Арифметические действия. Логические операции. Единицы количества информации. Коды чисел

Преподавательский конспект занятия: дидактическая канва, структура изложения, формулировка ключевых правил и демонстрационных примеров.

1. Дидактические параметры занятия

  • Тип и вид занятия: Урок усвоения новых знаний с первичным закреплением практических навыков.
  • Основная дидактическая цель: Освоение принципов представления чисел в разрядной сетке ЭВМ, аппаратной реализации арифметических и побитовых логических операций, разграничения физической емкости носителя и кода данных.
  • Планируемый образовательный результат: Обучающийся переводит отрицательные числа в дополнительный код, выполняет поразрядное сложение с проверкой переполнения ($CF$, $OF$), накладывает битовые маски и рассчитывает информационные объемы.
  • Используемые средства: Проектор/интерактивная панель (презентация), персональные компьютеры студентов или рабочие тетради/бланки решений.

2. Ход занятия: этапы и содержательное наполнение

Этап 1. Актуализация опорных знаний и мотивация (5 минут)

Деятельность преподавателя: Приветствие студентов. Постановка проблемного вопроса: «Что произойдет в 8-битном микроконтроллере, если к числу 127 прибавить 1?». Фиксация парадокса: результат равен $-128$, если число знаковое, или $128$, если беззнаковое.
Деятельность студентов: Выдвижение гипотез, актуализация знаний о двоичной системе счисления и разрядной сетке.

Этап 2. Изложение нового материала (25 мин в 80-мин / 18 мин в 60-мин)

Ключевые содержательные блоки:

  1. Единицы информации: Бит как состояние ячейки (0/1), байт как единица адресации, двоичные приставки ГОСТ/IEC ($1\text{ Кбайт} = 1024\text{ байта}$). Доказательство того, что бит не задает смысл содержимого.
  2. Коды чисел:
    • Прямой код: знаковый бит + модуль. Недостаток: два нуля ($+0$ и $-0$).
    • Обратный код: инверсия битов модуля. Недостаток: циклический перенос.
    • Дополнительный код: инверсия плюс 1. Достоинство: $A - B = A + [-B]_{доп}$.
  3. Арифметические действия и флаги: Суммирование в АЛУ. Флаг переноса $CF$ (перенос из старшего бита, беззнаковый) и флаг переполнения $OF$ (знаковое переполнение $C_{n-1} \oplus C_n$).
  4. Поразрядные логические операции: AND (маскирование/сброс в 0), OR (установка в 1), XOR (инвертирование битов по маске), NOT (инверсия).

Этап 3. Демонстрационный показ и разбор алгоритма (15 мин / 10 мин)

Преподаватель демонстрирует на доске:

1. Преобразование числа -43 в дополнительный код (8 бит):
   |-43| = 43_10 = 00101011_2
   Прямой:   10101011
   Обратный: 11010100
   Доп. код: 11010100 + 1 = 11010101

2. Сложение 58 + (-43):
      00111010  (+58)
    + 11010101  (-43 в доп. коде)
    ----------
    1 00001111  (перенос 1 отбрасывается, результат: +15)

3. Битовая маска: сброс старшей тетрады числа 11011010:
      11011010 AND 00001111 = 00001010.
          

Этап 4. Практическое закрепление и индивидуальный продукт (20 мин / 15 мин)

Деятельность студентов: Самостоятельное выполнение заданий индивидуального бланка (задания 1–4). В обоих вариантах тайминга (80 и 60 минут) все 4 оцениваемых задания индивидуального бланка выполняются очно в аудитории.
Деятельность преподавателя: Консультирование, контроль пошагового выполнения алгоритмов, выявление затруднений.

Этап 5. Обратная связь и разбор затруднений (10 мин / 7 мин)

Коллективный разбор характерных ошибок: почему нельзя инвертировать знаковый бит у положительного числа; почему перенос $CF$ не равен переполнению $OF$.

Этап 6. Подведение итогов занятия (5 минут)

Оценивание индивидуальных продуктов по 4-балльной шкале (корректность 2, объяснение 1, проверка 1). Разъяснение резервного задания при пропуске пары.

3. Индивидуальный продукт и открытые критерии

Каждый студент сдает заполненный лист решения индивидуального задания (4 балла):

Балл Критерий Что проверяет преподаватель
2 балла Корректность Безошибочность двоичных вычислений, верные коды чисел, отсутствие ошибок при сложении.
1 балл Объяснение правил Наличие четких комментариев: логика знакового бита, алгоритм дополнительного кода, правила маскирования.
1 балл Проверка Выполнено обратное доказательство (десятичное вычитание или обратный перевод кода).