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現代教育思想與多媒體在微機原理教學(xué)中的實(shí)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(xué)中利用多媒體教學(xué)手段所進(jìn)行的實(shí)踐與研究。
關(guān)鍵詞：多媒體教學(xué)；現代教育思想；微機原理；模擬；虛擬；交互式；自主學(xué)習；網(wǎng)狀結構
1 引言
計算機多媒體與傳統教學(xué)媒體的根本不同點(diǎn)在于，前者具有融合性、集成控制性、非線(xiàn)性化、無(wú)結構性、相互交涉性、可編輯性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，把它運用于教育教學(xué)上，對教學(xué)信息進(jìn)行有效的組織與管理有多種形式，在構建理想的教學(xué)環(huán)境，培養發(fā)散性思維和多維空間聯(lián)想，提高學(xué)生學(xué)習興趣，促進(jìn)學(xué)生知識的獲取與保持，增強自主學(xué)習能力等具有多方面的效果。
先進(jìn)的教學(xué)媒體，只有在先進(jìn)的教育思想的指導下，才具有正確的路線(xiàn)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(jiǎn)單的進(jìn)行媒體更換，難以擺脫低層次的徘回�？梢哉f(shuō)多媒體教學(xué)課件水平的高低，應用價(jià)值的大小，除了要掌握多媒體技術(shù)以外，更取決于教師和設計人員現代教育理論的修養和綜合素質(zhì)。這就如同產(chǎn)品的加工和產(chǎn)品的設計之間的關(guān)系。
2 主要研究?jì)热菁皠?chuàng )新點(diǎn)
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(huà)面，實(shí)現了教學(xué)處理的第一步。如果將形象的畫(huà)面動(dòng)起來(lái)，讓學(xué)生在動(dòng)態(tài)的變化中認識事物的發(fā)展過(guò)程和變化規律，這樣的知識就不是僵化的，而是生動(dòng)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(gè)基本概念為例。課件是用時(shí)鐘校準—這個(gè)生活中的常識為例，講解微機原理中“補碼”這個(gè)概念的。畫(huà)面上設有“倒撥”和“正撥”按鈕，點(diǎn)擊某個(gè)按鈕，指針就會(huì )按逆時(shí)針或順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，時(shí)針每轉動(dòng)一格，顯示的數字也隨之變化，最后達到時(shí)鐘校準這個(gè)目的。圖1是“倒撥”時(shí)針進(jìn)程中的一個(gè)畫(huà)面，圖中以80x86CPU的編程結構為背景，首先提問(wèn)：“MPU內只有加法器，沒(méi)有減法器，如何實(shí)現減法操作呢？請看鐘表對時(shí)”。這時(shí)畫(huà)面上的鐘表和指針把學(xué)生的注意力已經(jīng)全部吸引過(guò)來(lái)了。圖2特別強調時(shí)針指向12點(diǎn)時(shí)，2數相加的結果=0，進(jìn)位‘1’舍掉。圖3是點(diǎn)擊“推論” 按鈕，很自然地引出“補碼”這個(gè)概念，并回答一開(kāi)始提出的“如何實(shí)現減法操作”這個(gè)問(wèn)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(shí)現‘子程序調用’和‘中斷服務(wù)程序’這2項極其重要的功能的基礎。傳統教學(xué)的一般做法是，教師在黑板上畫(huà)出堆棧內存分布圖，然后進(jìn)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(guān)而又形象地演示了把寄存器AX、BX、CX的內容壓棧保護，然后執行其它程序，接著(zhù)按相反順序把堆棧內容彈出到CX、BX、AX過(guò)程的一幕，然后自然而然的得出‘后進(jìn)先出’和‘數據保護’這2個(gè)結論。同樣圖5是把堆棧內容彈出到BX、CX、AX的順序進(jìn)行操作的一幕，最后可以把BX、CX的當前內容與堆棧操作前的內容相比較，引出利用堆棧操作實(shí)現‘數據傳遞’這一重要原理。這樣，在傳授和接受知識的過(guò)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(zhù)微電子技術(shù)的高速發(fā)展，CPU的內部結構越來(lái)越復雜，傳統的教學(xué)模式“教師-黑板-教科書(shū)-學(xué)生”已不適應大力發(fā)展素質(zhì)教育的需要。特別是現代CPU多以雙流水線(xiàn)或多流水線(xiàn)并行作業(yè)，盡管教科書(shū)上采用更詳盡的解釋?zhuān)處熡冒鍟?shū)作草圖更細致入微的講解，但某些關(guān)鍵的知識點(diǎn)仍無(wú)法描述清楚，甚至前后矛盾(比如一些教科書(shū)上關(guān)于IP指針的描述就是如此)。
現代CPU工作原理從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)還是地址流、數據流和控制信息在結構內部的流動(dòng)、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(dòng)關(guān)系，在Windows操作系統的支持下，只需一只鼠標就能感受到這種“虛擬-真實(shí)”的場(chǎng)景。以下面動(dòng)態(tài)演示中的幾幕來(lái)說(shuō)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’正在內部數據總線(xiàn)上傳輸，在執行加法操作的過(guò)程中，BIU正把下一條往存儲器送數指令MOV [104H],AL，從代碼段陸續取到預取指令隊列(代碼A2 04 01). 此時(shí)取指令指針I(yè)PX=108H, 執行指令指針I(yè)P=104H。
圖7是CPU執行往存儲器送數指令中的一幕，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(gè)偏移地址和數據段DS的內容(×16)送到了地址加法器，從而生成啟動(dòng)外部存儲器的物理地址。
圖9是CPU執行CALL指令中的一幕，這時(shí)BIU已生成把返回地址壓棧的物理地址(500FEH),正通過(guò)內部地址總線(xiàn)向總線(xiàn)接口部件傳輸，與此同時(shí)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備。圖10顯示的是，返回地址(1053H)送入外部存儲器的堆棧區的對應單元，總線(xiàn)接口部件發(fā)出寫(xiě)信號(/WR), 返回地址(1053H)寫(xiě)入堆棧指針SP指向的字單元。注意，與上述過(guò)程發(fā)生的同時(shí)，EU在加法器中生成了子程序入口偏移地址(2287H)，正通過(guò)內部16位數據總線(xiàn)，傳送給BIU，以便生成程序跳轉的物理地址，即子程序入口地址。
那么，在傳統教學(xué)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，然后生成子程序入口地址，接著(zhù)程序轉移到子程序去執行’。這一方面容易給人產(chǎn)生對上述2步是完全串行的錯覺(jué)，而且對CPU內部各部件的具體動(dòng)作及相互協(xié)調工作的時(shí)序關(guān)系，也是根本無(wú)法描述的。
2.3讓實(shí)驗現象進(jìn)課堂
大學(xué)微機原理的教學(xué)中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題是理論與實(shí)驗的脫節，理論課上往往不做任何演示實(shí)驗，比如讓學(xué)生實(shí)測觀(guān)察CPU各相關(guān)引腳輸出的時(shí)序波形，那是根本不可能的。因為實(shí)驗室不可能配備那種高檔的多蹤示波器，然而時(shí)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(shū)本上的時(shí)序圖畫(huà)在黑板上或顯示在投影機的屏幕上，然后諸條分時(shí)段講解。由于沒(méi)有真實(shí)感，CPU輸出的時(shí)序波形又極其繁雜，使得教師講解和學(xué)生理解起來(lái)都感到困難和乏味。
利用多媒體對圖象、動(dòng)畫(huà)、聲音處理的集成控制性和實(shí)時(shí)性來(lái)模擬多蹤示波器的輸出波形，讓實(shí)驗現象在課堂的大屏幕上清晰的展示出來(lái)，動(dòng)感真實(shí)、方便經(jīng)濟，有效地解決了理論與實(shí)驗的脫節問(wèn)題。
如下圖所示，播放一開(kāi)始，就把模擬示波器的屏幕顯示出來(lái)，屏幕右側設有觸發(fā)按鈕，點(diǎn)擊該按鈕，各相關(guān)引腳的波形隨時(shí)鐘clk而變化，在關(guān)鍵的時(shí)段還給出標注。而且每點(diǎn)擊觸發(fā)按鈕一次，就會(huì )重新演示一遍。圖11是存儲器讀周期中的時(shí)序追蹤的某個(gè)時(shí)刻。圖中顯示，T1時(shí)刻CPU輸出地址，T2時(shí)刻地址/數據總線(xiàn)(AD0～AD15)呈現高阻態(tài)。圖12是存儲器讀周期中的時(shí)序追蹤的又一個(gè)時(shí)刻。圖中顯示，T3狀態(tài)開(kāi)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讀出的信號出現在CPU的數據總線(xiàn)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(gè)自主學(xué)習、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、導航型、咨詢(xún)型的教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生樂(lè )于學(xué)、善于學(xué)，從而獲得有效的知識和知識保持。
在80x86CPU系統結構這一章的教學(xué)任務(wù)基本完成以后，傳統的教學(xué)方法是教師要對CPU的各個(gè)部件的名稱(chēng)和功能進(jìn)行綜合評述，或者讓學(xué)生做一道綜合填空題。結果是花了不少時(shí)間，費了很多口舌，成績(jì)優(yōu)秀的學(xué)生也只能答對40～50﹪。為解決這個(gè)問(wèn)題，我制作了如下具有多媒體交互氏特性的課件。
播放開(kāi)始，坐在桌前的卡通人物米老鼠一邊發(fā)話(huà)：“把對角線(xiàn)上各個(gè)部件與兩邊的功能說(shuō)明畫(huà)線(xiàn)連接起來(lái)！”，一邊作劃線(xiàn)示范動(dòng)作。學(xué)生可以按照“操作說(shuō)明”里的方法，用模擬筆逐個(gè)連線(xiàn)，全部完成后，點(diǎn)擊“ALL ANSWER”按鈕，由電腦給出正確答案；也可以每畫(huà)出一條線(xiàn)，點(diǎn)擊對應部件，立即得到答案。然后學(xué)生進(jìn)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(xiàn)。點(diǎn)擊“CLEAR”按鈕,清除全部答案。沒(méi)有答對的學(xué)生，可以重做一遍，這就顧及到了個(gè)體學(xué)生的差異性.實(shí)踐證明，只要重做三遍，所有學(xué)生都可以正確連線(xiàn)，比一般的課堂/外練習效果好多了，特別是對于成績(jì)差的學(xué)生。圖13顯示的就是學(xué)生和電腦進(jìn)行交互式學(xué)習的一個(gè)鏡頭。圖中曲線(xiàn)表示學(xué)生使用模擬筆畫(huà)出的連線(xiàn)，其中藍色曲線(xiàn)是正確的連線(xiàn)，黑色的曲線(xiàn)是錯誤的連線(xiàn)。而紅色雙箭頭直線(xiàn)是點(diǎn)擊‘ALL ANSWER’按鈕，由計算機給出的正確答案。
2.5構建網(wǎng)狀結構多媒體教材
傳統的教科書(shū)、音像和電視教材，其信息組織結構是線(xiàn)性的和有序的。這適合于以書(shū)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(cháng)期以來(lái)形成以教為中心的教育觀(guān)念的基礎。但學(xué)生對信息的接受是被動(dòng)的、固定的、模式化的�？茖W(xué)研究表明，人類(lèi)大腦的記憶和思維是網(wǎng)狀結構的，線(xiàn)性結構的教材客觀(guān)上限制了人類(lèi)聯(lián)想思維能力的發(fā)揮。
多媒體具有非線(xiàn)性、網(wǎng)狀結構的特性，對信息的組織由結點(diǎn)和表達結點(diǎn)之間關(guān)系的鏈組成的網(wǎng)，符合人的認知和思維的特點(diǎn)。使用這種非線(xiàn)性、無(wú)結構化的多媒體教材進(jìn)行瀏覽、查詢(xún)等操作，可以任意組合、跳轉。在自主學(xué)習的狀態(tài)下，一方面可以成為培養發(fā)散思維或創(chuàng )造性思維的基礎；另一方面，學(xué)生可以根據自己知識基礎、認知水平、興趣、學(xué)習方法的差異或帶著(zhù)問(wèn)題自定學(xué)習路徑，選擇自己需要的學(xué)習內容，促進(jìn)了學(xué)習個(gè)別化的實(shí)現。以如下幾個(gè)畫(huà)面為例。
圖14畫(huà)面可以看到兩個(gè)方面的內容：
�、賑pu在執行指令時(shí)取出下一條指令的并行操作中，地址流、數據流、控制信號的動(dòng)態(tài)邏輯。
�、� 設置8個(gè)圖標按鈕，各具有某種特定的功能，從功能的安排上來(lái)說(shuō)是無(wú)序的，非線(xiàn)性的。任意點(diǎn)擊某個(gè)按鈕，就會(huì )進(jìn)入對應的教學(xué)內容。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(yè)進(jìn)入，也可以從后面各頁(yè)進(jìn)入。
圖15是點(diǎn)擊圖14中‘堆棧操作’按鈕進(jìn)入后的一個(gè)畫(huà)面，可以看出這時(shí)已完成進(jìn)棧操作，出現了2個(gè)按鈕(出棧①和出棧②)，點(diǎn)擊這2個(gè)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(gè)基本原理。另外還有2個(gè)按鈕，分別完成啟動(dòng)音樂(lè )和返回。這4個(gè)按鈕的結構安排也是無(wú)序的。最能說(shuō)明該課件的多媒體非線(xiàn)性網(wǎng)狀結構特性的，還是上文中的圖13。圖中設置了可以直接看到的‘圖標按鈕’就有16個(gè)之多，任意點(diǎn)擊某個(gè)按鈕，就可以顯示圖標所指示的某一特定功能，或顯示一個(gè)功能系列，或播放悅耳柔美的音樂(lè )，或跳到最后一頁(yè)，或返回等等。這樣就為不同層次的學(xué)生提供了得心應手的多媒體學(xué)習環(huán)境。
3 結束語(yǔ)
綜上所述，計算機多媒體技術(shù)應用于“微機原理”教學(xué)中具有傳統教學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。然而，沒(méi)有任何一種媒體在所有場(chǎng)合都是最優(yōu)的，每種媒體都有自己擅長(cháng)的范圍，只有在先進(jìn)的教育教學(xué)理論的指導下，不同媒體相互配合，進(jìn)行精心地教學(xué)設計，才能最大限度地地發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢。如何實(shí)現多媒體技術(shù)與其他媒體，包括與傳統教學(xué)方式的完美結合，仍然是廣大教師不斷研究、實(shí)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(xué)[M].北京:人民教育出版社,1986.
[2] 沙蓮香主編. 傳播學(xué)[M]. 北京:人民教育出版社.
[3] 裴新風(fēng),尹令平,詹淘. 大學(xué)計算機基礎課程教學(xué)結構模式的研究[J]. 高等理科教育,2006,(5).
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