王玉敏　何明芳　周?chē)?guó)雄

【摘要】針對(duì)當(dāng)前單片機(jī)課程中分階段教學(xué)中存在的課時(shí)如何合理分配的問(wèn)題，文章提出了一種基于層次分析法的單片機(jī)教學(xué)課時(shí)分配方法。實(shí)踐證明，實(shí)施層次分析教學(xué)法，可以提高學(xué)生在單片機(jī)課程學(xué)習(xí)中的效率，讓他們能更合理地分配學(xué)習(xí)時(shí)間，得到良好的學(xué)習(xí)效果，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提升自主學(xué)能力。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);層次分析法;主動(dòng)性

【基金項(xiàng)目】中南林業(yè)科技大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培訓(xùn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（71302）;中南林業(yè)科技大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（12180353）。

一、引言

單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上[1]。單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，單片機(jī)應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。目前單片機(jī)已滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)，更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用不僅有利于學(xué)生就業(yè)，而且能為國(guó)家科技的發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。

美國(guó)Intel公司于1980年推出的完善的、典型的單片機(jī)系列MCS-51，奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。所以目前各大高等院校使用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)使用的主要是在MCS-51系列的基礎(chǔ)上改進(jìn)的芯片[2]。單片機(jī)課程是本校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的必修課。許多高等院校單片機(jī)教學(xué)仍是以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室操作的模式進(jìn)行的，由于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)僅僅使用PPT操作，課堂枯燥乏味，缺乏新穎性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，課堂互動(dòng)較差。隨著分階段教學(xué)方法的采用，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性得到調(diào)動(dòng)，創(chuàng)新思維和能力有顯著提升。但是在分階段教學(xué)中，如何合理分配各階段的教學(xué)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式最優(yōu)的組合，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

因此，本文針對(duì)單片機(jī)課程分階段教學(xué)的方法，探索出一種合理分配時(shí)間的方法——層次分析法。該方法可以提高學(xué)生在單片機(jī)課程學(xué)習(xí)中的效率，讓他們能更合理地分配學(xué)習(xí)時(shí)間，得到良好的學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式的優(yōu)化。

二、層次分析法

層次分析法是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的方法。對(duì)系統(tǒng)間在復(fù)雜環(huán)境下的相互關(guān)系以及其他影響因素進(jìn)行分析，使結(jié)構(gòu)層次轉(zhuǎn)化后更加簡(jiǎn)單有序，并將這些因素劃分成不同的層次，構(gòu)建一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。最終把系統(tǒng)分析歸結(jié)為最底層（供決策的方案，措施等）相對(duì)于最高層（總目標(biāo)）的相對(duì)優(yōu)劣次序的排定問(wèn)題[3-5]。單片機(jī)分階段學(xué)習(xí)的教學(xué)時(shí)間會(huì)受到很多相關(guān)因素的制約。因此，使用層次分析法來(lái)分配教學(xué)時(shí)間是最好的方式。

（一）建模

單片機(jī)課程的教學(xué)時(shí)間分配是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)、完善、復(fù)雜的工作，和許多因素有關(guān)，有眾多分配指標(biāo)可以選擇。在這些分配指標(biāo)中，有一部分內(nèi)容是相互重復(fù)的。當(dāng)其中某兩個(gè)分配指標(biāo)有重復(fù)內(nèi)容出現(xiàn)時(shí)，會(huì)影響到最終的分配結(jié)果，甚至可能出現(xiàn)重大偏差，使結(jié)果不合實(shí)際，導(dǎo)致整個(gè)分配教學(xué)時(shí)間的工作失去意義[6]。因此，構(gòu)造層次分析法時(shí)應(yīng)該遵循相應(yīng)的原則，選擇合適的分配指標(biāo)，才能確保最終分配結(jié)果的公正性。

以“三階段”教學(xué)法為例，依據(jù)系統(tǒng)性、科學(xué)性、可比性、可測(cè)取性（或可觀測(cè)性）與相互獨(dú)立性五個(gè)原則，第一步，構(gòu)造“三階段”教學(xué)法的層次模型。該層次模型有目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層三層架構(gòu)。本文將“精通單片機(jī)”作為目標(biāo)層，也就是我們最終要求學(xué)生對(duì)單片機(jī)的掌握程度要達(dá)到精通級(jí)別。而在準(zhǔn)則層，我們尋找學(xué)生對(duì)單片機(jī)的掌握程度是否精通的判定條件。在結(jié)合了課程大綱的要求之后，本文提煉出五個(gè)判定條件“單片機(jī)結(jié)構(gòu)和原理”“匯編語(yǔ)言”“單片機(jī)中斷機(jī)制”“單片機(jī)定時(shí)和計(jì)數(shù)器”“單片機(jī)的串口通信”。也就是說(shuō)，只有學(xué)生全部了解這五點(diǎn)后，才可以認(rèn)為該學(xué)生對(duì)單片機(jī)達(dá)到了精通級(jí)別。既然提出了目標(biāo)和判定方法，就要制訂方案來(lái)完成目標(biāo)，也就是方案層。在方案層，本文有三個(gè)階段的循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過(guò)程，接下來(lái)的工作是對(duì)這三個(gè)階段進(jìn)行定量分析，尋找最佳的課時(shí)分配，最終單片機(jī)學(xué)習(xí)的層次模型如圖1所示[7-8]。

（二）構(gòu)造成對(duì)比較矩陣

第二步，需要比較該層的每一個(gè)因素對(duì)上一層的某個(gè)因素的影響程度，計(jì)算在該層中某一準(zhǔn)則所占的比例。

假設(shè)上一層有個(gè)因素，該層有個(gè)因素，那么對(duì)于該層需要構(gòu)建個(gè)的成對(duì)比較矩陣。用表示第個(gè)因素與第個(gè)因素進(jìn)行比較后的結(jié)果，比較時(shí)按照薩迪1～9標(biāo)度歸納法得出。

而? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

（2）

稱為成對(duì)比較矩陣。所以，根據(jù)層次模型，我們可以得到：

，，，

（三）計(jì)算層次單排序的權(quán)向量和一致性檢驗(yàn)

第三步，層次單排序是計(jì)算本層中與上層因素有關(guān)系的重要性，得出權(quán)值。對(duì)于一致性的檢驗(yàn)，我們需要知道如果成對(duì)比較矩陣是一致陣，則我們會(huì)選擇最大特征根的特征向量歸一化處理。假若成對(duì)比較矩陣并非一致陣，我們用最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量進(jìn)行歸一化處理，然后作為權(quán)向量。比大得越多，的不一致性就越嚴(yán)重，引起的判斷誤差也越大。因此可以先計(jì)算得出的值，進(jìn)而用該結(jié)果對(duì)的不一致程度進(jìn)行預(yù)估。

一致性指標(biāo)的計(jì)算公式：? ? ? （3）

由的對(duì)角線元素求和得出，即的特征值之和。

隨機(jī)構(gòu)造500個(gè)成對(duì)比較矩陣

則可得一致性指標(biāo)

隨機(jī)一致性指標(biāo)? ? （4）

一般，若一致性比率值時(shí)，斷定此時(shí)的不一致性不會(huì)影響最終結(jié)果，將特征向量進(jìn)行歸一化處理后作為權(quán)向量，否則需要構(gòu)造新的成對(duì)比較矩陣對(duì)進(jìn)行調(diào)整[6]。

一致性檢驗(yàn)是指對(duì)由不同樣本計(jì)算的各平均值或方差進(jìn)行檢驗(yàn)的過(guò)程。

在本文的具體問(wèn)題中，成對(duì)比較矩陣的最大特征值，該特征值對(duì)應(yīng)的特征向量歸一化處理后為。

則，

故

表明通過(guò)了一致性驗(yàn)證。

對(duì)成對(duì)比較矩陣可以求層次總排序的權(quán)向量，并對(duì)其一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

計(jì)算可知一致性檢驗(yàn)完成。

（四）計(jì)算層次總排序權(quán)值和一致性檢驗(yàn)

第四步，我們要確定某層所有因素對(duì)于總目標(biāo)相對(duì)重要性的排序權(quán)值，這個(gè)過(guò)程叫作層次總排序，從上到下逐層排序，如圖2所示。

設(shè)層m個(gè)因素

其對(duì)總目標(biāo)的排序?yàn)?/p>

層個(gè)因素對(duì)上層中因素為的層次單排序?yàn)?/p>

層的層次總排序?yàn)椋?/p>

層第個(gè)因素對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值為，

層層次總排序結(jié)果如表2所示。

對(duì)層次總排序的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)：

設(shè)層對(duì)上層（層）中因素的層次單排序一致性為，隨機(jī)一致性指為，所以得出層次總排序的一致性比重為：

（5）

當(dāng)時(shí)，認(rèn)為層次總排序符合一致性檢驗(yàn)的規(guī)定范圍。最后，依照最下層的層次總排序做出最后判定。

對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值為：

0.595×0.263+0.082×0.475+0.429×0.055+0.633×0.099+0.166×0.110=0.3

同理得對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值分別為0.246與0.456，決策層對(duì)其權(quán)向量為。

又

故，層次總排序順利完成一致性檢驗(yàn)。

可作為最后的決策依據(jù)。

即各方案的權(quán)重排序?yàn)椤?/p>

所以，對(duì)于單片機(jī)課程“三階段”教學(xué)方法課時(shí)的分配，根據(jù)層次分析法可以得出最佳方案：第一階段占30%，第二階段占25%，第三階段占45%。

（五）教學(xué)體系總結(jié)

單片機(jī)課程的總教學(xué)時(shí)間是有限制的，對(duì)于單片機(jī)的分階段教學(xué)，本文提出一種層次分析方法，通過(guò)該方法，能實(shí)現(xiàn)各階段時(shí)間的優(yōu)化配置，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，使他們能合理分配時(shí)間，從而得到良好的學(xué)習(xí)效果。

三、單片機(jī)層次分析法在實(shí)際教學(xué)中的效果

層次分析教學(xué)法在我院17級(jí)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生中進(jìn)行了一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，得到了學(xué)生的喜愛(ài)。經(jīng)過(guò)層次分析教學(xué)法的實(shí)踐后，少部分學(xué)生可以進(jìn)行比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，大部分學(xué)生能根據(jù)教師提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行基本的接線和調(diào)試，學(xué)生基本都能掌握單片機(jī)的原理性知識(shí)，使積極性和主動(dòng)性得到調(diào)動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，在使用了分層次分析教學(xué)法之后，單片機(jī)課程教學(xué)發(fā)生了如下改變。

第一，能更合理分配教學(xué)時(shí)間。由于總體教學(xué)時(shí)間是固定的，在有限的時(shí)間內(nèi)合理分配時(shí)間，使學(xué)生更能抓住關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)和學(xué)習(xí)要素，從而提高學(xué)習(xí)效率。

第二，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。利用層次分析方法，能合理分配實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間，從而使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到較大的提升。

第三，增強(qiáng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。由于合理分配時(shí)間，學(xué)生對(duì)單片機(jī)有了較深刻的了解，能夠把握住關(guān)鍵信息，提升對(duì)單片機(jī)的興趣，從而調(diào)動(dòng)在單片機(jī)學(xué)習(xí)中的積極性和主動(dòng)性。

四、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)兩年的單片機(jī)層次分析法實(shí)踐后，學(xué)生在單片機(jī)學(xué)習(xí)的效率上有明顯提升，學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性有較大的提升。層次分析教學(xué)法能滿足需要具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力的單片機(jī)課程的要求，能使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到顯著提高，創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力得到提升，使得學(xué)生更好地融入社會(huì)，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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