摘要：针对单片机结构的系统性和模块化特点，本文提出将表征概念层次化关系的思维导图用于单片机层次化结构体系的描述，突出不同模块的层次性及其相互联系，给出了用Xmind软件绘制的单片机内部结构和扩展系统的思维导图。教学实践证明，思维导图在单片机教学中的借鉴和应用可以促使中职学生建立“系统-模块”思想，有效促进中职学生对单片机结构、特性和工作原理的理解。
关键词：单片机；思维导图；层次结构
引言
“单片机原理及应用”是一门系统性很强的课程，知识内容繁多，但逻辑性不强［1］。一般的教学过程以结构为主线，介绍硬件结构、汇编语言、软件编程及系统扩展。在结构讲解过程中通常先从介绍各个功能部件结构和特性开始，名称概念多，内容枯燥繁杂，初学者往往只关注单个部件而无法从整体系统的角度去把握。笔者近年来承担了我校该专业选修课“单片机原理及应用”的教学任务。中职专业中职学生由于习惯于逻辑推理的思维模式，擅长用高等数学分析和解决问题，在单片机的学习中普遍反映内容抽象、逻辑性差，知识点分散、枯燥，找不到重点。因而，笔者在该课程教学过程中特别注重引导中职学生建立系统性和模块化思想，借鉴和利用思维导图来体现单片机中的“系统—模块”关系，使单片机结构体系的表述富于层次化，直观生动，有助于中职学生提高学习兴趣和效率。
1思维导图
思维导图是由英国著名心理学家TonyBozan受达芬奇笔记的启发于二十世纪七十年代提出的一种可视化思维方法［2］。思维导图一般从一个中心主题出发向外发散分支，每一分支衍生一个次级主题，每一个次级主题又可以成为一个中心主题继续向外发散分支，从而建立一个主题之间相互联系的有序网络状图。为使记忆更加形象，思维导图的绘制常借助不同的颜色、符号和图片来辅助绘制和记忆。思维导图可以用纸笔绘制，也可用Mindma-nnager、MinMap、Xmind等软件制作，使用方法灵活，易于与多媒体相结合，已被广泛用于不同课程的教学实践。
思维导图与人类大脑的思维方式相似，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［5］。单片机是一种功能相对单一的计算机系统，其结构体系具有明显的层次化特征。单片机的层次结构与思维导图的发散性思维脉络之间极其相似，因而可以借鉴思维导图的形式和思维特点进行该课程的教学，将思维导图用于单片机层次结构和功能特性的表征和阐述，帮助中职学生建立“系统—模块”思想，学会“自上而下”和“自下而上”的认知路径，从而实现对单片机整体系统脉络结构的完整把握。
2教学案例
2.1单片机内部结构的思维导图
MCS-51单片机内部结构包括CPU、ROM、RAM、定时器、中断系统、并行I/O口和串行I/O口等，在一般的教学过程中，通常先给出结构框图，接着按顺序展开介绍各个部件的结构和功能特点，虽然罗列的内容很多，但往往缺少层次性，也不容易突出各功能部件之间的相互联系。由于内容相对松散，中职学生在课堂学习中无法持续保持学习兴趣和注意力集中，削弱了学习效果。本人认为在教学中尝试借用思维导图形式来展示单片机内部结构，如图1所示，CPU作为中心主题，ROM、RAM、定时器、中断系统、并行I/O口和串行I/O口及CPU中的控制器和运算器作为分支主题，RAM又分为高128B和低128B两个子主题，并各自再分支，控制器和运算也列出相应子主题。
图中灰色实线代表CPU与分支主题部件之间的信号传输关系，即CPU通过片内总线连接ROM、RAM、定时器、中断系统、并行I/O口和串行I/O口。黑色实线表示结构上的层次关系，如CPU结构上主要包含控制器和运算器，而控制器中又主要涉及PC、IR、ID、SP和DPTR等部件和寄存器。而黑色虚线则表示不同层次分支主题之间的关联，如控制器中的SP、DPTR和运算器中的ACC、PSW以及定时器、中断系统、并行I/O口和串行I/O口这些部件对应的寄存器即为特殊功能寄存器（SFR）中的一部分，实际的地址在RAM的高128字节中。
以思维导图形式呈现的单片机内部结构图保持了单片机原有结构框图中的结构体系，将所有的结构综合在一个图形中，体现了认识过程中“自上而下”的思维发散性，突出了组织结构的层次性以及不同层次部件之间的关联性，并配以不同形状、线型、颜色等元素，使图形更加感性和直观。教学实践证明，采用思维导图可以帮助中职学生更好的把握单片机的整体结构体系，理解单片机的功能特点和工作原理。
图1 单片机内部结构的思维导图
2.2单片机扩展系统的思维导图
单片机的内部结构提供了构成最小系统的基本资源，而系统扩展是实现单片机作为嵌入式主控单元功能所必需的，基于总线的单片机系统扩展技术也是该课程的核心内容之一。传统的教学过程一般先介绍三组总线和编址方法，接着对存储器、普通并行I/O口、8255A、8155等分别介绍各自扩展的硬件连接和软件编程方法。中职学生对单个部件的扩展一般容易接受，但对于多个部件的同时扩展却成为难点，尤其发生在对扩展的信号连接方式和相应的地址分配关系的理解和掌握上。笔者尝试将多个部件的系统扩展综合起来并以思维导图的形式呈现，取得了明显的效果。
图2 单片机扩展系统的思维导图
图2给出了MCS-51单片机扩展系统的思维导图，图中以MCS-51单片机为中心主题，8155、6264、74LS377、74LS244、8255A、DAC0832和ADC0809等扩展部件为分支主题，74LS138和74LS373为辅助器件，三组总线联系中心主题和分支主题，数据总线（P0）以灰色宽实线表示，地址总线（P0经74LS373、P2）以黑色线系表示，控制线RD和WR则以黑色双线型表示。P0口发出的A/D复用信号经74LS373分离
出低8位地址连接6264的低8位片内地址，6264的剩余片内地址由P2．0～P2．4提供，地址总线高3位P2．7、2．6、2．5经74LS138译码产生的～信号依次作为各个部件的片选信号，74LS377、74LS244和DAC0832实际相当于只有一个单元的存储器，只需片选信号即可，8255A和ADC0809同样可以看成是只有4个和8个存储单元的小型存储器，因此这些部件的扩展可以统一归为存储器的扩展。需要特别指出的是，由于8155芯片本身集成了地址锁存器，因而其D0～D7可以直接与P0口按位连接而不需要经74LS373锁存。
以思维导图形式给出的单片机系统扩展图以层次主题、颜色、线型等不同方式提供了更丰富的认知元素，有助于中职学生更清楚地把握单片机系统扩展的原理和方法，也有助于中职学生对于各扩展部件编址方法及系统地址的辨析和确认。如对图中6264采用全译码方式，系统最高3位地址001时片选信号有效，其余13位地址为8K空间的片内地址，所以6264的系统地址范围为：2000H～3FFFH。
结束语：
针对“单片机原理及应用”课程中，单片机结构体系知识点分散、体系层次结构难于把握等难点，本文提出借鉴和应用思维导图描绘和呈现单片机层次化结构体系，利用思维导图的层次主题关系以及不同形状、颜色、线形等元素增加单片机结构体系的直观性、整体性和关联性的教学方法分别给出了单片机内部结构、单片机系统扩展的思维导图，并结合单片机结构特点和思维导图特性对相关的认知和学习过程进行了评析。思维导图的层次主题结构和扩散性思维路径契合了单片机结构体系特点，并能够突出层次之间及不同功能部件之间的联系。教学实践结果表明，思维导图在单片机教学中的借鉴和应用提高了单片机结构体系内容的教学效率，有助于中职学生建立“系统-模块”思想，实现对单片机结构的整体性把握以及对相关工作原理和应用技术的理解和掌握。
参考文献：
［1］张鑫编著．单片机原理及应用（第3版）［M］．北京：电子工业出版社，2014．8．
［2］TonyBuzan，TheMindMapBook［M］．London：BBCActive，2006：3-25．
［3］王竹萍，姜云霞，任相花．基于思维导图的高效电路教学法的研究［J］．南京：电气电子教学学报，2011，33（6）：87-89．
［4］李楠，孔军辉．思维导图在“模拟电子技术”教学中的应用［J］．南京：电气电子教学学报，2013，35（6）：73-75．
［5］赵国庆．概念图、思维导图教学应用若干重要问题的探讨［J］．兰州：电化教育研究，2012，5：78-83．
论文作者:尧宗浩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/12
标签：单片机论文; 思维论文; 结构论文; 系统论文; 部件论文; 层次论文; 主题论文; 《电力设备》2018年第20期论文;