許紅玉, 周穎, 任杰,王遠(yuǎn)軍上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)所培養(yǎng)的學(xué)生，要能在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)領(lǐng)域從事相關(guān)的設(shè)備研發(fā)、 管理經(jīng)營(yíng)以及技術(shù)服務(wù)方面的理、 工、 醫(yī)相結(jié)合的高級(jí)工程技術(shù)人才。他們將來(lái)要在醫(yī)院、 企業(yè)等單位工作，要研發(fā)和操作大型CT機(jī)、 磁共振設(shè)備、 X線機(jī)等多種現(xiàn)代化設(shè)備，這些設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)基本與PC機(jī)相連，其醫(yī)學(xué)圖像需要經(jīng)過(guò)圖像處理編程算法進(jìn)行分割、 增強(qiáng)或融合，幫助醫(yī)生診斷和治療。其中一些電路板也采用微型計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工作時(shí)需要定期維修與設(shè)計(jì)，所以醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)的學(xué)生應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)《微機(jī)原理及應(yīng)用》這門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程，掌握微型計(jì)算機(jī)原理的硬件連線與編程思想。而且，在所有專業(yè)課當(dāng)中，這門(mén)課是學(xué)生接觸最早的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)核心知識(shí)和核心能力的重要陣地[1]。

圖1 微機(jī)原理在課程體系中的位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the position of the microcomputer principle in the course system

本課程教學(xué)目前采用的還是傳統(tǒng)的通用微機(jī)教學(xué)，圍繞微型計(jì)算機(jī)原理和應(yīng)用主題，以Intel x86 CPU為主線，系統(tǒng)介紹微型計(jì)算機(jī)的基本知識(shí)和基本組成[2]。目前本專業(yè)大部分學(xué)生感覺(jué)，一方面理論課程不僅知識(shí)點(diǎn)繁多，而且學(xué)起來(lái)比較枯燥乏味； 另一方面由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展迅速，市面上出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)無(wú)論從軟硬件配備，還是外型設(shè)計(jì)，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了書(shū)本上的描述，這導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容陳舊，從而對(duì)教學(xué)講授失去興趣，使理論授課困難； 另外，該課程內(nèi)容繁雜、 知識(shí)點(diǎn)零散，理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)，初學(xué)者普遍感到內(nèi)容抽象、 難以理解。因此，如何提高該課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣 ，培養(yǎng)學(xué)生們分析解決問(wèn)題的能力，是教學(xué)過(guò)程中必須充分重視的問(wèn)題[3]。基于以上原因，本文討論在教學(xué)中的幾點(diǎn)體會(huì)。

1 注重理論基礎(chǔ)教學(xué)引導(dǎo)

一門(mén)課程要引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并不容易， 尤其是理工科的課程， 其中充滿各種枯燥的公式、 編程和硬件電路分析等內(nèi)容； 在教程編寫(xiě)上也不像文科一樣做過(guò)多修飾， 它的每一句話都具有科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。但是， 如果學(xué)生帶著目的性和好奇心去學(xué)習(xí)， 那么它就不會(huì)那么難懂了。所以， 在第一次課時(shí)， 有必要通過(guò)對(duì)實(shí)際情況的分析和這門(mén)課在整個(gè)專業(yè)的位置等做詳細(xì)講解。

1.1 強(qiáng)調(diào)課程在專業(yè)課程體系中的位置和重要性

在學(xué)習(xí)這門(mén)課程之前，學(xué)生已經(jīng)選修了C語(yǔ)言編程課程，但學(xué)生反映很難理解和掌握，究其原因，是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、 工作原理和編程方式不了解。而且，醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的后續(xù)課程包含硬件醫(yī)學(xué)圖像處理、 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、 磁共振成像設(shè)備等內(nèi)容，從技術(shù)的角度來(lái)看，是硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法編程，而學(xué)生前期所學(xué)習(xí)的C語(yǔ)言和電子電路等內(nèi)容，不能完全滿足專業(yè)需要。所以應(yīng)從本專業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)的編程和電路板設(shè)計(jì)的應(yīng)用舉例開(kāi)始,指出這門(mén)課是本專業(yè)的基礎(chǔ)，學(xué)好這門(mén)課，不僅能夠幫助學(xué)生解決軟件編程和硬件設(shè)計(jì)的一些基礎(chǔ)問(wèn)題，而且也為后續(xù)課程奠定了基礎(chǔ)。

1.2 強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵部分應(yīng)是編程思想和理念

教材主要講授8086系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 編程以及擴(kuò)展芯片等內(nèi)容，有必要告訴學(xué)生，在硬件方面的數(shù)字芯片模塊化設(shè)計(jì)理念和編程的一些常用算法和編程基本方法，仍然是相關(guān)研發(fā)人員沿用至今的，掌握了這些基礎(chǔ)的理念和思想，將來(lái)學(xué)生學(xué)習(xí)任何相關(guān)軟硬件技術(shù)都很容易掌握和理解。

1.3 強(qiáng)調(diào)要關(guān)注計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

本課程強(qiáng)調(diào)的是微型計(jì)算機(jī)的計(jì)算技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用與研究，而不僅僅局限在個(gè)人電腦上。計(jì)算技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的應(yīng)用尤其突出，以醫(yī)院X線機(jī)的影像拍攝為例，為了避免醫(yī)院工作人員受到更多劑量的射線照射，目前已經(jīng)采用了計(jì)算機(jī)在拍片室外面進(jìn)行控制，而且圖像的后期處理和輔助計(jì)算機(jī)診斷也成為重點(diǎn)技術(shù)，這應(yīng)當(dāng)引起學(xué)生足夠的重視。

2 加強(qiáng)編程實(shí)踐積累

醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的學(xué)生后期要學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)圖像處理課程， 它要求學(xué)生能夠熟練使用MATLAB語(yǔ)言、 Visual C等高級(jí)編程語(yǔ)言， 所以對(duì)學(xué)生的編程能力要求很高。而C語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言， 具有程序可讀性好、 開(kāi)發(fā)效率高、 移植容易等優(yōu)點(diǎn)， 又具備匯編語(yǔ)言的部分功能[4]。因此在講授到編程部分時(shí)， 要拿一些編程語(yǔ)句和方法與C語(yǔ)言進(jìn)行比較學(xué)習(xí)， 幫他們進(jìn)一步理解匯編語(yǔ)言的編程， 掌握匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言的編程區(qū)別， 提高學(xué)習(xí)的效率。

例如， 在講到算術(shù)運(yùn)算指令時(shí)， 將INC指令和DEC指令與C語(yǔ)言中的加1指令相比較； 在講到查表指令時(shí)， 將它的編程過(guò)程與C語(yǔ)言中的查表編程相比較； 在講到循環(huán)控制指令時(shí)， 著重講授循環(huán)控制程序的方法和思想， 其中排序法和邏輯尺可以專門(mén)拿出多種情況來(lái)講解， 并通過(guò)C語(yǔ)言的編程舉例說(shuō)明， 加深學(xué)生對(duì)程序段的理解， 最后可以引用本專業(yè)圖像處理中常用的二維圖像像素掃描和灰度提取算法、 圖像灰度直方圖等的編程。

再如， 在講到標(biāo)志寄存器PSW 時(shí)， 教材并沒(méi)有對(duì)奇偶校驗(yàn)位PF展開(kāi)說(shuō)明。因此， 在講課時(shí)， 指出奇偶校驗(yàn)?zāi)軌驒z測(cè)出在信息傳輸過(guò)程中的部分誤碼， 類型分為奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)， 其做法是在所傳輸?shù)拿恳蛔止?jié)(8位)之外又增加了一位作為錯(cuò)誤檢測(cè)位。在某字節(jié)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之后， 在其8個(gè)位上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是固定的， 假設(shè)為1、1、1、0、0、1、0、1， 把每個(gè)位相加， 結(jié)果是奇數(shù)。對(duì)于偶校驗(yàn)， 校驗(yàn)位就定義為1， 對(duì)于奇校驗(yàn)， 就定義為0， 這樣， 當(dāng)CPU讀取所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)時(shí)， 它會(huì)再次把每位數(shù)據(jù)相加， 計(jì)算結(jié)果看是偶數(shù)還是奇數(shù)， 從而能檢測(cè)出傳輸錯(cuò)誤， 并列舉相關(guān)編程片段說(shuō)明。通過(guò)這樣的講解， 學(xué)生對(duì)PF有更深的理解， 也明白PF的用途， 并對(duì)數(shù)據(jù)傳輸檢錯(cuò)糾錯(cuò)編程有了一定了解， 最后再要求學(xué)生去查詢工程設(shè)計(jì)技術(shù)常用的循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)方法。

另外， 在講到程序設(shè)計(jì)方法中， 除了講授教材中所列的編程結(jié)構(gòu)， 包括順序結(jié)構(gòu)、 分支結(jié)構(gòu)、 循環(huán)結(jié)構(gòu)和子程序結(jié)構(gòu)外[5]， 還專門(mén)就編程算法展開(kāi)講授， 結(jié)合本專業(yè)MATLAB課程和C語(yǔ)言編程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)， 補(bǔ)充講授了常用的插值算法、 數(shù)字信號(hào)濾波算法以及一些簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理算法的編程思路， 再引申到數(shù)據(jù)的擬合、 函數(shù)的極值計(jì)算和數(shù)據(jù)的均值、 平均差、 標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用描述。為學(xué)生學(xué)習(xí)后期的專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的編程基礎(chǔ)。

3 重視結(jié)合硬件技術(shù)

在學(xué)習(xí)本課程前， 學(xué)生已經(jīng)修讀完或者正在修讀模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程， 但是學(xué)生對(duì)獨(dú)立芯片的學(xué)習(xí)和應(yīng)用還停留在實(shí)驗(yàn)室階段， 而醫(yī)學(xué)影像專業(yè)學(xué)生后期要學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、 核磁共振成像設(shè)備以及放射測(cè)量與防護(hù)等專業(yè)課程， 這些課程中所講解的設(shè)備大多都是電子設(shè)備， 著重講述電子線路原理圖以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和設(shè)計(jì)等， 這也要求學(xué)生對(duì)集成電路的設(shè)計(jì)要比較熟悉。

因此， 在講到后面的芯片擴(kuò)展時(shí)， 要首先講解一個(gè)芯片的外部特點(diǎn)， 從簡(jiǎn)單的74LS138譯碼器開(kāi)始， 著重講述所有數(shù)字芯片外圍管腳的類型特征、 使用方法、 以及如何與其他芯片連接， 如何進(jìn)行工作等， 指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)自己理解和應(yīng)用新的芯片的使用說(shuō)明。然后對(duì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展、 輸入輸出擴(kuò)展、 以及定時(shí)計(jì)數(shù)器的使用等展開(kāi)講解， 并舉出相應(yīng)的電路原理圖進(jìn)行原理分析和工作編程， 讓學(xué)生深入了解可編程芯片如何連接電路以及如何對(duì)其進(jìn)行編程， 并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室操作和學(xué)習(xí)掌握相關(guān)技能。這一部分可以在實(shí)驗(yàn)室里讓學(xué)生一邊實(shí)踐操作， 一邊進(jìn)行理論學(xué)習(xí)， 這樣可以達(dá)到事半功倍的效果。

4 仿真平臺(tái)建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)方面起著理論教學(xué)不可替代的作用， 是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、 應(yīng)用能力和科學(xué)作風(fēng)的重要環(huán)節(jié)[6]?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室操作系統(tǒng)大多已是Win7以上的版本， CPU以64位為主流， 所以我們采用基于8086CPU的EMU8086交互式集成仿真軟件， 與具有獨(dú)特的8086模塊的協(xié)同仿真功能VSM的Proteus ISIS相結(jié)合， 來(lái)滿足教學(xué)和學(xué)生自學(xué)的雙重需求[7]。

結(jié)合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)課程中的主要內(nèi)容， 實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像的灰度變化算法、 灰度直方圖算法、 數(shù)組的平移、 均值和中值算法、 閾值化去噪算法濾波算法等與專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)編程， 以及設(shè)計(jì)了射線測(cè)量系統(tǒng)、 磁共振信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、 X線機(jī)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)等多個(gè)具有醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)特色的硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。圖2為射線測(cè)量系統(tǒng)， 為了避免輻射， 射線探測(cè)探頭的信號(hào)用已經(jīng)實(shí)測(cè)到的數(shù)字信號(hào)替代。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上， 《微機(jī)原理及應(yīng)用》課程涉及面廣， 知識(shí)點(diǎn)比較繁雜， 學(xué)生不僅要掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 而且還要會(huì)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和連線， 最后還要對(duì)其進(jìn)行編程測(cè)試， 所以學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。因此針對(duì)本專業(yè)特點(diǎn)和需要， 在理論講授中著重講述軟件的編程經(jīng)驗(yàn)和電子線路原理圖的設(shè)計(jì)與連接。在教學(xué)手段上， 不但借助多媒體技術(shù)提升課堂教學(xué)效果， 將書(shū)上的一些內(nèi)容做成動(dòng)畫(huà)或者其他生動(dòng)形象的形式， 以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 增加學(xué)生的注意力， 而且充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)輔助教學(xué)， 建立了教學(xué)網(wǎng)站， 在線進(jìn)行問(wèn)題解惑和試題解答等， 有效調(diào)動(dòng)本專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性， 達(dá)到了很好的講授效果。

圖2 射線測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Radial measuring system

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