Урок 1 - Тема «Предыстория информатики»

Цели урока: знакомство учащихся с историей вычислительной техники докомпьютерной эпохи, различными счетными устройствами, их конструктивными особенностями и влиянием на дальнейшее развитие техники; развитие критического мышления, любознательности, расширение кругозора учащихся.

Тип урока: урок новых знаний.
Форма урока: урое-экскурсия.

Ход урока

Вводная часть

Ребята, сегодня мы с вами побываем на экскурсии. Мы в течение двух лет изучали компьютер, его устройство и возможности использования. А сегодня выясним, как человечество считало до появления компьютеров. Итак, начинаем.

Стенд 1.

Абак – первое счетное приспособление, которое стал применять человек. Идея его устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, на котором по определенным правилам перемещают счетные элементы, сгруппированные по разрядам.

Первое письменное упоминание об абаке появилось в V веке до н.э. у древнегреческого историка Геродота. Первоначально роль абака выполняла покрытая пылью или песком доска, на которой можно было чертить линии и перекладывать камешки. Затем появились усовершенствованные варианты. В римском абаке камешки перекладывали на глиняной доске; китайский суан-пан представлял собой раму с нанизанными косточками: в одной части пять косточек (единицы), в другой – две косточки (пятерки); японский соробан содержал соответственно одну и четыре косточки; в русских счетах использовалось десять костяшек.

Стенд 2.

Со временем быстро росла потребность в сложных расчётах. Значительная часть трудностей была связана с умножением и делением многозначных чисел. В XVI веке в ходе тригонометрических расчётов шотландскому математику Джону Неперу пришла в голову идея: заменить трудоёмкое умножение простым сложением. Тогда и деление автоматически заменяется на неизмеримо более простое и надёжное вычитание.

Аналоговое вычислительное устройство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень, вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов и тригонометрических функций, назвали логарифмической линейкой. Первый вариант линейки разработал английский математик-любитель Уильям Отред в 1622 году.

Стенд 2.

Следующий этап в развитии счетных устройств связан с именем известного ученого Блеза Паскаля. Отцу юного Паскаля по долгу службы приходилось контролировать сбор налогов целой провинции во Франции. Желая помочь отцу в сложных расчетах, Паскаль в 1642-43 гг. разработал арифметическую машину, позволяющую складывать числа в десятичной системе счисления.

Механический сумматор осуществлял сложение чисел на дисках-колесиках. Десятичные цифры пятизначного числа задавались поворотами дисков, на которых были нанесены цифровые деления. Результат читался в окошках. Диски имели один удлиненный зуб, что позволяло учесть при сложении перенос единицы в следующий разряд. В первом калькуляторе Паскаля было 5 цифр, затем он увеличил их до 8. 22 мая 1649 г. Паскаль получил королевскую привилегию (прообраз современного патента) на арифметическую машину, но коммерческого успеха не получилось. Всего было разработано около 50 экземпляров машин, и только несколько штук он смог продать. Да и покупали устройство не для работы, а скорее как интересную игрушку.

Немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц сначала хотел всего лишь улучшить машину Паскаля. Но в итоге в 1673 году изобрел собственное устройство, которое не только складывало, но и умножало числа. Машина Лейбница выполняла сложение практически тем же способом, что и суммирующая машина Паскаля, но в её конструкцию были включены подвижная каретка и ручка, с помощью которой крутилось специальное колесо или (в более поздних вариантах) барабаны, расположенные внутри аппарата.

В машине каждый разряд имел собственный механизм, связанный с механизмами соседних разрядов. Лейбниц использовал шаговые барабаны – цилиндры с девятью зубцами разной длины (длина зубца увеличивалась по возрастающей). Когда барабан поворачивался, связанное с ним передаточное колесо с 10 зубцами поворачивалось от 0 до 9 в зависимости от его позиции по отношению к барабану (колесо могло перемещаться по оси вдоль шагового барабана). Так Лейбниц использовал операцию «сдвига» для поразрядного умножения чисел. Данный метод лег в основу всех механических калькуляторов последующих веков.

Несмотря на прогрессивность изобретения, счетная машина не получила широкого распространения, потому что в XVII- начале XVIII века отсутствовал спрос на такую сложную и дорогостоящую технику.

Стенд 3, 4.

Следующее изобретение на первый взгляд не имеет никакого отношения к счетным устройствам. В 1801 году во Франции сын лионского ткача Жозеф Мари Жаккард создал автоматический ткацкий станок, управляемый перфокартами. Наличие или отсутствие отверстий в карте заставляло нить подниматься и опускаться при каждом ходе челнока. Таким образом, поперечная нить могла обходить продольную с той или иной стороны в зависимости от программы на перфокарте. Этот станок был первым массовым промышленным устройством, работающим по заданной программе.

Идея перфокарт произвела переворот не только в ткацком деле, но и в дальнейшей разработке счетных машин.

Следующая страница в истории вычислительных машин связана с именем человека, о котором основоположник кибернетики Норберт Винер писал: "он имел удивительно современные представления о вычислительных машинах, однако имевшиеся в его распоряжении технические средства намного отставали от его представлений".

Чарльз Бэббидж, английский математик и изобретатель в 1823 году начал разработку Разностной машины. Машина должна была автоматизировать процесс составления таблиц разностей многочленов. В машине имелось суммирующее устройство и устройство, выводящее результаты вычислений на печать параллельно с проведением вычислений. В 1833 году правительство Великобритании прекратило финансирование этого проекта, т.к. его бюджет был превышен в пять раз. В 1843 году незавершенную машину со всеми чертежами поместили на хранение в музей Королевского колледжа в Лондоне. Именно из частей этой машины была построена действующая модель, находящаяся сейчас в Кембридже.

В 1833 году Бэббидж задумал создать принципиально новую машину, способную выполнять различные действия в соответствии с предварительно составленным планом работ – программой. Аналитическая машина задумывалась как чисто механическое устройство, однако ученый хотел выполнять расчеты не вручную, а с применением внешнего источника энергии, в частности парового двигателя. В 1849 году Бэббидж представил схему аналитической машины, она состояла из трех блоков:
- склад – память для хранения чисел на регистрах, состоящих из механических колес,
- фабрика – блок для выполнения арифметических операций,
- устройство для управления процессом вычислений, осуществления выборки чисел из памяти, выполнения вычислений и вывода результатов.

Чарльз Бэббидж работал над своей машиной до последних дней жизни. Сын Бэббиджа Генри закончил работу над машиной в 1896 году. Машина оказалась работоспособной и была первым действующим образцом, способным печатать результаты вычислений.

По сути, Бэббидж описал архитектуру машины, практически соответствующую архитектуре современных ЭВМ. Команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включают все команды современных процессоров, в том числе и изменение порядка выполнения программы, условный переход, цикл.

Слайд 9.

Августа Ада Лавлейс (дочь поэта лорда Джорджа Байрона) – соратница Чарльза Бэббиджа по разработке Аналитической машины. Ада Лавлейс – первый в истории программист – составляла программы на перфокартах. Предложила способ возврата одной или нескольких «отработанных» перфокарт из ящика-приёмника обратно в ящик-источник для последующего считывания и выполнения действий. Таким образом, стало возможно многократно повторять целые участки программ, т.е. организовывать программные циклы.
В честь Ады Лавлейс был назван один из языков программирования – язык Ада.

Следующий этап в развитии вычислительной техники связан с обработкой статистических данных. В XIX веке в США перепись населения проходила каждые десять лет. Подсчеты и обработка результатов переписи затягивались на долгие годы, и потребовались новые методы организации работы. В 1887 году инженер Герман Холлерит опробовал первый табулятор в статистическом бюро Балтимора. А в 1890 году прошла первая перепись населения с применением машин. Обработка её результатов, занесённых на 62 млн карточек, заняла менее двух лет, а экономия составила 5 млн долларов. Система Холлерита не только обеспечивала высокую скорость, но и позволяла сравнивать статистические данные по самым разным параметрам.

Машина Холлерита включала:
- клавишный перфоратор, позволяющий пробивать (перфорировать) около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах,
- машину для сортировки, которая представляла собой набор ящиков с крышками (карты продвигались по своеобразному конвейеру; с одной стороны карты находились считывающие штыри на пружинах, с другой – резервуар со ртутью; когда штырь попадал в отверстие на перфокарте, то благодаря пружине слегка касался ртути, находившейся на другой стороне, и замыкал электрическую цепь, открывая крышку соответствующего ящика, куда и попадала перфокарта)
- табулятор, который работал аналогично сортировке, только замыкание электрической цепи приводило к увеличению показаний соответствующего счетчика на единицу.

Перфокарты были размером с долларовую бумажку и имели 12 рядов по 20 позиций для перфорации.

В 1896 году Герман Холлерит основал фирму по производству табуляторов, которая позже после слияния с другой фирмой стала называться IBM и сегодня является одним из наиболее успешных предприятий в области компьютерной техники.

Стенд 5, 6.

Итак, мы подошли к веку XX, веку компьютеров. Электронные компьютеры появились не сразу, сначала компьютеры были электромеханическими. Разработчиком первых электромеханических машин был немецкий инженер Конрад Цузе. Цузе понял, что вычисление – универсальное понятие, что это просто преобразование данных, которые можно представить в виде комбинации двоичных разрядов. Выбор двоичной системы позволял использовать реле, принимающие только два положения – «открыто» и «закрыто».

Первая полностью механическая машина Z1 была построена в 1936-1938 гг. Управление ею осуществлялось от перфоленты, на которую записывались команды программы. Память имела объем 16 чисел по 24 бит.

В 1939 году Цузе построил небольшую машину Z2, оперировавшую с 16-разрядными двоичными числами с фиксированной точкой.

В 1941 году была разработана машина Z3, работавшая уже на электромеханических реле. Исходные данные задавались с клавиатуры, а результаты вычислений высвечивались на специальном табло. Z3 использовалась для весьма трудоемких расчетов, связанных с определением прочности конструкций самолетов.

В 1942-1945 гг. Конрад Цузе разрабатывает машину Z4. Память на 1024 слова была в ней механической, но длина чисел увеличивалась до 32 бит. До 1950 года Z4 оставалась единственным работающим компьютером в Европе.

Инструктаж перед работой

А теперь я предлагаю вам самостоятельно осмотреть экспонаты, участвовавшие в нашей экскурсии.

Итоги урока

На этом мы завершаем нашу экскурсию. Как вы могли сегодня убедиться, в истории существовало немало любопытных счетных устройств. Какие-то из них быстро были преданы забвению, какими-то люди пользовались не одно столетие. Но каждое из этих устройств было по-своему важно для дальнейшего развития вычислительной техники и способствовало появлению персонального компьютера.

Урок 2 - Тема «История ЭВМ»

Цели урока: знакомство учащихся с историей ЭВМ, понятием поколения ЭВМ, характеристиками и примерами отечественных и зарубежных ЭВМ различных поколений; развитие критического мышления, любознательности, расширение кругозора учащихся.

Тип урока: комбинированный урок.

Ход урока

На прошлом уроке мы познакомились с различными счетными устройствами, которые использовали люди для вычислений. Какие устройства вы можете назвать, и какие вычисления с их помощью можно было выполнять?

Сегодня мы продолжим изучать историю вычислительных машин. Но прежде введем новое понятие – «поколение ЭВМ».

Демонстрация схемы.

Поколение ЭВМ – период развития вычислительной техники, отмеченный относительной стабильностью архитектуры и технических решений.

Смена поколений обычно связана с переходом на новую элементную базу, что приводит к скачку в росте основных характеристик ЭВМ.

Таким образом, условием смены поколений компьютеров является появление новой элементной базы (схема на слайде). Появление новой элементной базы требует новых технологий производства. Рост характеристик ЭВМ приводит к обновлению программного обеспечения и, соответственно, к новым областям применения компьютеров.

На сегодняшний день выделяют четыре поколения компьютеров:

I поколение – примерно с 1945 года, элементная база – электронно-вакуумные лампы;
II поколение – примерно с 1955 года, элементная база – транзисторы;
III поколение – примерно с 1965 года, элементная база – интегральные схемы (ИС);
IV поколение – примерно с 1975 года, элементная база – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).
V поколение, к сожалению, пока не реализовано. Ученые много спорят по этому вопросу, предлагают различные варианты: оптоволокно, нанотехнологии, биомолекулы и т.д.

Чтобы понять, чем отличались компьютеры разных поколений, я предлагаю вам в ходе самостоятельной работы заполнить следующую таблицу:

В течение 20 минут учащиеся самостоятельно знакомятся с характеристиками поколений ЭВМ, заполняют таблицу в тетради. Затем эта таблица в ходе фронтального опроса проверяется. Если учащиеся не смогли найти какую-либо информацию, учитель помогает заполнить недостающее.

В конце урока проводится тестирование по теме «История вычислительной техники». Подводятся итоги урока.

Литература:

1. Семакин И., Залогова Л., Русаков С., Шестакова Л. Информатика и ИКТ. Базовый курс. Учебник для 9 класса. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006 (§44, 46)
2. Энциклопедия для детей. Том 22. Информатика / Глав. ред. Е.А. Хлебалина, вед. науч. ред. А.Г. Леонов. – М.: Аванта+, 2004
3. Википедия – свободная энциклопедия. http://ru.wikipedia.org
4. Виртуальный компьютерный музей. http://www.computer-museum.ru