層次分析法在單片機教學(xué)中的應(yīng)用研究

王玉敏　何明芳　周國雄

【摘要】針對當(dāng)前單片機課程中分階段教學(xué)中存在的課時如何合理分配的問題，文章提出了一種基于層次分析法的單片機教學(xué)課時分配方法。實踐證明，實施層次分析教學(xué)法，可以提高學(xué)生在單片機課程學(xué)習(xí)中的效率，讓他們能更合理地分配學(xué)習(xí)時間，得到良好的學(xué)習(xí)效果，從而進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提升自主學(xué)能力。

【關(guān)鍵詞】單片機;層次分析法;主動性

【基金項目】中南林業(yè)科技大學(xué)自動化專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培訓(xùn)教學(xué)團隊（71302）;中南林業(yè)科技大學(xué)教學(xué)改革研究項目（12180353）。

一、引言

單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上[1]。單片機誕生于20世紀(jì)70年代末，作為微型計算機的一個重要分支，單片機應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。目前單片機已滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制等等，這些都離不開單片機，更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用不僅有利于學(xué)生就業(yè)，而且能為國家科技的發(fā)展做出重要的貢獻。

美國Intel公司于1980年推出的完善的、典型的單片機系列MCS-51，奠定了典型的通用總線型單片機體系結(jié)構(gòu)。所以目前各大高等院校使用的單片機實驗使用的主要是在MCS-51系列的基礎(chǔ)上改進的芯片[2]。單片機課程是本校自動化專業(yè)、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修課。許多高等院校單片機教學(xué)仍是以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)結(jié)合實驗室操作的模式進行的，由于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)僅僅使用PPT操作，課堂枯燥乏味，缺乏新穎性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，課堂互動較差。隨著分階段教學(xué)方法的采用，學(xué)生的積極性和主動性得到調(diào)動，創(chuàng)新思維和能力有顯著提升。但是在分階段教學(xué)中，如何合理分配各階段的教學(xué)時間，實現(xiàn)教學(xué)方式最優(yōu)的組合，是一個值得研究的問題。

因此，本文針對單片機課程分階段教學(xué)的方法，探索出一種合理分配時間的方法——層次分析法。該方法可以提高學(xué)生在單片機課程學(xué)習(xí)中的效率，讓他們能更合理地分配學(xué)習(xí)時間，得到良好的學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)教學(xué)方式的優(yōu)化。

二、層次分析法

層次分析法是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析的方法。對系統(tǒng)間在復(fù)雜環(huán)境下的相互關(guān)系以及其他影響因素進行分析，使結(jié)構(gòu)層次轉(zhuǎn)化后更加簡單有序，并將這些因素劃分成不同的層次，構(gòu)建一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。最終把系統(tǒng)分析歸結(jié)為最底層（供決策的方案，措施等）相對于最高層（總目標(biāo)）的相對優(yōu)劣次序的排定問題[3-5]。單片機分階段學(xué)習(xí)的教學(xué)時間會受到很多相關(guān)因素的制約。因此，使用層次分析法來分配教學(xué)時間是最好的方式。

（一）建模

單片機課程的教學(xué)時間分配是一項嚴(yán)謹、完善、復(fù)雜的工作，和許多因素有關(guān)，有眾多分配指標(biāo)可以選擇。在這些分配指標(biāo)中，有一部分內(nèi)容是相互重復(fù)的。當(dāng)其中某兩個分配指標(biāo)有重復(fù)內(nèi)容出現(xiàn)時，會影響到最終的分配結(jié)果，甚至可能出現(xiàn)重大偏差，使結(jié)果不合實際，導(dǎo)致整個分配教學(xué)時間的工作失去意義[6]。因此，構(gòu)造層次分析法時應(yīng)該遵循相應(yīng)的原則，選擇合適的分配指標(biāo)，才能確保最終分配結(jié)果的公正性。

以“三階段”教學(xué)法為例，依據(jù)系統(tǒng)性、科學(xué)性、可比性、可測取性（或可觀測性）與相互獨立性五個原則，第一步，構(gòu)造“三階段”教學(xué)法的層次模型。該層次模型有目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層三層架構(gòu)。本文將“精通單片機”作為目標(biāo)層，也就是我們最終要求學(xué)生對單片機的掌握程度要達到精通級別。而在準(zhǔn)則層，我們尋找學(xué)生對單片機的掌握程度是否精通的判定條件。在結(jié)合了課程大綱的要求之后，本文提煉出五個判定條件“單片機結(jié)構(gòu)和原理”“匯編語言”“單片機中斷機制”“單片機定時和計數(shù)器”“單片機的串口通信”。也就是說，只有學(xué)生全部了解這五點后，才可以認為該學(xué)生對單片機達到了精通級別。既然提出了目標(biāo)和判定方法，就要制訂方案來完成目標(biāo)，也就是方案層。在方案層，本文有三個階段的循序漸進的學(xué)習(xí)過程，接下來的工作是對這三個階段進行定量分析，尋找最佳的課時分配，最終單片機學(xué)習(xí)的層次模型如圖1所示[7-8]。

（二）構(gòu)造成對比較矩陣

第二步，需要比較該層的每一個因素對上一層的某個因素的影響程度，計算在該層中某一準(zhǔn)則所占的比例。

假設(shè)上一層有個因素，該層有個因素，那么對于該層需要構(gòu)建個的成對比較矩陣。用表示第個因素與第個因素進行比較后的結(jié)果，比較時按照薩迪1～9標(biāo)度歸納法得出。

而? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

（2）

稱為成對比較矩陣。所以，根據(jù)層次模型，我們可以得到：

，，，

（三）計算層次單排序的權(quán)向量和一致性檢驗

第三步，層次單排序是計算本層中與上層因素有關(guān)系的重要性，得出權(quán)值。對于一致性的檢驗，我們需要知道如果成對比較矩陣是一致陣，則我們會選擇最大特征根的特征向量歸一化處理。假若成對比較矩陣并非一致陣，我們用最大特征根對應(yīng)的特征向量進行歸一化處理，然后作為權(quán)向量。比大得越多，的不一致性就越嚴(yán)重，引起的判斷誤差也越大。因此可以先計算得出的值，進而用該結(jié)果對的不一致程度進行預(yù)估。

一致性指標(biāo)的計算公式：? ? ? （3）

由的對角線元素求和得出，即的特征值之和。

隨機構(gòu)造500個成對比較矩陣

則可得一致性指標(biāo)

隨機一致性指標(biāo)? ? （4）

一般，若一致性比率值時，斷定此時的不一致性不會影響最終結(jié)果，將特征向量進行歸一化處理后作為權(quán)向量，否則需要構(gòu)造新的成對比較矩陣對進行調(diào)整[6]。

一致性檢驗是指對由不同樣本計算的各平均值或方差進行檢驗的過程。

在本文的具體問題中，成對比較矩陣的最大特征值，該特征值對應(yīng)的特征向量歸一化處理后為。

則，

故

表明通過了一致性驗證。

對成對比較矩陣可以求層次總排序的權(quán)向量，并對其一致性進行檢驗，結(jié)果如表1所示。

計算可知一致性檢驗完成。

（四）計算層次總排序權(quán)值和一致性檢驗

第四步，我們要確定某層所有因素對于總目標(biāo)相對重要性的排序權(quán)值，這個過程叫作層次總排序，從上到下逐層排序，如圖2所示。

設(shè)層m個因素

其對總目標(biāo)的排序為

層個因素對上層中因素為的層次單排序為

層的層次總排序為：

層第個因素對總目標(biāo)的權(quán)值為，

層層次總排序結(jié)果如表2所示。

對層次總排序的一致性進行檢驗：

設(shè)層對上層（層）中因素的層次單排序一致性為，隨機一致性指為，所以得出層次總排序的一致性比重為：

（5）

當(dāng)時，認為層次總排序符合一致性檢驗的規(guī)定范圍。最后，依照最下層的層次總排序做出最后判定。

對總目標(biāo)的權(quán)值為：

0.595×0.263+0.082×0.475+0.429×0.055+0.633×0.099+0.166×0.110=0.3

同理得對總目標(biāo)的權(quán)值分別為0.246與0.456，決策層對其權(quán)向量為。

又

故，層次總排序順利完成一致性檢驗。

可作為最后的決策依據(jù)。

即各方案的權(quán)重排序為。

所以，對于單片機課程“三階段”教學(xué)方法課時的分配，根據(jù)層次分析法可以得出最佳方案：第一階段占30%，第二階段占25%，第三階段占45%。

（五）教學(xué)體系總結(jié)

單片機課程的總教學(xué)時間是有限制的，對于單片機的分階段教學(xué)，本文提出一種層次分析方法，通過該方法，能實現(xiàn)各階段時間的優(yōu)化配置，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，使他們能合理分配時間，從而得到良好的學(xué)習(xí)效果。

三、單片機層次分析法在實際教學(xué)中的效果

層次分析教學(xué)法在我院17級兩個專業(yè)的學(xué)生中進行了一學(xué)期的教學(xué)實踐，得到了學(xué)生的喜愛。經(jīng)過層次分析教學(xué)法的實踐后，少部分學(xué)生可以進行比較復(fù)雜的實驗設(shè)計，大部分學(xué)生能根據(jù)教師提供的實驗指導(dǎo)書和實驗室的實驗設(shè)備對單片機實驗項目進行基本的接線和調(diào)試，學(xué)生基本都能掌握單片機的原理性知識，使積極性和主動性得到調(diào)動。經(jīng)過實踐，在使用了分層次分析教學(xué)法之后，單片機課程教學(xué)發(fā)生了如下改變。

第一，能更合理分配教學(xué)時間。由于總體教學(xué)時間是固定的，在有限的時間內(nèi)合理分配時間，使學(xué)生更能抓住關(guān)鍵的知識點和學(xué)習(xí)要素，從而提高學(xué)習(xí)效率。

第二，提高了學(xué)生的實踐動手能力。利用層次分析方法，能合理分配實踐教學(xué)的時間，從而使學(xué)生的實踐動手能力得到較大的提升。

第三，增強了學(xué)生的積極性和主動性。由于合理分配時間，學(xué)生對單片機有了較深刻的了解，能夠把握住關(guān)鍵信息，提升對單片機的興趣，從而調(diào)動在單片機學(xué)習(xí)中的積極性和主動性。

四、結(jié)束語

經(jīng)過兩年的單片機層次分析法實踐后，學(xué)生在單片機學(xué)習(xí)的效率上有明顯提升，學(xué)習(xí)興趣增強，學(xué)習(xí)的主動性和積極性有較大的提升。層次分析教學(xué)法能滿足需要具備較強的實踐能力的單片機課程的要求，能使學(xué)生的實踐動手能力得到顯著提高，創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力得到提升，使得學(xué)生更好地融入社會，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

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