“二象结构”原理在“单片机”课程教学中的应用

郭天圣， 姜惠敏， 柴兆森, 任 玲

(石河子大学 机械电气工程学院， 新疆 石河子 832000)

“二象结构”原理在“单片机”课程教学中的应用

郭天圣， 姜惠敏， 柴兆森, 任 玲

(石河子大学 机械电气工程学院， 新疆 石河子 832000)

本文指出了“单片机”课程教学中需要注意的问题，提出了一种基于“二象结构”思想的“单片机”课程教学过程中出现问题的解决方法，给出了这种方法的具体应用案例，并指出使用这种方法应该注意的要点。

“单片机”课程；二象结构； 教学法

0 引言

“单片机”课程是工科院校非常重要的一门专业方向课程，无论在理论性方面还是在实践性方面，要求都比较高，所以历来被公认为是一门难教难学的课程。传统的“上课加实验”的讲授方法，在当前已不能满足社会对新型单片机技能型人才的需求， 为了解决上述问题，工作在教学一线的教师提出了很多创新性的教学法[1-4]。这些方法一定程度上解决了“单片机”课程教学中出现的问题，但笔者认为，“单片机”课程的教学要解决的首要问题不是让学生掌握“单片机”课程中的概念和方法等知识，而是要在学习的过程中，能够让其找到一种认识“单片机”课程的思想，即：让学生对“单片机”课程的认识，能够像呼吸空气一样感到自然和亲切，让这种方法成为学生思想的一部分。只有达到这般境界，才可能有效地保证在以后的课程中，学生能够熟练地使用单片机解决问题。

不同的认识方法区别在于对知识的划分和各个划分之间关系的认识。传统的授课过程以传统的“形式思维”为主，强调对客观对象的分解，而没有凸显客观对象要素之间的客观联系，这会导致学生无法实现对所学知识有系统的认识。“二象结构”在分析客观对象的过程中，对客观对象既有恰当的划分，同时又凸显了要素之间的联系，从而使认识上更具有系统性。本文基于“二象结构”的思想，提出了一种教学法，引导学生在学习过程中，从系统的角度认识问题。

1 “二象结构”

客观物质世界中存在着普遍的具有对偶关系的系统。这些对偶元素保持着既独立又统一或是互动互长的关系, 称为“二象结构”[5]。“二象结构”观是辩证法的一种推广和应用，该观念认为一个系统是由实象和虚象组成，前者为系统中的客观对象，后者则为与客观对象存在对照的关系。实象通过与虚象的组合，形成一个整体，共同实现由结构定义的功能。“二象结构”在客观存在的各个层次上是通用的，它广泛运用在物理，数学，哲学和生物学中，是人们公有的思维方法。比如宏观世界的二象性认为，宇宙和自然是由“二象”组成的，有形的宇宙称为实像，其余的空间包括各种场叫做虚像。

2 单片机中的“二象结构”

在 “单片机”课程中，很多重要的概念可以用“二象结构”教学法去解释和理解，这些概念既包括了对硬件描述的概念，也包括指导编程过程的思想，甚至是开发平台的工作流程也可以用“二象结构”去解释和理解。

首先讨论和硬件相关的“二象结构”。在单片机中，硬件是以结构的形态存在。分析单片机的硬件，可以从整体上用“二象结构”的思想对硬件系统进行分析，也可以从局部的角度对硬件系统进行分析。比如笔者以为：“模块”是单片机系统中的客观物理存在，包括CPU模块、中断模块、定时器模块和I/O口模块。其中，CPU模块通过向其他各个模块的控制寄存器写控制字的方式，实现对其他各个模块的控制，这说明CPU模块和其他模块之间存在的控制关系。在单片机系统中，各个模块是“二象结构”中的实象，而CPU对其他模块的控制关系则是“二象结构”中的虚象。

CPU模块之外的其他模块，其结构可以分为控制寄存器部分和功能部件部分。比如定时器模块中，TCON和TMOD是模块中的控制寄存器，而计数器是定时器模块中的功能部分[6]。很显然，控制寄存器对功能部分有控制作用。根据“二象结构”的理论，可以知道控制寄存器和功能部分是“二象结构”中的实象，而两者之间的控制关系则是“二象结构”中的虚象。单片机的其它各个模块，也可以用类似的方法完成对模块的分析。

结构和流程是组织程序的基本概念，两者同样体现了“二象结构”思想。

结构是组成整体的各部分的搭配和安排。在一个系统中，首先是明确系统的组成要素，然后在这个基础上研究要素之间的联系，从而能够进一步明确功能。在这个过程中，系统的要素是“二象结构”中的实象，而要素之间的联系是“二象结构”中的虚象。

流程是事物进行中的次序或顺序的布置和安排。流程可以根据任务的不同，可以分解成若干个阶段。在不同的阶段完成不同的任务，各个阶段要有逻辑上的联系，才能实现特定的目的。在流程的每个阶段是“二象结构”中的实象，而它们之间的联系是“二象结构”中的虚象。

单片机程序是以流程的形态存在。在C51程序中，有三种函数类型：主函数、功能子函数和中断子函数。

主函数用来对中断模块进行管理，以及管理功能子函数，所以可以称为组织块。

功能子函数实现具体问题中需要实现的特定功能，所以称为功能块。功能子函数在程序中是通过软件触发而执行其代码。

中断子函数也是用来实现特定功能的子函数，但它是基于中断源的中断信号来完成触发的，所以称之为中断子函数。

在程序的执行过程中，执行的起点是主函数，在主函数的执行过程中，会触发功能子函数的执行，这些功能子函数执行，就体现了流程。各个子程序是“二象结构”中的实象，而子程序执行的先后体现了“二象结构”的虚象。

在单片机的开发软件平台，其使用过程也体现了“二象结构”。在一般的平台上，其过程可以分为代码编辑、编译、仿真和调试。如果从每个阶段所包含的信息量考察，可以发现，后一个阶段所包含的信息量要大于前一个阶段所包含的信息量，这就体现了所谓的增量式关系。如果我们从“二象结构”的角度考察，很容易理解，过程中的各个阶段是“二象结构”的实象，而增量式的关系则是“二象结构”中的虚象，从而也解释了流程的不可以逆序。

3 教学法的设计

在“单片机”课程教学中，基于“二象结构”的教学法在其入门过程是一个较难的阶段，但学生一旦掌握了“二象结构”这种方法后，学生便可以使用这种方法高效的认识概念、过程、拓展以及其应用。在教学过程中，为了快速的让学生掌握这种思维方法，并且能够使用这种方法，教师在教学设计上，可以参照表1所示的步骤进行教学设计。

表1 基于“二象结构”的教学法教学步骤

以C51程序的概念教学过程为例，展示设计步骤如下：

(1) 原理引导：从中国的“阴阳学”出发，引导学生对“二象结构”有一个感性的认识；

(2) 结构分析：“阴阳学”中，阴阳的基本结构为阴象和阳象两个部分，两者互相作用，彼此影响，形成一个系统。

(3)函数概念：在CS1程序中，介绍主函数，子函数和中断子函数三种函数的结构，并举例说明。

(4) 基于“二象结构”的原理进行分析：主函数是程序中起到组织作用的部分，而子函数则是实现特定的功能，构成“二象结构”的实像。而函数之间的在执行过程中所体现的运动关系，构成“二象结构”的虚像。

4基于“二象结构”教学法的效果调查

笔者在长期的实践教学过程中，根据对学生学习效果的追踪后发现，在采用“二象结构”的教学法后，学生在学习效果上，呈现了两点可喜的变化：

(1)学生对知识点理解难度降低，学习积极性也显著提升。

(2)学生的学习效率大幅提高，对知识点的理解也更加深刻。

以上两点的出现，可能是因为基于“二象结构”的教学法可以有效的让学生串联起所学知识的知识点，更加深刻的理解对象之间关系，同时学生也可以通过“二象结构”，准确和自觉的把握所学内容的重点和难点，客观上培养了较强的自学能力。

5 结语

需要强调的是虽然“二象结构”教学法在教学的过程中，可以较好地解决学生在学习过程中知识碎片化和学习效率低下的问题，但这种方法需要和传统的“形式思维”教学法配合。笔者认为“二象结构”教学法在其它课程教学中，在理论上也应该具有适用性。

[1] 乔建华,李临生,田启川.Proteus在单片机教学中的应用分析[J].南京：电气电子教学学报,2008,30(3)：70-73.

[2] 张兰红，陆广平.我校“单片机”课程的教学改革[J]. 南京：电气电子教学学报,2014,36(1)：27-36.

[3] 徐朝农. “单片机原理”课程逐步启发式的课程设计[J].南京：电气电子教学学报,2016,38(1)：115-117.

[4] 陈飞，顾启民，王伟. 基于 Proteus 和 Keil 的项目教学法在单片机教学中的应用[J]. 成都：实验科学与技术,2013,11(5):48-52.

[5] 高隆昌.系统学原理[ M] .北京:科学出版社, 2005 :48-50 .

[6] 张毅刚.单片机原理及应用 [ M] .北京:高等教学出版社, 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，硕士，讲师，主要从事电子技术的教学与研究，E-mail:guotiansheng@ foxmail. com

N42

A

1008-0686(2017)03-0070-03