Архитектура ЭВМ и программный мир: от микроконтроллера до суперкомпьютера
Цели и задачи
- Цель: сформировать системное представление об аппаратном и программном обеспечении современных вычислительных систем, научить обоснованно выбирать конфигурацию ПК и тип лицензирования ПО под конкретные профессиональные задачи.
- Образовательная задача: изучить принципы фон Неймана, отличия параллельных вычислений и назначение микроконтроллеров в роботизированном производстве.
- Развивающая задача: развить навыки анализа рынка ИТ-технологий через сравнение проприетарного и свободного ПО.
- Воспитательная задача: сформировать ответственное отношение к соблюдению авторских прав и лицензионных соглашений в цифровой среде.
Планируемые результаты
Личностные
- Готовность к осознанному выбору будущей профессии в сфере ИТ на основе понимания тенденций развития технологий.
- Сформированность правосознания в области использования цифрового контента и программного обеспечения.
- Способность к самооценке своих компетенций в области компьютерной грамотности.
Метапредметные
- Умение определять критерии для выбора компьютерного оборудования в зависимости от целей деятельности.
- Навыки поиска и критического анализа информации о характеристиках комплектующих и условиях лицензирования.
- Способность эффективно взаимодействовать в паре при решении проектных задач.
Предметные
- Знание классификации ПО и понимание роли операционной системы как связующего звена между «железом» и пользователем.
- Понимание принципов работы многопроцессорных систем и области применения суперкомпьютеров.
- Умение различать виды лицензий (EULA, GNU GPL, Creative Commons) и виды ПО (Freeware, Shareware, Open Source).
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Смыслообразование: установление связи между знанием архитектуры ПК и эффективностью решения профессиональных задач.
Регулятивные УУД
- Целеполагание как постановка учебной задачи на основе соотнесения того, что уже известно, и того, что еще неизвестно.
- Прогнозирование результата при выборе конфигурации системы.
Познавательные УУД
- Моделирование: построение логической цепи рассуждений при выборе программной платформы.
- Синтез: составление целого из частей (сборка виртуальной конфигурации ПК).
Коммуникативные УУД
- Управление поведением партнера: контроль, коррекция, оценка действий партнера в парной работе.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить мультимедийную презентацию с инфографикой по типам лицензий ПО.
- Распечатать карточки-задания для игры «Техно-тендер» (6 вариантов ТЗ) — по 1 на парту.
- Проверить доступ к онлайн-конфигураторам ПК (например, DNS или Citilink) на рабочих станциях учеников.
- Загрузить на интерактивную доску схему архитектуры фон Неймана и Гарвардской архитектуры.
- Подготовить короткий видеоролик (1.5 мин) о работе современного роботизированного склада (например, Amazon или Alibaba).
- Создать QR-код со ссылкой на интерактивный тест в LearningApps или Quizizz для этапа рефлексии.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: создать эмоциональный настрой и заинтересовать учеников масштабами современных вычислений.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | «Здравствуйте, коллеги! Сегодня мы не просто ученики, мы — системные архитекторы. Посмотрите на экран. Перед вами суперкомпьютер "Ломоносов-2". Он выполняет квадриллионы операций в секунду. Как вы думаете, чем его внутреннее устройство принципиально отличается от вашего смартфона в кармане?» | Приветствуют учителя, настраиваются на работу. Выдвигают гипотезы: «Размером», «Количеством процессоров», «Мощностью». |
2 мин | «На самом деле, база у них одна — принципы, заложенные еще в середине XX века. Но сегодня мы пройдем путь от крошечного микроконтроллера в умной лампочке до гигантских кластеров. Нам нужно понять, как выбирать инструменты под задачи, чтобы не стрелять из пушки по воробьям». | Слушают учителя, осознают масштаб темы урока. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Прежде чем строить будущее, давайте вспомним фундамент, на котором стоит вся вычислительная техника».
Этап 2. Актуализация и постановка проблемы (5 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о принципах фон Неймана и выявить проблему ограниченности последовательных вычислений.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | «Вспомните 4 принципа фон Неймана. Я начну, а вы продолжите: 1. Принцип двоичного кодирования...» Учитель фиксирует тезисы на доске в виде схемы. | Продолжают: «2. Принцип программного управления», «3. Принцип однородности памяти», «4. Принцип адресности». |
3 мин | «Проблема: классический компьютер выполняет команды последовательно. Но что делать, если нам нужно смоделировать ядерный взрыв или погоду на планете? Успеет ли один процессор? Применяем приём "Мозговой штурм": как ускорить процесс, не увеличивая частоту процессора до бесконечности?» | Предлагают варианты: «Использовать много ядер», «Объединить компьютеры в сеть», «Делать несколько дел одновременно». Приходят к понятию параллельных вычислений. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Запись в тетрадях
Параллельные вычисления — способ организации вычислений, при котором задачи разделяются на части, выполняемые одновременно на разных процессорах.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Итак, для суперзадач нужны суперкомпьютеры. Но компьютер — это не только железо, но и интеллект, то есть ПО».
Этап 3. Открытие нового знания: ПО и Лицензирование (12 мин)
Цель этапа: классифицировать ПО и разобраться в юридических аспектах его использования (ИКТ-компонент).
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | «ПО делится на три кита: Системное, Прикладное и Системы программирования. Посмотрите на слайд №4. Почему Операционная система — это самое важное системное ПО? Представьте компьютер без ОС. Что вы увидите?» | Отвечают: «Черный экран», «Железо не поймет, что делать». Обсуждают функции ОС: управление ресурсами, интерфейс. |
4 мин | «Теперь о праве. Используем приём "Сортировка". На партах карточки: Windows, Linux, Photoshop, Blender, LibreOffice. Разделите их на две группы: Проприетарное (закрытое) и Свободное (Open Source). В чем главная свобода Linux?» | Работают в парах. Распределяют карточки. Формулируют: «Свобода — это не только бесплатно, но и возможность менять код». |
4 мин | «Зайдите по ссылке в нашем электронном курсе на статью о лицензиях. Найдите отличия между Freeware и Shareware. Почему нельзя использовать Shareware-программу в офисе после истечения пробного периода?» | Работают с ноутбуками/планшетами. Изучают текст ЭОР. Отвечают на вопрос учителя о юридических рисках. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы разобрались с софтом. Теперь перейдем к практике: как собрать идеальную машину под конкретный запрос».
Этап 4. Практикум-игра «Техно-тендер» (15 мин)
Цель этапа: научиться подбирать конфигурацию ПК и ПО под профессиональные задачи в условиях ограниченного бюджета (Работа в парах + ИКТ).
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | «Играем в "Техно-тендер". Каждая пара — ИТ-отдел. Вы получили ТЗ от заказчика (на карточках). Ваша задача: собрать конфигурацию в онлайн-конструкторе и подобрать список ПО (ОС + прикладное). Бюджет ограничен!» | Слушают правила, распределяют роли в паре (аналитик и снабженец). |
10 мин | Учитель раздает ТЗ: 1. Станция для видеомонтажа 4К (бюджет 200к); 2. Офисный ПК для бухгалтера (40к); 3. Игровой стриминг-центр (150к); 4. Сервер для школьной сети (100к). Контролирует процесс, дает советы. | Работают в онлайн-конфигураторах. Выбирают процессор, ОЗУ, видеокарту, накопители. Аргументируют выбор лицензий (например, выбор бесплатного Linux для экономии на офисном ПК). |
3 мин | «Время вышло! Представьте кратко: какой процессор выбрали и почему именно эту ОС?» | Представители пар защищают свои сборки: «Для видеомонтажа взяли многоядерный Ryzen и 64Гб ОЗУ, ОС — Windows, так как нужен софт от Adobe». |
Эталон решения (пример для Офисного ПК)
Процессор: i3-12100 (встроенное видео), ОЗУ: 8GB, SSD: 256GB. ПО: ОС Astra Linux (импортозамещение/бесплатно для физлиц), LibreOffice. Итого: ~32 000 руб. Экономия бюджета на лицензиях Windows/MS Office.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы отлично справились! Выбор конфигурации — это всегда баланс между мощностью, ценой и легальностью ПО».
Этап 5. Роботизация и Творческое задание (5 мин)
Цель этапа: познакомить с микроконтроллерами и развить креативное мышление.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | «Компьютеры — это не только системные блоки. Это микроконтроллеры. Посмотрите видео о складе Amazon. Там тысячи роботов. В каждом — маленький контроллер. Творческий вопрос: придумайте за 30 секунд, какой датчик и микроконтроллер можно добавить в обычную школьную парту, чтобы она стала "умной"?» | Смотрят видео. Генерируют идеи: «Датчик осанки», «Датчик освещенности, который сам включает лампу», «Сенсор присутствия, чтобы выключать свет, когда ученик ушел». |
3 мин | «Запишите в тетрадь: Микроконтроллер — это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Это "мозг" любого робота». | Записывают определение. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мир движется к тотальной роботизации, и знание архитектуры — ваш входной билет в этот мир».
Этап 6. Рефлексия и подведение итогов (5 мин)
Цель этапа: обобщить знания и провести самооценку.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | «Просканируйте QR-код на доске. Пройдите блиц-тест из 5 вопросов: 1. Что такое Open Source? 2. Чем суперкомпьютер отличается от обычного? 3. Зачем нужна ОС? 4. Кто такой фон Нейман? 5. Можно ли ставить пиратское ПО в фирме?» | Выполняют интерактивный тест на смартфонах. Сразу видят свои результаты. |
2 мин | «Поднимите руку, кто сегодня узнал, как сэкономить 15 тысяч на сборке ПК? А кто понял, почему его компьютер тормозит? Вы сегодня отлично поработали как профессиональное ИТ-сообщество». | Рефлексируют, поднимают руки, делятся впечатлениями. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — Конфигурация полностью соответствует ТЗ, бюджет не превышен, выбран логичный набор ПО (ОС + прикладное), дано четкое обоснование выбора процессора и типа лицензий.
- «4» — Конфигурация соответствует ТЗ, но есть небольшие ошибки в совместимости (например, слабая ОЗУ для мощного процессора) или не до конца обоснован выбор ПО.
- «3» — Конфигурация собрана с грубыми нарушениями ТЗ или бюджета, отсутствует обоснование выбора программного обеспечения.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какая деталь в конфигурации оказалась самой дорогой и почему? | Осознание ресурсной емкости различных задач (графика vs вычисления). |
Смогли бы вы сейчас самостоятельно установить ОС на новый диск? | Выявление готовности к практическому применению навыков инсталляции. |
В чем преимущество свободного ПО лично для вас? | Формирование ценностного отношения к Open Source культуре. |
Завершающее слово учителя
«Коллеги, сегодня мы увидели, что компьютер — это не просто коробка под столом, а сложнейшая иерархия от кремниевого кристалла до облачных вычислений. Мы научились быть грамотными потребителями и проектировщиками. Помните: технологии меняются каждые полгода, но принципы логики и архитектуры остаются неизменными. На следующем уроке мы перейдем к сетям и узнаем, как эти машины общаются друг с другом. До встречи!»
Домашнее задание
Уровень сложности | Задания | Описание |
|---|---|---|
Базовый | Параграф 2.1-2.3 учебника, вопросы после главы. | Повторить классификацию ПО и принципы фон Неймана. |
Средний | Сравнить две ОС (например, Windows 11 и Ubuntu) по 5 критериям. | Создать сравнительную таблицу в тетради (требования к железу, цена, софт). |
Продвинутый | Мини-эссе «Суперкомпьютеры 2030: что они будут считать?» | Прогноз развития параллельных вычислений и квантовых технологий (1 стр). |
Контрольный вопрос для проверки: «В чем главное отличие лицензии GNU GPL от коммерческой лицензии Microsoft?»