基于思維導圖的口袋單片機教學研究

郝尚富 徐婷 鄭劍海

摘 要：文章將思維導圖應用于口袋單片機的教學中，梳理了口袋單片機的整體知識結構框架，突出單片機系統各模塊的聯系，給出了利用FreeMind軟件繪制的單片機知識體系和實踐項目思維導圖。教學實踐證明，思維導圖在單片機教學中的應用使學生建立了整體、系統、模塊化的思想，提高了學生的發散思維能力，激發了學生的學習興趣。

關鍵詞：思維導圖；口袋單片機；教學法

中圖分類號：TP368.1-4；G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）02-0128-03

Abstract：In this paper，mind mapping is applied to the teaching of pocket microcontroller，combing the overall knowledge structure framework of pocket MCU，highlighting the links among the modules of the MCU system，and giving the knowledge system and practical project mind mapping of the microcontroller drawn by FreeMind software.Teaching practice has proved that the application of mind mapping in MCU teaching enables students to establish a holistic，systematic and modular thinking，improve students’divergent thinking ability， and stimulate students’interest in learning.

Keywords：mind mapping；pocket MCU；teaching method

0 引 言

教學模式的研究能夠充分發揮學生學習的主觀能動性，對于培養學生的創新精神和實踐能力具有十分重要的作用[1]。2018年6月，教育部《新時代全國高等學校本科教育工作會議》中提出“推進課程內容更新，推動課堂革命，建好質量文化”[2]。教師要不斷改進教學模式，不斷推進課程內容更新。要將學科研究新進展、實踐發展新經驗、社會需求新變化及時納入教學內容。

“單片機原理及應用”課程是高校本科電子信息類專業較為重要的一門專業課，系統性強，結構體系龐大，知識點繁多，理論與實驗結合緊密[3]。目前，許多高校“單片機原理及應用”的實踐教學建立在固有的單片機技術實驗室或實訓室之上，學生實驗操作比較單一。為了提高學生的創新實踐能力，加強理論與實踐的結合，提高學生社會適應性，我院“單片機原理及應用”課程采用了北京杰創永恒科技有限公司研發的口袋單片機作為實驗教學的補充。

如何讓學生很快理清口袋單片機的理論，并主動嘗試實踐是教學過程中的最大難題。基于此，可以在教學過程中應用思維導圖教學法，讓學生習慣用邏輯思維組織知識框架，分清結構層次，突出難點重點，在動手實踐環節中可以熟練應用理論知識，激發學生的實踐動手能力，從而提高學生對口袋單片機的興趣。

1 思維導圖

思維導圖是一種思維工具，由英國研究者Tony Buzan于20世紀60年代提出，旨在充分挖掘人類大腦的潛力，實現思維過程的可視化，通過圖像、線條、文字、色彩等因素激發大腦的創造力[4，5]。1990年以后傳入我國，受到廣大教師的高度關注，并在教學過程中廣泛應用。思維導圖是一種非線性記筆記的方法，形象地將知識點和圖形結合起來，重點在于強化課程的整體框架，有助于思維的發散和整理[6]。

思維導圖的表達與人類思維相似，是對發散性思維的可視化表達，適合于表達概念之間的層次結構及相互關系[7]。單片機的知識體系結構與思維導圖的發散性思維脈絡之間極其相似，借助思維導圖對“單片機原理及應用”課程的理論教學和實驗教學進行規劃整理，可以幫助學生建立該課程的整體構架、層次結構、知識關聯的知識網絡。

2 在“單片機原理及應用”教學中的實施

2.1 構建課程知識網絡

“單片機原理及應用”課程具有結構復雜，內容繁多，實踐性強等特點，為了讓學生更加深入理解該課程，需要對課程內容進行細致梳理，體現知識點之間的連貫性，并按照系統能力培養要求，在部分內容中引入數字邏輯電路、計算機組成原理、計算機系統結構、C語言等相關課程的關聯知識點，以實現課程知識體系的重構與優化[8]。以“系統能力培養”為主線、“知識關聯融合”為特色的單片機原理及應用知識體系如圖1所示。

2.2 口袋單片機教學案例

“單片機原理及應用”課程綜合了電子技術、計算機組成原理以及程序設計的知識，在電子信息類專業的課程體系中處于核心地位。在實驗教學中，凝練出具有普遍意義的思想和解決現實問題的方法，可以達到發散思維、學以致用的目的[9]。

口袋單片機就是把單片機的實驗設備微型化以便攜帶，學生可以自選時間和場合進行實驗的一種實驗教學模式。這種實驗教學模式是以學生為中心，充分發揮學生的主動性、積極性和創造性，形成新知識的建構和主動建構的能力。北京杰創永恒科技有限公司研發的口袋單片機（JC-STC-POK），以知識點為基礎，設計了基礎性實驗、綜合設計性實驗和創新性實驗多種類型的實驗項目；同一實驗項目還設置了不同層次的實驗，包括基礎實驗層次、提高實驗層次和創新實驗層次。口袋單片機的實驗模式符合“做中學”的教育理念，強調的學習活動遠遠超出了教室的范圍，是學習者探索真實世界，與真實世界互動并創造知識的過程[10]。

2.2.1 單片機內部結構的思維導圖

口袋單片機是基于IAP15W4K58S4芯片設計的，屬于8051系列單片機。內部結構主要包括CPU、ROM、RAM、定時器、并行I/O口和串行口、中斷系統等，在常規化的教學過程中，一般都會先給出結構框圖，然后按照結構先后順序逐個對部件進行結構和功能的介紹，整個過程內容知識點繁多，但是不夠系統化，層次不分明，輪廓模糊，無法從中突顯出各功能部件之間的聯系。正因如此，學生在課堂學習過程中根本無法保持較濃的學習興趣，注意力分散，課堂學習效果明顯不佳。借助思維導圖形式給學生呈現出不一樣的單片機內部結構，如圖2所示。圖中顯示，從中心向外拓展的分支包括CPU，功能結構，引腳等，每個分支再次向外延伸，將所有知識點全部展現出來。

2.2.2 口袋單片機I/O口實驗教學思維導圖

IAP15W4K58S4單片機具有8個I/O口，分別是：P0.0

～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7、P4.0～P4.7、P5.0～P5.5、P6.0～P6.7、P7.0～P7.7。所有I/O口均可將軟件配置成四種工作模式之一，分別是：準雙向/弱上拉（標準8051輸出模式）、推挽輸出/強上拉、高阻輸入、開漏輸出。IAP15W4K58S4單片機的I/O口上電復位后為準雙向/弱上拉模式。每個I/O口驅動能力最大可達20mA，但整個芯片的電流不能超過120mA[11]。

口袋單片機I/O口實驗項目中，利用IAP15W4K58S4芯片的P3.7、P4.1、P4.2和P4.3，設置I/O口為準雙向/弱上拉輸出方式，連接四個LED燈，編程實現LED燈從右到左依次點亮并循環。該項目的思維導圖如圖3所示。

3 結 論

“單片機原理及應用”課程是電子信息類專業的專業基礎課程，對于其他課程具有承上啟下的作用。通過實踐，利用思維導圖構建該課程完整的知識體系，繪制知識點之間的聯系，可以使學生理清學習內容的脈絡，將抽象知識形象具體化，可以提高學生的學習能力；思維導圖教學法應用在口袋單片機的實踐教學中，實現了“在做中學、以做促學、以學促教”的良性循環。同時將原來不可見的思維過程呈現出來，提高了學生的發散思維能力[12]。

但在理論教學和實踐教學中也發現，對于課程中電路圖和原理演示動畫的教學環節，思維導圖教學方式不甚理想，還需進一步實踐和探討。

參考文獻：

[1] 孫良，涂玲，宋曙芹.工科專業基礎課研究性教學模式的探索與思考 [J].化工高等教育，2016，33（4）：44-47+65.

[2] 萬玉鳳.堅持以本為本推進四個回歸建設中國特色、世界水平的一流本科教育 [N].中國教育報，2018.

[3] 張鑫.單片機原理及應用 [M].第3版.北京：電子工業出版社，2014.

[4] 李楠，孔軍輝.思維導圖在“模擬電子技術”教學中的應用 [J].電氣電子教學學報，2013，35（6）：73-75.

[5] 王竹萍，姜云霞，任相花，等.基于思維導圖的高效電路教學法的研究 [J].電氣電子教學學報，2011，33（6）：87-89.

[6] 張蔚，梁惺彥，等.利用思維導圖重構高校工科理論教學 [J].中國教育技術裝備，2017，425（23）：97-99.

[7] 趙國慶.概念圖、思維導圖教學應用若干重要問題的探討 [J].電化教育研究，2012，33（5）：78-84.

[8] 李華昱，張瓊聲，鄭秋梅，等.操作系統課程知識體系建設及教學探索 [J].高等理科教育，2018，139（3）：109-114.

[9] 王勇，錢峰.多元化人才需求下《單片機》課程實驗方案設計 [J].高教學刊，2018，7：101-103.

[10] 王國霞.實踐教學中應用口袋教學的研究與實踐 [J].高等理科教育，2016，130（6）：121-125+115.

[11] 李友全.51單片機輕松入門：基于STC15W4K系列（C語言版） [M].北京：航空航天大學出版社，2015.

[12] 郭艷霞.基于思維導圖的教學模式研究 [D].長沙：湖南師范大學，2011.

作者簡介：郝尚富（1964.09-），男，漢族，河北陽原人，實驗中心主任，高級工程師，碩士，研究方向：物聯網應用。