唐智勇

關(guān)鍵詞：職教師資;C語(yǔ)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(chǔ)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(jiǎn)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(shí)際技能、解決問(wèn)題能力和批判性思維能力的培養(yǎng)。

C編程語(yǔ)言（C programming language，以下簡(jiǎn)稱C語(yǔ)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(dòng)通信領(lǐng)域成為廣泛使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。因此，在電子信息類專業(yè)職教師資培養(yǎng)中的，“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”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(shí)驗(yàn)條件下，理論、實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，只注重?cái)?shù)學(xué)算法設(shè)計(jì)的教學(xué)，忽略了C語(yǔ)言在底層硬件和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的實(shí)際應(yīng)用，不適應(yīng)后疫情時(shí)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(shí)際技能，培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力和批判性思維，難以滿足“雙師型”教師的實(shí)際需要。

根據(jù)國(guó)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(dòng)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(yǔ)言教學(xué)中存在的問(wèn)題：引入智能硬件，探討將其應(yīng)用在教學(xué)改革中的實(shí)踐過(guò)程。

2存在的問(wèn)題

2.1C語(yǔ)言的發(fā)展與變化

C語(yǔ)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(yǔ)言”調(diào)查中，C語(yǔ)言仍然是最常用的編程語(yǔ)言之一。例如，在TIBOBE指數(shù)中，C語(yǔ)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(yǔ)言（Language of the Year）的桂冠。

隨著工作站的發(fā)展、個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和暴發(fā)，C語(yǔ)言逐漸成為程序設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言之一。從C語(yǔ)言發(fā)展的歷史可以看到，C語(yǔ)言一開(kāi)始就是為替代直接使用計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，是為直接控制硬件而開(kāi)發(fā)的。因此，它結(jié)合了低級(jí)語(yǔ)言速度快的特點(diǎn)以及高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)方便的特點(diǎn)：擅長(zhǎng)用來(lái)編寫操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)。因此，C語(yǔ)言具備的執(zhí)行速度快、可以直接訪問(wèn)內(nèi)存、模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)通信領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)中仍然是最廣泛使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Eclipse基金會(huì)發(fā)布的《2021

IoT&Edge

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

2.2職教師資C語(yǔ)言教學(xué)中的困境

2.2.1教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

由于C語(yǔ)言的歷史悠久，所以C語(yǔ)言在我國(guó)各型各類院校都有很長(zhǎng)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(guó)內(nèi)對(duì)C語(yǔ)言的教學(xué)研究不深人，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)一些經(jīng)典的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教科書、程序設(shè)計(jì)案例以數(shù)學(xué)算法為主，著重在某些C語(yǔ)言本身或者編譯器的早期缺陷帶來(lái)的副作用的理解，反而忽略了C語(yǔ)言在軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用方法，同時(shí)忽略了C語(yǔ)言的具備的執(zhí)行速度快、可以直接訪問(wèn)內(nèi)存、模塊化設(shè)計(jì)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(shí)難度大，容易喪失學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)探究的熱情：學(xué)生學(xué)完這門課程后發(fā)現(xiàn)，時(shí)下應(yīng)用層軟件幾乎沒(méi)有使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致他們?nèi)菀讍适W(xué)習(xí)C語(yǔ)言的信心，認(rèn)為C語(yǔ)言已沒(méi)有用武之地。

2.2.2教學(xué)未能反映C語(yǔ)言的發(fā)展趨勢(shì)

C語(yǔ)言自誕生之日起就一直是操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和編譯器等關(guān)鍵性軟件的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言能夠長(zhǎng)期在“流行編程語(yǔ)言”排行榜霸榜的原因就在于不斷發(fā)展、跟上時(shí)代變革。隨著時(shí)代的發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)的興起，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和智能物聯(lián)設(shè)備方興未艾，C語(yǔ)言更是應(yīng)用得最為廣泛的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。但是，傳統(tǒng)C語(yǔ)言教學(xué)與實(shí)驗(yàn)僅是應(yīng)用C語(yǔ)言進(jìn)行應(yīng)用軟件和信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的教學(xué)，很少涉及操作系統(tǒng)地實(shí)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(shì)，嚴(yán)重脫離時(shí)代的發(fā)展。

2.2.3教學(xué)不能適應(yīng)后疫情時(shí)代的教學(xué)變革

目前，C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)仍然是理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)分離，實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)也主要是在機(jī)房的計(jì)算機(jī)上完成。后疫情時(shí)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(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，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(duì)。

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(tái)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(jì)、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(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用連接智能硬件;通過(guò)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(chǎng)景中不可或缺的終端硬件。因此，智能硬件可以幫助C語(yǔ)言將開(kāi)發(fā)與實(shí)際應(yīng)用串聯(lián)起來(lái)，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(shí)踐中，智能硬件產(chǎn)品層出不窮，無(wú)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(kāi)源通用”與“閉源專用”兩大類。

“開(kāi)源通用”類的智能硬件由于其硬件平臺(tái)的電路、PCB等技術(shù)文檔都發(fā)布在開(kāi)源社區(qū)，使得這類智能硬件平臺(tái)保持了較低的價(jià)格。另一方面，硬件平臺(tái)的代碼庫(kù)以及智能應(yīng)用開(kāi)發(fā)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)際工程實(shí)踐中：完成后，又把實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)和細(xì)節(jié)回饋到社區(qū)，幫助更多人學(xué)習(xí)和實(shí)踐?；诖耍纬闪艘粋€(gè)良性互動(dòng)、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(kāi)發(fā)的智能硬件的軟硬件平臺(tái)：在有限的范圍內(nèi)小規(guī)模的使用，不公開(kāi)硬件和代碼的細(xì)節(jié)。雖然這類智能硬件在工程教育實(shí)踐中進(jìn)行了很多有益的探索，但是始終無(wú)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(duì)職教師資C語(yǔ)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(yǔ)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(jì)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(jì)為目的的認(rèn)知主義教學(xué)模式。

4.1以項(xiàng)目式教學(xué)理論設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程

職教師資C語(yǔ)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(xiàng)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(xiàng)目式學(xué)習(xí)原理將C語(yǔ)言的理論知識(shí)，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(jì)一系列的根據(jù)難度梯度遞進(jìn)的學(xué)習(xí)項(xiàng)目。同時(shí)，設(shè)計(jì)合理的評(píng)價(jià)量規(guī)，根據(jù)學(xué)生的成長(zhǎng)過(guò)程，對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)。

4.2選擇適宜的智能硬件平臺(tái)

在電子類職教師資培養(yǎng)過(guò)程中，智能硬件不僅服務(wù)于C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)，也應(yīng)作為以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)的一系列專業(yè)課程的硬件教學(xué)平臺(tái)。因此，在眾多的智能硬件平臺(tái)中，根據(jù)上文提出的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)構(gòu)建原則，選擇了德州儀器（TI，Texas Instruments）公司開(kāi)源的Energia智能硬件平臺(tái)（包含MSP-EXP430G2開(kāi)發(fā)板），如圖1所示。在C語(yǔ)言教學(xué)課程中，可以使用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行C語(yǔ)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(gè)智能硬件平臺(tái)，使用C語(yǔ)言進(jìn)行下一階段的教學(xué)。

4.3口袋實(shí)驗(yàn)室助力混合式教學(xué)

Energia智能硬件平臺(tái)可以作為口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)，集學(xué)習(xí)性與趣味性于一體。所有實(shí)驗(yàn)均可脫離實(shí)驗(yàn)室儀器來(lái)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(tái)的所有外設(shè)，還可以學(xué)習(xí)如何用C語(yǔ)言控制外設(shè)的知識(shí)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法。在后疫情時(shí)代，面對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)需求，學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)理論知識(shí)，并可以利用手中的口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì);當(dāng)可以開(kāi)展線下教學(xué)的時(shí)候，學(xué)生可以利用口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示項(xiàng)目學(xué)習(xí)成果，并通過(guò)交流和討論來(lái)相互學(xué)習(xí)，完成形成性評(píng)價(jià)。

5教學(xué)實(shí)踐

下文以C語(yǔ)言的For循環(huán)的項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)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(jì)。

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(tái)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(gè)可以在一條線上來(lái)回掃描的顯示器。請(qǐng)大家來(lái)復(fù)刻KITT的LED顯示吧！

5.3任務(wù)設(shè)計(jì)

作為一位創(chuàng)客，要利用Energia智能硬件平臺(tái)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(gè)2分鐘的項(xiàng)目展示。

5.4學(xué)習(xí)過(guò)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(duì)C語(yǔ)言中For循環(huán)的掌握，并適當(dāng)留意學(xué)生對(duì)硬件器件的合理選用，注意學(xué)生是否正確設(shè)計(jì)并連接電路：關(guān)注學(xué)生對(duì)集成開(kāi)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(shí)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(jì)等。提示學(xué)生合理使用循環(huán)結(jié)構(gòu)完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

5.5評(píng)價(jià)方式

跟據(jù)項(xiàng)目完成情況、全過(guò)程跟蹤目標(biāo)達(dá)成情況、團(tuán)隊(duì)合作及作品展示情況形成綜合性評(píng)價(jià)，側(cè)重For循環(huán)結(jié)構(gòu)掌握情況評(píng)價(jià)，積極納入諸如器件選型、電路設(shè)計(jì)的合理性以及項(xiàng)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(yǔ)言教學(xué)中應(yīng)用智能硬件，以探索創(chuàng)新性與實(shí)用性的項(xiàng)目為目的，通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，使得C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)能夠符合時(shí)代發(fā)展的變革，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)C語(yǔ)言執(zhí)行速度快、可以直接訪問(wèn)內(nèi)存、模塊化設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展、占用內(nèi)存少等特點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)用智能硬件，構(gòu)建口袋實(shí)驗(yàn)室，使得后疫情時(shí)代的遠(yuǎn)程教學(xué)與混合式教學(xué)成為可能?；诖?，對(duì)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。