基于人工智能技术的单片机课程教学改革

黄赞，莫长江

（1.岭南师范学院 机电工程学院，广东 湛江；2.岭南师范学院 信息工程学院，广东 湛江）

一 引言

随着人工智能(Artificial Intelligence，AI)逐渐兴起，它已经受到各行各业的极大关注，尤其是传统工业。人工智能时代已经悄悄来临，而人工智能技术正在逐渐渗透各行各业，如何在新的技术已然来临时，促使教育行业随之变化，这就使得研究基于人工智能技术的单片机课程改革具有很大的实用价值[1]。

众所周知，工业是国家的基础，而通过教育来培养适应当今工业发展的模式就需要促进课程改革，培养创新型人才[2]。工业化时代生产模式的主要特征是程序化和机械化，让传统的课程与人工智能相结合，就需要培养大批大量的具备基础知识且具备良好实践能力的高度专业化、标准化人才。

由于单片机更新换代的速度很快，它在工业中的应用也很广泛，因此大部分高校都开设了单片机课程，使得单片机教师在教学内容和课程实验上进行深入的研究和交流，也取得了一定的成果。然而伴随着人工智能技术的兴起，将人工智能与单片机课程相结合却处于初步探索的阶段[3]。如何将其应用于单片机原理及应用及相关课程如可编程控制器原理及应用、C 语言程序设计等课程教学上，探索新的教学方法、制定实施计划以达到预期的目标等，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。人工智能的代表之一就是基于人工智能研究的知识模块表述和推理机制构成的专家系统，将人工智能技术应用于传统的单片机课程中，必将为学校的教学提供一种新的方向，推动教学方式、培养方式和实验平台的发展，促进学校与时俱进的教学模式。本教学改革以此为契机，将人工智能技术和传统课程教育相结合，探索一条个性化教育的新路。

二 教学改革分析

（一） 改革内容

教学改革内容分为以下三部分。

1、研究基于人工智能技术的单片机课程教学内容和教学方法结构。

首先介绍专家系统结构，它由六部分组成:知识库、推理机、数据库、人机接口、解释子系统和知识获取子系统[4]。图1所示为教学专家系统的基本结构。

图1 专家系统的基本结构图

2、开发基于人工智能技术的单片机原理及应用课程的计算机辅助教学CAI系统[5]，建立以基于人工智能技术的单片机教学平台与课堂教学相结合的新的教学方法的探索。

3、把计算机思维理念应用到单片机课程体系中，在教学中注重培养学生的计算思维理论，设计基于计算思维能力培养的单片机教学实践项目[6]。

（二） 改革目标

针对当前本科院校对于单片机课程的教学模式，本教学改革的目标主要有两个：

1、以人工智能技术实现单片机课程教学的个性化，培养创新人才。

2、把计算思维理念应用到单片机课程体系中，培养学生接触实际问题、了解该问题的相关知识、建立模型和培养求解问题的能力。

（三） 解决的关键问题

针对当前的教育，基于人工智能技术的单片机课程教学改革要解决以下的关键问题：

1、进行基于人工智能技术的单片机CAI教学平台的软硬件设计，实现快速更新单片机课程的教学内容的目的，实现该课程的智能化和网络化教学，达到在单片机课程教学中提供学情分析服务、智能推荐服务和决策支持服务。

2、设计基于计算思维能力培养的单片机教学实践项目，以直线倒立摆的数学建模，直流电机的闭环PID控制，simulink仿真及直立闭环控制器与速度闭环控制器串连的串级控制系统的单片机程序设计来培养学生的计算思维能力。

三 教学改革的探索

（一） 实施方案和实施方法

1、进行基于人工智能技术的单片机CAI教学平台的软硬件设计工作，采用Delphi开发系统软件，软件系统结构如图1，主要包括:

(1)知识库:存储专家系统知识。用来存放单片机领域的老师或者专家的教学经验、课本知识等。

(2)综合数据库:又命名为总体数据库，用来存储基于人工智能的单片机课程改革问题的假设、达到的预期目标、如何达到该目标以及结果。

(3)推理机:它是该系统的核心，因为该系统能够根据学生的作业完成情况、平时的测验情况和上课提问，了解到学生掌握单片机知识的多少。然后运用已经存储的专家系统知识，制定出相应的教学策略，对存在的问题进行求解，并将推荐的学习内容输出给学生。

(4)知识获取子系统:在构建和维护知识库时作为专家系统和教师、领域专家、工程师等的接口[7]。

(5)解释子系统:对推理给出必要的解释，对学生提出的学习问题要及时回应，然后通过人机接口把回应的内容传输给学生。

(6) 人机接口:它是沟通的媒介，用于学生和教师间的沟通，通过程序和相应的硬件，把学生和教师间的交互信息转换成双方都能够理解的形式，用于完成I/O工作。

我们开发的基于人工智能的单片机测试系统的登录界面如图2所示，账号类型包括学生用户、指导教师及后台管理。系统管理员可以在后台管理中进行学生学籍库、指导教师库的导入，如图3所示，学生学籍库、指导教师库通过excel表格导入，还可以进行考核分数方案的设置，如图4所示。

指导教师用户除了可以进行个人信息和密码管理及查看学生学籍库外，主要的功能就是进行题库管理，如图5所示，教师可以在题库管理系统中新建填空题、选择题、判断题、问答题、程序题等各种类型考题，并提供答案及难度等级，智能测试系统将根据学生的不同等级自动生成不同难度等级的试卷，并根据答案自动评分。另外对于不同教师新增的试题，系统还具有自动查重功能。

学生用户界面显示学生的姓名、学号、班级、学习等级、联系电话等信息，如图6所示。学生用户的主要功能是考试管理，学生在考试管理系统中可以新建试卷并进入试卷考核，如图7所示，在规定时间内提交试卷后，系统自动阅卷并给出考核成绩。若考核成绩不及格，系统将根据考试没掌握好的知识点，推送相关的学习资料给该考生；若考核成绩及格，该考生的学习等级将提高一级。当学生等级达到9级后，智能测试系统将为学生推送基于计算思维能力培养的单片机教学实践题目。

图2 基于人工智能的单片机测试系统的登录界面

图3 学生学籍库及指导教师库的导入

图4 考核分数方案的设置

图6 学生用户主界面

2、为培养学生针对实际问题、建立模型以及最后求解问题的科学思维能力，以直流电机的闭环PID控制，直线倒立摆的数学建模、simulink仿真及直立闭环控制器与速度闭环控制器串连的串级控制系统设计的单片机教学实践项目来提高学生的计算思维[8]。

首先针对图8的带编码器直流电机进行位置PID控制，控制电机转90度，需要严格控制超调量和静差，但对响应速度无要求。

图5 指导教师用户的题库管理

图7 学生的试卷考核界面

图8 带编码器直流电机控制系统实物图

由位置式离散PID公式：

其中e(k)为本次偏差，PWM 代表输出。根据位置式离散PID公式，可以用C语言代码实现。如何设置闭环PID控制的P、I、D的参数，可以观察响应曲线的变化来整定PID参数。在学生掌握对直流电机进行位置PID控制后，进一步进行如图9的直线倒立摆控制实践项目，对直线倒立摆的数学建模、simulink 仿真及直立闭环控制器与速度闭环控制器串连的串级控制系统设计。

图9 直线倒立摆控制系统实物图

先对分析倒立摆系统的力学，如图10所示，建立倒立摆上面的滑块在水平运动和摆杆在垂直方向上的动力学方程，并进行拉普拉斯变换和线性化，得到系统的传递函数，然后使用simulink构建仿真系统框图，如图11所示。在此前提下，学生进行控制系统程序开发，经过这些实践项目的训练，学生的计算思维能力将得到较大的提升，可以在此平台上进一步开展自整定PID、 模糊PID、神经网络等控制算法的研究。

图10 直线倒立摆的力学分析

图11 直线倒立摆的控制系统的simulink框图

（二） 教学改革实施效果

基于人工智能技术的单片机课程教学改革的实施，达到的教学效果如下：

（1）单片机课程的作业批改和相应的数据，是利用CAI教学平台来完成的。并且该平台还自动生成班级和个人对每一节课的学情分析报告。

（2）根据得到的学情分析报告，教师对低分和高分学生的薄弱点进行重点讲解，力求保证学生知识的掌握程度。

（3）学生根据老师的讲解，并再次结合课本的知识，对错误的题目进行在线修改。

（4）学生修改后，平台再次得出学情分析报告，并且分别向教师和学生提供一份详细的报告，双方都能得到实时的反馈，教师也可根据该报告进行教学内容的调整，学生也可根据该报告进行学习方法的调整。

（5）教师通过得到的报告，实现个性化教学。同样的，通过CAI教学平台，学生也获得了个性化的学习指导。学生们可以进行小组讨论，也可以进行个性化的习题练习，更好地调动了学习的积极性。

（6）单片机课程体系中引入了计算思维理念，通过直流电机的闭环PID控制，直线倒立摆的直立闭环控制器与速度闭环控制器串连的串级控制系统的单片机程序设计，培养学生针对实际问题的描述、建立模型以及最后求解问题的科学思维能力。

四 结束语

人工智能技术在教育领域的应用，为传统的学校教育注入了新的活力，推动了教学、学习与管理模式的变革。我们将人工智能技术应用于单片机课程教学，开发出基于人工智能技术的单片机CAI教学平台，实现学习活动的个性化，培养创新人才。通过教学改革方案的实施，学生的主动性和创新意识得到激发，培养了学生针对实际问题的描述、建立模型和解决问题的能力，实践表明教学改革已经取得了初步成效。