現代教育思想與多媒體在微機原理教學中的實踐與研究論文

摘要：本文以現代教育思想為指導，闡述了在微機原理教學中利用多媒體教學手段所進行的實踐與研究。

關鍵詞：多媒體教學；現代教育思想；微機原理；模擬；虛擬；互動式；自主學習；網狀結構

1 引言

計算機多媒體與傳統教學媒體的根本不同點在於，前者具有融合性、整合控制性、非線性化、無結構性、相互交涉性、可編輯性和實時性等特點，把它運用於教育教學上，對教學資訊進行有效的組織與管理有多種形式，在構建理想的教學環境，培養髮散性思維和多維空間聯想，提高學生學習興趣，促進學生知識的獲取與保持，增強自主學習能力等具有多方面的效果。

先進的教學媒體，只有在先進的教育思想的指導下，才具有正確的路線和方向，具有活的靈魂，具有廣闊的創作天地。如果承襲落後的教學思想，沿用陳舊的教學方法，簡單的進行媒體更換，難以擺脫低層次的徘迴。可以說多媒體教學課件水平的高低，應用價值的大小，除了要掌握多媒體技術以外，更取決於教師和設計人員現代教育理論的修養和綜合素質。這就如同產品的加工和產品的設計之間的關係。

2 主要研究內容及創新點

2.1變抽象的講解為形象的演示

將抽象的知識轉化為形象的畫面，實現了教學處理的第一步。如果將形象的畫面動起來，讓學生在動態的變化中認識事物的發展過程和變化規律，這樣的知識就不是僵化的，而是生動的，這樣的教學就不是乏味的，而是趣味盎然的了。

以微機原理中“補碼”這個基本概念為例。課件是用時鐘校準—這個生活中的常識為例，講解微機原理中“補碼”這個概念的。畫面上設有“倒撥”和“正撥”按鈕，點選某個按鈕，指標就會按逆時針或順時針方向轉動，時針每轉動一格，顯示的數字也隨之變化，最後達到時鐘校準這個目的。圖1是“倒撥”時針程序中的一個畫面，圖中以80x86CPU的程式設計結構為背景，首先提問：“MPU內只有加法器，沒有減法器，如何實現減法操作呢？請看鐘表對時”。這時畫面上的鐘表和指標把學生的注意力已經全部吸引過來了。圖2特別強調時針指向12點時，2數相加的結果=0，進位‘1’舍掉。圖3是點選“推論” 按鈕，很自然地引出“補碼”這個概念，並回答一開始提出的“如何實現減法操作”這個問題。

“堆疊操作”原理是微機原理中最重要也是最基本的原理之一，因為它是實現‘子程式呼叫’和‘中斷服務程式’這2項極其重要的功能的基礎。傳統教學的一般做法是，教師在黑板上畫出堆疊記憶體分佈圖，然後進行詳盡的講解 ，費勁口舌然而效果並不那麼理想。

圖4以堆放積木為例，直觀而又形象地演示了把暫存器AX、BX、CX的內容壓棧保護，然後執行其它程式，接著按相反順序把堆疊內容彈出到CX、BX、AX過程的一幕，然後自然而然的得出‘後進先出’和‘資料保護’這2個結論。同樣圖5是把堆疊內容彈出到BX、CX、AX的順序進行操作的一幕，最後可以把BX、CX的當前內容與堆疊操作前的內容相比較，引出利用堆疊操作實現‘資料傳遞’這一重要原理。這樣，在傳授和接受知識的過程中，教師感到輕鬆愉快，學生也興趣濃濃。如圖1所示。

2.2模擬逼真的虛擬情景

隨著微電子技術的高速發展，CPU的內部結構越來越複雜，傳統的教學模式“教師-黑板-教科書-學生”已不適應大力發展素質教育的需要。特別是現代CPU多以雙流水線或多流水線並行作業，儘管教科書上採用更詳盡的解釋，教師用板書作草圖更細緻入微的講解，但某些關鍵的知識點仍無法描述清楚，甚至前後矛盾(比如一些教科書上關於IP指標的描述就是如此)。

現代CPU工作原理從本質上來說還是地址流、資料流和控制資訊在結構內部的流動、變化和相互作用。運用多媒體技術模擬這三者之間的運動關係，在Windows作業系統的支援下，只需一隻滑鼠就能感受到這種“虛擬-真實”的場景。以下面動態演示中的幾幕來說明：

圖6是CPU執行‘2+3’操作中的一幕(操作碼‘04’),可以看到執行部件EU在加法器中已完成加法運算, 和‘⑤’正在內部資料匯流排上傳輸，在執行加法操作的過程中，BIU正把下一條往儲存器送數指令MOV [104H],AL，從程式碼段陸續取到預取指令佇列(程式碼A2 04 01). 此時取指令指標IPX=108H, 執行指令指標IP=104H。

圖7是CPU執行往儲存器送數指令中的一幕，EU對指令譯碼生成儲存器的偏移地址(0104H)送給BIU。圖8是BIU把這個偏移地址和資料段DS的內容(×16)送到了地址加法器，從而生成啟動外部儲存器的實體地址。

圖9是CPU執行CALL指令中的一幕，這時BIU已生成把返回地址壓棧的實體地址(500FEH),正通過內部地址匯流排向匯流排介面部件傳輸，與此同時EU正把指令中的相對位移量(1234H)送入加法器上方的暫存器，為生成子程式入口的偏移地址作準備。圖10顯示的是，返回地址(1053H)送入外部儲存器的堆疊區的對應單元，匯流排介面部件發出寫訊號(/WR), 返回地址(1053H)寫入堆疊指標SP指向的字單元。注意，與上述過程發生的同時，EU在加法器中生成了子程式入口偏移地址(2287H)，正通過內部16位資料匯流排，傳送給BIU，以便生成程式跳轉的實體地址，即子程式入口地址。

那麼，在傳統教學中是如何講述這一段內容的呢？是這樣的：‘首先把返回地址壓棧，然後生成子程式入口地址，接著程式轉移到子程式去執行’。這一方面容易給人產生對上述2步是完全序列的錯覺，而且對CPU內部各部件的具體動作及相互協調工作的時序關係，也是根本無法描述的。

2.3讓實驗現象進課堂

大學微機原理的教學中普遍存在的一個問題是理論與實驗的脫節，理論課上往往不做任何演示實驗，比如讓學生實測觀察CPU各相關引腳輸出的時序波形，那是根本不可能的。因為實驗室不可能配備那種高檔的多蹤示波器，然而時序圖對於學生理解CPU的工作原理是極其重要的。各高校教師的普遍做法是把書本上的時序圖畫在黑板上或顯示在投影機的螢幕上，然後諸條分時段講解。由於沒有真實感，CPU輸出的時序波形又極其繁雜，使得教師講解和學生理解起來都感到困難和乏味。

利用多媒體對圖象、動畫、聲音處理的整合控制性和實時性來模擬多蹤示波器的輸出波形，讓實驗現象在課堂的大螢幕上清晰的展示出來，動感真實、方便經濟，有效地解決了理論與實驗的脫節問題。

如下圖所示，播放一開始，就把模擬示波器的螢幕顯示出來，螢幕右側設有觸發按鈕，點選該按鈕，各相關引腳的波形隨時鐘clk而變化，在關鍵的時段還給出標註。而且每點選觸發按鈕一次，就會重新演示一遍。圖11是儲存器讀週期中的時序追蹤的某個時刻。圖中顯示，T1時刻CPU輸出地址，T2時刻地址/資料匯流排(AD0～AD15)呈現高阻態。圖12是儲存器讀週期中的時序追蹤的又一個時刻。圖中顯示，T3狀態開始，檢測READY引腳有效，/RD讀訊號有效，T3～T4狀態從儲存器或I/O讀出的訊號出現在CPU的資料匯流排上。

2.4發揮多媒體互動式特性

利用多媒體的互動特性，可以為學生創造一個自主學習、自發求知的環境，變以教師的灌輸為主的課堂教學為以學生為主的討論性、導航型、諮詢型的教學活動，使學生樂於學、善於學，從而獲得有效的知識和知識保持。

在80x86CPU系統結構這一章的教學任務基本完成以後，傳統的教學方法是教師要對CPU的各個部件的名稱和功能進行綜合評述，或者讓學生做一道綜合填空題。結果是花了不少時間，費了很多口舌，成績優秀的學生也只能答對40～50?。為解決這個問題，我製作瞭如下具有多媒體互動氏特性的課件。

播放開始，坐在桌前的卡通人物米老鼠一邊發話：“把對角線上各個部件與兩邊的功能說明畫線連線起來！”，一邊作劃線示範動作。學生可以按照“操作說明”裡的方法，用模擬筆逐個連線，全部完成後，點選“ALL ANSWER”按鈕，由電腦給出正確答案；也可以每畫出一條線，點選對應部件，立即得到答案。然後學生進行自我驗證，也可以相互討論。然後用模擬橡皮擦除自己不正確的連線。點選“CLEAR”按鈕,清除全部答案。沒有答對的學生，可以重做一遍，這就顧及到了個體學生的差異性.實踐證明，只要重做三遍，所有學生都可以正確連線，比一般的`課堂/外練習效果好多了，特別是對於成績差的學生。圖13顯示的就是學生和電腦進行互動式學習的一個鏡頭。圖中曲線表示學生使用模擬筆畫出的連線，其中藍色曲線是正確的連線，黑色的曲線是錯誤的連線。而紅色雙箭頭直線是點選‘ALL ANSWER’按鈕，由計算機給出的正確答案。

2.5構建網狀結構多媒體教材

傳統的教科書、音像和電視教材，其資訊組織結構是線性的和有序的。這適合於以書本等為媒體，以知識教育，應試教育為主導的教育方式，這也是長期以來形成以教為中心的教育觀念的基礎。但學生對資訊的接受是被動的、固定的、模式化的。科學研究表明，人類大腦的記憶和思維是網狀結構的，線性結構的教材客觀上限制了人類聯想思維能力的發揮。

多媒體具有非線性、網狀結構的特性，對資訊的組織由結點和表達結點之間關係的鏈組成的網，符合人的認知和思維的特點。使用這種非線性、無結構化的多媒體教材進行瀏覽、查詢等操作，可以任意組合、跳轉。在自主學習的狀態下，一方面可以成為培養髮散思維或創造性思維的基礎；另一方面，學生可以根據自己知識基礎、認知水平、興趣、學習方法的差異或帶著問題自定學習路徑，選擇自己需要的學習內容，促進了學習個別化的實現。以如下幾個畫面為例。

圖14畫面可以看到兩個方面的內容：

①cpu在執行指令時取出下一條指令的並行操作中，地址流、資料流、控制訊號的動態邏輯。

② 設定8個圖示按鈕，各具有某種特定的功能，從功能的安排上來說是無序的，非線性的。任意點選某個按鈕，就會進入對應的教學內容。這些出口具有發散性，而它的入口具有集合性，可以從首頁進入，也可以從後面各頁進入。

圖15是點選圖14中‘堆疊操作’按鈕進入後的一個畫面，可以看出這時已完成進棧操作，出現了2個按鈕(出棧①和出棧②)，點選這2個按鈕是任選的，分別完成2種出棧的邏輯順序，以便講述堆疊操作的2個基本原理。另外還有2個按鈕，分別完成啟動音樂和返回。這4個按鈕的結構安排也是無序的。最能說明該課件的多媒體非線性網狀結構特性的，還是上文中的圖13。圖中設定了可以直接看到的‘圖示按鈕’就有16個之多，任意點選某個按鈕，就可以顯示圖示所指示的某一特定功能，或顯示一個功能系列，或播放悅耳柔美的音樂，或跳到最後一頁，或返回等等。這樣就為不同層次的學生提供了得心應手的多媒體學習環境。

3 結束語

綜上所述，計算機多媒體技術應用於“微機原理”教學中具有傳統教學無法比擬的優點。然而，沒有任何一種媒體在所有場合都是最優的，每種媒體都有自己擅長的範圍，只有在先進的教育教學理論的指導下，不同媒體相互配合，進行精心地教學設計，才能最大限度地地發揮多媒體的優勢。如何實現多媒體技術與其他媒體，包括與傳統教學方式的完美結合，仍然是廣大教師不斷研究、實踐和探索的重要科題。

參 考 文 獻

[1] 伍棠櫪,李伯禾,吳福元. 心理學[M].北京:人民教育出版社,1986.

[2] 沙蓮香主編. 傳播學[M]. 北京:人民教育出版社.

[3] 裴新風,尹令平,詹淘. 大學計算機基礎課程教學結構模式的研究[J]. 高等理科教育,2006,(5).