現(xiàn)代教育思想與多媒體在微機原理教學(xué)中的實踐與研究

文章編號：1672-5913(2008)18-0101-04

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

關(guān)鍵詞：多媒體教學(xué)；現(xiàn)代教育思想；微機原理；模擬；虛擬；交互式；自主學(xué)習(xí)；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

計算機多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)媒體的根本不同點在于，前者具有融合性、集成控制性、非線性化、無結(jié)構(gòu)性、相互交涉性、可編輯性和實時性等特點，把它運用于教育教學(xué)上，對教學(xué)信息進行有效的組織與管理有多種形式，在構(gòu)建理想的教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)發(fā)散性思維和多維空間聯(lián)想，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生知識的獲取與保持，增強自主學(xué)習(xí)能力等具有多方面的效果。

先進的教學(xué)媒體，只有在先進的教育思想的指導(dǎo)下，才具有正確的路線和方向，具有活的靈魂，具有廣闊的創(chuàng)作天地。如果承襲落后的教學(xué)思想，沿用陳舊的教學(xué)方法，簡單的進行媒體更換，難以擺脫低層次的徘回?？梢哉f多媒體教學(xué)課件水平的高低，應(yīng)用價值的大小，除了要掌握多媒體技術(shù)以外，更取決于教師和設(shè)計人員現(xiàn)代教育理論的修養(yǎng)和綜合素質(zhì)。這就如同產(chǎn)品的加工和產(chǎn)品的設(shè)計之間的關(guān)系。

2主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點

2.1變抽象的講解為形象的演示

將抽象的知識轉(zhuǎn)化為形象的畫面，實現(xiàn)了教學(xué)處理的第一步。如果將形象的畫面動起來，讓學(xué)生在動態(tài)的變化中認(rèn)識事物的發(fā)展過程和變化規(guī)律，這樣的知識就不是僵化的，而是生動的，這樣的教學(xué)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(zhǔn)—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(shè)有“倒撥”和“正撥”按鈕，點擊某個按鈕，指針就會按逆時針或順時針方向轉(zhuǎn)動，時針每轉(zhuǎn)動一格，顯示的數(shù)字也隨之變化，最后達(dá)到時鐘校準(zhǔn)這個目的。圖1是“倒撥”時針進程中的一個畫面，圖中以80x86CPU的編程結(jié)構(gòu)為背景，首先提問：“MPU內(nèi)只有加法器，沒有減法器，如何實現(xiàn)減法操作呢？請看鐘表對時”。這時畫面上的鐘表和指針把學(xué)生的注意力已經(jīng)全部吸引過來了。圖2特別強調(diào)時針指向12點時，2數(shù)相加的結(jié)果=0，進位‘1’舍掉。圖3是點擊“推論” 按鈕，很自然地引出“補碼”這個概念，并回答一開始提出的“如何實現(xiàn)減法操作”這個問題。

“堆棧操作”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(xiàn)‘子程序調(diào)用’和‘中斷服務(wù)程序’這2項極其重要的功能的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)教學(xué)的一般做法是，教師在黑板上畫出堆棧內(nèi)存分布圖，然后進行詳盡的講解 ，費勁口舌然而效果并不那么理想。

圖4以堆放積木為例，直觀而又形象地演示了把寄存器AX、BX、CX的內(nèi)容壓棧保護，然后執(zhí)行其它程序，接著按相反順序把堆棧內(nèi)容彈出到CX、BX、AX過程的一幕，然后自然而然的得出‘后進先出’和‘?dāng)?shù)據(jù)保護’這2個結(jié)論。同樣圖5是把堆棧內(nèi)容彈出到BX、CX、AX的順序進行操作的一幕，最后可以把BX、CX的當(dāng)前內(nèi)容與堆棧操作前的內(nèi)容相比較，引出利用堆棧操作實現(xiàn)‘?dāng)?shù)據(jù)傳遞’這一重要原理。這樣，在傳授和接受知識的過程中，教師感到輕松愉快，學(xué)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(shù)的高速發(fā)展，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)模式“教師-黑板-教科書-學(xué)生”已不適應(yīng)大力發(fā)展素質(zhì)教育的需要。特別是現(xiàn)代CPU多以雙流水線或多流水線并行作業(yè)，盡管教科書上采用更詳盡的解釋，教師用板書作草圖更細(xì)致入微的講解，但某些關(guān)鍵的知識點仍無法描述清楚，甚至前后矛盾(比如一些教科書上關(guān)于IP指針的描述就是如此)。

現(xiàn)代CPU工作原理從本質(zhì)上來說還是地址流、數(shù)據(jù)流和控制信息在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流動、變化和相互作用。運用多媒體技術(shù)模擬這三者之間的運動關(guān)系，在Windows操作系統(tǒng)的支持下，只需一只鼠標(biāo)就能感受到這種“虛擬-真實”的場景。以下面動態(tài)演示中的幾幕來說明：

圖6是CPU執(zhí)行‘2+3’操作中的一幕(操作碼‘04’)，可以看到執(zhí)行部件EU在加法器中已完成加法運算， 和‘⑤’正在內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上傳輸，在執(zhí)行加法操作的過程中，BIU正把下一條往存儲器送數(shù)指令MOV [104H]，AL，從代碼段陸續(xù)取到預(yù)取指令隊列(代碼A2 04 01). 此時取指令指針I(yè)PX=108H， 執(zhí)行指令指針I(yè)P=104H。

圖7是CPU執(zhí)行往存儲器送數(shù)指令中的一幕，EU對指令譯碼生成存儲器的偏移地址(0104H)送給BIU。圖8是BIU把這個偏移地址和數(shù)據(jù)段DS的內(nèi)容(×16)送到了地址加法器，從而生成啟動外部存儲器的物理地址。

圖9是CPU執(zhí)行CALL指令中的一幕，這時BIU已生成把返回地址壓棧的物理地址(500FEH)，正通過內(nèi)部地址總線向總線接口部件傳輸，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，為生成子程序入口的偏移地址作準(zhǔn)備。圖10顯示的是，返回地址(1053H)送入外部存儲器的堆棧區(qū)的對應(yīng)單元，總線接口部件發(fā)出寫信號(/WR)， 返回地址(1053H)寫入堆棧指針SP指向的字單元。注意，與上述過程發(fā)生的同時，EU在加法器中生成了子程序入口偏移地址(2287H)，正通過內(nèi)部16位數(shù)據(jù)總線，傳送給BIU，以便生成程序跳轉(zhuǎn)的物理地址，即子程序入口地址。

那么，在傳統(tǒng)教學(xué)中是如何講述這一段內(nèi)容的呢？是這樣的：‘首先把返回地址壓棧，然后生成子程序入口地址，接著程序轉(zhuǎn)移到子程序去執(zhí)行’。這一方面容易給人產(chǎn)生對上述2步是完全串行的錯覺，而且對CPU內(nèi)部各部件的具體動作及相互協(xié)調(diào)工作的時序關(guān)系，也是根本無法描述的。

2.3讓實驗現(xiàn)象進課堂

大學(xué)微機原理的教學(xué)中普遍存在的一個問題是理論與實驗的脫節(jié)，理論課上往往不做任何演示實驗，比如讓學(xué)生實測觀察CPU各相關(guān)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，然而時序圖對于學(xué)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屏幕上，然后諸條分時段講解。由于沒有真實感，CPU輸出的時序波形又極其繁雜，使得教師講解和學(xué)生理解起來都感到困難和乏味。

利用多媒體對圖象、動畫、聲音處理的集成控制性和實時性來模擬多蹤示波器的輸出波形，讓實驗現(xiàn)象在課堂的大屏幕上清晰的展示出來，動感真實、方便經(jīng)濟，有效地解決了理論與實驗的脫節(jié)問題。

如下圖所示，播放一開始，就把模擬示波器的屏幕顯示出來，屏幕右側(cè)設(shè)有觸發(fā)按鈕，點擊該按鈕，各相關(guān)引腳的波形隨時鐘clk而變化，在關(guān)鍵的時段還給出標(biāo)注。而且每點擊觸發(fā)按鈕一次，就會重新演示一遍。圖11是存儲器讀周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/數(shù)據(jù)總線(AD0～AD15)呈現(xiàn)高阻態(tài)。圖12是存儲器讀周期中的時序追蹤的又一個時刻。圖中顯示，T3狀態(tài)開始，檢測READY引腳有效，/RD讀信號有效，T3～T4狀態(tài)從存儲器或I/O讀出的信號出現(xiàn)在CPU的數(shù)據(jù)總線上。

2.4發(fā)揮多媒體交互式特性

利用多媒體的交互特性，可以為學(xué)生創(chuàng)造一個自主學(xué)習(xí)、自發(fā)求知的環(huán)境，變以教師的灌輸為主的課堂教學(xué)為以學(xué)生為主的討論性、導(dǎo)航型、咨詢型的教學(xué)活動，使學(xué)生樂于學(xué)、善于學(xué)，從而獲得有效的知識和知識保持。

在80x86CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這一章的教學(xué)任務(wù)基本完成以后，傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)生做一道綜合填空題。結(jié)果是花了不少時間，費了很多口舌，成績優(yōu)秀的學(xué)生也只能答對40～50﹪。為解決這個問題，我制作了如下具有多媒體交互氏特性的課件。

播放開始，坐在桌前的卡通人物米老鼠一邊發(fā)話：“把對角線上各個部件與兩邊的功能說明畫線連接起來！”，一邊作劃線示范動作。學(xué)生可以按照“操作說明”里的方法，用模擬筆逐個連線，全部完成后，點擊“ALL ANSWER”按鈕，由電腦給出正確答案；也可以每畫出一條線，點擊對應(yīng)部件，立即得到答案。然后學(xué)生進行自我驗證，也可以相互討論。然后用模擬橡皮擦除自己不正確的連線。點擊“CLEAR”按鈕，清除全部答案。沒有答對的學(xué)生，可以重做一遍，這就顧及到了個體學(xué)生的差異性.實踐證明，只要重做三遍，所有學(xué)生都可以正確連線，比一般的課堂/外練習(xí)效果好多了，特別是對于成績差的學(xué)生。圖13顯示的就是學(xué)生和電腦進行交互式學(xué)習(xí)的一個鏡頭。圖中曲線表示學(xué)生使用模擬筆畫出的連線，其中藍(lán)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擊‘ALL ANSWER’按鈕，由計算機給出的正確答案。

2.5構(gòu)建網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)多媒體教材

傳統(tǒng)的教科書、音像和電視教材，其信息組織結(jié)構(gòu)是線性的和有序的。這適合于以書本等為媒體，以知識教育，應(yīng)試教育為主導(dǎo)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(chǔ)。但學(xué)生對信息的接受是被動的、固定的、模式化的?？茖W(xué)研究表明，人類大腦的記憶和思維是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的，線性結(jié)構(gòu)的教材客觀上限制了人類聯(lián)想思維能力的發(fā)揮。

多媒體具有非線性、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特性，對信息的組織由結(jié)點和表達(dá)結(jié)點之間關(guān)系的鏈組成的網(wǎng)，符合人的認(rèn)知和思維的特點。使用這種非線性、無結(jié)構(gòu)化的多媒體教材進行瀏覽、查詢等操作，可以任意組合、跳轉(zhuǎn)。在自主學(xué)習(xí)的狀態(tài)下，一方面可以成為培養(yǎng)發(fā)散思維或創(chuàng)造性思維的基礎(chǔ)；另一方面，學(xué)生可以根據(jù)自己知識基礎(chǔ)、認(rèn)知水平、興趣、學(xué)習(xí)方法的差異或帶著問題自定學(xué)習(xí)路徑，選擇自己需要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，促進了學(xué)習(xí)個別化的實現(xiàn)。以如下幾個畫面為例。

圖14畫面可以看到兩個方面的內(nèi)容：

①cpu在執(zhí)行指令時取出下一條指令的并行操作中，地址流、數(shù)據(jù)流、控制信號的動態(tài)邏輯。

② 設(shè)置8個圖標(biāo)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。任意點擊某個按鈕，就會進入對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。這些出口具有發(fā)散性，而它的入口具有集合性，可以從首頁進入，也可以從后面各頁進入。

圖15是點擊圖14中‘堆棧操作’按鈕進入后的一個畫面，可以看出這時已完成進棧操作，出現(xiàn)了2個按鈕(出棧①和出棧②)，點擊這2個按鈕是任選的，分別完成2種出棧的邏輯順序，以便講述堆棧操作的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(jié)構(gòu)安排也是無序的。最能說明該課件的多媒體非線性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特性的，還是上文中的圖13。圖中設(shè)置了可以直接看到的‘圖標(biāo)按鈕’就有16個之多，任意點擊某個按鈕，就可以顯示圖標(biāo)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，或跳到最后一頁，或返回等等。這樣就為不同層次的學(xué)生提供了得心應(yīng)手的多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境。

3結(jié)束語

綜上所述，計算機多媒體技術(shù)應(yīng)用于“微機原理”教學(xué)中具有傳統(tǒng)教學(xué)無法比擬的優(yōu)點。然而，沒有任何一種媒體在所有場合都是最優(yōu)的，每種媒體都有自己擅長的范圍，只有在先進的教育教學(xué)理論的指導(dǎo)下，不同媒體相互配合，進行精心地教學(xué)設(shè)計，才能最大限度地地發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢。如何實現(xiàn)多媒體技術(shù)與其他媒體，包括與傳統(tǒng)教學(xué)方式的完美結(jié)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(xiàn)

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