形象教學法在“微機原理”課中的應用論文
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，具有內容龐雜，知識點多且零散，前后內容有所交錯等特點。本文就課程內容的組織編排和形象化教學法在CPU工作過程、尋址方式、存儲器結構和指令等教學中的應用給予詳細的說明，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的一門重要的計算機技術基礎課程，特別對于測控技術、電子信息、通信工程及電類相關專業本科生來說，是學生學習和掌握計算機硬件知識和匯編語言程序設計及常用接口技術的入門課程。《微機原理》課程是一門理論性、實踐性及應用性均很強的課程，該課程的主要任務是使學生從理論和實踐上掌握現代微型計算機的系統基本組成和工作原理、編程技術、硬件的連接，建立微機系統的整體概念，使學生掌握微機電子控制系統軟、硬件開發的基本方法，且具有初步的開發能力。
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、硬件開發的知識有效地運用到簡單系統的開發上，為此，筆者從合理組織教學內容，精心設計教學過程，采用多種教學手段和方法，特別將形象化教學法應用到理論教學過程中，收到了良好的教學效果。
一、教學內容的合理組織
本課程以Intel8086微處理器為背景，從應用角度，結合典型微機系統設計系統闡述微機的基本原理；微處理器、微型計算機和微機系統的基本概念；詳細介紹計算機運算基礎、微處理器的內部編程結構、半導體存儲器的分類、基本組成、存儲容量的擴展及其設計、指令系統及匯編語言程序設計的基本方法、輸入/輸出系統的基本概念、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。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《微機原理及應用》課程的完整性。
本課程涉及內容多且零散、前后內容有所交錯，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的內容科學地組合到一起，以CPU—存儲器—接口這樣的微機系統結構為基礎，以“CPU尋址獲取待處理的數據—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內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，教師對教學內容的準備，重點、難點的處理，課上的教學藝術直接影響著教學效果。通常，教師要經歷“教學準備、教學過程的設計、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，并設法保持學生的注意力，引導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計，這一過程我們主要通過引導提出問題、分析問題、解決問題來實現。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的概念及組成，進而脫掉外衣，去掉打印機、顯示器等外圍設備，呈現給學生的是微型計算機，再去掉存儲設備、外圍接口，就剩下整個系統的控制中心－微處理器，這樣講述微處理器、微型計算機、微型計算機系統的概念，學生容易記憶，其效果：第一同學們由熟悉的系統開始認知，較易理解概念及它們之間的區別；第二，引出本課程的重點。其效果遠比介紹微處理器加設備再加外設的方式要好。
設計用對比的、發展的方式介紹8086、80386、PentiumIV微處理器的特點、組成，深入研究各類微處理器的內在規律與聯系，使學生懂得學習和掌握本課程的核心內容和知識就能夠動態地吸收新技術、新知識，能夠主動地追趕上學科發展的步伐，。即完成了對微處理器發展的講解，相應地也調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，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、數據總線）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“得到運算數據——計算——輸出運算結果”三個步驟，得到要運算的數據即尋址，計算和三步驟的協調則由微處理器（好比人的大腦）控制，按照匯編程序指令執行，計算則在微處理器控制下，由運算器完成，輸出運算結果則由輸入/輸出接口送出。在講解上述內容的過程中，一方面引出微處理器組成及工作原理、存儲器、尋址（找數據）、指令、匯編程序設計、輸入＼輸出接口、總線時序等完成整個運算過程所涉及的內容，即本課程的主要內容；一方面學生們就會不自覺地想探究：存儲如何存儲的數據，存儲后的數據，大腦怎樣找到，計算機的大腦的結構是怎樣設計的，各部分結構如何完成運算和控制協調功能？計算的中間結果如何處理？等等。我們這樣設計教學過程，不僅引起學生的探究欲望，而且將本課程核心內容和知識點有機的結合起來，使學生對微型計算機系統工作過程有一個完整的、系統的概念。
由于學生通常較容易理解、掌握信號與系統、數字信號處理這一類邏輯推導性和規律性很強的課程，而對微機系統這樣多部分協調工作的抽象的概念理解困難，我們通過這樣的設計課程內容和授課過程，讓學生從全局的高度理解系統，進而研究局部內容。
接下來，講述的是存儲器尋址方式、匯編語言程序調試軟件、指令系統和匯編程序設計方法。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、存儲芯片。最后以總結本課程核心內容和知識點的方式，介紹CPU的引腳。
一般的教材將存儲器、指令系統、尋址方式和CPU結構分別放在不同的章節。Intel8086CPU編程結構中，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容_工作過程、尋址、指令系統、匯編語言程序設計、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鍵。我們在進行80x86微處理器結構的講解時，將存儲器的結構及編址內容、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尋址方式，也為寄存器賦值；作為與立即數尋址的表示式的對比，引入MOVAX，「1234H」表示直接尋址存儲器內容，引入尋址方式作為講解AX寄存器實例設計的教學過程，即給學生明析的AX概念，同時為后續章節的講解作了鋪墊。
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系實際應用來理解段寄存器、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編程結構中各部件的功能和實際作用。后續的各部分章節則再系統講解相應內容－指令系統、存儲器、匯編語言設計。引入實例更加深入學生對CPU內部組成元件的理解和和掌握，也為后續章節的學習埋下伏筆。
本理論課教學過程的設計思想是盡可能地將零散的知識點有機地結合起來，遵循重系統輕局部、重工作過程的原則逐步使抽象的系統概念明朗化，使學生容易理解、容易掌握。經過實踐，一般在講解匯編語言程序設計時，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、形象化教學法的應用
課堂教學效果的提高除了合理的組織教學內容，設計教學過程外，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、容易理解的現象解釋陌生的、復雜的、抽象的、不易了解事物和不易理解的概念。或應用視頻形象化地將復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，由于我們到了相應樓層后，只找序號就可以找到相應的房間，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，房間的內容為4位老師；相應的，若存儲器地址為21000H，2000H為段地址，存儲在CPU內部的數據段寄存器DS中，1000H為該段的一個存儲單元，存儲在通用寄存器中，存儲單元內部存儲的是數據或是一個存儲單元的有效地址數據。于是段寄存器中的數據和通用寄存器中的數據通過CPU內部地址累加器輸出地址信息21000H，這樣CPU執行部件就可以在內存找到相應的數據。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部結構有清析的概念，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容壓入堆棧段，出棧則是將內存中的內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的變化規律。
四、結論
總之，通過合理設計教學過程，組織教學內容，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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