现代教育思想与多媒体在微机原理教学中的实践与研究论文
摘要：本文以现代教育思想为指导，阐述了在微机原理教学中利用多媒体教学手段所进行的实践与研究。
关键词：多媒体教学；现代教育思想；微机原理；模拟；虚拟；交互式；自主学习；网状结构
1 引言
计算机多媒体与传统教学媒体的根本不同点在于，前者具有融合性、集成控制性、非线性化、无结构性、相互交涉性、可编辑性和实时性等特点，把它运用于教育教学上，对教学信息进行有效的组织与管理有多种形式，在构建理想的教学环境，培养发散性思维和多维空间联想，提高学生学习兴趣，促进学生知识的获取与保持，增强自主学习能力等具有多方面的效果。
先进的教学媒体，只有在先进的教育思想的指导下，才具有正确的路线和方向，具有活的灵魂，具有广阔的创作天地。如果承袭落后的教学思想，沿用陈旧的教学方法，简单的进行媒体更换，难以摆脱低层次的徘回。可以说多媒体教学课件水平的高低，应用价值的大小，除了要掌握多媒体技术以外，更取决于教师和设计人员现代教育理论的修养和综合素质。这就如同产品的加工和产品的设计之间的关系。
2 主要研究内容及创新点
2.1变抽象的讲解为形象的演示
将抽象的知识转化为形象的画面，实现了教学处理的第一步。如果将形象的画面动起来，让学生在动态的变化中认识事物的发展过程和变化规律，这样的知识就不是僵化的，而是生动的，这样的教学就不是乏味的，而是趣味盎然的了。
以微机原理中“补码”这个基本概念为例。课件是用时钟校准—这个生活中的常识为例，讲解微机原理中“补码”这个概念的。画面上设有“倒拨”和“正拨”按钮，点击某个按钮，指针就会按逆时针或顺时针方向转动，时针每转动一格，显示的数字也随之变化，最后达到时钟校准这个目的。图1是“倒拨”时针进程中的一个画面，图中以80x86CPU的编程结构为背景，首先提问：“MPU内只有加法器，没有减法器，如何实现减法操作呢？请看钟表对时”。这时画面上的钟表和指针把学生的注意力已经全部吸引过来了。图2特别强调时针指向12点时，2数相加的结果=0，进位‘1’舍掉。图3是点击“推论” 按钮，很自然地引出“补码”这个概念，并回答一开始提出的'“如何实现减法操作”这个问题。
“堆栈操作”原理是微机原理中最重要也是最基本的原理之一，因为它是实现‘子程序调用’和‘中断服务程序’这2项极其重要的功能的基础。传统教学的一般做法是，教师在黑板上画出堆栈内存分布图，然后进行详尽的讲解 ，费劲口舌然而效果并不那么理想。
图4以堆放积木为例，直观而又形象地演示了把寄存器AX、BX、CX的内容压栈保护，然后执行其它程序，接着按相反顺序把堆栈内容弹出到CX、BX、AX过程的一幕，然后自然而然的得出‘后进先出’和‘数据保护’这2个结论。同样图5是把堆栈内容弹出到BX、CX、AX的顺序进行操作的一幕，最后可以把BX、CX的当前内容与堆栈操作前的内容相比较，引出利用堆栈操作实现‘数据传递’这一重要原理。这样，在传授和接受知识的过程中，教师感到轻松愉快，学生也兴趣浓浓。如图1所示。
2.2模拟逼真的虚拟情景
随着微电子技术的高速发展，CPU的内部结构越来越复杂，传统的教学模式“教师-黑板-教科书-学生”已不适应大力发展素质教育的需要。特别是现代CPU多以双流水线或多流水线并行作业，尽管教科书上采用更详尽的解释，教师用板书作草图更细致入微的讲解，但某些关键的知识点仍无法描述清楚，甚至前后矛盾(比如一些教科书上关于IP指针的描述就是如此)。
现代CPU工作原理从本质上来说还是地址流、数据流和控制信息在结构内部的流动、变化和相互作用。运用多媒体技术模拟这三者之间的运动关系，在Windows操作系统的支持下，只需一只鼠标就能感受到这种“虚拟-真实”的场景。以下面动态演示中的几幕来说明：
图6是CPU执行‘2+3’操作中的一幕(操作码‘04’),可以看到执行部件EU在加法器中已完成加法运算, 和‘⑤’正在内部数据总线上传输，在执行加法操作的过程中，BIU正把下一条往存储器送数指令MOV [104H],AL，从代码段陆续取到预取指令队列(代码A2 04 01). 此时取指令指针IPX=108H, 执行指令指针IP=104H。
图7是CPU执行往存储器送数指令中的一幕，EU对指令译码生成存储器的偏移地址(0104H)送给BIU。图8是BIU把这个偏移地址和数据段DS的内容(×16)送到了地址加法器，从而生成启动外部存储器的物理地址。
图9是CPU执行CALL指令中的一幕，这时BIU已生成把返回地址压栈的物理地址(500FEH),正通过内部地址总线向总线接口部件传输，与此同时EU正把指令中的相对位移量(1234H)送入加法器上方的暂存器，为生成子程序入口的偏移地址作准备。图10显示的是，返回地址(1053H)送入外部存储器的堆栈区的对应单元，总线接口部件发出写信号(/WR), 返回地址(1053H)写入堆栈指针SP指向的字单元。注意，与上述过程发生的同时，EU在加法器中生成了子程序入口偏移地址(2287H)，正通过内部16位数据总线，传送给BIU，以便生成程序跳转的物理地址，即子程序入口地址。
那么，在传统教学中是如何讲述这一段内容的呢？是这样的：‘首先把返回地址压栈，然后生成子程序入口地址，接着程序转移到子程序去执行’。这一方面容易给人产生对上述2步是完全串行的错觉，而且对CPU内部各部件的具体动作及相互协调工作的时序关系，也是根本无法描述的。
2.3让实验现象进课堂
大学微机原理的教学中普遍存在的一个问题是理论与实验的脱节，理论课上往往不做任何演示实验，比如让学生实测观察CPU各相关引脚输出的时序波形，那是根本不可能的。因为实验室不可能配备那种高档的多踪示波器，然而时序图对于学生理解CPU的工作原理是极其重要的。各高校教师的普遍做法是把书本上的时序图画在黑板上或显示在投影机的屏幕上，然后诸条分时段讲解。由于没有真实感，CPU输出的时序波形又极其繁杂，使得教师讲解和学生理解起来都感到困难和乏味。
利用多媒体对图象、动画、声音处理的集成控制性和实时性来模拟多踪示波器的输出波形，让实验现象在课堂的大屏幕上清晰的展示出来，动感真实、方便经济，有效地解决了理论与实验的脱节问题。
如下图所示，播放一开始，就把模拟示波器的屏幕显示出来，屏幕右侧设有触发按钮，点击该按钮，各相关引脚的波形随时钟clk而变化，在关键的时段还给出标注。而且每点击触发按钮一次，就会重新演示一遍。图11是存储器读周期中的时序追踪的某个时刻。图中显示，T1时刻CPU输出地址，T2时刻地址/数据总线(AD0～AD15)呈现高阻态。图12是存储器读周期中的时序追踪的又一个时刻。图中显示，T3状态开始，检测READY引脚有效，/RD读信号有效，T3～T4状态从存储器或I/O读出的信号出现在CPU的数据总线上。
2.4发挥多媒体交互式特性
利用多媒体的交互特性，可以为学生创造一个自主学习、自发求知的环境，变以教师的灌输为主的课堂教学为以学生为主的讨论性、导航型、咨询型的教学活动，使学生乐于学、善于学，从而获得有效的知识和知识保持。
在80x86CPU系统结构这一章的教学任务基本完成以后，传统的教学方法是教师要对CPU的各个部件的名称和功能进行综合评述，或者让学生做一道综合填空题。结果是花了不少时间，费了很多口舌，成绩优秀的学生也只能答对40～50﹪。为解决这个问题，我制作了如下具有多媒体交互氏特性的课件。
播放开始，坐在桌前的卡通人物米老鼠一边发话：“把对角线上各个部件与两边的功能说明画线连接起来！”，一边作划线示范动作。学生可以按照“操作说明”里的方法，用模拟笔逐个连线，全部完成后，点击“ALL ANSWER”按钮，由电脑给出正确答案；也可以每画出一条线，点击对应部件，立即得到答案。然后学生进行自我验证，也可以相互讨论。然后用模拟橡皮擦除自己不正确的连线。点击“CLEAR”按钮,清除全部答案。没有答对的学生，可以重做一遍，这就顾及到了个体学生的差异性.实践证明，只要重做三遍，所有学生都可以正确连线，比一般的课堂/外练习效果好多了，特别是对于成绩差的学生。图13显示的就是学生和电脑进行交互式学习的一个镜头。图中曲线表示学生使用模拟笔画出的连线，其中蓝色曲线是正确的连线，黑色的曲线是错误的连线。而红色双箭头直线是点击‘ALL ANSWER’按钮，由计算机给出的正确答案。
2.5构建网状结构多媒体教材
传统的教科书、音像和电视教材，其信息组织结构是线性的和有序的。这适合于以书本等为媒体，以知识教育，应试教育为主导的教育方式，这也是长期以来形成以教为中心的教育观念的基础。但学生对信息的接受是被动的、固定的、模式化的。科学研究表明，人类大脑的记忆和思维是网状结构的，线性结构的教材客观上限制了人类联想思维能力的发挥。
多媒体具有非线性、网状结构的特性，对信息的组织由结点和表达结点之间关系的链组成的网，符合人的认知和思维的特点。使用这种非线性、无结构化的多媒体教材进行浏览、查询等操作，可以任意组合、跳转。在自主学习的状态下，一方面可以成为培养发散思维或创造性思维的基础；另一方面，学生可以根据自己知识基础、认知水平、兴趣、学习方法的差异或带着问题自定学习路径，选择自己需要的学习内容，促进了学习个别化的实现。以如下几个画面为例。
图14画面可以看到两个方面的内容：
①cpu在执行指令时取出下一条指令的并行操作中，地址流、数据流、控制信号的动态逻辑。
② 设置8个图标按钮，各具有某种特定的功能，从功能的安排上来说是无序的，非线性的。任意点击某个按钮，就会进入对应的教学内容。这些出口具有发散性，而它的入口具有集合性，可以从首页进入，也可以从后面各页进入。
图15是点击图14中‘堆栈操作’按钮进入后的一个画面，可以看出这时已完成进栈操作，出现了2个按钮(出栈①和出栈②)，点击这2个按钮是任选的，分别完成2种出栈的逻辑顺序，以便讲述堆栈操作的2个基本原理。另外还有2个按钮，分别完成启动音乐和返回。这4个按钮的结构安排也是无序的。最能说明该课件的多媒体非线性网状结构特性的，还是上文中的图13。图中设置了可以直接看到的‘图标按钮’就有16个之多，任意点击某个按钮，就可以显示图标所指示的某一特定功能，或显示一个功能系列，或播放悦耳柔美的音乐，或跳到最后一页，或返回等等。这样就为不同层次的学生提供了得心应手的多媒体学习环境。
3 结束语
综上所述，计算机多媒体技术应用于“微机原理”教学中具有传统教学无法比拟的优点。然而，没有任何一种媒体在所有场合都是最优的，每种媒体都有自己擅长的范围，只有在先进的教育教学理论的指导下，不同媒体相互配合，进行精心地教学设计，才能最大限度地地发挥多媒体的优势。如何实现多媒体技术与其他媒体，包括与传统教学方式的完美结合，仍然是广大教师不断研究、实践和探索的重要科题。
参 考 文 献
[1] 伍棠枥,李伯禾,吴福元. 心理学[M].北京:人民教育出版社,1986.
[2] 沙莲香主编. 传播学[M]. 北京:人民教育出版社.
[3] 裴新风,尹令平,詹淘. 大学计算机基础课程教学结构模式的研究[J]. 高等理科教育,2006,(5).
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