫學工程；嵌入式系統原理；嵌入式系統實驗；課程教學改革；項目式教學

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

自黨的二十大以來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視高等教育發展，強調實施科教興國戰略，強化現代化建設人才支撐，這為新時代持續深化本科教育教學改革發展指明了方向[1]。生物醫學工程專業，作為一門融合“理-工-醫”多學科交叉的新型學科，涉及工程學、生物學、醫學、化學、物理學、材料學、電子學和計算機科學等復雜交叉的知識體系，對本科生培養提出了較大的挑戰。這就要求我們在日常教育教學環節中不斷地推陳出新，持續深化教學改革，最大限度地激發學生的學習主動性、積極性、創造性和好奇心，最大限度培養學生自主學習、分析和解決問題的綜合能力[2-3]。

在生物醫學工程學科課程體系中，嵌入式系統原理及實驗作為醫療電子方向的核心專業課程，是在學生學完電子技術類基礎課程和計算機應用類基礎課程之后，為加強對學生芯片控制、軟件編程與電子技術應用能力的培養而開設的體現電子技術、計算機技術綜合應用的課程。本課程的目的在于使學生學習嵌入式系統設計的基本理論、基本知識和基本技能，以單片機為例，了解嵌入式系統在測量、控制及其他電子技術領域的應用，培養學生單片機應用系統程序設計的能力，使其具備單片機應用系統軟硬件聯合調試的基本技能，為將來從事生物醫學工程領域相關測控系統的研發打下堅實的基礎。近年來隨著教學改革的不斷深入，已經涌現多個有關生物醫學工程專業嵌入式系統相關課程的教改案例[4-6]，這為相關一線教學人員提供了諸多參考借鑒。

而嵌入式系統作為測控技術領域的通用工具，其相關課程也并非專門針對生物醫學工程專業開展，它在機械、電子、自動化、通信、計算機和微電子等其他工科學科當中同樣發揮重要作用，并且在這些領域應用更早也更加廣泛。因此，調研目前可參考的嵌入式系統原理及實驗相關課程建設方案會發現有以下兩個特點：一方面，為了充分調動學生的學習積極性和培養學生的實際應用能力，相關課程越來越重視實踐教學[7-8]。特別是口袋實驗箱形式的出現[9]，利用一套開發板套件即可以對課程的各個知識點進行模塊式實驗練習，大大鍛煉了學生的實踐應用能力。但是這種模塊化實驗教學也存在弊端，即無法深度鍛煉學生的整體化項目開發思維和合作精神，所以陸續地也出現了一些如“項目式”教學[10]以及“產品研發式”教學[11]的新思路。另一方面，正因為嵌入式系統應用的廣泛性，目前已有的教改方案更多地是針對泛工科體系下其知識點內容本身的實驗案例，缺乏結合專業自身行業特點而設計個性化教學方案[12]，特別是缺少針對生物醫學工程學院的專業化應用需求典范。這從嵌入式系統領域相關的國家級精品課程分布便可見一斑，如北京交通大學電子信息工程學院單片機原理及應用，哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院單片機原理及應用，浙江大學計算機科學與技術學院嵌入式系統，以及清華大學工程物理系數字電路與嵌入式系統等。

針對上述嵌入式系統原理及實驗課程在生物醫學工程專業本科學生培養中遇到的兩個關鍵核心問題，本文以中山大學生物醫學工程學院為例，開展了該課程的項目式教學方案改革與實踐。我們將原本的模塊化分立式實驗，結合生物醫學工程專業的個性化應用需求，融合成需要多人協作完成的綜合實踐性項目。在教學實踐過程中，鼓勵學生自愿組隊，并通過傳統實驗與項目實驗分組對比的形式，對新型教學模式在學生主觀接受程度、實驗課掌握狀況及理論課促進情況等方面進行統計分析，以求在新時代高等教育高質量內涵式建設背景下，探尋如何構建適應于生物醫學工程專業嵌入式系統原理及實驗課程培養體系的新方案，以幫助學生建立牢固扎實的理論體系和創新開放的實踐思維，同時加深學生的學科認同感和對行業前沿需求的了解，從而促進源頭創新。

一" 教學改革思路與具體實施方案

（一）" 原課程培養方案簡介

如前所述，嵌入式系統原理及實驗是生物醫學工程專業的核心課程，同時嵌入式系統開發技能也是從事醫療儀器相關領域開發的基本技能。為了增加學生對嵌入式系統體系的理論認識，打牢學生在相關工程實踐中的基本功，中山大學生物醫學工程學院選擇在嵌入式體系中最具典型的8051內核單片機為核心入門機型展開課程建設。并選擇由哈爾濱工業大學張毅剛教授主編的“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材、高等學校電氣名師大講堂推薦教材《單片機原理及應用（第4版）》作為主要參考教材，重點介紹ATMEL公司的AT89S52單片機內部結構及片內各外圍部件的工作原理、程序設計方法以及應用系統案例。同時，課程還輔助以深圳市普中科技有限公司推出的普中-雙核-A7開發板套裝為口袋實驗箱，開展系列實驗實踐練習。

傳統教學培養方案由54學時的理論課講解配合36學時的實驗練習組成。實驗課的加入主要目的在于與理論課程相配合，以加深學生對嵌入式系統基礎理論的理解，并在AT89S52單片機為主的實驗基本知識、基本方法和基本技能方面受到較系統的訓練，為后續嵌入式系統的應用打下堅實的基礎，進而培養學生理論聯系實踐的能力，初步具備分析解決工程實際問題的能力。根據課程教學大綱設計，學生需獨立完成七個平時實驗和一個課程設計實驗。平時實驗包括I/O口實驗、中斷與定時器實驗、交通燈實驗、串行通信實驗、IO接口實驗、IO擴展實驗以及電機實驗。而在課程設計實驗環節，結合課上學習知識選取具有代表性的自主設計題目作為考核題目，考核學生運用知識分析問題、解決問題的能力和展示表達能力。這些自主設計考核題目包括智能電子鐘、定時鬧鐘、密碼鎖、音樂計數器、數字溫度計、波形發生器、數字頻率計、競賽搶答器、單詞記憶測試器和數字音樂盒等。

（二）" 項目式教學改革方案與實施方式

通過觀察不難發現，在嵌入式系統原理與實驗的實驗課程設計部分，平時實驗主要目的在于針對理論課上各章節知識點進行編程實踐練習，以鍛煉學生做到對單片機各個關鍵部件或外設的學以致用。而自主設計考核題目雖然做到與平時實驗的差異化設置，但在知識點考核方面依然是針對單片機某一關鍵部件或外設的特異性測控編程設計。雖然在課程設計過程中，我們鼓勵學生在已有實驗要求基礎上自主擴展功能，但此部分自主設計考核題目依然局限于僅僅利用一個口袋實驗室開發板即可完成，而且多年的考核積累，無論是網絡資源還是學校內部交流都積累了大量的參考例程，在課程考核評價過程中很難看到讓人眼前一亮的創新思路，更重要的是這些自主設計考核題目的主題，雖然貼近生活，但較難與生物醫學工程專業的個性化需求關聯，無法使學生真正體驗嵌入式系統在相關行業應用中的重要性。為此我們設計了如圖1所示的項目式教學改革方案。

即在課程設計階段，除了規定的傳統自主設計題目外，學生也可以選擇項目式合作類課題。在這部分，我們設計了兩個題目：遙控尋跡智能車和自動樣品處理儀。相比于傳統自主設計題目，項目式合作實踐課題存在如下幾點差異：首先，除了利用口袋實驗室開發板外，學生還需要自主搭建相關的機械結構和額外的硬件電路部分，這旨在進一步鍛煉學生的動手實踐能力。其次，與自主設計類題目往往只鍛煉單片機一到兩個模塊不同，遙控尋跡智能車需要實現以單片機為核心，通過接收傳感器信號，感知周圍環境，對電機發送指令實現小車的前進后退、轉彎等動作，最終完整實現對指定線路的循跡、自動啟停及紅外遙控等功能；自動樣品處理儀則需要實現依托二維直線模組平臺和電磁鐵模塊，通過多電機聯動和開關電磁鐵，實現磁性材料的轉移和目標物的提取，完成基礎的自動通過編程控制多電機聯動樣品前處理流程。這兩個題目對電機驅動模塊、定時器計數器模塊、中斷模塊和通信模塊等都提出了更綜合的編程要求。再次，這兩個項目課題可以明確與生物醫學工程領域需求關聯：如配備高精度傳感器和通信設備的智能車，在遠程醫療和救援、移動醫療實驗室、藥物運輸和分發、康復和輔助技術及生物樣本采集等領域具有明確的場景需求，智能車在生物醫學工程領域的應用可以提高醫療效率、改善患者體驗，并為醫學研究和治療帶來更多可能性。而自動樣品處理儀則可以高效地進行樣品前處理，降低人為誤差，節省時間和成本，如在新冠感染疫情期間對提高核酸檢測效率發揮了重要的作用，同時基于磁性材料標記的目標物提取技術，在除核酸檢測外更大的分子診斷領域也以其高效、準確、自動化的特點而發揮了重要的作用。

當然，考慮到項目式合作實踐課題相比于傳統自主設計課題具有更高的復雜性和挑戰性，我們允許兩位以內的同學合作完成，進而可以在保證項目完成度的同時鍛煉學生的科研合作精神。但為了維持考核的公平性，無論是獨立完成還是合作完成，無論是選擇自主設計類課題還是項目合作類課題，所有考生均須完成現場答辯展示與課程報告兩個環節，并說明個人實際貢獻。同時為鼓勵學生的自主創新能力，我們也允許學生選擇自擬題目或為選定課題增加自主功能設計環節。為了體現考核的公平性，學生自擬的題目需事先征得授課教師的同意，以判斷課題難度、課程相關性、課題綜合性是否滿足本課程考核的要求。基于上述教改方案，中山大學生物醫學工程學院選擇嵌入式系統原理與實驗課程的72名學生采用自愿選擇的形式確定實驗課課程設計題目，并在后續的課程考核中從學生主觀接受程度、實驗課掌握狀況，以及理論課促進狀態三個角度對本次教學改革實踐效果進行統計分析。

二" 課程教學改革的實踐效果

（一）" 增強主觀實踐興趣，提高機械電路等動手能力

在新的教學方案中，學生可以自主選擇課程設計命題。如圖2（a）所示，最終有61人選擇傳統自主設計類課題；11人選擇項目合作式課題，其中10位學生采用兩人一組合作完成的方式，另1位學生選擇獨立完成，共形成6組項目課題，包括2組遙控尋跡智能車和3組自動樣品處理儀，另外1組學生結合自身興趣選擇利用單片機開發類似“節奏大師”的音樂節拍游戲。通過問卷調研學生選擇課題的原因及經過課程設計鍛煉后學生的自我收獲評價（如圖2（b）與圖2（c）所示），我們發現更多人選擇自主設計課題主要是考慮到課題難度小，自主可控，利用口袋實驗室開發板即可完成，并且有明確的要求和成熟的參考，無需過多的個人發揮，從而保證課題完成度。而選擇項目式合作課題的動力則是被項目的創新性以及更加貼近生物醫學工程學科的實際應用所吸引，同時這部分學生更愿意迎接挑戰，發揮自己的主觀能動性。從選擇課題的比例中我們可以看出，更多的學生追求穩定，以保證課程考核完成度為前提，這說明在教學設計中為保證絕大部分同學的接受程度，不宜將課程任務難度設置過大。同時，結果也表明在主觀上學生更期待接受與實際應用更加貼近的創新性課題訓練。

而對比經過課程設計鍛煉后學生的自我收獲評價角度進行了統計（如圖２（ｂ）、圖２（ｃ））。由于兩個課題選擇人數差異較大，所以相關結果我們以各自組內百分比的形式呈現。所有參與課程設計的同學均認可通過課題的實踐鍛煉，在邏輯思維、動手能力、報告撰寫、匯報表達、資料查閱、機械設計、電路設計及編程能力等方面具有提升。而在選擇項目合作類課題的結果中，機械設計、電路設計、動手能力幾個方面的占比明顯增強，說明項目式合作項目可以明確提升學生的綜合動手能力，這對將來從事醫療器械開發的生物醫學工程學科學生來說是非常重要的能力鍛煉。

（二）" 增強知識運用能力，提高專業實踐綜合成效

除了參與調研學生的主觀反饋外，我們也希望從客觀角度評價傳統自主設計類課題和項目合作類課題對學生課程實踐鍛煉效果的影響，而分數則是最客觀的評價標準。為了保證成績評定的客觀性，所有實驗答辯成績以及報告均由兩名教師匿名打分后取平均分，而平時成績則為前七次實驗成績結合課堂出勤情況按比例計算得出，課設總成績由課設答辯和課設報告兩部分按比例匯總得出。從圖3的結果可以看出，對于平時實驗，所有學生均以相同目標經過相同培養鍛煉，所以兩組成績相差不大，這也說明隨機自主選擇的兩組學生在日常教學經歷中對實驗課程的基本掌握程度相近。但從期末課程設計成績可以看出，無論是課設答辯過程中所展示出的課題完成效果、PPT展示、軟硬件講解及現場問答環節，還是課設報告所體現的原理分析、功能展示、軟硬件介紹及結果討論，選擇項目式合作類課題的組別均要明顯優于傳統自主設計類課題組別的平均水平。這也導致平時成績與課程設計成績兩個組別之間的平均分差具有顯著性差異。當然，對于項目式合作類課題，由于存在明顯的難度優勢，所以在考核展示度上占一定主觀優勢。但從課程設計投入時間角度看，因為項目式合作類課題具有更多設計發揮空間，需要用更多單片機資源模塊，所以更能激發學生興趣，學生自愿投入時間也更長。可見，更加綜合的知識運用和項目鍛煉，更有利于提高專業實踐的綜合成效。

（三）" 反哺理論知識深化，提高課程綜合掌握水平

上述結果表明，項目式合作類課題的鍛煉，更利于達到教學目的，提高學生嵌入式軟硬件開發的綜合實踐能力。而對于工科教學來說，一定是“理論基礎指導實踐操作，實踐鍛煉反向增強理論深入”的過程。因此，我們對傳統自主設計類課題和項目合作類課題兩組學生在嵌入式系統原理與實驗理論課上表現進行了統計分析，結果如圖4所示。可以看出，兩組學生的平時成績（包括日常作業、課堂表現以及考勤三部分）比較接近，但在期末考試的卷面分數上，選擇項目合作類課題組的平均分要高出傳統自主設計類課題組大約7分。通過對卷面的深入分析，我們發現這部分提高主要表現在客觀題目的準確性以及主觀題目的邏輯性兩個方面。這說明通過綜合性項目合作類課題的課程設計練習，有助于加深學生對理論課程知識點的掌握，同時在面對主觀實際問題時也更容易找準問題本質，方案更加豐富有條理。由此可見，本論文提出的項目式教學實踐方案對嵌入式系統原理與實驗課程無論是理論促進還是實驗產出上都具有積極的推進作用，可以幫助學生提高動手能力的同時，打牢理論基礎，做到活學活用。

（四）" 增進科學研究興趣，初見項目式教學實踐成效

2023—2024年度是實施項目式教學實踐改革的第一年，因此，選擇項目式合作類課題作為課程設計的學生人數還不多。從圖5展示的部分項目成果可以看出，由于課程時間有限，相關學生作品成果并不算成熟。但項目式教學實踐改革的作用不僅體現在課程內部，對課后學生科研實踐的促進也初見成效。一方面，在課程答辯時，項目式課題會吸引更多的同學旁觀交流。2023—2024年度學生教評中對課程建設的建議相比往年也更加積極，并有多名同學表示了對項目合作類課程設計的肯定，期望未來有更多與實際應用相關的項目主題：如醫學信號采集與顯示、手術機械臂操控、無線和藍牙通信以及與其他高階嵌入式系統聯動調節等。這說明項目式教學實踐改革引發學生更多地思考，有助于提高學生的課程參與度和學科認同度。另一方面，參與本課程學習后，有更多的同學課后主動聯系指導教師，希望把課程實踐成果加以豐富和深入，與目前領域科研熱點相結合，申請本科生創新訓練計劃項目或參加全國大學生生物醫學工程創新設計競賽。這充分說明項目式教學實踐有助于增進學生科研熱情，使學生充分了解嵌入式系統在生物醫學工程學科領域中的重要作用和獨特需求，有利于探索培養創新精神。

三" 結束語

在習近平新時代中國特色社會主義思想的指導下，深化高等教育教學改革已經對本科生教學提出了新的要求，教學內容要緊貼行業領域前沿，教學方式要從灌輸向引領轉變。本文主要針對生物醫學工程學科嵌入式系統原理與實驗這一核心專業課程，自主設計實驗分立式實踐效果不佳，教學內容學科關聯度不高的問題，提出了基于項目式實踐教學改革的方案。以中山大學生物醫學工程學院為例，我們引入了和生物醫學行業高度相關的遙控尋跡智能車和自動樣品處理儀兩個原型項目式課設案例，以培養學生綜合實踐能力和理論創新思維。實踐結果表明，相比于傳統的自主設計課題，項目式合作課題更利于激發學生的自主設計熱情，提高機械電路等動手能力，培養整體性創新思維。同時，通過綜合性實踐可以促進學生對理論知識的理解、整合和應用，進而形成正向激勵作用，激發科研興趣，提高學科認同度。同時，相關教學模式的改革，對多學科交叉體系下的其他課程實踐也有參考價值，有利于培養學生解決問題能力和創新性思維，增強學生對基礎知識及應用實踐關聯性的掌握，高效促進本科生高質量內涵式發展建設。

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基金項目：國家級新工科研究與實踐項目“多學科背景下的生物醫學工程專業‘醫工融合’人才培養模式探索與實踐”（教高廳函〔2018〕17號）；中山大學2024年教學質量與教學改革工程類項目“嵌入式系統原理在生醫工學科教學實踐方式的改革與探索”（76190-12220011）

第一作者簡介：霍新明（1992-），男，滿族，黑龍江哈爾濱人，博士，助理教授，碩士研究生導師。研究方向為質譜儀器與微納傳感技術開發及其在生物醫學檢測領域的應用。

*通信作者：蔣樂倫（1984-），男，漢族，浙江義烏人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為精準醫療器件與儀器的開發。