智能硬件在職教師資C語言教學(xué)中的應(yīng)用

唐智勇

關(guān)鍵詞：職教師資;C語言;智能硬件

1引言

中職教育是現(xiàn)代職業(yè)教育體系的重要基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)高層次技術(shù)技能人才的重要儲備。中職院校教師缺編嚴(yán)重，“雙師型”教師嚴(yán)重缺乏[1]。因此，在職業(yè)技術(shù)師范教育中，為中職院校培養(yǎng)的師資（以下簡稱“職教師資”），不僅是關(guān)注學(xué)生的理論素養(yǎng)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(yǎng)。

C編程語言（C programming language，以下簡稱C語言）功能強(qiáng)大、用途廣泛，特別是在物聯(lián)網(wǎng)及新一代移動通信領(lǐng)域成為廣泛使用的開發(fā)語言。因此，在電子信息類專業(yè)職教師資培養(yǎng)中的，“C語言程序設(shè)計”是一門十分基礎(chǔ)而重要的基礎(chǔ)必修課程。但是，在傳統(tǒng)的教學(xué)與實驗條件下，理論、實驗與實際應(yīng)用脫節(jié)，只注重數(shù)學(xué)算法設(shè)計的教學(xué)，忽略了C語言在底層硬件和系統(tǒng)開發(fā)中的實際應(yīng)用，不適應(yīng)后疫情時代（Post-Epidemic Era）的混合式教學(xué)模式，所培養(yǎng)的學(xué)生難以構(gòu)建實際技能，培養(yǎng)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(jù)國務(wù)院2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[2]，利用智能技術(shù)加速推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法的改革具有重要的意義。本文聚焦于電子信息類專業(yè)的職教師資C語言教學(xué)中存在的問題：引入智能硬件，探討將其應(yīng)用在教學(xué)改革中的實踐過程。

2存在的問題

2.1C語言的發(fā)展與變化

C語言自誕生至今已經(jīng)50年了，盡管歷史悠久，但在很多的“流行編程語言”調(diào)查中，C語言仍然是最常用的編程語言之一。例如，在TIBOBE指數(shù)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(fā)展、個人計算機(jī)的出現(xiàn)和暴發(fā)，C語言逐漸成為程序設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)語言之一。從C語言發(fā)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(jī)指令進(jìn)行程序設(shè)計的計算機(jī)語言，是為直接控制硬件而開發(fā)的。因此，它結(jié)合了低級語言速度快的特點(diǎn)以及高級語言開發(fā)方便的特點(diǎn)：擅長用來編寫操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。因此，C語言具備的執(zhí)行速度快、可以直接訪問內(nèi)存、模塊化設(shè)計易于擴(kuò)展、占用內(nèi)存少的特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)和新一代移動通信領(lǐng)域的開發(fā)中仍然是最廣泛使用的開發(fā)語言，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都使用C語言進(jìn)行開發(fā)。Eclipse基金會發(fā)布的《2021

IoT&Edge

DeveloperSurvey Report》指出，C語言以25%的市場份額高居內(nèi)存與資源受限設(shè)備開發(fā)語言排行榜榜首。

2.2職教師資C語言教學(xué)中的困境

2.2.1教學(xué)與實際應(yīng)用脫節(jié)

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(xué)歷史，職教師資培養(yǎng)的相關(guān)專業(yè)也是如此。由于早期國內(nèi)對C語言的教學(xué)研究不深人，導(dǎo)致國內(nèi)一些經(jīng)典的C語言程序設(shè)計教科書、程序設(shè)計案例以數(shù)學(xué)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(shè)計領(lǐng)域的實際應(yīng)用方法，同時忽略了C語言的具備的執(zhí)行速度快、可以直接訪問內(nèi)存、模塊化設(shè)計易于擴(kuò)展、占用內(nèi)存少等特點(diǎn)的教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時難度大，容易喪失學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)興趣和主動探究的熱情：學(xué)生學(xué)完這門課程后發(fā)現(xiàn)，時下應(yīng)用層軟件幾乎沒有使用C語言進(jìn)行開發(fā)，導(dǎo)致他們?nèi)菀讍适W(xué)習(xí)C語言的信心，認(rèn)為C語言已沒有用武之地。

2.2.2教學(xué)未能反映C語言的發(fā)展趨勢

C語言自誕生之日起就一直是操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和編譯器等關(guān)鍵性軟件的標(biāo)準(zhǔn)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(fā)展、跟上時代變革。隨著時代的發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)的興起，實時系統(tǒng)和智能物聯(lián)設(shè)備方興未艾，C語言更是應(yīng)用得最為廣泛的開發(fā)語言。但是，傳統(tǒng)C語言教學(xué)與實驗僅是應(yīng)用C語言進(jìn)行應(yīng)用軟件和信息系統(tǒng)開發(fā)的教學(xué)，很少涉及操作系統(tǒng)地實現(xiàn)方法、直接控制硬件的原理和方法，很難反映當(dāng)前發(fā)展的趨勢，嚴(yán)重脫離時代的發(fā)展。

2.2.3教學(xué)不能適應(yīng)后疫情時代的教學(xué)變革

目前，C語言程序設(shè)計教學(xué)仍然是理論教學(xué)與實驗分離，實驗、課程設(shè)計也主要是在機(jī)房的計算機(jī)上完成。后疫情時代，在混合式教學(xué)模式下，需要學(xué)生遠(yuǎn)程、獨(dú)立地完成課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，原創(chuàng)、創(chuàng)新地完成實驗與課程設(shè)計，強(qiáng)調(diào)溝通、交流、合作和批判性思維地培養(yǎng)，傳統(tǒng)教學(xué)方式很難應(yīng)對。

3智能硬件的發(fā)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(chǔ)，以智能傳感互聯(lián)、人機(jī)交互、新型顯示及大數(shù)據(jù)處理等新一代信息技術(shù)為特征，以新設(shè)計、新材料、新工藝硬件為載體的新型智能終端產(chǎn)品及服務(wù)。智能硬件在產(chǎn)品形態(tài)上通常以軟件實現(xiàn)智能應(yīng)用，通過應(yīng)用連接智能硬件;通過硬件接口與傳感器、互聯(lián)網(wǎng)等相連，生產(chǎn)各種智能設(shè)備，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(fā)與實際應(yīng)用串聯(lián)起來，在電子信息類職教師資培養(yǎng)中大有作為。

3.2智能硬件在工程教育中的發(fā)展

在工程教育實踐中，智能硬件產(chǎn)品層出不窮，無論產(chǎn)品形態(tài)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(shù)文檔都發(fā)布在開源社區(qū)，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(yīng)用開發(fā)的詳細(xì)設(shè)計與實現(xiàn)代碼都公布在相關(guān)的社區(qū)，任何人都可以進(jìn)行修改并應(yīng)用到實際工程實踐中：完成后，又把實踐的經(jīng)驗和細(xì)節(jié)回饋到社區(qū)，幫助更多人學(xué)習(xí)和實踐。基于此，形成了一個良性互動、不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)。

關(guān)于“閉源專用”類的智能硬件，由技術(shù)人員使用專用經(jīng)費(fèi)開發(fā)的智能硬件的軟硬件平臺：在有限的范圍內(nèi)小規(guī)模的使用，不公開硬件和代碼的細(xì)節(jié)。雖然這類智能硬件在工程教育實踐中進(jìn)行了很多有益的探索，但是始終無法形成可持續(xù)發(fā)展的社區(qū)生態(tài)。

4教學(xué)改革的方法

針對職教師資C語言教學(xué)中的困境，以及智能硬件的發(fā)展與特征分析，職教師資電子信息類專業(yè)C語言的智能硬件教學(xué)改革，需要改變單純以數(shù)學(xué)算法設(shè)計為載體的教學(xué)和單純以應(yīng)用軟件及信息系統(tǒng)設(shè)計為目的的認(rèn)知主義教學(xué)模式。

4.1以項目式教學(xué)理論設(shè)計教學(xué)過程

職教師資C語言教學(xué)改革的探索是廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項目：基于智能硬件的職教師資培養(yǎng)模式探索——以電子信息工程專業(yè)為例，是課程體系中的重要組成部分。根據(jù)項目式學(xué)習(xí)原理將C語言的理論知識，根據(jù)擴(kuò)展性、連續(xù)性、可達(dá)成性、相關(guān)性和可分解性的原則，設(shè)計一系列的根據(jù)難度梯度遞進(jìn)的學(xué)習(xí)項目。同時，設(shè)計合理的評價量規(guī)，根據(jù)學(xué)生的成長過程，對學(xué)生的項目式學(xué)習(xí)過程進(jìn)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(yǎng)過程中，智能硬件不僅服務(wù)于C語言程序設(shè)計的教學(xué)，也應(yīng)作為以C語言為基礎(chǔ)的一系列專業(yè)課程的硬件教學(xué)平臺。因此，在眾多的智能硬件平臺中，根據(jù)上文提出的項目式學(xué)習(xí)構(gòu)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(fā)板），如圖1所示。在C語言教學(xué)課程中，可以使用這個平臺進(jìn)行C語言學(xué)習(xí)：在后續(xù)的單片機(jī)課程中同樣可以使用這個智能硬件平臺，使用C語言進(jìn)行下一階段的教學(xué)。

4.3口袋實驗室助力混合式教學(xué)

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(shù)字器件，以提供聲、光、電相結(jié)合的實驗，集學(xué)習(xí)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(yuǎn)程、獨(dú)立地學(xué)習(xí)智能硬件平臺的所有外設(shè)，還可以學(xué)習(xí)如何用C語言控制外設(shè)的知識和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計方法。在后疫情時代，面對遠(yuǎn)程教學(xué)需求，學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)理論知識，并可以利用手中的口袋實驗平臺，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計;當(dāng)可以開展線下教學(xué)的時候，學(xué)生可以利用口袋實驗平臺展示項目學(xué)習(xí)成果，并通過交流和討論來相互學(xué)習(xí)，完成形成性評價。

5教學(xué)實踐

下文以C語言的For循環(huán)的項目式教學(xué)實踐為例，闡述了智能硬件應(yīng)用于課程教學(xué)的方法。

5.1主題

“The Knight Rider”——酷炫車載LED燈設(shè)計。

5.2導(dǎo)言

“The Knight Rider”，以紀(jì)念20世紀(jì)80年代的一部電視劇，其中大衛(wèi)·哈塞爾霍夫有一臺名為KITT的人工智能機(jī)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(chǎn)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(fù)刻KITT的LED顯示吧！

5.3任務(wù)設(shè)計

作為一位創(chuàng)客，要利用Energia智能硬件平臺復(fù)刻KITT的LED顯示，制作這樣一套LED顯示原型，并編寫相關(guān)的代碼。調(diào)試成功后，向大家做一個2分鐘的項目展示。

5.4學(xué)習(xí)過程

學(xué)生以小組的形式共同參與、合理分工，以保證任務(wù)順利完成。教師重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對C語言中For循環(huán)的掌握，并適當(dāng)留意學(xué)生對硬件器件的合理選用，注意學(xué)生是否正確設(shè)計并連接電路：關(guān)注學(xué)生對集成開發(fā)環(huán)境的使用。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的具體情況，隨時提供學(xué)習(xí)支架：For循環(huán)的微課視頻、器件選型方法指導(dǎo)、電路參考設(shè)計等。提示學(xué)生合理使用循環(huán)結(jié)構(gòu)完成項目開發(fā)。

5.5評價方式

跟據(jù)項目完成情況、全過程跟蹤目標(biāo)達(dá)成情況、團(tuán)隊合作及作品展示情況形成綜合性評價，側(cè)重For循環(huán)結(jié)構(gòu)掌握情況評價，積極納入諸如器件選型、電路設(shè)計的合理性以及項目反思和代碼迭代等諸多指標(biāo)的考查。

6結(jié)論

在職教師資C語言教學(xué)中應(yīng)用智能硬件，以探索創(chuàng)新性與實用性的項目為目的，通過項目式學(xué)習(xí)的方式，使得C語言的學(xué)習(xí)能夠符合時代發(fā)展的變革，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會C語言執(zhí)行速度快、可以直接訪問內(nèi)存、模塊化設(shè)計易于擴(kuò)展、占用內(nèi)存少等特點(diǎn)。同時，應(yīng)用智能硬件，構(gòu)建口袋實驗室，使得后疫情時代的遠(yuǎn)程教學(xué)與混合式教學(xué)成為可能?；诖?，對于培養(yǎng)電子信息領(lǐng)域內(nèi)的高水平職教師資具有重要意義。