形象教學法在“微機原理”課中的應(yīng)用論文
摘要：微型計算機原理課程是一門理論性和實踐性均很強的課程，具有內(nèi)容龐雜，知識點多且零散，前后內(nèi)容有所交錯等特點。本文就課程內(nèi)容的組織編排和形象化教學法在CPU工作過程、尋址方式、存儲器結(jié)構(gòu)和指令等教學中的應(yīng)用給予詳細的說明，實踐證明，這樣的教學方式取得很好的教學效果。
關(guān)鍵詞：微機原理理論教學教學過程形象化方法
《微機原理》課程是高等院校理工科專業(yè)的一門重要的計算機技術(shù)基礎(chǔ)課程，特別對于測控技術(shù)、電子信息、通信工程及電類相關(guān)專業(yè)本科生來說，是學生學習和掌握計算機硬件知識和匯編語言程序設(shè)計及常用接口技術(shù)的入門課程。《微機原理》課程是一門理論性、實踐性及應(yīng)用性均很強的課程，該課程的主要任務(wù)是使學生從理論和實踐上掌握現(xiàn)代微型計算機的系統(tǒng)基本組成和工作原理、編程技術(shù)、硬件的連接，建立微機系統(tǒng)的整體概念，使學生掌握微機電子控制系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的基本方法，且具有初步的開發(fā)能力。
由于《微機原理》課程的知識點比較零散、抽象、理論性很強，學生普遍感到摸不著，看不見，不好學。以往學習成績很不理想，更不用說能夠把所掌握的軟、硬件開發(fā)的知識有效地運用到簡單系統(tǒng)的開發(fā)上，為此，筆者從合理組織教學內(nèi)容，精心設(shè)計教學過程，采用多種教學手段和方法，特別將形象化教學法應(yīng)用到理論教學過程中，收到了良好的教學效果。
一、教學內(nèi)容的合理組織
本課程以Intel8086微處理器為背景，從應(yīng)用角度，結(jié)合典型微機系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)闡述微機的基本原理；微處理器、微型計算機和微機系統(tǒng)的基本概念；詳細介紹計算機運算基礎(chǔ)、微處理器的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體存儲器的分類、基本組成、存儲容量的擴展及其設(shè)計、指令系統(tǒng)及匯編語言程序設(shè)計的基本方法、輸入/輸出系統(tǒng)的基本概念、I/O接口的編址方式以及控制方式；中斷的基本概念及中斷技術(shù)。簡單介紹常用可編程I/O接口芯片的特點和使用技巧，以達到《微機原理及應(yīng)用》課程的完整性。
本課程涉及內(nèi)容多且零散、前后內(nèi)容有所交錯，學生初次接觸時往往覺得難學，所接收到的知識比較散，理不出個頭緒來，因而，在教學過程中將相關(guān)的內(nèi)容科學地組合到一起，以CPU—存儲器—接口這樣的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以“CPU尋址獲取待處理的數(shù)據(jù)—計算——輸出”這樣簡單工作原理模型為主線，以“必需、夠用”為原則，將課本上那些零散的知識點連接起來，使得學生即可以對相關(guān)內(nèi)容進行總體上的把握，又可對某一個具體的知識點進行縱向的擴展和橫向的比較，對本課程知識的掌握大有益處。
二、教學過程的設(shè)計
理論課教學的實施主要是在課堂上通過教師進行知識傳授。教師在教學的過程中，扮演著極為重要的角色，教師對教學內(nèi)容的準備，重點、難點的處理，課上的教學藝術(shù)直接影響著教學效果。通常，教師要經(jīng)歷“教學準備、教學過程的設(shè)計、課中處理教學重點、難點，上課過程利用各種教學手段和方法集中學生的注意力，并設(shè)法保持學生的注意力，引導(dǎo)學生跟上教師的思路。教師在掌控教學過程中是要事先做好課堂教學過程的設(shè)計，這一過程我們主要通過引導(dǎo)提出問題、分析問題、解決問題來實現(xiàn)。用由表及里，解刨麻雀的方法，由簡單問題逐步深入，引出核心知識點。
例如，第1章緒論中通過學生們對PC機的認知開始講解微型計算機系統(tǒng)的概念及組成，進而脫掉外衣，去掉打印機、顯示器等外圍設(shè)備，呈現(xiàn)給學生的是微型計算機，再去掉存儲設(shè)備、外圍接口，就剩下整個系統(tǒng)的控制中心－微處理器，這樣講述微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的概念，學生容易記憶，其效果：第一同學們由熟悉的系統(tǒng)開始認知，較易理解概念及它們之間的區(qū)別；第二，引出本課程的重點。其效果遠比介紹微處理器加設(shè)備再加外設(shè)的方式要好。
設(shè)計用對比的、發(fā)展的方式介紹8086、80386、PentiumIV微處理器的特點、組成，深入研究各類微處理器的內(nèi)在規(guī)律與聯(lián)系，使學生懂得學習和掌握本課程的核心內(nèi)容和知識就能夠動態(tài)地吸收新技術(shù)、新知識，能夠主動地追趕上學科發(fā)展的步伐，。即完成了對微處理器發(fā)展的講解，相應(yīng)地也調(diào)動了學生學習本課程的積極性，打消了學生那種“為什么用奔騰學86”的抱怨。
在講解微計算機的組成一節(jié)，我們將微型計算機看作一臺簡單的計算器，有存儲器、微處理器（控制器）、運算器、輸入/輸出接口組成，這些部分則由總線（控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線）連接起來，并通過對簡單算式（3+2）*6的處理，將其工作過程簡述為“得到運算數(shù)據(jù)——計算——輸出運算結(jié)果”三個步驟，得到要運算的數(shù)據(jù)即尋址，計算和三步驟的協(xié)調(diào)則由微處理器（好比人的大腦）控制，按照匯編程序指令執(zhí)行，計算則在微處理器控制下，由運算器完成，輸出運算結(jié)果則由輸入/輸出接口送出。在講解上述內(nèi)容的過程中，一方面引出微處理器組成及工作原理、存儲器、尋址（找數(shù)據(jù)）、指令、匯編程序設(shè)計、輸入＼輸出接口、總線時序等完成整個運算過程所涉及的內(nèi)容，即本課程的主要內(nèi)容；一方面學生們就會不自覺地想探究：存儲如何存儲的數(shù)據(jù)，存儲后的數(shù)據(jù)，大腦怎樣找到，計算機的大腦的結(jié)構(gòu)是怎樣設(shè)計的，各部分結(jié)構(gòu)如何完成運算和控制協(xié)調(diào)功能？計算的中間結(jié)果如何處理？等等。我們這樣設(shè)計教學過程，不僅引起學生的探究欲望，而且將本課程核心內(nèi)容和知識點有機的結(jié)合起來，使學生對微型計算機系統(tǒng)工作過程有一個完整的、系統(tǒng)的概念。
由于學生通常較容易理解、掌握信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理這一類邏輯推導(dǎo)性和規(guī)律性很強的課程，而對微機系統(tǒng)這樣多部分協(xié)調(diào)工作的抽象的概念理解困難，我們通過這樣的設(shè)計課程內(nèi)容和授課過程，讓學生從全局的高度理解系統(tǒng)，進而研究局部內(nèi)容。
接下來，講述的是存儲器尋址方式、匯編語言程序調(diào)試軟件、指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計方法。工作模式配置、三總線和總線周期（讀寫時序）、I＼O口尋址方式、接口技術(shù)、存儲芯片。最后以總結(jié)本課程核心內(nèi)容和知識點的方式，介紹CPU的引腳。
一般的教材將存儲器、指令系統(tǒng)、尋址方式和CPU結(jié)構(gòu)分別放在不同的章節(jié)。Intel8086CPU編程結(jié)構(gòu)中，有通用寄存器AX、BX、CX、DX和專用寄存器BP、SP、DI、SI和指令指針寄存器IP和段寄存器等14個16位寄存器可供程序員使用，這14個寄存器貫穿了整個課程內(nèi)容_工作過程、尋址、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、I/O接口，因此將這14個寄存器的.功能和用法是本課程教學的關(guān)鍵。我們在進行80x86微處理器結(jié)構(gòu)的講解時，將存儲器的結(jié)構(gòu)及編址內(nèi)容、部分指令、尋址方式、段定義偽指令加入進來，例如，在講解累加器AX的作用后，學生們會產(chǎn)生疑問：AX的值是如何來的？為此，我們引入MOVAX，1234H，同時交代這是立即數(shù)尋址方式，也為寄存器賦值；作為與立即數(shù)尋址的表示式的對比，引入MOVAX，「1234H」表示直接尋址存儲器內(nèi)容，引入尋址方式作為講解AX寄存器實例設(shè)計的教學過程，即給學生明析的AX概念，同時為后續(xù)章節(jié)的講解作了鋪墊。
在講解專用寄存器、段寄存器和地址加法器功能時，引入存儲器編址。存儲器是分段的，段地址和有效地址分別存儲在段寄存器DS、ES、SS、CS和專用寄存器BP、DI、SI、SP中，這時可以介紹存儲器的其他尋址方式（相對尋址、間接尋址）；而存儲器的分段的地址如何找到？物理地址＝段地址x16+偏移地址，目的在于學生可以聯(lián)系實際應(yīng)用來理解段寄存器、通用寄存器、地址加法器的功能；介紹存儲器的同時，引導(dǎo)學生探究存儲器段如何分配，CPU如何知道？可以簡單介紹段定義偽指令，目的是讓學生在學習過程中不斷完善對微機系統(tǒng)的理解，將抽象問題逐步明朗化。達到更好的理解和掌握CPU編程結(jié)構(gòu)中各部件的功能和實際作用。后續(xù)的各部分章節(jié)則再系統(tǒng)講解相應(yīng)內(nèi)容－指令系統(tǒng)、存儲器、匯編語言設(shè)計。引入實例更加深入學生對CPU內(nèi)部組成元件的理解和和掌握，也為后續(xù)章節(jié)的學習埋下伏筆。
本理論課教學過程的設(shè)計思想是盡可能地將零散的知識點有機地結(jié)合起來，遵循重系統(tǒng)輕局部、重工作過程的原則逐步使抽象的系統(tǒng)概念明朗化，使學生容易理解、容易掌握。經(jīng)過實踐，一般在講解匯編語言程序設(shè)計時，同學們已基本掌握了微型機的工作過程，取得了較好的教學效果。
三、形象化教學法的應(yīng)用
課堂教學效果的提高除了合理的組織教學內(nèi)容，設(shè)計教學過程外，還采用多種教學方法，特別是形象化教學法。
形象化教學法即用日常熟悉的、簡單的、容易理解的現(xiàn)象解釋陌生的、復(fù)雜的、抽象的、不易了解事物和不易理解的概念。或應(yīng)用視頻形象化地將復(fù)雜的工作過程和抽象的概念展示出來。形象化教學法有效的提高了學生對抽象概念和事物的理解。
在“微機原理”課程中，存儲器編址和尋址方式是學生不易理解的難點，我們將存儲器比作一幢辦公大樓，每個房間好比存儲器的每個存儲單元，為了方便使用和管理，通常辦公樓房間的門牌號是按樓層號＋序號進行編排的，每個樓層有不同的單位或職能部門。存儲器的存儲單元地址的編排也類似，段地址好似樓層號，不同的段有不同的用途；偏移地址好似門牌號中的序號，由于我們到了相應(yīng)樓層后，只找序號就可以找到相應(yīng)的房間，因此偏移地址也稱為有效地址。例如，辦公樓201房間有4位老師，其中2是樓層號，01是本樓層房間序號，房間的內(nèi)容為4位老師；相應(yīng)的，若存儲器地址為21000H，2000H為段地址，存儲在CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)段寄存器DS中，1000H為該段的一個存儲單元，存儲在通用寄存器中，存儲單元內(nèi)部存儲的是數(shù)據(jù)或是一個存儲單元的有效地址數(shù)據(jù)。于是段寄存器中的數(shù)據(jù)和通用寄存器中的數(shù)據(jù)通過CPU內(nèi)部地址累加器輸出地址信息21000H，這樣CPU執(zhí)行部件就可以在內(nèi)存找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。通過這樣形象化的比擬，學生很容易理解段地址、偏移地址（有效地址）、物理地址的概念。有了對存儲器地址和存儲單元內(nèi)容的理解，就很容易的理解各種尋址方式，這樣也可以對看不見的存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有清析的概念，同時借助DEBUG軟件可以很好地掌握各種尋址方式下存儲器的變化。
形象化教學法在尋址方式教學中的應(yīng)用是采用多媒體動畫展示，例如，堆棧PUSH和出棧POP這一對指令的學習中，以前很多同學掌握了堆棧的物理意義和作用以及壓棧＼出棧的原則“選進后出或后進先出”，但是遇到如下程序段，就感到疑惑：先進為什么先出了？
PUSHAX
PUSHBX
POPAX
POPBX
其中AX＝1234H，BX＝5678H，對于這樣的問題，除了強調(diào)指令的用法，我們還用多媒體動畫的形式展示，屏幕左面為動漫存儲器的變化，右邊為逐條顯示指令，這樣每顯示一條指令，左邊圖像顯示變化，這樣形象、直觀的講解指令，同學們很容易了解到堆棧指令將寄存器內(nèi)容壓入堆棧段，出棧則是將內(nèi)存中的內(nèi)容送入指令中的寄存器，同時也可很好的理解SP指針加減2的變化規(guī)律。
四、結(jié)論
總之，通過合理設(shè)計教學過程，組織教學內(nèi)容，采用形象化教學方法，學生基本能夠掌握微型計算機原理課程的核心內(nèi)容和知識點，特別是在存儲器編址和尋址方式這一難于理解的部分。經(jīng)過幾年來的摸索，微機原理課的教學效果得到明顯提高，學生的學習熱情也得到提高。以下為近幾年測評的結(jié)果。05－06通信工程平均成績74分，06－07和07－08年采用形象化教學法、合理的設(shè)計教學過程，學生平均成績分別為82分和83分，而且不及格人數(shù)也從05－06年以前的6、7人下降為3人，普遍成績明顯提高。因此，筆者認為合理的內(nèi)容安排和教學過程的組織，采用形象化教學方法可以極大地提高“微機原理”課的理論課教學效果。
參考文獻
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