“二象結(jié)構(gòu)”原理在“單片機”課程教學(xué)中的應(yīng)用

郭天圣， 姜惠敏， 柴兆森, 任 玲

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子 832000)

“二象結(jié)構(gòu)”原理在“單片機”課程教學(xué)中的應(yīng)用

郭天圣， 姜惠敏， 柴兆森, 任 玲

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子 832000)

本文指出了“單片機”課程教學(xué)中需要注意的問題，提出了一種基于“二象結(jié)構(gòu)”思想的“單片機”課程教學(xué)過程中出現(xiàn)問題的解決方法，給出了這種方法的具體應(yīng)用案例，并指出使用這種方法應(yīng)該注意的要點。

“單片機”課程；二象結(jié)構(gòu)； 教學(xué)法

0 引言

“單片機”課程是工科院校非常重要的一門專業(yè)方向課程，無論在理論性方面還是在實踐性方面，要求都比較高，所以歷來被公認為是一門難教難學(xué)的課程。傳統(tǒng)的“上課加實驗”的講授方法，在當前已不能滿足社會對新型單片機技能型人才的需求， 為了解決上述問題，工作在教學(xué)一線的教師提出了很多創(chuàng)新性的教學(xué)法[1-4]。這些方法一定程度上解決了“單片機”課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，但筆者認為，“單片機”課程的教學(xué)要解決的首要問題不是讓學(xué)生掌握“單片機”課程中的概念和方法等知識，而是要在學(xué)習(xí)的過程中，能夠讓其找到一種認識“單片機”課程的思想，即：讓學(xué)生對“單片機”課程的認識，能夠像呼吸空氣一樣感到自然和親切，讓這種方法成為學(xué)生思想的一部分。只有達到這般境界，才可能有效地保證在以后的課程中，學(xué)生能夠熟練地使用單片機解決問題。

不同的認識方法區(qū)別在于對知識的劃分和各個劃分之間關(guān)系的認識。傳統(tǒng)的授課過程以傳統(tǒng)的“形式思維”為主，強調(diào)對客觀對象的分解，而沒有凸顯客觀對象要素之間的客觀聯(lián)系，這會導(dǎo)致學(xué)生無法實現(xiàn)對所學(xué)知識有系統(tǒng)的認識?！岸蠼Y(jié)構(gòu)”在分析客觀對象的過程中，對客觀對象既有恰當?shù)膭澐?，同時又凸顯了要素之間的聯(lián)系，從而使認識上更具有系統(tǒng)性。本文基于“二象結(jié)構(gòu)”的思想，提出了一種教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，從系統(tǒng)的角度認識問題。

1 “二象結(jié)構(gòu)”

客觀物質(zhì)世界中存在著普遍的具有對偶關(guān)系的系統(tǒng)。這些對偶元素保持著既獨立又統(tǒng)一或是互動互長的關(guān)系, 稱為“二象結(jié)構(gòu)”[5]?！岸蠼Y(jié)構(gòu)”觀是辯證法的一種推廣和應(yīng)用，該觀念認為一個系統(tǒng)是由實象和虛象組成，前者為系統(tǒng)中的客觀對象，后者則為與客觀對象存在對照的關(guān)系。實象通過與虛象的組合，形成一個整體，共同實現(xiàn)由結(jié)構(gòu)定義的功能?！岸蠼Y(jié)構(gòu)”在客觀存在的各個層次上是通用的，它廣泛運用在物理，數(shù)學(xué)，哲學(xué)和生物學(xué)中，是人們公有的思維方法。比如宏觀世界的二象性認為，宇宙和自然是由“二象”組成的，有形的宇宙稱為實像，其余的空間包括各種場叫做虛像。

2 單片機中的“二象結(jié)構(gòu)”

在 “單片機”課程中，很多重要的概念可以用“二象結(jié)構(gòu)”教學(xué)法去解釋和理解，這些概念既包括了對硬件描述的概念，也包括指導(dǎo)編程過程的思想，甚至是開發(fā)平臺的工作流程也可以用“二象結(jié)構(gòu)”去解釋和理解。

首先討論和硬件相關(guān)的“二象結(jié)構(gòu)”。在單片機中，硬件是以結(jié)構(gòu)的形態(tài)存在。分析單片機的硬件，可以從整體上用“二象結(jié)構(gòu)”的思想對硬件系統(tǒng)進行分析，也可以從局部的角度對硬件系統(tǒng)進行分析。比如筆者以為：“模塊”是單片機系統(tǒng)中的客觀物理存在，包括CPU模塊、中斷模塊、定時器模塊和I/O口模塊。其中，CPU模塊通過向其他各個模塊的控制寄存器寫控制字的方式，實現(xiàn)對其他各個模塊的控制，這說明CPU模塊和其他模塊之間存在的控制關(guān)系。在單片機系統(tǒng)中，各個模塊是“二象結(jié)構(gòu)”中的實象，而CPU對其他模塊的控制關(guān)系則是“二象結(jié)構(gòu)”中的虛象。

CPU模塊之外的其他模塊，其結(jié)構(gòu)可以分為控制寄存器部分和功能部件部分。比如定時器模塊中，TCON和TMOD是模塊中的控制寄存器，而計數(shù)器是定時器模塊中的功能部分[6]。很顯然，控制寄存器對功能部分有控制作用。根據(jù)“二象結(jié)構(gòu)”的理論，可以知道控制寄存器和功能部分是“二象結(jié)構(gòu)”中的實象，而兩者之間的控制關(guān)系則是“二象結(jié)構(gòu)”中的虛象。單片機的其它各個模塊，也可以用類似的方法完成對模塊的分析。

結(jié)構(gòu)和流程是組織程序的基本概念，兩者同樣體現(xiàn)了“二象結(jié)構(gòu)”思想。

結(jié)構(gòu)是組成整體的各部分的搭配和安排。在一個系統(tǒng)中，首先是明確系統(tǒng)的組成要素，然后在這個基礎(chǔ)上研究要素之間的聯(lián)系，從而能夠進一步明確功能。在這個過程中，系統(tǒng)的要素是“二象結(jié)構(gòu)”中的實象，而要素之間的聯(lián)系是“二象結(jié)構(gòu)”中的虛象。

流程是事物進行中的次序或順序的布置和安排。流程可以根據(jù)任務(wù)的不同，可以分解成若干個階段。在不同的階段完成不同的任務(wù)，各個階段要有邏輯上的聯(lián)系，才能實現(xiàn)特定的目的。在流程的每個階段是“二象結(jié)構(gòu)”中的實象，而它們之間的聯(lián)系是“二象結(jié)構(gòu)”中的虛象。

單片機程序是以流程的形態(tài)存在。在C51程序中，有三種函數(shù)類型：主函數(shù)、功能子函數(shù)和中斷子函數(shù)。

主函數(shù)用來對中斷模塊進行管理，以及管理功能子函數(shù)，所以可以稱為組織塊。

功能子函數(shù)實現(xiàn)具體問題中需要實現(xiàn)的特定功能，所以稱為功能塊。功能子函數(shù)在程序中是通過軟件觸發(fā)而執(zhí)行其代碼。

中斷子函數(shù)也是用來實現(xiàn)特定功能的子函數(shù)，但它是基于中斷源的中斷信號來完成觸發(fā)的，所以稱之為中斷子函數(shù)。

在程序的執(zhí)行過程中，執(zhí)行的起點是主函數(shù)，在主函數(shù)的執(zhí)行過程中，會觸發(fā)功能子函數(shù)的執(zhí)行，這些功能子函數(shù)執(zhí)行，就體現(xiàn)了流程。各個子程序是“二象結(jié)構(gòu)”中的實象，而子程序執(zhí)行的先后體現(xiàn)了“二象結(jié)構(gòu)”的虛象。

在單片機的開發(fā)軟件平臺，其使用過程也體現(xiàn)了“二象結(jié)構(gòu)”。在一般的平臺上，其過程可以分為代碼編輯、編譯、仿真和調(diào)試。如果從每個階段所包含的信息量考察，可以發(fā)現(xiàn)，后一個階段所包含的信息量要大于前一個階段所包含的信息量，這就體現(xiàn)了所謂的增量式關(guān)系。如果我們從“二象結(jié)構(gòu)”的角度考察，很容易理解，過程中的各個階段是“二象結(jié)構(gòu)”的實象，而增量式的關(guān)系則是“二象結(jié)構(gòu)”中的虛象，從而也解釋了流程的不可以逆序。

3 教學(xué)法的設(shè)計

在“單片機”課程教學(xué)中，基于“二象結(jié)構(gòu)”的教學(xué)法在其入門過程是一個較難的階段，但學(xué)生一旦掌握了“二象結(jié)構(gòu)”這種方法后，學(xué)生便可以使用這種方法高效的認識概念、過程、拓展以及其應(yīng)用。在教學(xué)過程中，為了快速的讓學(xué)生掌握這種思維方法，并且能夠使用這種方法，教師在教學(xué)設(shè)計上，可以參照表1所示的步驟進行教學(xué)設(shè)計。

表1 基于“二象結(jié)構(gòu)”的教學(xué)法教學(xué)步驟

以C51程序的概念教學(xué)過程為例，展示設(shè)計步驟如下：

(1) 原理引導(dǎo)：從中國的“陰陽學(xué)”出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生對“二象結(jié)構(gòu)”有一個感性的認識；

(2) 結(jié)構(gòu)分析：“陰陽學(xué)”中，陰陽的基本結(jié)構(gòu)為陰象和陽象兩個部分，兩者互相作用，彼此影響，形成一個系統(tǒng)。

(3)函數(shù)概念：在CS1程序中，介紹主函數(shù)，子函數(shù)和中斷子函數(shù)三種函數(shù)的結(jié)構(gòu)，并舉例說明。

(4) 基于“二象結(jié)構(gòu)”的原理進行分析：主函數(shù)是程序中起到組織作用的部分，而子函數(shù)則是實現(xiàn)特定的功能，構(gòu)成“二象結(jié)構(gòu)”的實像。而函數(shù)之間的在執(zhí)行過程中所體現(xiàn)的運動關(guān)系，構(gòu)成“二象結(jié)構(gòu)”的虛像。

4基于“二象結(jié)構(gòu)”教學(xué)法的效果調(diào)查

筆者在長期的實踐教學(xué)過程中，根據(jù)對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的追蹤后發(fā)現(xiàn)，在采用“二象結(jié)構(gòu)”的教學(xué)法后，學(xué)生在學(xué)習(xí)效果上，呈現(xiàn)了兩點可喜的變化：

(1)學(xué)生對知識點理解難度降低，學(xué)習(xí)積極性也顯著提升。

(2)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率大幅提高，對知識點的理解也更加深刻。

以上兩點的出現(xiàn)，可能是因為基于“二象結(jié)構(gòu)”的教學(xué)法可以有效的讓學(xué)生串聯(lián)起所學(xué)知識的知識點，更加深刻的理解對象之間關(guān)系，同時學(xué)生也可以通過“二象結(jié)構(gòu)”，準確和自覺的把握所學(xué)內(nèi)容的重點和難點，客觀上培養(yǎng)了較強的自學(xué)能力。

5 結(jié)語

需要強調(diào)的是雖然“二象結(jié)構(gòu)”教學(xué)法在教學(xué)的過程中，可以較好地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中知識碎片化和學(xué)習(xí)效率低下的問題，但這種方法需要和傳統(tǒng)的“形式思維”教學(xué)法配合。筆者認為“二象結(jié)構(gòu)”教學(xué)法在其它課程教學(xué)中，在理論上也應(yīng)該具有適用性。

[1] 喬建華,李臨生,田啟川.Proteus在單片機教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報,2008,30(3)：70-73.

[2] 張?zhí)m紅，陸廣平.我?！皢纹瑱C”課程的教學(xué)改革[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報,2014,36(1)：27-36.

[3] 徐朝農(nóng). “單片機原理”課程逐步啟發(fā)式的課程設(shè)計[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報,2016,38(1)：115-117.

[4] 陳飛，顧啟民，王偉. 基于 Proteus 和 Keil 的項目教學(xué)法在單片機教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 成都：實驗科學(xué)與技術(shù),2013,11(5):48-52.

[5] 高隆昌.系統(tǒng)學(xué)原理[ M] .北京:科學(xué)出版社, 2005 :48-50 .

[6] 張毅剛.單片機原理及應(yīng)用 [ M] .北京:高等教學(xué)出版社, 2010:101-117 .

The Application of the Two Image Structure Principle in Teaching of Single Chip Microcomputer Course

GUO Tian-sheng， JIANG Hui-min， CHAI Zhao-sen， REN-ling

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ShiheziUniversity，Shihezi832000，China)

This paper points out the issues that need to be paid attention in MCU curriculum teaching , and proposes a method based on two image structure thought in MCU curriculum teaching process. This paper gives the specific application case, and points out the keypoints when using this method.

MCU course ; two image structure principle; teaching method

2016-06-30;

2017-09- 27

郭天圣:(1977-)男，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)的教學(xué)與研究，E-mail:guotiansheng@ foxmail. com

N42

A

1008-0686(2017)03-0070-03