32508

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: «КОМПЬЮТЕР»

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Одна из содержательных линий базового курса информатики линия компьютера. Линия компьютера проходит через весь курс и по двум целевым направлениям: 1 теоретическое изучение устройства принципов функционирования и организации данных в ЭВМ; 2 практическое освоение компьютера; получение навыков применения компьютера для выполнения различных видов работы с информацией. Представление данных в компьютере Информация хранимая в памяти компьютера и предназначенная для обработки называется данными. Для представления всех видов данных в памяти...

Русский

2013-09-04

142 KB

129 чел.

екция №19. Теория и методика обучения информатики,

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: «КОМПЬЮТЕР».


Одна из содержательных линий базового курса информатики — линия компьютера. Линия компьютера проходит через весь курс и по двум целевым направлениям:

1) теоретическое изучение устройства, принципов функционирования и организации данных в ЭВМ;

2) практическое освоение компьютера; получение навыков применения компьютера для выполнения различных видов работы с информацией.

Представление данных в компьютере Информация, хранимая в памяти компьютера и предназначенная для обработки, называется данными. Для представления всех видов данных в памяти компьютера используется двоичный алфавит.

Представление числовой информации. Исторически первым видом данных, с которым стали работать компьютеры, были числа.

Числа в памяти ЭВМ хранятся в двух форматах: в формате с фиксированной точкой и в формате с плавающей точкой. Под точкой здесь и в дальнейшем подразумевается знак разделения целой и дробной части числа. Формат с фиксированной точкой используется для хранения в памяти целых чисел. В этом случае число занимает одно машинное слово памяти (16 бит). Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа N в форме с фиксированной точкой нужно:

  1.  перевести число N в двоичную систему счисления;
  2.  полученный результат дополнить слева незначащими нулями до 16 разрядов.

Например, N = 160710 = 110010001112. Внутреннее представление этого числа в машинном слове будет следующим:

0000

0110

0100

0111

В сжатой шестнадцатеричной форме этот код запишется так:

двоичные разряды в машинном слове нумеруются от 0 до 15 справа    налево. Старший 15-й разряд в машинном представлении любого положительного числа равен нулю. Поэтому максимально целое число в такой форме равно:

0111 1111 1111 11112 = 7FFF16 = (215- 1) = 3276710.

Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа (-N) нужно:

  1.  получить внутреннее представление положительного числа N;
  2.  получить обратный код этого числа заменой 0 на 1 и 1 на 0;
  3.  к полученному числу прибавить 1.

Определим по этим правилам внутреннее представление числа 160710.

  1.  0000  0110  0100  0111
  2.  1111  1001  1011  1000
  3.                                   + 1

1111  1001  1011  1001 - результат

Шестнадцатеричная форма результата: F9B9.

Описанный способ представления целого отрицательного числа называют дополнительным кодом. Старший разряд в представлении любого отрицательного числа равен 1. Следовательно, он указывает на знак числа и поэтому называется знаковым разрядом.

Применение дополнительного кода для внутреннего представления отрицательных чисел дает возможность заменить операцию вычитания операцией сложения с отрицательным числом: N — М= N + (-М). Очевидно, должно выполняться следующее равенство: N + (-N) = 0. Выполним такое сложение для полученных выше чисел 1607 и -1607:

  0000   0110   0100   0111    1607

  1111   1001   1011   1001   -1607

1 0000   0000   0000   0000          0

Таким образом, единица в старшем разряде, получаемая при сложении, выходит за границу разрядной сетки машинного слова и исчезает, а в памяти остается ноль. Выход двоичных знаков за границу ячейки памяти, отведенной под число, называется переполнением. Для вещественных чисел такая ситуация является аварийной. Процессор ее обнаруживает и прекращает работу (прерывание по переполнению). Однако при вычислениях с целыми числами переполнение не фиксируется как аварийная ситуация и прерывания не происходит.

Двоичное 16-разрядное число 1000 0000 0000 0000 = 215 является «отрицательным самому себе»:

1000  0000  0000  0000       215

0111  1111  1111  1111

                                  +1

1000  0000  0000  0000          -215

Этот код используется для представления значения - 215 = -32768. Следовательно, диапазон представления целых чисел в 16-разрядном машинном слове:

-32768 < N < 32767.

В общем случае для k-разрядного машинного слова этот диапазон следующий:

- 2k-1 ≤ N ≤ 2k-1-1

Формат с плавающей точкой используется как для представления целочисленных значений, так и значений с дробной частью. В математике такие числа называют действительными, в программировании — вещественными.

Формат с плавающей точкой предполагает представление вещественного числа R в форме произведения мантиссы (m) на основание системы счисления (n) в некоторой целой степени, которую называют порядком (p):

R = ± m · n р

Порядок указывает, на какое количество позиций и в каком направлении должна сместиться («переплыть») точка в мантиссе. Например, 25,32410 = 0, 25324 · 102. Однако справедливы и следующие равенства:

25,324 = 2,5324 · 101 = 0,0025324 ·104 и т.д.

Следовательно, представление числа в форме с плавающей точкой неоднозначно. Чтобы не было неоднозначности, в ЭВМ используют нормализованную форму с плавающей точкой. Мантисса в нормализованной форме должна удовлетворять условию:

0,1nm ≤ 1

Для рассмотренного числа нормализованной формой будет: 0,25324 · 102.

В памяти ЭВМ мантисса представляется как целое число, содержащее только ее значащие цифры (нуль целых и запятая не хранятся). Следовательно, задача внутреннего представления вещественного числа сводится к представлению пары целых чисел: мантиссы (m) и порядка (p). В рассмотренном нами m = 25324, р = 2.

В разных типах ЭВМ используются разные варианты организации формата с плавающей точкой. Вот пример одного из вариантов представления вещественного числа в 4-байтовой ячейке па-

Машинный порядок

М   а

н   т   и   с

с   а

1-й байт

2-й байт

3-й байт

4-й байт

В старшем бите 1-го байта хранится знак числа: 0 —- плюс, 1 минус; 7 оставшихся битов 1-го байта содержат машинный порядок; в следующих 3-х байтах хранятся значащие цифры мантиссы.

В рамках базового курса информатики вопрос о представлении вещественных чисел может рассматриваться лишь на углубленном уровне.

Представление символьной информации. В информатике под текстом понимается любая последовательность символов из определенного алфавита. Назовем символьным алфавитом компьютера множество символов, используемых на ЭВМ для внешнего представления текстов.

Первая задача — познакомить учеников с символьным алфавитом компьютера. Они должны знать, что

  •  алфавит компьютера включает в себя 256 символов;
  •  каждый символ занимает 1 байт памяти.

Один символ из алфавита мощностью 256 несет 8 бит, или 1 байт, информации, потому что 256 = 28. Каждый символ представляется 8-разрядным двоичным кодом. Существует 256 всевозможных 8-разрядных комбинаций, составленных из двух цифр «О» и «1». 256 символов — это вполне достаточное количество для представления самой разнообразной символьной информации.

Далее следует ввести понятие о таблице кодировки. Таблица кодировки — это стандарт, ставящий в соответствие каждому волу алфавита свой порядковый номер. Наименьший номер наибольший — 255. Двоичный код символа — это его порядковый номер в двоичной системе счисления. Таблица кодировки устанавливает связь между внешним символьным алфавитом компьютера и внутренним двоичным представлением.

Представление графической информации. Существуют два подхода к решению проблемы представления изображения на компьютере: растровый и векторный.

  •  Растровый подход предполагает разбиение изображения на маленькие одноцветные элементы — видеопиксели, которые, сливаясь, дают общую картину.
  •  Векторный подход разбивает всякое изображение на геометрические элементы: отрезки прямой, эллиптические дуги, фрагменты прямоугольников, окружностей, области однородной закраски и пр.

Информация в видеопамяти (видеоинформация) представляет собой совокупность кодов цвета каждого пикселя экрана. Физический принцип получения разнообразных цветов на экране дисплея заключается в смешивании трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Значит информация, заключенная в коде пикселя должна содержать сведения том, какую интенсивность (яркость) имеет каждая составляющая в его цвете.

Необходимо раскрыть перед учениками связь между кодом цвета и составом смеси базовых цветов.

При векторном подходе изображение рассматривается как совокупность простых элементов. Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном.

Принципы организации информации. Изучив базовый курс, ученики должны будут узнать, что

  1.  компьютер работает со следующими видами данных (обрабатываемой информации): символьными, числовыми, графическими, звуковыми;
  2.  любая информация в памяти компьютера (в том числе и программы) представляется в двоичном виде.

Устройство компьютера Главные понятия данной темы: архитектура ЭВМ; память ЭВМ (оперативная, внешняя); процессору устройства ввода; устройства вывода; программное управление.

Рассмотрим в сравнении  умение осуществлять три типа информационных процессов человеком и компьютером: хранение информации, обработку информации, прием-передачу информации и отразим это в схеме.

Функция

Человек

Компьютер

Хранение информации

Память

Устройства памяти

Обработка информации

Мышление

Процессор

Прием информации

Органы чувств

Устройства ввода

Передача информации

Речь, двигательная система

Устройства вывода

 

                                                                 

Архитектуру ЭВМ нельзя описывать статично. В сознании учеников с самого начала необходимо создавать представление о функционировании компьютера. Для решения любой задачи компьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы. И данные и программа представляются в определенной «понятной» машине форме, заносятся во внутреннюю память и компьютер переходит к выполнению программы, т.е. задачи. Компьютер является формальным исполнителем программы.

Необходимо подчеркнуть, что любая работа выполняется компьютером по программе.

Суть принципа программного управления компьютером сводится к следующим трем положениям:

  •  любая работа выполняется компьютером по программе;
  •  исполняемая программа находится в оперативной памяти;
  •  программа выполняется автоматически.

Виды памяти ЭВМ. Внутренняя память. К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие свойства:

  •  это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно назвать энергозависимой;
  •  это быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень маленькое — микросекунды;
  •  это память небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Быструю энергозависимую внутреннюю память называют оперативной памятью, или ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. Её информационную структуру следует представлять как последовательность двоичных ячеек — битов.

Номера байтов

Биты

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

0

0

1

1

0

1

2

1

0

0

0

1

1

1

0

3

0

1

1

1

0

0

1

1

Свойства: дискретность и адресуемость. Информационная структура внутренней памяти — битово - байтовая. Ее размер (объем) обычно выражают в килобайтах, мегабайтах.

Внешняя память. Свойства внешней памяти описываются так:

  •  вешняя память энергонезависима;
  •  внешняя память — медленная по сравнению с оперативной
  •  объем информации, помещающейся во внешней памяти больше, чем во внутренней.

Информационная структура внешней памяти — файловая. Наименьшей именуемой единицей во внешней памяти является файл. Информация, хранящаяся в файле, тоже состоит из битов и байтов, но в отличие от внутренней памяти байты на дисках не адресуются. При поиске нужной информации на внешнем носителе должно быть указано имя файла, в котором содержится; сохранение информации производится в файле с конкретным именем.

Архитектура персонального компьютера 

Данную структуру ПК принято называть архитектурой с общей шиной (другое название — магистральная архитектура). Ее главное достоинство — простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены старых устройств. Отмеченные возможности принято называть принципом открытой архитектуры ПК.

Скорость работы компьютера зависит от целого ряда его характеристик. Важнейшими из них являются две характеристики процессора: тактовая частота и разрядность.

Основным устройством вывода графических изображений является дисплей. Основные представления об устройстве дисплея, которые должны извлечь ученики из этого материала: дискретная (пиксельная) структура экрана; сетка пикселей (растр); сканирование растра электронным лучом; частота сканирования; трехцветная структура пикселя цветного монитора.

В качестве устройства ввода изображения с листа в компьютерную память используется сканер. Следует подчеркнуть взаимообратную функцию системы вывода изображения на экран и системы ввода изображения с помощью сканера (рис. 9.4).

Изучение архитектуры ЭВМ на учебных моделях. Основные идеи архитектуры ЭВМ были сформулированы в конце 40-х гг. XX в. Джоном фон Нейманом. Эти идеи принято называть принципами Неймана. К их числу относятся:

  1.  состав устройств и структура однопроцессорной ЭВМ;
  2.  использование двоичной системы счисления в машинной арифметике;
  3.  адресуемость памяти ЭВМ;
  4.  хранение данных и программ в общей памяти ЭВМ;
  5.  структура машинной команды и состав системы команд процессора;
  6.  цикл работы процессора (алгоритм выполнения программы процессором).

Изучение архитектуры ЭВМ в базовом курсе информатики фактически сводится к раскрытию перечисленных принципов.

Программное обеспечение ЭВМ

Основная педагогическая задача привести учеников к пониманию того факта, что современный компьютер представляет собой двуединую систему, состоящую из аппаратной части (технических устройств) и информационной части (программного обеспечения).

КОМПЬЮТЕР =   АППАРАТУРА + ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

                                    (hardware)                                               (software)

Использование компьютера человеком происходит по такой схеме

Задача    Выбор и инициализация программы    Работа

  •  

Системное программное обеспечение. Главной частью системного ПО является операционная система. При включении компьютера происходит загрузка операционной системы в оперативную память ЭВМ. В ОЗУ загружается с магнитного диска ядро ОС, которое должно постоянно находиться в оперативной памяти, пока работает компьютер. Диск, на котором хранится ОС и с которого происходит ее загрузка, называется системным диском. Операционная система выполняет три основные функции:

  1.  управление устройствами компьютера;
  2.  взаимодействие с пользователем;
  3.  работа с файлами.

Нужно  сказать о том, какой режим работы поддерживает данная система: однозадачный или многозадачный. MS-DOS поддерживает однозадачный режим работы компьютера. Операционная система Windows поддерживает многозадачный режим работы. Здесь программа может выполняется в фоновом режиме. Для одновременного выполнения нескольких программ операционная система должна разделять  между ними время работы процессора, следить за размещением этих программ и данных в памяти так, чтобы они не мешали друг другу (разделять память).

Управление внешними устройствами компьютера — еще одна из сторон первой функции ОС. В состав операционной системы входят специальные программы управления внешними устройствами, которые называются драйверами внешних устройств.

В компьютерной терминологии для обозначения способа, взаимодействия программы с пользователем принят термин пользовательский интерфейс. Очень удобно, когда пользовательский интерфейс унифицирован. Примером такого унифицированного интерфейса является среда диалоговой оболочки Norton Commander (NC), «Рабочий стол» Windows. Основные пользовательские навыки работы с операционной системой сводятся к следующему:

  •  уметь находить нужную программу и инициализировать ее выполнение;
  •  уметь выполнять основные операции с файлами: копировать, переносить, удалять, переименовывать, просматривать содержимое файлов;
  •  получать справочную информацию о состоянии компьютера, |о заполнении дисков, о размерах и типах файлов.

Общение операционной системы с пользователем происходи в диалоговом (интерактивном) режиме в форме:

<приглашение ОС> — <команда, отдаваемая пользователем>

В зависимости от используемого интерфейса форма приглашения и способ передачи команды могут быть разными. Если работа происходит без использования какой-либо удобной диалоговой оболочки, то общение пользователя с ОС производится через командную строку.

Совокупность команд, которые понимает операционная система, составляет язык команд ОС. При работе с оболочками признаком приглашения ОС является появление на экране среды (интерфейса) оболочки: панелей NC или Рабочего стола Windows. Пользователь отдает команды путем выбора из представленных на экране меню нажатием функциональных клавиш или каких-либо групп клавиш.

Работа с файлами осуществляется с помощью раздела ОС, который называется файловой системой.  Первоначальные понятия, которые должны быть даны ученикам по данной теме, — это имя файла, тип файла, файловая структура, логический диск, каталог, путь к файлу, дерево каталогов. Вся информация в компьютере делится на программы и данные. Программные файлы имеют расширение имени .ехе или .соm. Все прочие типы файлов — это файлы данных. При изучении каждого нового приложения обращайте внимание учеников на типы файлов, с которыми это приложение работает.

Понятие «дерева» каталогов характерно для операционных систем, работающих с иерархическими файловыми структурами. Иерархические структуры – это один из распространенных способов организации данных (наряду с сетевым и табличным). Наглядное представление о файловой структуре дает дерево — графическое отображение иерархии каталогов (папок) на диске.

Операции с файлами и каталогами следует давать в таком порядке: просмотр содержимого файла, копирование и перемещение файла, создание каталога (папки), удаление файла и каталога, переименование файла и каталога.

Прикладное программное обеспечение. Это программы, которые непосредственно удовлетворяют информационные потребности пользователя. Современные информационные технологии состоит из множества прикладных программ. В рамках базового курса ученики знакомятся лишь с прикладными программами общего назначения: текстовыми и графическими редакторами, системами управления базами данных, табличными процессорами, сетевыми программами: броузерами, поисковыми серверами.

Системы программирования. Ученикам необходимо получить представление о том, что

  •  программы для компьютера составляют программисты
  •  программисты пишут программы на языках программирования.
  •  существует множество различных языков программирования (Паскаль, Бейсик, и др.);
  •  системы программирования позволяют программисту вводить программы в компьютер, редактировать, отлаживать, тестировать и исполнять программы.

В разделе базового курса «Введение в программирование» ученики получают начальные представления и навыки работы с одной из систем программирования на языке высокого уровня.

Требования к знаниям и умениям учащихся по линии компьютера

Учащиеся должны знать:

  •  правила техники безопасности при работе на компьютере;
  •  состав основных устройств компьютера, их назначение и информационное взаимодействие;
  •  основные характеристики компьютера в целом и его узя(различных накопителей, устройств ввода и вывода информации);
  •  структуру внутренней памяти компьютера (биты, байты); понятие адреса памяти;
  •  типы и свойства устройств внешней памяти;
  •  типы и назначение устройств ввода-вывода;
  •  сущность программного управления работой компьютера;
  •  принципы организации информации на дисках: что файл, каталог (папка), файловая структура;
  •  назначение программного обеспечения и его состав;      
  •  основные этапы развития информационно-вычислительной, техники, программного обеспечения ЭВМ и информационных технологий;
  •  принципы архитектуры ЭВМ Джона фон Неймана;
  •  состав и функции операционной системы.

учащиеся должны уметь:

  •  включать и выключать компьютер;
  •  пользоваться клавиатурой;
  •  вставлять дискеты в накопители;
  •  ориентироваться в типовом интерфейсе: пользоваться меню, обращаться за справкой, работать с окнами;
  •  инициализировать выполнение программ из программных файлов;
  •  просматривать на экране директорию диска;
  •  выполнять основные операции с файлами и каталогами (папками): копирование, перемещение, удаление, переименование, поиск;
  •  работать с сервисными программами: архиваторами, антивирусниками и др.;
  •  с помощью системных средств управлять диалоговой средой операционной системы (оболочкой NC для MS-DOS, «Рабочим столом» для Windows).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5880. Теоретические основы земельного управления 135.5 KB
  Шпора к экзамену по предмету Теоретические основы з/у 1. Каково экономическое значение земли в общественном производстве. Место и роль земли в общественном производстве, бесспорно, огромная, но к различных ее отраслях она выполняет неравнозначную ро...
5881. Международные валютные отношения 113 KB
  Международные валютные отношения Эволюция международной валютной системы. Валютный рынок и валютное регулирование. Основные формы конвертируемости валют и условия их формирования Цель темы - раскрыть сущность международной валютной системы в пр...
5882. Особенности управления оборотными средствами 101 KB
  В данной курсовой работе на основании различных литературных источников я раскрыла понятие и экономическая сущность оборотных средств, их значение для деятельности предприятия, особенности управления оборотными средствами, а также пути пов...
5883. Рынок труда и особенности организации занятости населения Российской Федерации 193.5 KB
  Преобладающая общность интересов товара рабочей силы и ее потребителей - экономики и государства – является важнейшей социально-экономической чертой рыночной экономики, создающий прочную гуманистическую основу развития народного...
5884. Миграция рабочей силы 206.5 KB
  Моя курсовая работа касается такой проблемы как миграция рабочей силы. Это явление было известно еще в Х веке. На протяжении всего времени оно претерпевало изменения в связи с тем, что менялся общественный строй, а следовательно и мир...
5885. Государственный долг и дефицит бюджетных средств 294 KB
  На современном этапе проблема бюджетного дефицита в России не является главной проблемой экономики Российской Федерации, но сохраняет свою актуальность, поскольку большинство экономических проблем ведут именно к ней. И то, что сейчас по офи...
5886. Сестринское дело в хирургической медицине 165.5 KB
  Философия сестринского дела Постановление правительства Российской Федерации от, №1387 О мерах по стабилизации и развитию здравоохранения и медицинской науки в Российской Федерации предусмотрено осуществление реформы, направл...
5887. Рынка ссудных капиталов в условиях децентрализованной экономики 258 KB
  Целью данной курсовой работы является раскрытие сущности рынка ссудных капиталов, так как в условиях децентрализованной экономики рынок ссудных капиталов играет важную роль, поскольку создание, функционирование и развитие любого...
5888. Задатки и способности человека 72 KB
  Тема способностей, которую я выбрал, актуальна в наши дни. Проблема способностей постоянно ставится перед человеком жизнью. Она всегда была столь же важной, сколько и увлекательной. Понятие о способностях человека развивалось в связи с общи...