Этап 1. Актуализация опорных знаний и мотивация (5 минут)
Дидактическая задача: активизировать мыслительную деятельность, погрузить в проблемное поле аппаратной эволюции.
Преподаватель:
«Здравствуйте! Пожалуйста, занимайте свои места. Сегодня мы открываем изучение дисциплины "Архитектура аппаратных средств". Давайте начнем с парадоксального вопроса. Представьте, что у нас есть неограниченное количество металла, зубчатых колес или электромагнитных реле. Могли бы мы построить суперкомпьютер с мощностью вашего карманного смартфона на механических деталях, если бы не были ограничены в размерах здания?»
Студенты размышляют, предлагают версии: «Наверное, нет, он был бы слишком медленным», «Детали будут застревать или ломаться», «Сигнал будет идти слишком долго».
Преподаватель:
«Совершенно верно! Инерция физической массы шестерен, трение и время срабатывания реле (десятки миллисекунд) создают непреодолимый физический потолок. Чтобы машина считала быстро, носитель информации должен двигаться с околосветовой скоростью, а логический элемент не должен иметь трущихся деталей. Тема нашего сегодняшнего занятия — "История развития ЭВМ". Мы выясним, как инженеры шаг за шагом преодолевали сопротивление физического мира».
Студенты фиксируют тему занятия в конспектах и открывают индивидуальные интерактивные формы.
Этап 2. Сообщение новых знаний (25 минут / 18 минут)
Дидактическая задача: последовательное изложение сущности 5 этапов, архитектуры фон Неймана и закона смены элементной базы.
Преподаватель (фрагмент объяснения по доэлектронному периоду):
«Взгляните на экран. В 1830-х годах Чарльз Бэббидж впервые сформулировал гениальную структуру: разделить устройство на "склад" (Store) и "мельницу" (Mill). Что это напоминает в современном компьютере?»
Студент: «"Склад" — это оперативная память, где лежат числа, а "мельница" — процессор, где производятся вычисления».
Преподаватель:
«Именно так! Но воплотить в металле эту конструкцию Бэббидж не смог — технологии точной обработки деталей XIX века не обеспечивали требуемых зазоров».
Преподаватель (фрагмент по архитектуре фон Неймана):
«Теперь обратимся к 1945 году. Первые электронные ЭВМ, такие как американский ENIAC, уже считали со скоростью 5000 операций в секунду благодаря вакуумным лампам. Но как они программировались? Если требовалось перейти от расчета траектории снаряда к расчету аэродинамики крыла, инженеры подходили к машине и в течение двух-трех суток перетыкали тысячи проводов на коммутационных панелях. Фон Нейман, Эккерт и Мокли предложили принцип, изменивший мир: хранимая программа. Кто объяснит, в чем его суть?»
Студент: «Команды программы хранятся в той же оперативной памяти, что и числа, и компьютер считывает их автоматически по очереди».
Преподаватель:
«Верно. Код программы стал данными. Компьютер стал универсальным: смена задачи — это просто загрузка нового файла в память без прикосновения к "железу"».
Преподаватель (фрагмент по отечественным ЭВМ и БЭСМ-6):
«В СССР развитие вычислительной техники шло мощной научной школой академика Сергея Алексеевича Лебедева. В 1951 году заработала МЭСМ — первая ЭВМ в континентальной Европе. А в 1967 году была создана БЭСМ-6 — суперкомпьютер на дискретных транзисторах со скоростью 1 миллион операций в секунду. В ней Лебедев впервые применил аппаратный конвейер инструкций, который мы сегодня называем "водопроводом" команд. Пока одна команда вычисляется, следующая уже декодируется, а третья считывается из памяти».
Этап 3. Интерактивная демонстрация и разбор ошибок (15 минут / 10 минут)
Дидактическая задача: визуализация работы архитектурных узлов на слайдах и выявление типовых логических ошибок.
Преподаватель:
«Давайте разберем популярный исторический миф. В популярной литературе часто пишут: "ENIAC был первым компьютером фон-неймановской архитектуры". Почему это утверждение глубоко ошибочно?»
Студент: «Потому что в ENIAC не было памяти программ, команды задавались штекерами на панели. Принцип хранимой программы был сформулирован в проекте EDVAC в 1945 году, а первой физически заработавшей машиной с программой в памяти стала Manchester Baby в июне 1948 года».
Преподаватель:
«Отличный ответ! Запомните эту разницу: наличие электронных ламп делает машину электронной, но только память команд делает её фон-неймановской».
Этап 5 и 6. Контроль, обратная связь и подведение итогов (15 минут / 12 минут)
Дидактическая задача: проверка усвоения критериев, рефлексия, сохранение результатов.
Преподаватель:
«Время самостоятельной работы подошло к концу. Проверьте заполнение своих полей, нажмите кнопку сохранения в PDF и убедитесь, что все развернутые ответы отобразились корректно. Напоминаю критерии: максимальная оценка за сегодняшнюю схему — 4 балла (2 балла за точность параметров и этапов, 1 балл за физическое обоснование перехода, 1 балл за контрпример). Если кто-либо пропустил занятие по уважительной причине, предусмотрен резервный вариант домашнего задания с аналогичной структурой проверки. Всем спасибо за продуктивную работу!»
Студенты экспортируют заполненный PDF-отчет и проводят самооценку по критериям.