基于人工智能技術(shù)的《單片機原理及應(yīng)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(yīng)用》課程的教學效果和激發(fā)學生自主學習的積極性，開展對《單片機原理及應(yīng)用》課程教學方法的改進研究。選擇MS Visual Studio 2012作為開發(fā)環(huán)境，運用人工智能技術(shù)和信息管理系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計了《單片機原理及應(yīng)用》課程自主學習的總體方案，研制了《單片機原理及應(yīng)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(guān)鍵詞：人工智能；單片機原理及應(yīng)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(yīng)用》是自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)與儀器、等專業(yè)的核心課程。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機系列、型號、功能等也不斷地更新?lián)Q代，涌現(xiàn)出了許多《單片機原理及應(yīng)用》方面的優(yōu)秀教材和著作[1-3]，由于單片機的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，促使許多教師在教學內(nèi)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(yīng)用已取得了較好的教學效果[4-8]。然而，人工智能技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域目前仍處于初始研究和探索階段，其應(yīng)用前景廣闊，具有重要的理論研究意義和實際應(yīng)用價值。

基于“人工智能”中的“專家系統(tǒng)技術(shù)”，研究設(shè)計《單片機原理及應(yīng)用》課程新型教學平臺的總體構(gòu)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(guī)則集和構(gòu)建專家系統(tǒng)知識庫，以實現(xiàn)：

（1）學生可以自主學習，基于知識樹規(guī)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(fā)展的新知識以及新的應(yīng)用領(lǐng)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(guī)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(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取新型單片機原理及相應(yīng)的應(yīng)用知識，不斷更換新課程的教學內(nèi)容；

（3）基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)教師與學生之間的互動教學和學生與學生之間的協(xié)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(chuàng)造大規(guī)模、大數(shù)據(jù)、跨時空的學習模式。

目前，在教育領(lǐng)域，基于人工智能研究的知識模塊化表述和推理機制構(gòu)成的專家系統(tǒng)是人工智能的代表之一，基于人工智能-專家系統(tǒng)在高密度、大規(guī)模的知識數(shù)據(jù)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(tǒng)具備了教育功能、自學習功能、咨詢功能及自適應(yīng)功能等，將其應(yīng)用于教育領(lǐng)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(yīng)用》CAI軟件的研制方法，采用MS Visual Studio 2012作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合人工智能技術(shù)，實現(xiàn)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(yīng)用》CAI系統(tǒng)設(shè)計

為了提高本科生的教學質(zhì)量，基于人工智能-專家系統(tǒng)技術(shù)研究《單片機原理及應(yīng)用》課程的教學內(nèi)容和教學方法改革措施，并可將其研究成果推廣應(yīng)用于自動化類專業(yè)相關(guān)課程建設(shè)；培養(yǎng)學生掌握本課程的基本原理和應(yīng)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(chuàng)新能力，實現(xiàn)學生與老師之間的互動，實現(xiàn)教學內(nèi)容的不斷更新和教學方法的不斷完善。

（一）《單片機原理及應(yīng)用》課程總體設(shè)計

分析目前本課程的教學內(nèi)容和方法的局限性，提出《單片機原理及應(yīng)用》課程教學內(nèi)容和教學方法改革的總體方案。目前，普通高?！秵纹瑱C原理及應(yīng)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(guān)內(nèi)容。

（二）課程知識本體的表達模型

知識的表示對專家系統(tǒng)來說至關(guān)重要。知識本體的表述包括事物、個體和對象等，研究其規(guī)則、過程和函數(shù)，構(gòu)成應(yīng)用程序所表述的知識內(nèi)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(shù)的課程教學內(nèi)容和教學方法結(jié)構(gòu)設(shè)計

專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般有六部分：知識庫（Knowledge Base）、數(shù)據(jù)庫（Data Base）、推理機（Inference Engine）、解釋子系統(tǒng)（Explanatory System）、人機接口（Man-machine Interface）和知識獲取子系統(tǒng)（Knowledge Acquisition）。教學專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3中的實線部分所示。

①知識厙：用于存儲專家系統(tǒng)知識。主要用于收集和存儲某領(lǐng)域教師、專家的經(jīng)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(guī)則等；

②綜合數(shù)據(jù)庫：綜合數(shù)據(jù)庫又稱總體數(shù)據(jù)庫或全局數(shù)據(jù)庫，主要用于存放有關(guān)問題求解的假設(shè)、初始數(shù)據(jù)、目標、求解狀態(tài)、中間結(jié)果以及最終結(jié)果；

③推理機：推理機是專家系統(tǒng)的核心部分，用于模擬專家的思維過程、控制、協(xié)調(diào)整個專家系統(tǒng)的工作，它根據(jù)用戶所提供的初始數(shù)據(jù)和問題求解要求，運用知識庫中的事實和規(guī)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(chǎn)生的結(jié)果輸出給學生；

④知識獲取子系統(tǒng)：在構(gòu)建和維護知識庫時作為專家系統(tǒng)和教師、領(lǐng)域?qū)＜?、工程師等的接口?/p>

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

⑥人機接口：學生、專家系統(tǒng)和教師、領(lǐng)域?qū)＜?、工程師之間溝通的媒介，它把相互之間的交互信息轉(zhuǎn)換成彼此都能夠理解的形式，由一組程序及相應(yīng)的硬件組成，用于完成I/O工作。

三、CAI軟件實現(xiàn)過程舉例

《單片機原理及應(yīng)用》課程CAI系統(tǒng)主界面如圖4所示。點擊“進入系統(tǒng)”之后，將出現(xiàn)“課程內(nèi)容學習”和“知識點概述游覽”兩部分。

（1）“課程內(nèi)容學習”部分包括“教材知識學習”、“課堂PPT內(nèi)容講解”以及“實驗教學內(nèi)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(shè)計和創(chuàng)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(guān)聯(lián)性強的知識點解釋、關(guān)聯(lián)性中等的知識點解釋以及關(guān)聯(lián)性弱的知識點解釋；

②問題解答方式：學生可根據(jù)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?guī)熘R更新方式：隨著單片機類型、結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)以及開發(fā)方式等的不斷發(fā)展，本課程的知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)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(yè)行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域調(diào)研以及實踐實驗教學過程總結(jié)等。

課程教材與上課PPT和實驗內(nèi)容具有相關(guān)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(guān)的內(nèi)容。

四、結(jié)論

本文將人工智能-專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于《單片機原理及應(yīng)用》課程的教學內(nèi)容和教學方法的改革方案，構(gòu)建新型教學平臺。采用《單片機原理及應(yīng)用》課程知識的綜合表達方式，并研究課程知識的推理機制?；谖墨I資料查閱、企業(yè)行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域調(diào)研以及實踐實驗教學過程總結(jié)，實現(xiàn)《單片機原理及應(yīng)用》課程教學內(nèi)容快速更新，實現(xiàn)該課程的智能化和網(wǎng)絡(luò)化教學。

在教學過程中，實現(xiàn)學生與老師之間的互動，實現(xiàn)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(nèi)容的目的。針對“知識庫”、“綜合數(shù)據(jù)庫”以及“推理機制”實現(xiàn)在線綜合更新方法?！秵纹瑱C原理及應(yīng)用》是自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)與儀器、等專業(yè)的核心課程，目前，將人工智能-專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于高等學校該課程的教學，對于提高教學質(zhì)量，激發(fā)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(yīng)用價值。

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