«ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОМПЬЮТЕРА. ПОСТРОЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ

Статья опубликована в рамках: Международной научно-практической интернет-конференции «Актуальные проблемы методики обучения информатике и математике в современной школе» (Россия, г.Москва, МПГУ, 22 — 26 апреля 2019г.)

«ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОМПЬЮТЕРА. ПОСТРОЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ

Михолап Эльвира Леонидовна,
учитель информатики,
ГБОУ Школа №641 имени С. Есенина

Аннотация: Изучение основ логики является одной из ключевых тем школьного курса информатики. Программа углубленного курса информатики в 10-11 классах позволяет показать взаимосвязь теории логики и практики ее применения в компонентах компьютера. В статье рассматриваются инструменты изучения логических элементов компьютера.

Ключевые слова: информатика в школе, логика, логические элементы, логические схемы, схемотехника.

Изучение основ логики является одной из ключевых тем школьного курса информатики. Примерная основная образовательная программа среднего общего образования в предметной области «Информатика» предусматривает изучение темы «Элементы комбинаторики, теории множеств и математической логики» как на базовом, так и на углубленном уровне.

Содержание темы (углубленный уровень):
Операции «импликация», «эквиваленция». Логические функции.
Законы алгебры логики. Эквивалентные преобразования логических выражений. Логические уравнения.
Построение логического выражения с данной таблицей истинности. Дизъюнктивная нормальная форма. Конъюнктивная нормальная форма.
Логические элементы компьютеров. Построение схем из базовых логических элементов.
Дискретные игры двух игроков с полной информацией. Выигрышные стратегии.

Само по себе изучение логических операций, законов логики, логических уравнений очень абстрагировано от практики. И у учеников всегда встает вопрос о применении этой теории в жизни. Да, безусловно, они применяют логические операции в рассуждениях, строят умозаключения, умеют определять истинность высказываний. Но сопоставление логических операций и логических элементов с работой технических устройств для детей остается до конца неясным. Подробнее остановиться на изучении работы логических элементов в работе полусумматора, сумматора, триггера есть возможность в углубленном курсе информатики. На базовом уровне изучения информатики эта тема не рассматривается, но ученикам можно предложить курс по выбору или программу дополнительного образования.

Рассмотрим аспекты преподавания темы «Логические элементы компьютера. Построение логических схем».

Цели:

  • расширить представление учащихся об устройствах элементной базы компьютера;
  • формировать навыки построения логических схем.
  • развивать логическое и алгоритмическое мышление;
  • формировать конструкторские умения;
  • способствовать развитию информационных компетентностей;
  • формировать познавательный интерес к предмету информатика;
  • воспитывать личностные качества: активность, самостоятельность, аккуратность в работе.

Последовательность изучения:

В начале необходимо ввести систему обозначений логических элементов. А также рассмотреть простые элементы «ИЛИ-НЕ», «И-НЕ».

Изучение типовых логических устройств компьютера целесообразно начать с рассмотрения одноразрядного полусумматора, который учащиеся могут самостоятельно разработать под руководством учителя. Для этого учитель ставит проблему: разработать логическую схему устройства, предназначенного для сложения одноразрядных двоичных чисел. В процессе решения данной проблемы у учащихся активизируются знания правил сложения двоичных чисел. Это достигается за счет постановки перед учащимися наводящих и уточняющих вопросов, позволяющих представить правила сложения двоичных чисел в виде таблицы истинности, самостоятельно записать логические функции для вычисления результатов этого сложения, самостоятельно построить логическую схему разрабатываемого устройства. Проверку правильности работы логической схемы одноразрядного полусумматора для всех возможных комбинаций значений логических аргументов (а также все последующие логические схемы) возможно организовать с помощью взаимопроверки учениками бумажных носителей, с помощью программного обеспечения или с помощью универсальной цифровой логической лаборатории.

Далее рассматриваются одноразрядный сумматор, многоразрядный сумматор и триггер. При этом учащиеся могут самостоятельно составлять логическую схему из уже имеющихся логических элементов и вычислять результаты ее работы, моделировать и тестировать логические схемы устройств компьютера в программной среде и/или на тренажере.

Инструменты:

  1. Интерактивные программные средства для изучения логических элементов и построения логических схем.

Использование информационных технологий, разнообразных информационных ресурсов, компьютерных программ дает возможность учителю обеспечить гибкость управления учебным процессом, расширить возможность предъявления учебной информации, позволяет учащимся в интерактивном режиме самостоятельно оценить результаты деятельности, а также способствуют интеллектуальному развитию школьника, повышению уровня интереса к обучению.

Примером программы может выступить тренажер «Логика» К.Ю. Полякова (рис. 1). Программа бесплатна для некоммерческого использования. Требуется ее установка на компьютер. Тренажер предназначен для проведения практических занятий в игровой форме.

Рис. 1. Программа «Логика»

Логические схемы преобразуют входные сигналы по правилам выполнения логических операций НЕ, И, ИЛИ, XOR (исключающее ИЛИ), импликации, эквивалентности. Задача заключается в том, чтобы последовательно передавать кристалл с верхней площадки на нижнюю. Подавая ток на вход механизмов в правой части схемы, можно выдвигать площадки на пути кристалла. Если на входе механизма нет тока, площадка убирается.

Программа также содержит конструктор, позволяющий создавать новые логические схемы и подключать их в качестве уровней. В том числе можно использовать схемы триггеров на элементах «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».

  1. Технические средства для изучения логических элементов и построения логических схем.

Использование технических средств обучения дает возможность учителю обеспечить взаимосвязь теории и практики, позволяет учащимся самостоятельно извлекать информацию, анализировать ее, формулировать выводы, способствует повышению уровня мотивации обучения и профориентации школьника.

Примером технического средства является Цифровой логический тренажер ЦЛТ-310. Он входит в комплект оборудования, поставляемого в школы Москвы по проекту «Инженерный класс». ЦЛТ-310 предназначен для изучения основ построения цифровых логических схем и принципов построения микросхем. Тренажер состоит из основного модуля и набора сменных модулей с различными фрагментами электронных схем.

Отталкиваясь от полученных практическим путем (в ходе выполнения лабораторных работ) результатов деятельности ученик сам «добывает» знания и применяет их для решения более сложных задач. Пример первой лабораторной работы с использованием ЦЛТ-310 по теме «Логическая схема ИЛИ-НЕ» — https://drive.google.com/file/d/1zSMrU5pYq76wnXjq_wWJnx5NX5kVbOJc/view?usp=sharing

Пример схемы одноразрядного полусумматора на ЦЛТ-310 — см. рис. 2. На вход поданы два состояния «1», на выходе – индикатор суммы показывает значение «0» (не горит), а индикатор переноса в старший разряд – значение «1» (лампочка горит):

Рис. 2. Схема одноразрядного полусумматора

Пример схемы одноразрядного сумматора на ЦЛТ-310 (см. рис. 3):

Рис. 3. Схема одноразрядного сумматора

Рассмотрение схемотехнического аспекта логических основ компьютера позволяет добиться понимания учащимися возможности автоматизации информационных процессов (хранения, обработки и передачи информации) с помощью технических устройств. Для этого школьникам необходимо показать способы единообразного (в виде последовательности нулей и единиц, или состояний включено и выключено) представления различного вида информации и продемонстрировать возможность замены арифметических операций операцией сложения с двоичными числами, а затем выяснить, каким образом элементарные операции (арифметическое сложения, хранение двоичного кода) могут быть реализованы техническими устройствами. Изучение типовых логических устройств компьютера позволит учащимся понять внутренние принципы работы компьютеров, применить знания двоичного кодирования, двоичной арифметики и основных логических операций для самостоятельной разработки отдельных логических компонентов компьютера, соединить теорию с практикой.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Примерная основная образовательная программа среднего общего образования [электронный ресурс http://fgosreestr.ru/registry/primernaya-osnovnaya-obrazovatelnaya-programma-srednego-obshhego-obrazovaniya/].
  2. Левченко И.В. Частные вопросы методики обучения теоретическим основам информатики в средней школе. Учебное пособие для студентов педагогических вызов и университетов. — М.: МГПУ, 2007.
  3. Поляков К.Ю. Логика. Тренажер для логических элементов [электронный ресурс http://kpolyakov.spb.ru/prog/logic.htm].
  4. Универсальная цифровая логическая лаборатория ЦЛТ-310. Руководство к лабораторным работам. – SAGA Technologies.
avatar
  Подписаться  
newest oldest most voted
Уведомить о
Л.Л. Босова
Л.Л. Босова

Уважаемая Эльвира Леонидовна!
Спасибо за интересный материал. Как Вы считаете, описанные Вами лабораторные работы годятся только для инженерных классов или же они могут быть успешно проведены и в обычных классах? Стоит ли пытаться их интегрировать в курс информатики базового уровня? Кстати, очень интересные аналогичные лабораторные работы, причем, без комплектов специального оборудования предложил Виктор Викторович Тарапата, они опубликованы в журнале «Информатика в школе».

Э.Л. Михолап
Э.Л. Михолап

Уважаемая Людмила Леонидовна! Спасибо за интерес к статье. Лабораторные работы могут быть успешно выполнены обучающимися и в классах, изучающих информатику на базовом уровне. При малом количестве часов (1 час в неделю) учитель, например, может реализовать дифференцированный подход и заинтересовавшимся ученикам предложить лабораторные работы.
С публикацией В.В. Тарапата не знакома, подскажите, пожалуйста, № и год выпуска журнала.

магистрант 10
магистрант 10

Добрый день, уважаемая Эльвира Леонидовна!
Спасибо большое за Вашу статью. Скажите, пожалуйста, данная методика уже была применена Вами на практике? Если да, то на сколько эффективной она оказалась?