Методическая разработка занятия «История докомпьютерной эпохи»

ИСТОРИЯ ДОКОМПЬЮТЕРНОЙ ЭПОХИ

Цели: познакомить учащихся с устройствами, являющимися предшественниками компьютеров; познакомить учащихся с изобретателями устройств, помогающих обрабатывать информацию.

Требования к знаниям и умениям:

Учащиеся должны знать:

• • Основные устройства, являющиеся предшественниками компьютера;

  • Изобретателей, которые эти устройства придумали и реализовали.

Учащиеся должны уметь:

• Называть в хронологическом порядке основные вычислительные средства и их изобретателей.

Программно-дидактическое обеспечение: ПК, презентация, плакаты с изображением основных устройств, портреты изобретателей и ученых.

ХОД УРОКА

I. Постановка целей урока

1. Абак – прапрадедушка современного компьютера.

2. Что изобрел Блез Паскаль.

3. Аналитическая машина Чарльза Беббиджа – гениальный проект, оставшийся не реализованным.

4. Готфрид Лейбниц. Его вклад в развитие вычислительных устройств.

5. Как осуществлялась перепись населения в конце XVIII и начале XIX века?

II. Изложение нового материала

Идея создания сумматора и триггера, на базе которых существует современный компьютер, пришла к ученым-изобретателям только в XX веке. Но, согласитесь, что и до этого времени человечество использовало специальные устройства, облегчающие и механизирующие счет. Именно с историей возникновения и развития вычислительных средств мы и познакомимся.

Предложить детям выступить с сообщениями. Все учащиеся готовят следующую таблицу и заполняют ее после каждого сообщения. Таким образом, происходит закрепление материала. Таблица заполнится целиком после шестого сообщения.

Исходная таблица.

Дата

Устройство

Изобретатель

Назначение и функции устройства

Заполненная таблица

Дата

Устройство

Изобретатель

Назначение и функции устройства

V век до н.э.

Абак

-

Выполнение простых арифметических операций простым перемещением счетных элементов

1642 год

Арифмометр

Блез Паскаль

Суммирование чисел с автоматическим переносом разряда

1670-1694 год

Арифмометр

Готфрид Лейбниц

Умножение и деление чисел мгновенно, не прибегая к последовательному сложению и вычитанию

1834-1851 гг.

Аналитическая машина

Чарльз Беббидж

Были предусмотрены все основные элементы, присущие современному компьютеру:

1. Склад – устройство, где хранятся исходные числа и промежуточные результаты. В современном компьютере это память.

2. Фабрика – арифметическое устройство, в котором осуществляются операции над числами, взятыми из Склада. В современном компьютере это процессор.

3. Блоки ввода исходных данных – устройства ввода.

4. Печать результатов – устройство вывода.

XIX век

Табулятор

Герман Холлерит

Устройство, использованное при переписи населения для обработки ее результатов

1804 год

Перфокарта

-

Кусочек картона с отверстиями, которые кодировали информацию. Использовались для хранения и обработки информации

История современной вычислительной техники насчитывает чуть более полувека. Но упоминание о первом механическом компьютере встречается еще до нашей эры. Этот «компьютер» получил распространение в V веке до нашей эры в Греции и Египте и назывался абак.

Абак и счеты (сообщение 1)

Абак – греческое слово и переводится как счетная доска. Идея его устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, где по определенным правилам перемещаются счетные элементы. Действительно, первоначально абак представлял собой доску, покрытую пылью или песком. На ней можно было чертить линии и перекладывать камешки. В Древней Греции абак служил преимущественно для выполнения денежных расчетов. В левой части подсчитывались крупные денежные единицы, а в правой – мелочь. Счет велся в двоично-пятеричной системе счисления. На такой доске было легко складывать и вычитать, добавляя или убирая камешки и перенося их из разряда в разряд.

Придя в Древний Рим, абак изменился внешне. Римляне стали изготавливать его из бронзы, слоновой кости или цветного стекла. На доске присутствовали два разряда прорезей, по которым можно было передвигать косточки. Абак превратился в настоящий счетный прибор, позволяющий представлять даже дроби, и был значительно удобнее греческого. Римляне называли это устройство calculi – «камешки». Отсюда произошел латинский глагол calculare – «вычислять», а от него русское слово – «калькулятор».

После падения Римской империи произошел упадок науки и культуры и абак был забыт на некоторое время. Возродился он и распространился по Европе только в X веке. Абаком пользовались купцы, менялы, ремесленники. Даже спустя шесть столетий, абак оставался важнейшим инструментом для выполнения вычислений.

Естественно, что в течение такого большого промежутка времени абак менял свой внешний вид и в XII – XIII вв. он приобрел форму так называемого счета на линиях. Это были специально разлинованные таблицы и жетоны, которые можно было помещать как на линиях, так и между ними. Такая форма счета в некоторых европейских странах сохранялась до конца XVIII в. и лишь затем окончательно уступила место вычислениям на бумаге.

В Китае абак был известен с IV века до нашей эры. На специальной доске выкладывались счетные палочки. Постепенно их сменили разноцветные фишки, а в V веке появились китайские счеты – суан-пан. Они представляют собой раму с двумя рядами нанизанных на прутики косточек. На каждом прутике их было по семь. Из Китая суан-пан пришел в Японию. Произошло это в XVI веке и устройство получило название «соробан».

В России счеты появились в то же время, что и в Японии. Но русские счеты были изобретены самостоятельно, что доказывают следующие факты. Во-первых, русские счеты очень сильно отличаются от китайских. Во-вторых, это изобретение имеет свою историю.

В России был распространен «счет костьми». Он был близок европейскому счету на линиях, но писцы использовали вместо жетонов плодовые косточки. В XVI в. возник дощаной счет (достаточно сложный), первый вариант русских счетов. Такие счеты хранятся сейчас в Историческом музее в Москве.

Современный вид русские счеты приобрели к началу XVIII века. Далее они только меняли форму, размер и изгибы проволоки для удобства использования.

Счеты в России использовались почти 300 лет и сменили их только дешевые карманные калькуляторы.

Первое в мире автоматическое устройство, которое могло выполнять сложение, было создано на базе механических часов, и разработал его в 1623 году Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в одном из университетов Германии. Но неоценимый вклад в развитие устройств, помогающих выполнять вычисления, безусловно внесли Блез Паскаль, Годфрид Лейбниц и Чарльз Беббидж.

Блез Паскаль (сообщение 2)

Блез Паскаль родился 19 июня 1623 года во Франции. Его отец был человеком богатым и образованным. После смерти жены, он всю свою жизнь посвятил воспитанию детей. С самого раннего детства Блез проявлял признаки несомненной гениальности. В четыре года он писал и считал, в десять лет написал первую научную работу о звуке, а в одиннадцать лет самостоятельно доказал теорему о сумме углов треугольника. В двенадцать лет его как равного приняли в кружок крупнейших парижских математиков.

В 1640 году отцу Блеза поручили осуществлять контроль за сбором налогов по всей провинции и у юноши возникла мысль об арифметической машине, которая помогла бы отцу в сложных расчетах. К концу того же года главная идея конструкции будущей машины была сформирована – автоматический перенос разряда. «…Каждое колесо…некоторого разряда, совершая движение на десять арифметических цифр, заставляет двигаться следующее только на одну цифру» - эта формула изобретения утверждала приоритет Блеза Паскаля в изобретении и закрепляла за ним право производить и продавать машины.

Машина Паскаля осуществляла сложение чисел на специальных дисках-колесиках. Десятичные цифры пятизначного числа задавались поворотами дисков, на которые были нанесены цифровые деления. Результат читался в окошечках. Диски имели один удлиненный зуб, чтобы можно было учесть перенос в следующий разряд.

Первая модель оказалась … не работоспособной. Следующий вариант машины был разработан к 1642 году, и именно этот год считается датой изобретения.

Блез Паскаль сам активно участвовал в строительстве машины. Он вытачивал детали на токарном станке, подбирал материалы, развернул настоящую рекламную компанию и подчеркивал прочность машины, подвергнув ее суровому испытанию, провезя в карете более 1100 км.

Он показывал свою машину в салонах самых знаменитых людей и на различных выставках. Но настоящего производства наладить так и не удалось. За восемь лет было изготовлено всего 50 арифметических машин, и покупали их в основном не для работы, а для развлечения. Паскаль некоторое время продолжал совершенствовать свою машину, но после 1653 года больше к этому не возвращался. Причиной этому было то, что общество не было еще готово к использованию его изобретения, и Паскаль не видел для нее дальнейших перспектив. С 1655 года он отказался от светской жизни и вел полумонашеское существование. Умер Блез Паскаль в 1662 году в Париже в возрасте 39 лет.

Паскаль был одним из величайших гениев человечества. Он был математиком, физиком, механиком, изобретателем, писателем. Его имя носят теоремы математики и законы физики. В информатике его имя носит один из самых популярных языков программирования.

Готфрид Вильгельм Лейбниц (сообщение 3)

Готфрид Вильгельм Лейбниц родился 1 июля 1646 года в городе Лейпциге. Готфрид с детства много занимался. В восемь лет он изучал греческий язык и латынь, в пятнадцать окончил гимназию и поступил в Лейпцигский университет на факультет права. Кроме этого он изучал философию и математику. По окончании университета в 1676 году он знакомится с голландским изобретателем и физиком Христианом Гюйгенсом и решает облегчить его труд с помощью механического устройства для расчетов.

Сначала он хотел только улучшить машину Паскаля. По словам самого ученого, он придумал арифмометр, который надежно и быстро выполняет все арифметические операции, особенно умножение.

В конструкцию машины были включены движущаяся часть (подвижная каретка) и ручка, с помощью которой крутились специальное колесо или барабаны, расположенные внутри аппарата. В арифмометре каждый разряд имел собственный механизм, связанный с механизмами соседних разрядов. Данный механизм лег в основу всех механических калькуляторов последующих веков.

Лейбниц несколько лет трудился над своим изобретением, и машина появилась лишь в 1694 году в Ганновере. О ней сам изобретатель писал: «Мне посчастливилось построить такую арифметическую машину, которая бесконечно отличается от машины Паскаля, так как моя машина дает возможность совершать и умножение, и деление над огромными числами мгновенно. Не прибегая к последовательному сложению и вычитанию». Но счетная машина не получила широкого распространения, потому что в конце XVII – в начале XVIII века отсутствовал спрос на такую дорогую и сложную технику.

Однако деятельность Лейбница выходила за пределы официальных обязанностей. Этот ученый внес огромный вклад в геологию, психологию, лингвистику, философию, физику, математику и механику. Лейбниц обладал фантастической эрудицией, почти сверхъестественной памятью и удивительной работоспособностью.

Именно Лейбниц впервые перевел словесные высказывания в математическую логику и впервые высказал мысль о возможности применения двоичной системы счисления в логике, что позднее стало использоваться в вычислительных машинах.

Чарльз Беббидж (сообщение 4)

Чарльз Беббидж родился 26 декабря 1791 года на юго-западе Англии в маленьком городе Тотнес графства Девоншир. С детства Чарльз увлекался всевозможными механизмами и проявлял серьезные математические способности. В 1810 году он поступает на учебу в кембриджский университет, и здесь обнаруживается, что математику Беббидж знает лучше своих сверстников. Очень быстро он перегоняет по знаниям своих преподавателей и приходит к неутешительному выводу о том, что Англия отстала от континентальных стран по уровню математической подготовки. И в 1812 году Чарльз и его ближайшие друзья – математики основали Аналитическое общество, деятельность которого оказалась плодотворной, и которое по праву встало у истоков формирования новой математической школы в Англии.

После окончания университета в 1814 году Чарльз Беббидж ведет образ жизни свободного джентльмена - философа и продолжает заниматься математикой. В последствии он несколько удаляется от математики и его работы принимают прикладной характер. В течение нескольких лет Беббидж знакомится и общается с известными людьми: астрономом и физиком Пьером Лапласом, физиком и математиком Жаном Батистом Фурье, а также именитым французским математиком Г. Прони. В результате такого общения он приходит к мысли о возможности упрощения процедуры сложных вычислений путем механического выполнения однообразных, рутинных действий. Идеи Г.Прони вдохновили Беббиджа на создание первой дифференцированной машины.

В 1822 году Беббидж закончил описание машины, которая могла бы производить вычисления с точностью до 18-го знака. Он назвал ее «разностная машина» и приступил к ее постройке. Но строительство продолжалось десять лет, но машина так и не была построена. Сейчас трудно указать причину, по которой машина не была построена. Возможно, это связано с тем, что заслуженные ученые выступали против этой машины, так как в ту пору не существовало подходящей технической базы и они считали труд изобретателя бесплодным. Возможно, что причиной неудач была излишняя разносторонность Беббиджа. Так или иначе, но машина послужила основой для новых изобретений.

В 1834 году у Беббиджа возникла мысль создать универсальную вычислительную машину, которую он назвал аналитической. Он задумал сделать механическое устройство, способное не просто считать, но и управлять ходом собственной работы в зависимости от заложенной программы, т.е. воплотить идею программного управления вычислительным процессом. Это изобретение опередило эпоху на 100 лет. Сам автор был потрясен возможностями такой машины. Он писал: «Шесть месяцев я составлял проект машины более совершенной, чем первая. Я сам поражен той вычислительной мощностью, которой она будет обладать, еще год назад я не смог бы в это поверить».

Однако аналитическая машина так же не была построена. Чарльзу Беббиджу не хватило средств для ее постройки. Он работал над своей машиной до конца жизни. Умер ученый 18 октября 1871 года.

Чарльз Беббидж был математиком, философом, экономистом и политэкономом.

Сын изобретателя продолжил работу отца над машиной и она с переменным успехом, спустя десятилетие была построена. Действующий образец печатал результаты вычислений. Машина Беббиджа оказалась работоспособной, но изобретатель этого уже не увидел.

Аналитическая машина. В ней предусматривались все основные элементы, присущие современному компьютеру. Назовем их:

1. Склад – устройство, где хранятся исходные числа и промежуточные результаты. В современном компьютере это память.

2. Фабрика – арифметическое устройство, в котором осуществляются операции над числами, взятыми из Склада. В современном компьютере это процессор.

3. Блоки ввода исходных данных – устройства ввода.

4. Печать результатов – устройство вывода.

Архитектура машины практически соответствует архитектуре современных ЭВМ, а команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включают все команды процессора.

Интересным историческим фактом является то, что первую программу для аналитической машины написала Ада Августа Лавлейс – дочь великого английского поэта Джорджа Байрона. Именно Беббидж заразил ее идеей создания вычислительной машины.

Герман Холлерит (сообщение 5)

Герман Холлерит родился 29 февраля 1860 года в американском городе Буффало в семье немецких эмигрантов. С детства он страдал дискгафией и с трудом писал. Поэтому он обучался на дому. Герману легко давались математика и естественные науки, и в 15 лет он поступил в Горную школу при Колумбийском университете. На способного юношу обратил внимание профессор того же университета и пригласил его после окончания школы в возглавляемое им национальное бюро по переписи населения. Это событие повлияло на всю дальнейшую жизнь Германа Холлерита.

Перепись населения производилась каждые десять лет. Население постоянно росло, и ее численность в США к тому времени составляло около 50 миллионов человек. Заполнить на каждого человека карточку вручную, а затем подсчитать и обработать результаты, было практически невозможно. Этот процесс затянулся на несколько лет, почти до следующей переписи. Необходимо было найти выход из этой ситуации.

Герману Холлериту идею механизировать этот процесс подсказал доктор Джон Биллингс, возглавлявший департамент сводных данных. Он предложил использовать для записи информации перфокарты.

Свою машину Холлерит назвал табулятором и в 1887 году он был опробован в Балтиморе. Результаты оказались положительными, и эксперимент повторили в Сент-Луисе. Выигрыш во времени был почти десятикратным. Правительство США сразу же заключило с Холлеритом контракт на поставку табуляторов, и уже в 1890 году перепись населения прошла с использованием машин. Обработка результатов заняла менее двух лет и сэкономила 5 миллионов долларов. Система Холлерита не только обеспечивала высокую скорость, но и позволяла сравнивать статистические данные по самым разным параметрам. Холлерит разработал удобный клавишный перфоратор, позволяющий пробивать около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах, автоматизировал процедуры подачи и сортировки перфокарт. Сортировку осуществляло устройство в виде набора ящиков с крышками. Перфокарты продвигались по своеобразному конвейеру. С одной стороны карты находились считывающие штыри на пружинках, с другой – резервуар с ртутью. Когда штырь попадал в отверстие на перфокарте, то благодаря ртути, находившейся на другой стороне, замыкал электрическую цепь. Крышка соответствующего ящика открывалась и туда попадала перфокарта.

Заслуги Холлерита признаны во всем мире. Его наградили множеством медалей, присвоили ученую степень доктора философии, научные общества Европы и Америки избрали его своим почетным членом. Табулятор использовали для переписи населения в нескольких странах.

В 1896 году Герман Холлерит основал компанию Tabulating Machine Company (TMC) и его машины применялись повсюду – и на крупных промышленных предприятиях и в обычных фирмах. И в 1900 году табулятор использовался для переписи населения.

Однако на смену устройству Холлерита пришли другие, более совершенные машины и после переписи 1900 года предприниматель отходит от своей деятельности. Его фирму поглощает другая компания – Computer Tabulating Recording Company. Она уверенно смотрит в будущее и после окончательного ухода Германа Холлерита ее директор Томас Уотсон переименовывает фирму в IBM.

Герман Холлерит скончался 17 ноября 1929 года. И хотя официально основателем IBM считается Томас Уотсон, многочисленные награды и патенты Холлерита занимают в музее компании одно из самых почетных мест.

Перфокарты и автоматизация (сообщение 6)

Каким образом можно было заставить механические машины работать по программе? Вплоть до XIX века все вычислительные операции на изобретенных машинах производились механически. Идея программирования механических устройств с помощью перфокарты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке. Так что же собой представляла перфокарта и как же она работала?

Рассмотрим обычную электрическую лампочку и выключатель к ней. С помощью выключателя ее можно зажечь или погасить. Если разобрать выключатель, то можно увидеть контакты, замыкание которых приводит к включению лампочки, а размыкание – к выключению.

Что произойдет, если между контактами положить кусочек картона? Он разомкнет цепь и лампочка погаснет.

А если в картоне проделать отверстие, то что произойдет в этом случае? Лампочка будет гореть.

Каким образом с помощью картона с отверстиями можно заставить лампочку гореть или не гореть? Пропустить кусок картона с предварительно сделанными отверстиями через контакты. Дырка есть – лампочка горит, дырки нет – лампочка не горит.

Такие кусочки картона действительно существуют и называются перфокартами.

Впервые применили их конструкторы ткацких станков. Преуспел в этом деле лондонский ткач Жозеф Мари Жаккард. В 1801 году он создал автоматический ткацкий станок, управляемый перфокартами.

Нить поднималась или опускалась при каждом ходе челнока, в зависимости от того есть отверстие или нет. Поперечная нить могла обходить каждую продольную с той или иной стороны в зависимости от программы на перфокарте, создавая тем самым затейливый узор из переплетенных нитей. Такое плетение получило название «жаккард» и считается одним из самых сложных и запутанных плетений.

Такой ткацкий станок, работающий по программе, был первым массовым промышленным устройством и считается одним из самых совершенных машин, когда-либо созданных человеком.

Идея записи программы на перфокарте пришла в голову и первой программистке Аде Августе Лавлейс. Именно она предложила использовать перфорированные карты в Аналитической машине Беббиджа. В частности в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья».

Герман Холлерит также использовал в своей машине перфокарты для записи и обработки информации. Перфокарты использовались и в компьютерах первого поколения.

III. Закрепление изученного

Ответьте на вопросы:

1. Абак – это средство хранения или обработки информации? Почему?

2. В каком порядке были изобретены следующие устройства: табулятор, аналитическая машина, арифмометр, перфокарты?

3. Кто является первым программистом?

4. Назовите ученых, которые внесли неоценимый и значимый вклад в развитие вычислительных устройств.

IV. Итоги урока

Оценить работу класса.

V. Домашнее задание

1. Выучить таблицу

2. Уметь отличать устройства и называть их изобретателей и назначение

3. Объясните принцип вычисления на современных счетах