基于人工智能技術的《單片機原理及應用》課程CAI軟件研制

孫玉梅 趙駿 王美春 孫巧妍 陳祥光

摘要：為了提高《單片機原理及應用》課程的教學效果和激發學生自主學習的積極性，開展對《單片機原理及應用》課程教學方法的改進研究。選擇MS Visual Studio 2012作為開發環境，運用人工智能技術和信息管理系統技術，設計了《單片機原理及應用》課程自主學習的總體方案，研制了《單片機原理及應用》課程計算機輔助教學（CAI）軟件，并通過舉例說明該自主學習方法的快速性和有效性。

關鍵詞：人工智能；單片機原理及應用；CAI軟件；自主學習

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）45-0268-03

一、引言

《單片機原理及應用》是自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器、等專業的核心課程。隨著電子技術的飛速發展，單片機系列、型號、功能等也不斷地更新換代，涌現出了許多《單片機原理及應用》方面的優秀教材和著作[1-3]，由于單片機的快速發展和廣泛應用，促使許多教師在教學內容、方法及實驗方面進行了大量的探討和研究，如“微課程教學”、“MOOC教學”等應用已取得了較好的教學效果[4-8]。然而，人工智能技術應用于教育領域目前仍處于初始研究和探索階段，其應用前景廣闊，具有重要的理論研究意義和實際應用價值。

基于“人工智能”中的“專家系統技術”，研究設計《單片機原理及應用》課程新型教學平臺的總體構架，研究課程知識的表述模型和知識獲取的推理算法，建立知識表述規則集和構建專家系統知識庫，以實現：

（1）學生可以自主學習，基于知識樹規則方便地獲取該課程的全部知識點，學生隨時提出的問題，均可及時獲取答案；學生可及時獲取單片機發展的新知識以及新的應用領域成果；

（2）教師高效處理、分析和制作課程知識點信息，并將其進行規則表述，同時可對知識庫進行不斷的更新；隨時可對課程的知識點進行增添、刪除和修改，基于互聯網技術獲取新型單片機原理及相應的應用知識，不斷更換新課程的教學內容；

（3）基于互聯網技術實現教師與學生之間的互動教學和學生與學生之間的協同學習；基于教堂教學、電子課件、動畫、視頻等多媒體手段，以創造大規模、大數據、跨時空的學習模式。

目前，在教育領域，基于人工智能研究的知識模塊化表述和推理機制構成的專家系統是人工智能的代表之一，基于人工智能-專家系統在高密度、大規模的知識數據庫上模擬人類的信息處理和決策過程，因此智能化的專家系統具備了教育功能、自學習功能、咨詢功能及自適應功能等，將其應用于教育領域潛力巨大、用途廣泛、快速高效。

本文研究了《單片機原理及應用》CAI軟件的研制方法，采用MS Visual Studio 2012作為開發環境，結合人工智能技術，實現了智能搜索算法，達到了自主學習與自動答疑的目的。

二、《單片機原理及應用》CAI系統設計

為了提高本科生的教學質量，基于人工智能-專家系統技術研究《單片機原理及應用》課程的教學內容和教學方法改革措施，并可將其研究成果推廣應用于自動化類專業相關課程建設；培養學生掌握本課程的基本原理和應用知識，引導其自主學習以提高分析問題能力、解決問題的能力及創新能力，實現學生與老師之間的互動，實現教學內容的不斷更新和教學方法的不斷完善。

（一）《單片機原理及應用》課程總體設計

分析目前本課程的教學內容和方法的局限性，提出《單片機原理及應用》課程教學內容和教學方法改革的總體方案。目前，普通高校《單片機原理及應用》課程所用教材的目錄大致如圖1中的實線部分所示。虛線表示可即時修改其中的相關內容。

（二）課程知識本體的表達模型

知識的表示對專家系統來說至關重要。知識本體的表述包括事物、個體和對象等，研究其規則、過程和函數，構成應用程序所表述的知識內容，可以作用于表述各種對象類，具有普遍性和通用性。其表達方式如圖2所示。

（三）基于人工智能技術的課程教學內容和教學方法結構設計

專家系統結構一般有六部分：知識庫（Knowledge Base）、數據庫（Data Base）、推理機（Inference Engine）、解釋子系統（Explanatory System）、人機接口（Man-machine Interface）和知識獲取子系統（Knowledge Acquisition）。教學專家系統的基本結構如圖3中的實線部分所示。

①知識厙：用于存儲專家系統知識。主要用于收集和存儲某領域教師、專家的經驗，知識及書本知識、基本常識等。包括事物的表達方式，可行操作、事實和規則等；

②綜合數據庫：綜合數據庫又稱總體數據庫或全局數據庫，主要用于存放有關問題求解的假設、初始數據、目標、求解狀態、中間結果以及最終結果；

③推理機：推理機是專家系統的核心部分，用于模擬專家的思維過程、控制、協調整個專家系統的工作，它根據用戶所提供的初始數據和問題求解要求，運用知識庫中的事實和規則，按照一定的推理方法和控制策略對問題進行推理求解，并將產生的結果輸出給學生；

④知識獲取子系統：在構建和維護知識庫時作為專家系統和教師、領域專家、工程師等的接口；

⑤解釋子系統：解釋機構由一組計算機程序組成，它對推理給出必要的解釋，并根據學生問題的要求做出相應的回應，最后把結果通過人機接口輸出給學生；

⑥人機接口：學生、專家系統和教師、領域專家、工程師之間溝通的媒介，它把相互之間的交互信息轉換成彼此都能夠理解的形式，由一組程序及相應的硬件組成，用于完成I/O工作。

三、CAI軟件實現過程舉例

《單片機原理及應用》課程CAI系統主界面如圖4所示。點擊“進入系統”之后，將出現“課程內容學習”和“知識點概述游覽”兩部分。

（1）“課程內容學習”部分包括“教材知識學習”、“課堂PPT內容講解”以及“實驗教學內容”等，例如目前常用的單片機的類型如圖5所示。本課程的主要設計和創新實驗如圖6所示。

（2）“知識點概述游覽”部分包括：

①知識點獲取方式：即通過引導操作可得到關聯性強的知識點解釋、關聯性中等的知識點解釋以及關聯性弱的知識點解釋；

②問題解答方式：學生可根據自己的學習情況查詢問題的基本答案（即對問題的解釋），若基于專家知識庫無法解釋所提的問題，則可將該問題提交給任課教師，任課教師會盡快對該問題給出解答；

③專家庫知識更新方式：隨著單片機類型、結構、接口技術以及開發方式等的不斷發展，本課程的知識結構和內容的更新也要求同步進行。因此，專家知識庫信息的更新工作可由任課教師來完成，但是更新信息可來源于文獻資料查閱、企業行業應用領域調研以及實踐實驗教學過程總結等。

課程教材與上課PPT和實驗內容具有相關性，在實際教學中也要求其具有一致性，如圖1中虛線部分表示可即時修改相關的內容。

四、結論

本文將人工智能-專家系統技術應用于《單片機原理及應用》課程的教學內容和教學方法的改革方案，構建新型教學平臺。采用《單片機原理及應用》課程知識的綜合表達方式，并研究課程知識的推理機制。基于文獻資料查閱、企業行業應用領域調研以及實踐實驗教學過程總結，實現《單片機原理及應用》課程教學內容快速更新，實現該課程的智能化和網絡化教學。

在教學過程中，實現學生與老師之間的互動，實現學生和老師之間知識的共享，達到學生能夠自主學習和老師能夠及時了解學生學習情況修改補充教學內容的目的。針對“知識庫”、“綜合數據庫”以及“推理機制”實現在線綜合更新方法。《單片機原理及應用》是自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器、等專業的核心課程，目前，將人工智能-專家系統技術應用于高等學校該課程的教學，對于提高教學質量，激發學生的學習積極性和增強學生自主學習的能力具有重要的理論研究意義和很好實際應用價值。

參考文獻：

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