基于思维导图的口袋单片机教学研究

郝尚富 徐婷 郑剑海

摘 要：文章将思维导图应用于口袋单片机的教学中，梳理了口袋单片机的整体知识结构框架，突出单片机系统各模块的联系，给出了利用FreeMind软件绘制的单片机知识体系和实践项目思维导图。教学实践证明，思维导图在单片机教学中的应用使学生建立了整体、系统、模块化的思想，提高了学生的发散思维能力，激发了学生的学习兴趣。

关键词：思维导图；口袋单片机；教学法

中图分类号：TP368.1-4；G642.0 文献标识码：A 文章编号：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

教学模式的研究能够充分发挥学生学习的主观能动性，对于培养学生的创新精神和实践能力具有十分重要的作用[1]。2018年6月，教育部《新时代全国高等学校本科教育工作会议》中提出“推进课程内容更新，推动课堂革命，建好质量文化”[2]。教师要不断改进教学模式，不断推进课程内容更新。要将学科研究新进展、实践发展新经验、社会需求新变化及时纳入教学内容。

“单片机原理及应用”课程是高校本科电子信息类专业较为重要的一门专业课，系统性强，结构体系庞大，知识点繁多，理论与实验结合紧密[3]。目前，许多高校“单片机原理及应用”的实践教学建立在固有的单片机技术实验室或实训室之上，学生实验操作比较单一。为了提高学生的创新实践能力，加强理论与实践的结合，提高学生社会适应性，我院“单片机原理及应用”课程采用了北京杰创永恒科技有限公司研发的口袋单片机作为实验教学的补充。

如何让学生很快理清口袋单片机的理论，并主动尝试实践是教学过程中的最大难题。基于此，可以在教学过程中应用思维导图教学法，让学生习惯用逻辑思维组织知识框架，分清结构层次，突出难点重点，在动手实践环节中可以熟练应用理论知识，激发学生的实践动手能力，从而提高学生对口袋单片机的兴趣。

1 思维导图

思维导图是一种思维工具，由英国研究者Tony Buzan于20世纪60年代提出，旨在充分挖掘人类大脑的潜力，实现思维过程的可视化，通过图像、线条、文字、色彩等因素激发大脑的创造力[4，5]。1990年以后传入我国，受到广大教师的高度关注，并在教学过程中广泛应用。思维导图是一种非线性记笔记的方法，形象地将知识点和图形结合起来，重点在于强化课程的整体框架，有助于思维的发散和整理[6]。

思维导图的表达与人类思维相似，是对发散性思维的可视化表达，适合于表达概念之间的层次结构及相互关系[7]。单片机的知识体系结构与思维导图的发散性思维脉络之间极其相似，借助思维导图对“单片机原理及应用”课程的理论教学和实验教学进行规划整理，可以帮助学生建立该课程的整体构架、层次结构、知识关联的知识网络。

2 在“单片机原理及应用”教学中的实施

2.1 构建课程知识网络

“单片机原理及应用”课程具有结构复杂，内容繁多，实践性强等特点，为了让学生更加深入理解该课程，需要对课程内容进行细致梳理，体现知识点之间的连贯性，并按照系统能力培养要求，在部分内容中引入数字逻辑电路、计算机组成原理、计算机系统结构、C语言等相关课程的关联知识点，以实现课程知识体系的重构与优化[8]。以“系统能力培养”为主线、“知识关联融合”为特色的单片机原理及应用知识体系如图1所示。

2.2 口袋单片机教学案例

“单片機原理及应用”课程综合了电子技术、计算机组成原理以及程序设计的知识，在电子信息类专业的课程体系中处于核心地位。在实验教学中，凝练出具有普遍意义的思想和解决现实问题的方法，可以达到发散思维、学以致用的目的[9]。

口袋单片机就是把单片机的实验设备微型化以便携带，学生可以自选时间和场合进行实验的一种实验教学模式。这种实验教学模式是以学生为中心，充分发挥学生的主动性、积极性和创造性，形成新知识的建构和主动建构的能力。北京杰创永恒科技有限公司研发的口袋单片机（JC-STC-POK），以知识点为基础，设计了基础性实验、综合设计性实验和创新性实验多种类型的实验项目；同一实验项目还设置了不同层次的实验，包括基础实验层次、提高实验层次和创新实验层次。口袋单片机的实验模式符合“做中学”的教育理念，强调的学习活动远远超出了教室的范围，是学习者探索真实世界，与真实世界互动并创造知识的过程[10]。

2.2.1 单片机内部结构的思维导图

口袋单片机是基于IAP15W4K58S4芯片设计的，属于8051系列单片机。内部结构主要包括CPU、ROM、RAM、定时器、并行I/O口和串行口、中断系统等，在常规化的教学过程中，一般都会先给出结构框图，然后按照结构先后顺序逐个对部件进行结构和功能的介绍，整个过程内容知识点繁多，但是不够系统化，层次不分明，轮廓模糊，无法从中突显出各功能部件之间的联系。正因如此，学生在课堂学习过程中根本无法保持较浓的学习兴趣，注意力分散，课堂学习效果明显不佳。借助思维导图形式给学生呈现出不一样的单片机内部结构，如图2所示。图中显示，从中心向外拓展的分支包括CPU，功能结构，引脚等，每个分支再次向外延伸，将所有知识点全部展现出来。

2.2.2 口袋单片机I/O口实验教学思维导图

IAP15W4K58S4单片机具有8个I/O口，分别是：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口均可将软件配置成四种工作模式之一，分别是：准双向/弱上拉（标准8051输出模式）、推挽输出/强上拉、高阻输入、开漏输出。IAP15W4K58S4单片机的I/O口上电复位后为准双向/弱上拉模式。每个I/O口驱动能力最大可达20mA，但整个芯片的电流不能超过120mA[11]。

口袋单片机I/O口实验项目中，利用IAP15W4K58S4芯片的P3.7、P4.1、P4.2和P4.3，设置I/O口为准双向/弱上拉输出方式，连接四个LED灯，编程实现LED灯从右到左依次点亮并循环。该项目的思维导图如图3所示。

3 结 论

“单片机原理及应用”课程是电子信息类专业的专业基础课程，对于其他课程具有承上启下的作用。通过实践，利用思维导图构建该课程完整的知识体系，绘制知识点之间的联系，可以使学生理清学习内容的脉络，将抽象知识形象具体化，可以提高学生的学习能力；思维导图教学法应用在口袋单片机的实践教学中，实现了“在做中学、以做促学、以学促教”的良性循环。同时将原来不可见的思维过程呈现出来，提高了学生的发散思维能力[12]。

但在理论教学和实践教学中也发现，对于课程中电路图和原理演示动画的教学环节，思维导图教学方式不甚理想，还需进一步实践和探讨。

参考文献：

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[2] 万玉凤.坚持以本为本推进四个回归建设中国特色、世界水平的一流本科教育 [N].中国教育报，2018.

[3] 张鑫.单片机原理及应用 [M].第3版.北京：电子工业出版社，2014.

[4] 李楠，孔军辉.思维导图在“模拟电子技术”教学中的应用 [J].电气电子教学学报，2013，35（6）：73-75.

[5] 王竹萍，姜云霞，任相花，等.基于思维导图的高效电路教学法的研究 [J].电气电子教学学报，2011，33（6）：87-89.

[6] 张蔚，梁惺彦，等.利用思维导图重构高校工科理论教学 [J].中国教育技术装备，2017，425（23）：97-99.

[7] 赵国庆.概念图、思维导图教学应用若干重要问题的探讨 [J].电化教育研究，2012，33（5）：78-84.

[8] 李华昱，张琼声，郑秋梅，等.操作系统课程知识体系建设及教学探索 [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《单片机》课程实验方案设计 [J].高教学刊，2018，7：101-103.

[10] 王国霞.实践教学中应用口袋教学的研究与实践 [J].高等理科教育，2016，130（6）：121-125+115.

[11] 李友全.51单片机轻松入门：基于STC15W4K系列（C语言版） [M].北京：航空航天大学出版社，2015.

[12] 郭艳霞.基于思维导图的教学模式研究 [D].长沙：湖南师范大学，2011.

作者简介：郝尚富（1964.09-），男，汉族，河北阳原人，实验中心主任，高级工程师，硕士，研究方向：物联网应用。