基于人工智能技術的單片機課程教學改革

黃贊，莫長江

（1.嶺南師范學院 機電工程學院，廣東 湛江；2.嶺南師范學院 信息工程學院，廣東 湛江）

一 引言

隨著人工智能(Artificial Intelligence，AI)逐漸興起，它已經受到各行各業的極大關注，尤其是傳統工業。人工智能時代已經悄悄來臨，而人工智能技術正在逐漸滲透各行各業，如何在新的技術已然來臨時，促使教育行業隨之變化，這就使得研究基于人工智能技術的單片機課程改革具有很大的實用價值[1]。

眾所周知，工業是國家的基礎，而通過教育來培養適應當今工業發展的模式就需要促進課程改革，培養創新型人才[2]。工業化時代生產模式的主要特征是程序化和機械化，讓傳統的課程與人工智能相結合，就需要培養大批大量的具備基礎知識且具備良好實踐能力的高度專業化、標準化人才。

由于單片機更新換代的速度很快，它在工業中的應用也很廣泛，因此大部分高校都開設了單片機課程，使得單片機教師在教學內容和課程實驗上進行深入的研究和交流，也取得了一定的成果。然而伴隨著人工智能技術的興起，將人工智能與單片機課程相結合卻處于初步探索的階段[3]。如何將其應用于單片機原理及應用及相關課程如可編程控制器原理及應用、C 語言程序設計等課程教學上，探索新的教學方法、制定實施計劃以達到預期的目標等，具有重要的理論研究意義和實際應用價值。人工智能的代表之一就是基于人工智能研究的知識模塊表述和推理機制構成的專家系統，將人工智能技術應用于傳統的單片機課程中，必將為學校的教學提供一種新的方向，推動教學方式、培養方式和實驗平臺的發展，促進學校與時俱進的教學模式。本教學改革以此為契機，將人工智能技術和傳統課程教育相結合，探索一條個性化教育的新路。

二 教學改革分析

（一） 改革內容

教學改革內容分為以下三部分。

1、研究基于人工智能技術的單片機課程教學內容和教學方法結構。

首先介紹專家系統結構，它由六部分組成:知識庫、推理機、數據庫、人機接口、解釋子系統和知識獲取子系統[4]。圖1所示為教學專家系統的基本結構。

圖1 專家系統的基本結構圖

2、開發基于人工智能技術的單片機原理及應用課程的計算機輔助教學CAI系統[5]，建立以基于人工智能技術的單片機教學平臺與課堂教學相結合的新的教學方法的探索。

3、把計算機思維理念應用到單片機課程體系中，在教學中注重培養學生的計算思維理論，設計基于計算思維能力培養的單片機教學實踐項目[6]。

（二） 改革目標

針對當前本科院校對于單片機課程的教學模式，本教學改革的目標主要有兩個：

1、以人工智能技術實現單片機課程教學的個性化，培養創新人才。

2、把計算思維理念應用到單片機課程體系中，培養學生接觸實際問題、了解該問題的相關知識、建立模型和培養求解問題的能力。

（三） 解決的關鍵問題

針對當前的教育，基于人工智能技術的單片機課程教學改革要解決以下的關鍵問題：

1、進行基于人工智能技術的單片機CAI教學平臺的軟硬件設計，實現快速更新單片機課程的教學內容的目的，實現該課程的智能化和網絡化教學，達到在單片機課程教學中提供學情分析服務、智能推薦服務和決策支持服務。

2、設計基于計算思維能力培養的單片機教學實踐項目，以直線倒立擺的數學建模，直流電機的閉環PID控制，simulink仿真及直立閉環控制器與速度閉環控制器串連的串級控制系統的單片機程序設計來培養學生的計算思維能力。

三 教學改革的探索

（一） 實施方案和實施方法

1、進行基于人工智能技術的單片機CAI教學平臺的軟硬件設計工作，采用Delphi開發系統軟件，軟件系統結構如圖1，主要包括:

(1)知識庫:存儲專家系統知識。用來存放單片機領域的老師或者專家的教學經驗、課本知識等。

(2)綜合數據庫:又命名為總體數據庫，用來存儲基于人工智能的單片機課程改革問題的假設、達到的預期目標、如何達到該目標以及結果。

(3)推理機:它是該系統的核心，因為該系統能夠根據學生的作業完成情況、平時的測驗情況和上課提問，了解到學生掌握單片機知識的多少。然后運用已經存儲的專家系統知識，制定出相應的教學策略，對存在的問題進行求解，并將推薦的學習內容輸出給學生。

(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[7]。

(5)解釋子系統:對推理給出必要的解釋，對學生提出的學習問題要及時回應，然后通過人機接口把回應的內容傳輸給學生。

(6) 人機接口:它是溝通的媒介，用于學生和教師間的溝通，通過程序和相應的硬件，把學生和教師間的交互信息轉換成雙方都能夠理解的形式，用于完成I/O工作。

我們開發的基于人工智能的單片機測試系統的登錄界面如圖2所示，賬號類型包括學生用戶、指導教師及后臺管理。系統管理員可以在后臺管理中進行學生學籍庫、指導教師庫的導入，如圖3所示，學生學籍庫、指導教師庫通過excel表格導入，還可以進行考核分數方案的設置，如圖4所示。

指導教師用戶除了可以進行個人信息和密碼管理及查看學生學籍庫外，主要的功能就是進行題庫管理，如圖5所示，教師可以在題庫管理系統中新建填空題、選擇題、判斷題、問答題、程序題等各種類型考題，并提供答案及難度等級，智能測試系統將根據學生的不同等級自動生成不同難度等級的試卷，并根據答案自動評分。另外對于不同教師新增的試題，系統還具有自動查重功能。

學生用戶界面顯示學生的姓名、學號、班級、學習等級、聯系電話等信息，如圖6所示。學生用戶的主要功能是考試管理，學生在考試管理系統中可以新建試卷并進入試卷考核，如圖7所示，在規定時間內提交試卷后，系統自動閱卷并給出考核成績。若考核成績不及格，系統將根據考試沒掌握好的知識點，推送相關的學習資料給該考生；若考核成績及格，該考生的學習等級將提高一級。當學生等級達到9級后，智能測試系統將為學生推送基于計算思維能力培養的單片機教學實踐題目。

圖2 基于人工智能的單片機測試系統的登錄界面

圖3 學生學籍庫及指導教師庫的導入

圖4 考核分數方案的設置

圖6 學生用戶主界面

2、為培養學生針對實際問題、建立模型以及最后求解問題的科學思維能力，以直流電機的閉環PID控制，直線倒立擺的數學建模、simulink仿真及直立閉環控制器與速度閉環控制器串連的串級控制系統設計的單片機教學實踐項目來提高學生的計算思維[8]。

首先針對圖8的帶編碼器直流電機進行位置PID控制，控制電機轉90度，需要嚴格控制超調量和靜差，但對響應速度無要求。

圖5 指導教師用戶的題庫管理

圖7 學生的試卷考核界面

圖8 帶編碼器直流電機控制系統實物圖

由位置式離散PID公式：

其中e(k)為本次偏差，PWM 代表輸出。根據位置式離散PID公式，可以用C語言代碼實現。如何設置閉環PID控制的P、I、D的參數，可以觀察響應曲線的變化來整定PID參數。在學生掌握對直流電機進行位置PID控制后，進一步進行如圖9的直線倒立擺控制實踐項目，對直線倒立擺的數學建模、simulink 仿真及直立閉環控制器與速度閉環控制器串連的串級控制系統設計。

圖9 直線倒立擺控制系統實物圖

先對分析倒立擺系統的力學，如圖10所示，建立倒立擺上面的滑塊在水平運動和擺桿在垂直方向上的動力學方程，并進行拉普拉斯變換和線性化，得到系統的傳遞函數，然后使用simulink構建仿真系統框圖，如圖11所示。在此前提下，學生進行控制系統程序開發，經過這些實踐項目的訓練，學生的計算思維能力將得到較大的提升，可以在此平臺上進一步開展自整定PID、 模糊PID、神經網絡等控制算法的研究。

圖10 直線倒立擺的力學分析

圖11 直線倒立擺的控制系統的simulink框圖

（二） 教學改革實施效果

基于人工智能技術的單片機課程教學改革的實施，達到的教學效果如下：

（1）單片機課程的作業批改和相應的數據，是利用CAI教學平臺來完成的。并且該平臺還自動生成班級和個人對每一節課的學情分析報告。

（2）根據得到的學情分析報告，教師對低分和高分學生的薄弱點進行重點講解，力求保證學生知識的掌握程度。

（3）學生根據老師的講解，并再次結合課本的知識，對錯誤的題目進行在線修改。

（4）學生修改后，平臺再次得出學情分析報告，并且分別向教師和學生提供一份詳細的報告，雙方都能得到實時的反饋，教師也可根據該報告進行教學內容的調整，學生也可根據該報告進行學習方法的調整。

（5）教師通過得到的報告，實現個性化教學。同樣的，通過CAI教學平臺，學生也獲得了個性化的學習指導。學生們可以進行小組討論，也可以進行個性化的習題練習，更好地調動了學習的積極性。

（6）單片機課程體系中引入了計算思維理念，通過直流電機的閉環PID控制，直線倒立擺的直立閉環控制器與速度閉環控制器串連的串級控制系統的單片機程序設計，培養學生針對實際問題的描述、建立模型以及最后求解問題的科學思維能力。

四 結束語

人工智能技術在教育領域的應用，為傳統的學校教育注入了新的活力，推動了教學、學習與管理模式的變革。我們將人工智能技術應用于單片機課程教學，開發出基于人工智能技術的單片機CAI教學平臺，實現學習活動的個性化，培養創新人才。通過教學改革方案的實施，學生的主動性和創新意識得到激發，培養了學生針對實際問題的描述、建立模型和解決問題的能力，實踐表明教學改革已經取得了初步成效。