Актуальность и новизна методической разработки.
Изучением данной темы заканчивается целый блок учебного материала старшей школы, который называется “Основы логики и логические основы компьютера”. Но многие учителя на уроках ограничиваются лишь изучением первой части темы, то есть “Основами логики”, считая изучение темы “Логические основы устройства компьютера” слишком трудоемким и сложным процессом как для объяснения учителем, так и для понимания учениками.
Пользуясь интерактивной презентацией и поделив материал, представленный на слайдах таким образом, что он будет доступен для пошаговых комментариев, учитель значительно облегчит понимание данной темы.
Работа с презентацией на уроке должна быть построена таким образом, чтобы ученики сначала отвечали на наводящие вопросы учителя, используя поисковый метод обучения, а потом ответы уже появлялись на слайдах.
Предварительная подготовка к уроку:
- учащиеся должны знать базовые логические операции;
- уметь составлять таблицы истинности логических выражений;
- иметь понятие о равносильности логических выражений;
- уметь складывать числа в двоичной системе счисления;
- желательно, чтобы учащиеся к данному моменту имели опыт сборки электрических цепей на уроках физики.
Цели урока:
образовательная: дать учащимся представление о том, как при помощи базовых логических элементов организовано выполнений процессором арифметико-логических действий по обработке информации и хранение информации оперативной памяти;
воспитательная: формирование интереса к технике, познанию мира, целеустремленности в поиске решения проблем;
развивающая: развитие логического мышления и памяти, развитие речи, развитие эстетического вкуса.
Тип урока: урок объяснения нового материала
Методы: поисковый, словесный, наглядно-иллюстративный, практический.
Организационные формы работы: фронтальная, групповая и индивидуальная.
Оборудование: маркерная доска и маркеры, мультимедиа-проектор и компьютер, с установленной программой Microsoft PowerPoint версии 2003 и выше или с аналогичным приложением из пакета Open Office.
Методика проведения урока
I. Организационный момент.
Приветствие учеников, проверка отсутствующих, готовность к уроку, настрой на работу.
II. Сообщение темы и целей урока.
Слайд №1.
Тема нашего урока “Логические основы устройства компьютера. Сумматор двоичных чисел. Триггер”. (Запись в тетради темы урока)
Ребята, сегодня на уроке мы с вами постараемся ответить на следующие вопросы:
- Из каких базовых логических элементов состоит процессор и оперативная память.
- Как при помощи них данные устройства реализуют свои функции.
III. Изучение нового материала.
1. Базовые логические элементы
Учитель объясняет ученикам, что “любые устройства компьютера, производящие обработку или хранение информации, могут быть собраны из базовых логических элементов, как из “кирпичиков” [1, стр. 180].
Существует 3 типа логических элементов:
- логический элемент “И” - логическое умножение;
- логический элемент “ИЛИ” - логическое сложение;
- логический элемент “НЕ” - инверсия.
Слайды 3-5 в анимированном виде представляют, как на входы этих логических элементов поступают сигналы в виде электрических импульсы (записывается как 1) или их отсутствия (записывается как 0). На выходе образуется сигнал в соответствии с таблицей истинности данной логической операции.
Комментирование этих 3-х слайдов можно поручить ученику, хорошо помнящему соответствующие таблицы истинности.
Если учащиеся имеют опыт сборки электрических цепей на уроках физики, то необходимо актуализировать эти знания при объяснении схем базовых логических элементов. Таким учащимся для актуализации этих знаний можно было дать домашнее задание: составить модели электрических схем логических элементов “И”, “ИЛИ”, “НЕ” в свободно распространяемом компьютерном конструкторе “Начала электроники”, который можно скачать в Интернете.
2. Сумматор двоичных чисел.
Всё многообразие математических операции в процессоре сводится к сложению двоичных чисел. Поэтому главной частью процессора являются сумматоры [1].
Полусумматор.
Для того чтобы понять, как работает сумматор, ученикам предлагается вспомнить, как происходит сложение двоичных чисел. Для этого к доске вызывается ученик, который складывает одноразрядные двоичные числа и комментирует ответы с учетом переноса в старший разряд. Одновременно на экране построчно появляется таблица, показывающая соответствующие слагаемые, сумму и перенос.
Учитель задает вопрос: “С помощью какой логической операции можно реализовать перенос при сложении, то есть столбик переноса идентичен столбику F какой из логических функций?”
Ученики отвечают, что это логическое умножение.
Далее учитель предлагает, посмотреть на столбик “сумма” и проанализировать, с итоговым столбиком F какой из функций (за исключением одной строчки) он совпадает.
Ученики заключают, что это логическое сложение.
Учитель подсказывает, что для того чтобы совпадение было полным надо результат логического сложения умножить на инвертированный перенос (слайд №7).
S = (A v B) & ¬ (A & B)
Построим таблицу истинности для данного логического выражения и убедимся в в правильности данного предположения (учащиеся постепенно заполняют таблицу истинности, показанную на экране, называя содержимое каждой следующей ячейки таблицы, поле чего учитель щелкает мышью и содержимое ячеек появляется на экране).
Теперь на основе логических выражении, соответствующих переносу и сумме можно построить из базовых логических элементов схему сложения одноразрядных двоичных чисел.
На экране появляется данная схема (слайд №8). Схема появляется пошагово справа налево, потому что ученики еще раз должны прокомментировать, как составляется схема суммы и переноса. Для этого учитель наводящими вопросами подталкивает учеников к тому, чтобы они сказали, какой элемент схемы сейчас должен появиться на экране, что будет на его выходе и на его входах (или входе).
Учитель произносит: “Данная схема называется полусумматором, потому что не учитывает перенос из младшего разряда”.
Полный одноразрядный сумматор.
Ученикам при помощи наводящих вопросов учителя предлагается построить таблицу, учитывающую перенос из младшего разряда.
Далее учитель наводит на мысль о том, что перенос (логическая переменная P) принимает значение 1 тогда, когда хотя бы две входные переменные одновременно принимают значение 1. Таким образом, перенос реализуется путем логического сложения результатов попарного умножения входных переменных (A, B, P0). Таким образом, формула переноса составляется так: P = (A & B) v (A & P0) v (B & P0).
Значение суммы получается так: S = (A v B v P0) & ¬P.
Данное выражение дает правильное значение суммы во всех случаях, кроме одного, когда все входные переменные равны 1.
Для получения правильной суммы, равной 1, нужно сложить полученное выше выражение для суммы с результатом логического умножения переменных (A, B, P0).
S = (A v B v P0) & ¬ P0 v (A & B & P0).
Многоразрядный сумматор.
Многоразрядный сумматор состоит из полных одноразрядных сумматоров, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключается ко входу сумматора старшего разряда [1, cтр.187].
3. Триггер.
Важнейшей структурной единицей оперативной памяти компьютера, а также внутренних регистров процессора является триггер. Каждый триггер может хранить 1 бит информации (то есть может хранить либо логическую 1, либо логический 0). В этом он может быть сравним с бытовым выключателем, который может находиться только в двух состояниях: либо включен, либо выключен.
На слайде №9 показано при помощи пошаговой анимации, каким образом триггер хранит информацию. Как происходит сброс информации показано на слайде №10. Учитель комментирует каждый шаг анимации. Далее детям предоставляется возможность тоже прокомментировать данный слайд.
IV. Подведение итогов урока.
Ребята сегодня на уроке мы узнали:
- о том, что в основе устройств компьютера лежат 3 типа логических элементов: логический элемент “И”, логический элемент “ИЛИ”, логический элемент “НЕ”;
- что из этих логических элементов состоит процессор и оперативная память;
- как при помощи них реализуются арифметико-логических действия;
- и как организован триггер, являющийся важнейшей структурной единицей оперативной памяти.
V. Домашнее задание.
Дома группам учеников (2-4 человека) по учебнику (§ 3.3.1, § 3.3.2, § 3.3.3) предлагается составить аналогичную презентацию, чтобы, опираясь на неё, на следующем уроке сделать пересказ параграфов. Домашняя работа будет оцениваться по 2 пунктам: 1) оформление презентации, 2) качество пересказа.
Использованная литература
1. Информатика и ИКТ. Профильный уровень: учебник для 10 класса / Н.Д. Угринович. – 4- изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.