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

通过观察不难发现，在嵌入式系统原理与实验的实验课程设计部分，平时实验主要目的在于针对理论课上各章节知识点进行编程实践练习，以锻炼学生做到对单片机各个关键部件或外设的学以致用。而自主设计考核题目虽然做到与平时实验的差异化设置，但在知识点考核方面依然是针对单片机某一关键部件或外设的特异性测控编程设计。虽然在课程设计过程中，我们鼓励学生在已有实验要求基础上自主扩展功能，但此部分自主设计考核题目依然局限于仅仅利用一个口袋实验室开发板即可完成，而且多年的考核积累，无论是网络资源还是学校内部交流都积累了大量的参考例程，在课程考核评价过程中很难看到让人眼前一亮的创新思路，更重要的是这些自主设计考核题目的主题，虽然贴近生活，但较难与生物医学工程专业的个性化需求关联，无法使学生真正体验嵌入式系统在相关行业应用中的重要性。为此我们设计了如图1所示的项目式教学改革方案。

图1 课程设计题目分类方案

即在课程设计阶段，除了规定的传统自主设计题目外，学生也可以选择项目式合作类课题。在这部分，我们设计了两个题目：遥控寻迹智能车和自动样品处理仪。相比于传统自主设计题目，项目式合作实践课题存在如下几点差异：首先，除了利用口袋实验室开发板外，学生还需要自主搭建相关的机械结构和额外的硬件电路部分，这旨在进一步锻炼学生的动手实践能力。其次，与自主设计类题目往往只锻炼单片机一到两个模块不同，遥控寻迹智能车需要实现以单片机为核心，通过接收传感器信号，感知周围环境，对电机发送指令实现小车的前进后退、转弯等动作，最终完整实现对指定线路的循迹、自动启停及红外遥控等功能；自动样品处理仪则需要实现依托二维直线模组平台和电磁铁模块，通过多电机联动和开关电磁铁，实现磁性材料的转移和目标物的提取，完成基础的自动通过编程控制多电机联动样品前处理流程。这两个题目对电机驱动模块、定时器计数器模块、中断模块和通信模块等都提出了更综合的编程要求。再次，这两个项目课题可以明确与生物医学工程领域需求关联：如配备高精度传感器和通信设备的智能车，在远程医疗和救援、移动医疗实验室、药物运输和分发、康复和辅助技术及生物样本采集等领域具有明确的场景需求，智能车在生物医学工程领域的应用可以提高医疗效率、改善患者体验，并为医学研究和治疗带来更多可能性。而自动样品处理仪则可以高效地进行样品前处理，降低人为误差，节省时间和成本，如在新冠感染疫情期间对提高核酸检测效率发挥了重要的作用，同时基于磁性材料标记的目标物提取技术，在除核酸检测外更大的分子诊断领域也以其高效、准确、自动化的特点而发挥了重要的作用。

当然，考虑到项目式合作实践课题相比于传统自主设计课题具有更高的复杂性和挑战性，我们允许两位以内的同学合作完成，进而可以在保证项目完成度的同时锻炼学生的科研合作精神。但为了维持考核的公平性，无论是独立完成还是合作完成，无论是选择自主设计类课题还是项目合作类课题，所有考生均须完成现场答辩展示与课程报告两个环节，并说明个人实际贡献。同时为鼓励学生的自主创新能力，我们也允许学生选择自拟题目或为选定课题增加自主功能设计环节。为了体现考核的公平性，学生自拟的题目需事先征得授课教师的同意，以判断课题难度、课程相关性、课题综合性是否满足本课程考核的要求。基于上述教改方案，中山大学生物医学工程学院选择嵌入式系统原理与实验课程的72名学生采用自愿选择的形式确定实验课课程设计题目，并在后续的课程考核中从学生主观接受程度、实验课掌握状况，以及理论课促进状态三个角度对本次教学改革实践效果进行统计分析。

二、课程教学改革的实践效果

（一）增强主观实践兴趣，提高机械电路等动手能力

在新的教学方案中，学生可以自主选择课程设计命题。如图2(a）所示，最终有61人选择传统自主设计类课题；11人选择项目合作式课题，其中10位学生采用两人一组合作完成的方式，另1位学生选择独立完成，共形成6组项目课题，包括2组遥控寻迹智能车和3组自动样品处理仪，另外1组学生结合自身兴趣选择利用单片机开发类似“节奏大师”的音乐节拍游戏。通过问卷调研学生选择课题的原因及经过课程设计锻炼后学生的自我收获评价（如图2(b）与图2(c）所示），我们发现更多人选择自主设计课题主要是考虑到课题难度小，自主可控，利用口袋实验室开发板即可完成，并且有明确的要求和成熟的参考，无需过多的个人发挥，从而保证课题完成度。而选择项目式合作课题的动力则是被项目的创新性以及更加贴近生物医学工程学科的实际应用所吸引，同时这部分学生更愿意迎接挑战，发挥自己的主观能动性。从选择课题的比例中我们可以看出，更多的学生追求稳定，以保证课程考核完成度为前提，这说明在教学设计中为保证绝大部分同学的接受程度，不宜将课程任务难度设置过大。同时，结果也表明在主观上学生更期待接受与实际应用更加贴近的创新性课题训练。

而对比经过课程设计锻炼后学生的自我收获评价角度进行了统计（如图2(b）、图2(c））。由于两个课题选择人数差异较大，所以相关结果我们以各自组内百分比的形式呈现。所有参与课程设计的同学均认可通过课题的实践锻炼，在逻辑思维、动手能力、报告撰写、汇报表达、资料查阅、机械设计、电路设计及编程能力等方面具有提升。而在选择项目合作类课题的结果中，机械设计、电路设计、动手能力几个方面的占比明显增强，说明项目式合作项目可以明确提升学生的综合动手能力，这对将来从事医疗器械开发的生物医学工程学科学生来说是非常重要的能力锻炼。

图2 新教学方案中学生自主选择课程设计命题情况

（二）增强知识运用能力，提高专业实践综合成效

除了参与调研学生的主观反馈外，我们也希望从客观角度评价传统自主设计类课题和项目合作类课题对学生课程实践锻炼效果的影响，而分数则是最客观的评价标准。为了保证成绩评定的客观性，所有实验答辩成绩以及报告均由两名教师匿名打分后取平均分，而平时成绩则为前七次实验成绩结合课堂出勤情况按比例计算得出，课设总成绩由课设答辩和课设报告两部分按比例汇总得出。从图3的结果可以看出，对于平时实验，所有学生均以相同目标经过相同培养锻炼，所以两组成绩相差不大，这也说明随机自主选择的两组学生在日常教学经历中对实验课程的基本掌握程度相近。但从期末课程设计成绩可以看出，无论是课设答辩过程中所展示出的课题完成效果、PPT展示、软硬件讲解及现场问答环节，还是课设报告所体现的原理分析、功能展示、软硬件介绍及结果讨论，选择项目式合作类课题的组别均要明显优于传统自主设计类课题组别的平均水平。这也导致平时成绩与课程设计成绩两个组别之间的平均分差具有显著性差异。当然，对于项目式合作类课题，由于存在明显的难度优势，所以在考核展示度上占一定主观优势。但从课程设计投入时间角度看，因为项目式合作类课题具有更多设计发挥空间，需要用更多单片机资源模块，所以更能激发学生兴趣，学生自愿投入时间也更长。可见，更加综合的知识运用和项目锻炼，更有利于提高专业实践的综合成效。

（三）反哺理论知识深化，提高课程综合掌握水平

上述结果表明，项目式合作类课题的锻炼，更利于达到教学目的，提高学生嵌入式软硬件开发的综合实践能力。而对于工科教学来说，一定是“理论基础指导实践操作，实践锻炼反向增强理论深入”的过程。因此，我们对传统自主设计类课题和项目合作类课题两组学生在嵌入式系统原理与实验理论课上表现进行了统计分析，结果如图4所示。可以看出，两组学生的平时成绩（包括日常作业、课堂表现以及考勤三部分）比较接近，但在期末考试的卷面分数上，选择项目合作类课题组的平均分要高出传统自主设计类课题组大约7分。通过对卷面的深入分析，我们发现这部分提高主要表现在客观题目的准确性以及主观题目的逻辑性两个方面。这说明通过综合性项目合作类课题的课程设计练习，有助于加深学生对理论课程知识点的掌握，同时在面对主观实际问题时也更容易找准问题本质，方案更加丰富有条理。由此可见，本论文提出的项目式教学实践方案对嵌入式系统原理与实验课程无论是理论促进还是实验产出上都具有积极的推进作用，可以帮助学生提高动手能力的同时，打牢理论基础，做到活学活用。

图3 两组别实验课平均成绩统计图

图4 两组别理论课平均成绩统计图

（四）增进科学研究兴趣，初见项目式教学实践成效

2023—2024年度是实施项目式教学实践改革的第一年，因此，选择项目式合作类课题作为课程设计的学生人数还不多。从图5展示的部分项目成果可以看出，由于课程时间有限，相关学生作品成果并不算成熟。但项目式教学实践改革的作用不仅体现在课程内部，对课后学生科研实践的促进也初见成效。一方面，在课程答辩时，项目式课题会吸引更多的同学旁观交流。2023—2024年度学生教评中对课程建设的建议相比往年也更加积极，并有多名同学表示了对项目合作类课程设计的肯定，期望未来有更多与实际应用相关的项目主题：如医学信号采集与显示、手术机械臂操控、无线和蓝牙通信以及与其他高阶嵌入式系统联动调节等。这说明项目式教学实践改革引发学生更多地思考，有助于提高学生的课程参与度和学科认同度。另一方面，参与本课程学习后，有更多的同学课后主动联系指导教师，希望把课程实践成果加以丰富和深入，与目前领域科研热点相结合，申请本科生创新训练计划项目或参加全国大学生生物医学工程创新设计竞赛。这充分说明项目式教学实践有助于增进学生科研热情，使学生充分了解嵌入式系统在生物医学工程学科领域中的重要作用和独特需求，有利于探索培养创新精神。

图5 部分项目合作式课题实践成果

三、结束语

在习近平新时代中国特色社会主义思想的指导下，深化高等教育教学改革已经对本科生教学提出了新的要求，教学内容要紧贴行业领域前沿，教学方式要从灌输向引领转变。本文主要针对生物医学工程学科嵌入式系统原理与实验这一核心专业课程，自主设计实验分立式实践效果不佳，教学内容学科关联度不高的问题，提出了基于项目式实践教学改革的方案。以中山大学生物医学工程学院为例，我们引入了和生物医学行业高度相关的遥控寻迹智能车和自动样品处理仪两个原型项目式课设案例，以培养学生综合实践能力和理论创新思维。实践结果表明，相比于传统的自主设计课题，项目式合作课题更利于激发学生的自主设计热情，提高机械电路等动手能力，培养整体性创新思维。同时，通过综合性实践可以促进学生对理论知识的理解、整合和应用，进而形成正向激励作用，激发科研兴趣，提高学科认同度。同时，相关教学模式的改革，对多学科交叉体系下的其他课程实践也有参考价值，有利于培养学生解决问题能力和创新性思维，增强学生对基础知识及应用实践关联性的掌握，高效促进本科生高质量内涵式发展建设。

参考文献:

[1]张彦铎.深化创新教育改革赋能创新人才培养[J].教书育人(高教论坛),2023(15):1.

[2]周建华,周张凯,李雪萌,等.以“理-工-医”交叉融合实现源头创新———生物医学工程交叉学科研究生培养实践探索[J].化学教育(中英文),2019,40(16):75-80.

[3]刘杰,张超,罗洁.新工科背景下生物医学工程“多学科融合”人才培养体系的建设[J].高教学刊,2021,7(34):141-144.

[4]赵德春,赵志强,田银,等.医学电子专业嵌入式系统实验教改与创新人才的实践[J].高教学刊,2018(22):82-84.

[5]包璇,金力.嵌入式系统课程教学方法初探———以安徽中医药大学生物医学工程专业为例[J].电脑知识与技术,2015,11(34):112-113,115.

[6]贺中华,赵德春,王岫鑫,等.《嵌入式系统在医学仪器中的应用》的课程教学研究与探索[J].智库时代,2019(40):175,187.

[7]楼然苗,王世来.单片机实践教学改革与应用型人才培养[J].中国大学教学,2009(3):80-81.

[8]梁宜勇,王晓萍,赵文义,等.“嵌入式系统”课程教学与实践探讨[J].中国大学教学,2009(5):36-37.

[9]高焕兵,张运楚,侯振华.基于口袋实验箱的单片机课程教学改革[J].电气电子教学学报,2023,45(1):50-53.

[10]苏渤力,于瑞红,王新刚,等.项目式教学体系改革“单片机原理及应用”课程教学的研究与实践[J].科技与创新,2021(23):108-109,112.

[11]郑巧彦,范延滨.嵌入式系统本科人才培养体系的建设与实践[J].高教学刊,2020(23):156-159.

[12]李磊,邓洪波,王云,等.新工科理念下嵌入式系统实验教学的改革与探索[J].实验科学与技术,2019,17(5):81-84,98.

基金资助:国家级新工科研究与实践项目“多学科背景下的生物医学工程专业‘医工融合’人才培养模式探索与实践”(教高厅函[2018]17号); 中山大学2024年教学质量与教学改革工程类项目“嵌入式系统原理在生医工学科教学实践方式的改革与探索”(76190-12220011);

文章来源:霍新明,陈巧珍,周建华,等.生医工专业嵌入式系统项目式教学改革与实践[J].高教学刊,2024,10(25):123-128.