基于人工智能技术的《单片机原理及应用》课程CAI软件研制

孙玉梅 赵骏 王美春 孙巧妍 陈祥光

摘要：为了提高《单片机原理及应用》课程的教学效果和激发学生自主学习的积极性，开展对《单片机原理及应用》课程教学方法的改进研究。选择MS Visual Studio 2012作为开发环境，运用人工智能技术和信息管理系统技术，设计了《单片机原理及应用》课程自主学习的总体方案，研制了《单片机原理及应用》课程计算机辅助教学（CAI）软件，并通过举例说明该自主学习方法的快速性和有效性。

关键词：人工智能；单片机原理及应用；CAI软件；自主学习

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）45-0268-03

一、引言

《单片机原理及应用》是自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、等专业的核心课程。随着电子技术的飞速发展，单片机系列、型号、功能等也不断地更新换代，涌现出了许多《单片机原理及应用》方面的优秀教材和著作[1-3]，由于单片机的快速发展和广泛应用，促使许多教师在教学内容、方法及实验方面进行了大量的探讨和研究，如“微课程教学”、“MOOC教学”等应用已取得了较好的教学效果[4-8]。然而，人工智能技术应用于教育领域目前仍处于初始研究和探索阶段，其应用前景广阔，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

基于“人工智能”中的“专家系统技术”，研究设计《单片机原理及应用》课程新型教学平台的总体构架，研究课程知识的表述模型和知识获取的推理算法，建立知识表述规则集和构建专家系统知识库，以实现：

（1）学生可以自主学习，基于知识树规则方便地获取该课程的全部知识点，学生随时提出的问题，均可及时获取答案；学生可及时获取单片机发展的新知识以及新的应用领域成果；

（2）教师高效处理、分析和制作课程知识点信息，并将其进行规则表述，同时可对知识库进行不断的更新；随时可对课程的知识点进行增添、删除和修改，基于互联网技术获取新型单片机原理及相应的应用知识，不断更换新课程的教学内容；

（3）基于互联网技术实现教师与学生之间的互动教学和学生与学生之间的协同学习；基于教堂教学、电子课件、动画、视频等多媒体手段，以创造大规模、大数据、跨时空的学习模式。

目前，在教育领域，基于人工智能研究的知识模块化表述和推理机制构成的专家系统是人工智能的代表之一，基于人工智能-专家系统在高密度、大规模的知识数据库上模拟人类的信息处理和决策过程，因此智能化的专家系统具备了教育功能、自学习功能、咨询功能及自适应功能等，将其应用于教育领域潜力巨大、用途广泛、快速高效。

本文研究了《单片机原理及应用》CAI软件的研制方法，采用MS Visual Studio 2012作为开发环境，结合人工智能技术，实现了智能搜索算法，达到了自主学习与自动答疑的目的。

二、《单片机原理及应用》CAI系统设计

为了提高本科生的教学质量，基于人工智能-专家系统技术研究《单片机原理及应用》课程的教学内容和教学方法改革措施，并可将其研究成果推广应用于自动化类专业相关课程建设；培养学生掌握本课程的基本原理和应用知识，引导其自主学习以提高分析问题能力、解决问题的能力及创新能力，实现学生与老师之间的互动，实现教学内容的不断更新和教学方法的不断完善。

（一）《单片机原理及应用》课程总体设计

分析目前本课程的教学内容和方法的局限性，提出《单片机原理及应用》课程教学内容和教学方法改革的总体方案。目前，普通高校《单片机原理及应用》课程所用教材的目录大致如图1中的实线部分所示。虚线表示可即时修改其中的相关内容。

（二）课程知识本体的表达模型

知识的表示对专家系统来说至关重要。知识本体的表述包括事物、个体和对象等，研究其规则、过程和函数，构成应用程序所表述的知识内容，可以作用于表述各种对象类，具有普遍性和通用性。其表达方式如图2所示。

（三）基于人工智能技术的课程教学内容和教学方法结构设计

专家系统结构一般有六部分：知识库（Knowledge Base）、数据库（Data Base）、推理机（Inference Engine）、解释子系统（Explanatory System）、人机接口（Man-machine Interface）和知识获取子系统（Knowledge Acquisition）。教学专家系统的基本结构如图3中的实线部分所示。

①知识厍：用于存储专家系统知识。主要用于收集和存储某领域教师、专家的经验，知识及书本知识、基本常识等。包括事物的表达方式，可行操作、事实和规则等；

②综合数据库：综合数据库又称总体数据库或全局数据库，主要用于存放有关问题求解的假设、初始数据、目标、求解状态、中间结果以及最终结果；

③推理机：推理机是专家系统的核心部分，用于模拟专家的思维过程、控制、协调整个专家系统的工作，它根据用户所提供的初始数据和问题求解要求，运用知识库中的事实和规则，按照一定的推理方法和控制策略对问题进行推理求解，并将产生的结果输出给学生；

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；

⑤解释子系统：解释机构由一组计算机程序组成，它对推理给出必要的解释，并根据学生问题的要求做出相应的回应，最后把结果通过人机接口输出给学生；

⑥人机接口：学生、专家系统和教师、领域专家、工程师之间沟通的媒介，它把相互之间的交互信息转换成彼此都能够理解的形式，由一组程序及相应的硬件组成，用于完成I/O工作。

三、CAI软件实现过程举例

《单片机原理及应用》课程CAI系统主界面如图4所示。点击“进入系统”之后，将出现“课程内容学习”和“知识点概述游览”两部分。

（1）“课程内容学习”部分包括“教材知识学习”、“课堂PPT内容讲解”以及“实验教学内容”等，例如目前常用的单片机的类型如图5所示。本课程的主要设计和创新实验如图6所示。

（2）“知识点概述游览”部分包括：

①知识点获取方式：即通过引导操作可得到关联性强的知识点解释、关联性中等的知识点解释以及关联性弱的知识点解释；

②问题解答方式：学生可根据自己的学习情况查询问题的基本答案（即对问题的解释），若基于专家知识库无法解释所提的问题，则可将该问题提交给任课教师，任课教师会尽快对该问题给出解答；

③专家库知识更新方式：随着单片机类型、结构、接口技术以及开发方式等的不断发展，本课程的知识结构和内容的更新也要求同步进行。因此，专家知识库信息的更新工作可由任课教师来完成，但是更新信息可来源于文献资料查阅、企业行业应用领域调研以及实践实验教学过程总结等。

课程教材与上课PPT和实验内容具有相关性，在实际教学中也要求其具有一致性，如图1中虚线部分表示可即时修改相关的内容。

四、结论

本文将人工智能-专家系统技术应用于《单片机原理及应用》课程的教学内容和教学方法的改革方案，构建新型教学平台。采用《单片机原理及应用》课程知识的综合表达方式，并研究课程知识的推理机制。基于文献资料查阅、企业行业应用领域调研以及实践实验教学过程总结，实现《单片机原理及应用》课程教学内容快速更新，实现该课程的智能化和网络化教学。

在教学过程中，实现学生与老师之间的互动，实现学生和老师之间知识的共享，达到学生能够自主学习和老师能够及时了解学生学习情况修改补充教学内容的目的。针对“知识库”、“综合数据库”以及“推理机制”实现在线综合更新方法。《单片机原理及应用》是自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、等专业的核心课程，目前，将人工智能-专家系统技术应用于高等学校该课程的教学，对于提高教学质量，激发学生的学习积极性和增强学生自主学习的能力具有重要的理论研究意义和很好实际应用价值。

参考文献：

[1]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航天航空大学出版社，1995.

[2]李华，孙晓民，李红青.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京航天航空大学出版社，1995.

[3]张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4]周冠玲，冯占英，李战.“单片机原理及应用”课程教学改革的探讨[J].中国电化教学，2012，（6）：105-107.

[5]赵月静，陈继荣，张永弟.单片机原理及应用课程创新实践教学改革[J].实验技术与管理，2013，30（1）：176-179.

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[7]王永固，张庆.MOOC：特征与学习机制[J].教育研究，2014，（9）：112-120，133.

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