智能硬件在職教師資C語言教學中的應用

唐智勇

關鍵詞：職教師資;C語言;智能硬件

1引言

中職教育是現代職業教育體系的重要基礎，也是培養高層次技術技能人才的重要儲備。中職院校教師缺編嚴重，“雙師型”教師嚴重缺乏[1]。因此，在職業技術師范教育中，為中職院校培養的師資（以下簡稱“職教師資”），不僅是關注學生的理論素養的提升，并且更要注重實際技能、解決問題能力和批判性思維能力的培養。

C編程語言（C programming language，以下簡稱C語言）功能強大、用途廣泛，特別是在物聯網及新一代移動通信領域成為廣泛使用的開發語言。因此，在電子信息類專業職教師資培養中的，“C語言程序設計”是一門十分基礎而重要的基礎必修課程。但是，在傳統的教學與實驗條件下，理論、實驗與實際應用脫節，只注重數學算法設計的教學，忽略了C語言在底層硬件和系統開發中的實際應用，不適應后疫情時代（Post-Epidemic Era）的混合式教學模式，所培養的學生難以構建實際技能，培養解決問題的能力和批判性思維，難以滿足“雙師型”教師的實際需要。

根據國務院2017年印發的《新一代人工智能發展規劃》[2]，利用智能技術加速推動人才培養模式、教學方法的改革具有重要的意義。本文聚焦于電子信息類專業的職教師資C語言教學中存在的問題：引入智能硬件，探討將其應用在教學改革中的實踐過程。

2存在的問題

2.1C語言的發展與變化

C語言自誕生至今已經50年了，盡管歷史悠久，但在很多的“流行編程語言”調查中，C語言仍然是最常用的編程語言之一。例如，在TIBOBE指數中，C語言常年高居排行榜前兩位，更是在2008年、2017年和2019年獲得TIBOBE年度語言（Language of the Year）的桂冠。

隨著工作站的發展、個人計算機的出現和暴發，C語言逐漸成為程序設計的標準語言之一。從C語言發展的歷史可以看到，C語言一開始就是為替代直接使用計算機指令進行程序設計的計算機語言，是為直接控制硬件而開發的。因此，它結合了低級語言速度快的特點以及高級語言開發方便的特點：擅長用來編寫操作系統、驅動程序和開發嵌入式系統。因此，C語言具備的執行速度快、可以直接訪問內存、模塊化設計易于擴展、占用內存少的特點，在物聯網和新一代移動通信領域的開發中仍然是最廣泛使用的開發語言，大多數物聯網設備都使用C語言進行開發。Eclipse基金會發布的《2021

IoT&Edge

DeveloperSurvey Report》指出，C語言以25%的市場份額高居內存與資源受限設備開發語言排行榜榜首。

2.2職教師資C語言教學中的困境

2.2.1教學與實際應用脫節

由于C語言的歷史悠久，所以C語言在我國各型各類院校都有很長的教學歷史，職教師資培養的相關專業也是如此。由于早期國內對C語言的教學研究不深人，導致國內一些經典的C語言程序設計教科書、程序設計案例以數學算法為主，著重在某些C語言本身或者編譯器的早期缺陷帶來的副作用的理解，反而忽略了C語言在軟件設計領域的實際應用方法，同時忽略了C語言的具備的執行速度快、可以直接訪問內存、模塊化設計易于擴展、占用內存少等特點的教學，導致學生在學習時難度大，容易喪失學習學習興趣和主動探究的熱情：學生學完這門課程后發現，時下應用層軟件幾乎沒有使用C語言進行開發，導致他們容易喪失學習C語言的信心，認為C語言已沒有用武之地。

2.2.2教學未能反映C語言的發展趨勢

C語言自誕生之日起就一直是操作系統、驅動程序和編譯器等關鍵性軟件的標準編程語言。C語言能夠長期在“流行編程語言”排行榜霸榜的原因就在于不斷發展、跟上時代變革。隨著時代的發展，特別是物聯網的興起，實時系統和智能物聯設備方興未艾，C語言更是應用得最為廣泛的開發語言。但是，傳統C語言教學與實驗僅是應用C語言進行應用軟件和信息系統開發的教學，很少涉及操作系統地實現方法、直接控制硬件的原理和方法，很難反映當前發展的趨勢，嚴重脫離時代的發展。

2.2.3教學不能適應后疫情時代的教學變革

目前，C語言程序設計教學仍然是理論教學與實驗分離，實驗、課程設計也主要是在機房的計算機上完成。后疫情時代，在混合式教學模式下，需要學生遠程、獨立地完成課程內容學習，原創、創新地完成實驗與課程設計，強調溝通、交流、合作和批判性思維地培養，傳統教學方式很難應對。

3智能硬件的發展與特征

3.1智能硬件的特征

智能硬件是以平臺性底層軟硬件為基礎，以智能傳感互聯、人機交互、新型顯示及大數據處理等新一代信息技術為特征，以新設計、新材料、新工藝硬件為載體的新型智能終端產品及服務。智能硬件在產品形態上通常以軟件實現智能應用，通過應用連接智能硬件;通過硬件接口與傳感器、互聯網等相連，生產各種智能設備，是物聯網應用場景中不可或缺的終端硬件。因此，智能硬件可以幫助C語言將開發與實際應用串聯起來，在電子信息類職教師資培養中大有作為。

3.2智能硬件在工程教育中的發展

在工程教育實踐中，智能硬件產品層出不窮，無論產品形態和名稱如何變化，都可以將工程教育中智能硬件歸為“開源通用”與“閉源專用”兩大類。

“開源通用”類的智能硬件由于其硬件平臺的電路、PCB等技術文檔都發布在開源社區，使得這類智能硬件平臺保持了較低的價格。另一方面，硬件平臺的代碼庫以及智能應用開發的詳細設計與實現代碼都公布在相關的社區，任何人都可以進行修改并應用到實際工程實踐中：完成后，又把實踐的經驗和細節回饋到社區，幫助更多人學習和實踐。基于此，形成了一個良性互動、不斷發展的生態系統。

關于“閉源專用”類的智能硬件，由技術人員使用專用經費開發的智能硬件的軟硬件平臺：在有限的范圍內小規模的使用，不公開硬件和代碼的細節。雖然這類智能硬件在工程教育實踐中進行了很多有益的探索，但是始終無法形成可持續發展的社區生態。

4教學改革的方法

針對職教師資C語言教學中的困境，以及智能硬件的發展與特征分析，職教師資電子信息類專業C語言的智能硬件教學改革，需要改變單純以數學算法設計為載體的教學和單純以應用軟件及信息系統設計為目的的認知主義教學模式。

4.1以項目式教學理論設計教學過程

職教師資C語言教學改革的探索是廣西職業教育教學改革研究項目：基于智能硬件的職教師資培養模式探索——以電子信息工程專業為例，是課程體系中的重要組成部分。根據項目式學習原理將C語言的理論知識，根據擴展性、連續性、可達成性、相關性和可分解性的原則，設計一系列的根據難度梯度遞進的學習項目。同時，設計合理的評價量規，根據學生的成長過程，對學生的項目式學習過程進行形成性評價。

4.2選擇適宜的智能硬件平臺

在電子類職教師資培養過程中，智能硬件不僅服務于C語言程序設計的教學，也應作為以C語言為基礎的一系列專業課程的硬件教學平臺。因此，在眾多的智能硬件平臺中，根據上文提出的項目式學習構建原則，選擇了德州儀器（TI，Texas Instruments）公司開源的Energia智能硬件平臺（包含MSP-EXP430G2開發板），如圖1所示。在C語言教學課程中，可以使用這個平臺進行C語言學習：在后續的單片機課程中同樣可以使用這個智能硬件平臺，使用C語言進行下一階段的教學。

4.3口袋實驗室助力混合式教學

Energia智能硬件平臺可以作為口袋實驗平臺，在尺寸小巧的PCB上集成了德州儀器的多款模擬和數字器件，以提供聲、光、電相結合的實驗，集學習性與趣味性于一體。所有實驗均可脫離實驗室儀器來完成，不僅在宿舍、家里可以遠程、獨立地學習智能硬件平臺的所有外設，還可以學習如何用C語言控制外設的知識和物聯網應用的設計方法。在后疫情時代，面對遠程教學需求，學生可以自主學習理論知識，并可以利用手中的口袋實驗平臺，進行教學設計;當可以開展線下教學的時候，學生可以利用口袋實驗平臺展示項目學習成果，并通過交流和討論來相互學習，完成形成性評價。

5教學實踐

下文以C語言的For循環的項目式教學實踐為例，闡述了智能硬件應用于課程教學的方法。

5.1主題

“The Knight Rider”——酷炫車載LED燈設計。

5.2導言

“The Knight Rider”，以紀念20世紀80年代的一部電視劇，其中大衛·哈塞爾霍夫有一臺名為KITT的人工智能機器駕駛他的龐蒂亞克轎車。該車配備了大量各種尺寸的LED燈，可產生炫目的效果。特別的是，它有一個可以在一條線上來回掃描的顯示器。請大家來復刻KITT的LED顯示吧！

5.3任務設計

作為一位創客，要利用Energia智能硬件平臺復刻KITT的LED顯示，制作這樣一套LED顯示原型，并編寫相關的代碼。調試成功后，向大家做一個2分鐘的項目展示。

5.4學習過程

學生以小組的形式共同參與、合理分工，以保證任務順利完成。教師重點關注學生對C語言中For循環的掌握，并適當留意學生對硬件器件的合理選用，注意學生是否正確設計并連接電路：關注學生對集成開發環境的使用。根據學生學習的具體情況，隨時提供學習支架：For循環的微課視頻、器件選型方法指導、電路參考設計等。提示學生合理使用循環結構完成項目開發。

5.5評價方式

跟據項目完成情況、全過程跟蹤目標達成情況、團隊合作及作品展示情況形成綜合性評價，側重For循環結構掌握情況評價，積極納入諸如器件選型、電路設計的合理性以及項目反思和代碼迭代等諸多指標的考查。

6結論

在職教師資C語言教學中應用智能硬件，以探索創新性與實用性的項目為目的，通過項目式學習的方式，使得C語言的學習能夠符合時代發展的變革，讓學生深刻領會C語言執行速度快、可以直接訪問內存、模塊化設計易于擴展、占用內存少等特點。同時，應用智能硬件，構建口袋實驗室，使得后疫情時代的遠程教學與混合式教學成為可能。基于此，對于培養電子信息領域內的高水平職教師資具有重要意義。