Сценарий урока по информатике на тему "История развития вычислительной техники."

Тема урока. История развития вычислительной техники. 

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

Требования к знаниям и умениям:

Учащиеся должны знать:

-основные устройства 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, плакаты с изображением основных устройств, портреты изобретателей и учёных.

Ход урока

I.Постановка целей урока

1.      Абак – прапрадедушка современного компьютера.

2.      Что изобрёл Блез Паскаль.

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

4.      Годфрид Лейбниц. Его вклад в развитие вычислительных устройств

5.      Как осуществлялась перепись населения в конце XVIIIв начале   XIX века.

II. Изложение нового материала

Идея создания сумматора и триггера, на базе которых существует современный компьютер, пришла к учёным  - изобретателям только в XX веке. Но, согласитесь, что и до этого времени человечество использовало специальные устройства, облегчающие и механизирующие счёт.

Предложите детям выступить с сообщениями.  Все учащиеся готовят следующую таблицу и заполняют её после каждого сообщения.

Исходная таблица

Дата	Устройство	Изобретатель	Назначение и функции устройства

Заполненная таблица

Дата	Устройство	Изобретатель	Назначение и функции устройства
V век до нашей эры	Абак	-	Выполнение простых арифметических операций простым перемещением счётных элементов
1642 год	Арифмометр	Блез Паскаль	Суммирование чисел с автоматическим переносом разрядов
1670-1694гг.	Арифмометр	Годфрид Лейбниц	Умножение и деление чисел мгновенно, не прибегая к последовательному сложению и вычитанию
1834-1851гг.	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 - устройства ввода.
XIX век	Табулятор	Герман Холлерид	Устройство, использованное при переписи населения для обработки её 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 ещё до нашей эры. Этот «компьютер» получил распространение в V веке до нашей эры в Греции и Египте и назывался абак.

1.      Абак и счёты

Абак – греческое слово переводится как счётная доска.  Идея этого устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, где по определённым правилам перемещаются специальные элементы. В Древней Греции абак служил для выполнения денежных расчётов. В левой части подсчитывались денежные крупные единицы, а в левой  - мелочь. Счёт вёлся в двоично – пятеричной системе счисления.  На такой доске было легко складывать и вычитать, добавляя или убирая камушки из разряда в разряд.

В Древнем Риме абак изменился внешне. Римляне изготавливали его из слоновой кости, бронзы и цветного стекла. На доске присутствовало два ряда прорезей. Абак превратился в счётный прибор, позволяющий представлять даже дроби. Римляне назвали это устройство calculi – «камешки». Отсюда произошёл латинский глагол calculare – «вычислять», а от него – русское слово «калькулятор».

Естественно, что в течение такого большого промежутка времени абак менял свой внешний вид и в 12-18 вв. он приобрел форму так называемого счета на линиях. Это были специальные разлинованные таблицы и жетоны, которые можно было помещать, в некоторых европейских странах сохранилась до конца 18 в. И лишь затем окончательно  уступила  место вычислениям на бумаге.

В Китае абак был известен с 4 века до нашей эры. На специальной доске выкладывались счетные палочки. Постепенно их сменили разноцветные фишки, а в 5 веке появились китайские счеты – саун-пан. Они представляют собой раму с двумя рядами нанизанных на прутики  кисточек. На каждом прутике их было по семь.  Из Китая саун-пан пришел в Японию. Произошло это в 16 веке и устройство получило название «соробан».

 В России счеты появились в тоже время, что и в Японии. Но русские счеты были изобретены самостоятельно, что доказывает 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 16 веке возник дощаный счет (достаточно сложный), первый вариант русских счетов.  Такие счеты хранятся сейчас в Историческом музее в Москве.

Современный вид русские счеты приобрели  к началу 18 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 Чальз Беббидж.

2.Блез Паскаль

Блез Паскаль родился 19 июня 1623 года во Франции. Его отец был человеком богатым и образованным. После смерти жены он всю свою жизнь посветил воспитанию детей. С самого раннего возраста 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 заряда.»…Каждое колесо…некоторого заряда, 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-колесниках. Десятичные цифры пятизначного числа задавались поворотами дисков, на которые были 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 полу монашеское 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.

3.Готфрид Вильгельм Лейбниц

Готфрид Вильгельм Лейбниц родился 1 июля 1646 года в городе Лейпциге. Готфрид с детства много занимался. В восемь лет он изучил 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 решат 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 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 построит 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 – 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 впервые Лейбниц 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.

4. Чарльз Беббидж

 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 математике 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 историков формирования новой математической школы в Англии.

    После окончания университета в 1814 году Чарльз Беббидж ведет образ жизни свободного джентльмена - философа и продолжает заниматься математикой. Впоследствии 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 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 вычисление с точностью до 18-го знака. Он назвал ее «разностная машина» и приступил к ее постройке. Но строительство продолжалось  десять лет, а 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 и разбросанность 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 потрясён возможностями  такой машины. Он писал: «Шесть месяцев я составлял проект машины более совершенной, чем первая. Я сам поражён той вычислительной мощностью, которой она будет обладать, ещё год назад я не смог бы в это поверить». Однако аналитическая машина так же не была построена. Чарльзу Беббиджу не хватило средств для её постройки. Он работал над своей машиной до конца жизни. Умер учёный 18 октября 1871 года. Чарльз Беббидж был математиком, философом, экономистом и политэкономом.  Сын изобретателя продолжил работу отца над машиной.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. Назовём 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 - устройства ввода.

 Архитектура машины практически соответствует архитектуре современных ЭВМ, а команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включает 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 ей идеей создания вычислительной машины.

5. Герман Холлерит

 Герман Холлерит. Герман Холлерит родился 29 февраля1860 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 его дальнейшую жизнь Германа Холлерита. Перепись населения производилась каждые десять лет. Население постоянно росло, и её численность в США к тому времени составляла около 50 миллионов человек.

Для создания этой машины Холлерит обратился к идеям Жаккара, исследуя путь создания им ткацкого станка. Но вскоре он понял, что ткацкий станок не сможет ему ничем помочь, однако он понимал, что перфокарты были эффективным способом хранить информацию.

В 1884 г. Холлерит получил свой первый патент (он получит больше 30 патентов в Соединенных Штатах в течение своей карьеры). В штате Массачусетс в институте технологии он нашел метод чтения пробитых перфокарт.

Занимаясь в 80-х годах прошлого столетия вопросами обработки статистических данных , он создал систему , автоматизирующую процесс обработки. Холлерит впервые (1889) построил ручной перфоратор , который был использован для нанесения цифровых данных на перфокарты , и ввел механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробивок. Носитель данных Холлерита 80-колонная перфокарта не претерпела существенных изменений до настоящего времени. Им построена суммирующая машина, названная табулятором, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их.

Удачная проверка повлекла за собой более серьезное испытание в ходе американской переписи 1890 года. Машина Холлерита с сильным отрывом победила на соревновании с двумя другими системами. Выиграв, Холлерит получил деньги на создание нового перфоратора. Он был создан похожим на пишущую машинку, имеющую простую клавиатуру. Счетные машины серийно начали производиться Западной Электрической Компанией.

6.Перфокарты и автоматизация

Каким образом можно было заставить механические машины работать по программе?

Вплоть  до 19 века все вычислительные  операции на изобретённых машинах производились  механически. Идея программирования механических устройств с помощью перфокарты впервые была реализована в 1804году в  ткацком  станка. Так что же  представляла собой перфокарта.

Как она работала?

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

-Что произойдёт, если между контактами положить кусочек картона?

 (Он разомкнет цепь и лампочка погаснет.)

 -А если в картоне проделать отверстие, то что произойдёт 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.)

Вывод: такие кусочки картона действительно существуют и называются перфокартами.

Впервые принимали 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 перфораторе, создавая тем самым затейливый узор из переплетённых нитей. Такое плетение получило название «жаккард» и считается одним из самых сложных и запутанных плетений.

Такой ткацкий станок, работающий по программе, был первым массовым промышленный 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 учёных, которые внесли неоценимый и значимый вклад в развитие вычислительных устройств.

IV. Итоги урока

Оцените работу класса и назовите учащихся, отличившихся на уроке.

Домашнее задание

Уровень знания: выучить таблицу.

Уровень понимания: уметь отличать устройства и называть их изобретателей и назначение.

Уровень применения: объяснить принцип вычислений на современных счётах.

Творческий уровень: найти в Интернете информацию о других устройствах, являющихся предшественниками ЭВМ и подготовить о них небольшое выступление.