/
Автор: Комский Д.М.
Теги: внеучебная (внеклассная и внешкольная) воспитательная работа электроника автоматика кибернетика пособие для учителей
ISBN: 5-09-002662-9
Год: 1991
Текст
1 р 90 к
ДХЛКомский
КРУЖОК
ТЕХНИЧЕСКОЙ
КИБЕРНЕТИКИ
ПОСОБИЕ ДЛЯ РУКОВОДИТЕЛЕЙ КРУЖКОВ
Рекомендовано
Управлением организации внешкольной
и внеклассной работы Госкомитета СССР
по народному образованию
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ»
1991
ББК 74.200.585.0i
К63
Рецензент:
кандидат технических наук МГТУ им. Н. Э. Баумана Д. Л. Казаков
К омский Д. М.
К63 Кружок технической кибернетики: Пособие для руководи-
телей кружков. - М.: Просвещение, 1991. - 192 с.: ил. —
ISBN 5-09-002662-9.
В пособии изложены вопросы планирования, методики проведения занятий
и материально-технического обеспечения кружков технической кибернетики
школ и внешкольных учреждений. Приведены схемы и описания разнообразных
кибернетических устройств Книга может быть полезна любителям киберне-
тики, электроники и автоматики.
4306010000-611
К —1О3(О3) 91—КБ-Н-1991 ББК 74.200.585.01 + 32.81
Учебное издание
Комский Давид Матвеевич
КРУЖОК ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ
Зав редакцией Т С Дагаева
Редактор В. А Моисеенкова
Младший редактор И. А Мукосей
Художественный редактор Г. П. Погосова
Технический редактор С. С. Якушкина
Корректор Н С. Соболева
ИБ № 12600
Сдано в набор 09.01.90. Подписано к печати 22.07.91. Формат 60*90/6. Бум. офсетная.
Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 12,0+0,31 форз. Усл. кр.-отт.
12,81. Уч.-изд. л. 13,10+0,42 форз. Цена 1р. 90 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Министерства пе-
чати и массовой информации РСФСР. 129846, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Диапозитивы изготовлены на Саратовском ордена Трудового Красного Знамени поли-
графическом комбинате Министерства печати и массовой информации РСФСР. 410004,
Саратов, ул. Чернышевского, 59.
Отпечатано при посредстве В/О «Внешторгиздат»
Отпечатано Графишер Гросбетриб Пёснек ГмбХ Эйн Мондрук-Бетриб
Gedruckt bei Graphischer GroBbetrieb PoBneck GmbH • Ein Mohndruck-Betrieb
ISBN 5-09-002662-9
© Комский Д. M., 1991
ПРЕДИСЛОВИЕ
Техническое творчество школьников получило в нашей стране
большой размах. Общепризнано огромное значение этой формы вне-
классной работы для политехнического обучения, трудового и нрав
ственного воспитания молодежи. С каждым годом в школах и вне-
школьных детских учреждениях возникают тысячи новых техничес-
ких кружков. Содержание их работы определяется условиями, в ко-
торых живут и учатся наши школьники и в которых им предстоит
трудиться по окончании школы. Больше всего юных конструкторов
и техников привлекают новейшие научно-технические направления,
реактивная техника и космонавтика, радиотехника и автоматика,
а в последнее время электронно вычислительная техника и кибер-
нетика.
Интерес к кибернетике особенно велик. На выставках техничес-
кого творчества школьников всегда множество разнообразных ки
бернетических приборов, моделей и устройств. Это и неудивительно.
Кибернетика — наука об общих закономерностях строения и
функционирования систем управления является одной из новых и
фундаментальных областей научного знания. Именно кибернетикой
в значительной мере определяются характерные черты происходя
щей ныне научно-технической революции.
В последние годы возникло множество кружков технической
кибернетики, пользующихся у юных энтузиастов не меньшей попу-
лярностью, чем радиотехнические, ракетомодельные и другие
кружки.
Основные задачи кружка технической кибернетики: развитие
интереса учащихся к этой науке и ее техническим приложениям;
углубление и расширение знаний школьников в области науки об
управлении; ознакомление- их с конструкциями и принципом дейст-
вия кибернетических устройств и приборов, используемых в различ
ных отраслях народного хозяйства; формирование у школьников
трудовых умений и навыков, а также развитие у них творческих
з
конструкторских способностей, стремления к рационализации и изо-
бретательству. Теоретические знания и практические навыки, по-
лученные учащимися в кружке, находят впоследствии достаточно
широкое применение в их трудовой деятельности. Данное пособие
отражает многолетний опыт работы с юными конструкторами и
техниками коллектива лаборатории методики технического твор-
чества школьников при Свердловском ордена «Знак Почета» госу-
дарственном педагогическом институте.
Книга адресована организаторам и руководителям кружков
технической кибернетики внешкольных учреждений и общеобразо-
вательных средних школ.
Глава 1
материально-техническая
БАЗА КРУЖКА
§ 1.1. ПОМЕЩЕНИЕ И МЕБЕЛЬ
Организация кружка технической кибернетики и эффективность
всей его деятельности в значительной степени определяются выбо-
ром места для проведения кружковых занятий и оснащением по-
мещения необходимым инвентарем (мебелью, оборудованием и пр.).
Желательно, чтобы для работы кружка было отведено два помеще-
ния: основная комната для проведения кружковых занятий (учеб-
ная лаборатория) и подсобное помещение (кладовая).
Помещение, в котором будут проводиться занятия кружка,
должно соответствовать санитарно-гигиеническим нормам и требо-
ваниям учебно-производственной эстетики. Оно должно быть сухим
и светлым, легко и хорошо проветриваемым, достаточно просторным
для размещения 16 рабочих мест членов кружка и всего необходи-
мого оборудования. Его площадь должна составлять не менее
40...45 м2. На этой площади размещаются рабочие столы кружков-
цев и руководителя, верстаки и станки, шкафы для хранения инстру-
ментов и т. п.
Подсобное помещение предназначено главным образом для хра-
нения разнообразного имущества кружка: запасов материалов и де-
талей, оборудования, конструкций и т. п. Площадь этого помещения
12... 16 м2. Если размеры подсобного помещения позволяют, целесо-
образно установить здесь еще один рабочий стол для преподавателя.
Подсобное помещение должно быть расположено рядом с ком-
натой для проведения занятий. Это даст возможность руководите-
лю кружка оперативно использовать в работе материалы и обору-
дование и затрачивать меньше времени на подготовку к заня-
тиям
Для кружка технической кибернетики может быть выделена и
одна комната площадью 50. .60 м2. В этом случае целесообразно
отделить для подсобного помещения небольшую ее часть, установив
деревянную перегородку (в крайнем случае можно отгородить
подсобное помещение от учебной комнаты с помощью поставленных
вплотную шкафов)
Стены помещения рекомендуется окрасить в светлые тона (жел-
тый, голубой, зеленый). На стенах размещаются учебные плакаты,
таблицы, щиты с образцами радиокомпонентов, монтажных плат и
другие пособия повседневного использования. Желательно, чтобы
5
Рис. 1. Размещение мебели и оборудования в помещении для кружка технической
кибернетики: / — рабочие столы кружковцев; 2 — столы руководителя кружка;
3 стулья; 4 — классная доска; 5 главный распределительный щит, 6 - инст-
рументальный шкаф; 7 верстаки для слесарно механических работ, 8 токарный
станок, 9 — сверлильный станок; 10 фрезерный станок; // электроточило;
12 ящик для стружек и опилок; 13— чертежный стол; 14—измерительно испы-
тательный (наладочный) стол; 15— встроенный многосекционный шкаф стенка;
16 — умывальник; 17 — аптечка; 18 — кассета для хранения листовых материалов;
19 стеллаж; 20—кассетница; 21 — сейф для хранения лаков, красок и раство-
рителей; 22 шкаф для хранения деталей и материалов; 23 - шкаф для хранения
инструментов; 24 шкаф для хранения измерительной аппаратуры
светлую окраску имели также мебель и оборудование учебной ла-
боратории.
Радиаторы и трубы центрального отопления должны быть заго-
рожены деревянными решетками, чтобы предупредить контактные
электротравмы.
Примерное размещение мебели и оборудования в учебной ком-
нате и в подсобном помещении показано на рисунке 1. Все рабочие
столы располагают в средней части основной комнаты в два ряда,
вплотную один к другому, таким образом, чтобы во время занятий
члены кружка сидели за столами друг против друга. В таком поло-
жении столы закрепляют. Вдоль средней линии образовавшегося
двойного ряда столов устанавливают узкий деревянный короб, на
боковых стенках которого монтируют распределительные щитки,
розетки и другую арматуру, а внутри прокладывают кабели электро-
питания Верхняя часть короба может служить подставкой для при-
боров, используемых во время занятий Стол руководителя занятий
устанавливают у торцевой части короба, где монтируют общий
выключатель питания рабочих мест и устанавливают контроль-
ные приборы (амперметр, вольтметр).
При таком размещении рабочих столов в учебной комнате легко
6
решается задача подводки электропитания к каждому рабочему
месту, а руководителю занятий удобно наблюдать за действиями
каждого из членов кружка при проведении лабораторных, монтаж-
ных и других практических работ. С другой стороны, каждый круж-
ковец со своего рабочего места может хорошо видеть руководителя
и его рабочий стол, что очень важно во время теоретических заня-
тий. Предлагаемый вариант размещения столов позволяет также
наиболее рационально использовать полезную площадь помещения,
так как остальная мебель и оборудование располагаются вдоль
стен.
В подсобном помещении шкафы и стеллажи целесообразно так-
же расположить вдоль стен, предусмотрев свободный доступ к каж-
дому из них. В основном помещении для кружковых занятий жела-
тельно иметь водопроводный кран с раковиной.
Мебель, которой оснащают помещение для занятий кружка
технической кибернетики, должна быть по возможности простой,
но достаточно прочной и удобной. Можно использовать любые при-
годные для этой цели столы (конторские, письменные, лаборатор-
ные и пр.), книжные шкафы, стулья, табуреты и т. п. Часть мебели:
рабочие столы, стеллажи, шкафы, полки может быть самодель-
ной, изготовленной в столярных мастерских школы или внешколь-
ного учреждения.
Остановимся кратко на рекомендациях по выбору отдельных
типов конструкций такой мебели.
Конструкция рабочего стола для членов кружка может быть пре-
дельно упрощена. Такой стол, рассчитанный на два рабочих места,
представляет собой деревянную плиту размерами 1200X600 мм
и толщиной 20 мм, укрепленную на ножках, которые изготовлены
из дюралюминиевых или железных труб диаметром 20...30 мм.
Поверхность стола покрывается изолирующим материалом: лино-
леумом, пластиком или гетинаксом.
Стол руководителя кружка от рабочих столов кружковцев от-
личается главным образом наличием выдвижных ящиков.
Измерительно-испытательный (наладочный) стол (рис. 2)
также должен быть достаточно прочным и удобным для работы.
Размеры этого стола должны обеспечить свободное размещение за
ним двух кружковцев. Целесообразно установить на нем дополни-
тельную стойку (полку на высоте 300...350 мм от основной повер-
хности стола) для электроизмерительных и других приборов,
используемых при наладочных работах. Располагается наладочный
стол у стены, недалеко от главного распределительного щита. Это
облегчает подводку к нему электропитания.
Верстаки для слесарно-монтажных работ располагаются таким
образом, чтобы при работе на них не создавалось опасности для
окружающих (при работе на тисках могут отлетать осколки обра
батываемого материла). На слесарно-механическом участке доста-
точно оборудовать два рабочих места. Поверхность слесарных
верстаков обивается листами жести или оцинкованного железа.
7
Рис 2. Измерительно-испыта-
тельный (наладочный) стол
Тиски следует установить на верстаках так, чтобы их губки находи-
лись примерно на уровне локтя работающего (можно установить
тиски на различной высоте, с тем чтобы кружковцы могли выбирать
себе рабочее место по росту). В ящиках верстаков хранятся слесар-
ные инструменты.
Для хранения инструментов можно использовать и специальный
инструментальный шкаф с наклонными полками. Во избежание пу-
таницы при расстановке инструментов после окончания работы ре-
комендуется в каждой ячейке полки инструментального шкафа
яркой краской нанести контуры хранящегося там инструмента.
Если позьоляют возможности и условия, предоставляемые той
организацией, при которой работает кружок, в основном помеще-
нии для занятий целесообразно смонтировать встроенный многосек-
ционный остекленный шкаф-стенку (рис. 3). В «глухих» верхних
и нижних секциях такого шкафа удобно хранить материалы, детали,
заготовки, незавершенные работы, литературу и документацию;
в средних остекленных секциях можно выставить для демонстра-
ции готовые изделия кружковцев. Если же для постройки такого
шкафа-стенки средств и возможностей нет, то можно использовать
несколько обычных шкафов. Но все же желательно для готовых
изделий иметь застекленный шкаф.
В подсобном помещении для хранения различной аппаратуры
и материалов, кроме обычных шкафов, целесообразно установить
специальные стеллажи и кассетницы. Прочный стеллаж под круп-
ногабаритную аппаратуру, листовые
брать из толстых досок и брусков,
показана на рисунке 4. Листовые
материалы больших размеров (ли-
сты фанеры, текстолита, гетинак-
са, оргстекла, дюралюминия и т. п.)
удобно хранить в вертикальном
положении в обойме (кассете),
установленной вплотную к стене
Детали небольших размеров (лам-
пы, электромагнитные реле, выклю-
чатели, кнопки, конденсаторы, ре-
зисторы, полупроводниковые дио-
ды, транзисторы, микросхемы), а
также крепежный материал (шай-
бы, шурупы, болты, гайки) лучше
всего хранить в специальной кас-
сетнице, одна из возможных кон-
струкций которой показана на ри-
сунке 5. Все эти детали должны
быть заранее рассортированы и раз-
и другие материалы можно со-
Конструкция такого стеллажа
Рис. 5. Кассетыица
9
ложены по ячейкам отдельных ящиков кассетницы. На переднюю
стенку каждого ящика полезно наклеить ярлычок с обозначением
хранящихся в этом ящике деталей и их номиналов. Это облегчит
при работе поиск и подбор нужных деталей.
В шкафах подсобного помещения хранятся запасные комплекты
инструментов, измерительная и другая аппаратура, а также часть
изделий кружковцев. Для хранения лаков, красок, растворителей
и других легковоспламеняющихся веществ в подсобном помеще-
нии должен быть небольшой сейф (несгораемый шкаф).
§ 1.2. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
В учебной лаборатории кружка технической кибернетики необхо-
димо иметь источники электропитания, обеспечивающие различные
напряжения:
220/380 В трехфазного переменного тока для питания двигателей
электропривода токарного, фрезерного и других станков;
220 В однофазного переменного тока для питания электроизме-
рительной и другой аппаратуры, а также для испытания и налажива-
ния изделий кружковцев;
36 В однофазного переменного тока для питания электропаяльни-
ков на рабочих местах кружковцев;
6,3 В переменного тока для питания накальных цепей электрон-
ных ламп;
5, 9, 12, 24 и 250 В постоянного тока для испытания и налажива-
ния транзисторных, релейных и ламповых устройств.
Кроме того, для проведения различных испытательных, наладоч-
ных и экспериментальных работ необходимо иметь в лаборатории
источники стабилизированного постоянного напряжения на 5, 9 и
12 В, а также отдельный источник электропитания, обеспечиваю-
щий переменное и постоянное напряжения, регулируемые в широких
пределах — от 0 до 250 В.
Переменные напряжения 220 В и 36 В, а также постоянные на-
пряжения 9, 12 и 24 В необходимо подвести к каждому рабочему
месту. Для этого на рабочих местах кружковцев устанавливаются
специальные распределительные электрощитки. Такие щитки можно
смонтировать на боковых стенках деревянного короба, установлен-
ного вдоль рабочих столов. Панели щитков изготовляются из
электроизоляционного листового материала (гетинакс, текстолит).
На панели укрепляются выключатели (тумблеры), предохранитель-
ные устройства, клеммы (зажимы) и гнезда. В случае отсутствия
гнезд их можно заменить штепсельными розетками. При этом ро-
зетки, к которым будет подведено напряжение 220 В переменного
тока, должны конструктивно отличаться от низковольтных розеток
во избежание случайных ошибочных включений электрических
паяльников с напряжением питания 36 В в сеть 220 В. Контроль
электропитания рабочих столов осуществляется с пульта руково-
10
дителя занятий, поэтому в установке на электрощитках каких-либо
контрольно-измерительных приборов нет необходимости. Однако
желательно, чтобы на каждом щитке была установлена сигналь-
ная лампа, которая будет указывать, что щиток находится под
напряжением (здесь могут быть использованы неоновые лампы
типа МН-7). Такая мера предосторожности будет содейство-
вать более внимательному отношению кружковцев к распредели-
тельному щитку и к подключенным к нему электрическим цепям и
приборам. Электропитание к распределительным щиткам подводит-
ся от пульта руководителя занятий с помощью кабеля, проложен-
ного внутри деревянного короба. Стабилизированные низковольт-
ные источники постоянного тока целесообразно иметь в лаборатории
в виде маломощных переносных конструкций (промышленного из-
готовления или самодельных) и при необходимости выдавать их
кружковцам на занятиях.
Пульт руководителя занятий также представляет собой распре-
делительный щиток, но несколько больших размеров по сравне-
нию с щитками кружковцев. Кроме арматуры, которая аналогич-
на установленной на щитках у рабочих мест кружковцев, на пульте
руководителя располагаются общий выключатель питания рабочих
мест и контрольные электроизмерительные приборы (вольтметр
и амперметр). Переменное напряжение 220 В подводится к пульту
руководителя от главного распределительного щита. Для получе-
ния пониженных переменных и постоянных напряжений, подавае-
мых на щитки у рабочих мест кружковцев, необходимо смонтиро-
вать у стола руководителя занятий специальную установку, состоя-
щую из понижающего трансформатора и выпрямителей. Здесь мо-
гут быть использованы как самодельные устройства, так и аппара-
тура промышленного изготовления, например лабораторные авто-
трансформаторы типа ЛАТР, школьный регулятор напряжения
РНШ, регулятор напряжения с выпрямителем РНШ В, выпрями-
тель ВС-24М и т. п.
Измерительно-испытательный (наладочный) стол должен быть
оснащен источником регулируемого напряжения, с помощью которо-
го можно было бы получать различные переменные и постоянные
токи, необходимые при испытательных и наладочных работах. В ка-
честве такого источника можно рекомендовать универсальный блок
питания, предложенный В. А. Труфановым*. Возможности этого
устройства довольно широки: питание радиоэлектронной аппарату-
ры, зарядка аккумуляторов, испытание и наладка цепей с электро-
магнитными реле и т. и. В его схему (рис. 6) входят автотрансфор-
матор типа ЛАТР, силовой трансформатор и два выпрямителя, соб-
ранные по мостовой схеме. Выпрямитель, включенный в цепь авто-
трансформатора, рассчитан на ток до 10 А и служит для питания
* Сборник «Методическое пособие для школьного конструкторского кружка»
Под ред. Д. М. Комского,- Свердловск, 1970.— Вып. 4.
11
Рис. 6. Схема универсального блока питания
различных электрических приборов. Маломощный выпрямитель в
цепи повышающей обмотки трансформатора Т2 предназначен для
питания ламповой радиоэлектронной аппаратуры.
Автотрансформатор Т\ подключается к сети тумблером SA1. Во
вторичную цепь автотрансформатора включены вольтметр, ампер-
метр и две пары гнезд, с которых можно получать регулируемое
переменное напряжение от 0 до 250 В. Постоянное напряжение,
регулируемое в тех же пределах, снимается с конденсатора С1 сгла-
живающего фильтра. Силовой трансформатор тумблером SA2 мо-
жет быть подключен непосредственно к сети или к автотрансформа-
тору, вследствие чего на его выходе можно получить как регулируе-
мое, так и нерегулируемое напряжение. Сердечник трансформатора
О О~(Ц-250в
О O°J250В
О
Сеть
©
латр
©
сеть
О
пр
=400В О О
-500В о о
~6,ЗВ О О
О О~ 220В
О О~ 220В
~ 5В ОО >
Рис. 7. Лицевая панель универ-
сального блока питания
собран из пластин Ш32Х64. Обмот-
ка / содержит 570 витков провода
ПЭЛ 0,18, обмотка // (повышаю-
щая) — I 300 витков провода ПЭЛ
0,18; обмотка /// — 790 витков про-
вода ПЭЛ 0,3; обмотка IV — 17 вит-
ков провода ПЭЛ 1,0; обмотка V—
14 витков провода ПЭЛ 1,0; обмот-
ка VI — 17 витков провода ПЭЛ 1,0.
Дроссель сглаживающего фильтра
Др имеет сердечник, собранный из
пластин Ш19 X 30, обмотку —
1800 витков провода ПЭЛ 0,3. Весь
монтаж выполнен на текстолитовой
плате размером 400X500 мм. На ли-
цевой стороне платы (рис. 7) уста-
новлены вольтметр переменного то-
ка на 250 В, амперметр с пределом
измерения до 5 А, тумблеры SAI
12
и SA2, сигнальная лампа HL1 («Сеть»), десять пар гнезд и ко-
лодка предохранителя. Сюда же выведена ручка регулировки на-
пряжения автотрансформатора. Описанное устройство питания
вполне доступно для изготовления в любительских условиях. Под-
ключается оно непосредственно к главному распределительному
щиту.
Для питания электродвигателей станочного парка необходим
трехфазный переменный ток. Трехфазное переменное напряжение
подводится от главного распределительного щита к пусковым уст-
ройствам и двигателям с помощью кабеля. Желательно в качестве
пусковой аппаратуры использовать магнитные пускатели, но если их
нет, можно применить и обычные пакетные выключатели. На глав-
ном распределительном щите устанавливаются рубильники или па-
кетные выключатели, позволяющие отключать линии питания ра-
бочих столов, станочного парка и наладочного стола, а также груп-
повая защита.
Кроме описанных стационарных устройств электропитания, в ла-
боратории нужно иметь и переносные маломощные источники: по-
нижающие трансформаторы и автотрансформаторы, сухие элемен-
ты, батареи аккумуляторов и т. п.
Испытание и налаживание различных кибернетических устройств
и отдельных их узлов невозможно без разнообразной электро-
измерительной аппаратуры. Авометры (тестеры), мультиметры,
электронные осциллографы, генераторы импульсов и гармоничес-
ких колебаний, приборы для проверки исправности транзисторов
и других деталей и узлов — вот краткий перечень основных электро-
измерительных приборов, которые найдут применение в повседнев-
ной практической работе кружковцев.
В качестве тестера — универсального контрольно-измерительно-
го прибора — можно рекомендовать выпускаемый московским за-
водом «Физэлектроприбор» недорогой и удобный в работе ампер-
вольтомметр «Школьный» (АВО-63). Хотя точность его измерений
сравнительно невысока, в условиях кружка этот прибор вполне прг
годен для большинства измерений. Желательно иметь в кружке
несколько (3—5) таких приборов Можно использовать и другие
типы авометров, выпускавшихся ранее и выпускаемых в настоящее
время нашей промышленностью (Ц-20, АВО-5 и др.). Очень удобны
авометры типа Ц4342, позволяющие измерять не только основные
электрические величины в различных цепях, но и параметры мало-
мощных транзисторов, а также выпускаемые в последние годы
цифровые комбинированные приборы — мультиметры (например,
приборы типа Щ4300, Щ4313, BP-I1A, «Электроника ММЦ-01»
и др.).
Для более точного измерения сопротивлений полезно иметь в ла-
боратории омметр типа М-461 (таким прибором оснащаются школь-
ные физические кабинеты). Более точные измерения напряжений
позволяет выполнять электронный вольтметр. Для лаборатории тех-
нической кибернетики можно рекомендовать универсальный вольт-
13
метр типа В7-26, милливольтметр ВЗ-48, а также выпускавшиеся
ранее нашей промышленностью ламповые приборы типа ВК7-3 или
ВК7-4, с помощью которых измеряют не только переменные напря-
жения, но и величины сопротивлений, индуктивностей и емкостей.
Незаменимым прибором на многих занятиях кружка техничес-
кой кибернетики является электронный осциллограф. Этот аппарат
не только позволяет производить самые разнообразные измерения
и исследования в электрических цепях, но и может служить пре-
красным демонстрационным пособием: с его помощью можно
наблюдать различные электрические процессы при постановке
демонстрационных экспериментов. Предпочтение следует отдать
осциллографам Н313 и ОМЛ-76-2, выпускаемым промышленностью
специально для радиолюбителей. Осциллограф Н313 имеет полосу
частот от 0 до 1 МГц и чувствительность 1 мВ на деление. У осцил-
лографа ОМЛ-76-2 чувствительность меньше (10 мВ на деление),
зато полоса частот значительно шире — до 5 МГц. Удобны в работе
также осциллографы С1-49, С1-65А и С1-67. Можно использовать
в лаборатории и школьные (учебные) осциллографы ОЭШ, ОДШ-2,
выпускаемые заводом «Физэлектроприбор». Могут найти примене-
ние в кружке и осциллографы других типов.
При настройке и регулировке электронных узлов кибернетических
устройств используются различные генераторы импульсов и сину-
соидальных колебаний. На занятиях с юными техниками целесо-
образно использовать, например, генератор импульсов Г5-15, зву-
ковые генераторы типа ГЭМ, ГЗ-10 или ГЗ-ЗЗ, низкочастотные ге-
нераторы сигналов ГЗ-102, ГЗ 118, генераторы стандартных сигна-
лов Г4 1а (ГСС-ба), Г4 18а, Г4-102А. Для проверки исправности
и определения основных параметров транзисторов полезно иметь
испытатель транзисторов (например, ИПТ-1).
Разумеется, вовсе не обязательно использовать в работе с юны-
ми техниками аппаратуру исключительно промышленного изготовле-
ния. Многие из упомянутых выше приборов и некоторые другие
(разнообразные пробники, генераторы, усилители и пр.) могут быть
изготовлены руководителем кружка и опытными кружковцами по
описаниям, приведенным в журналах «Радио», «Моделист-конструк-
тор» и в других источниках. Целесообразность использования в
кружке самодельной измерительной и регулировочной аппаратуры
не вызывает сомнения.
Деятельность кружка технической кибернетики предусматрива-
ет овладение его членами разнообразной компьютерной техникой,
и в частности микрокалькуляторами и ЭВМ. Расширяя и углубляя
знания, получаемые на уроках информатики, кружковцы изучают
устройство и принцип действия некоторых вычислительных машин
и систем, приобретают знания и навыки обращения с ними, кон-
струируют к ним различные приставки и дополнительные узлы.
Поэтому кружок должен быть оснащен образцами электронно-вы-
числительной техники.
В кружке необходимо иметь достаточное количество простых
14
микрокалькуляторов, выполняющих арифметические и несложные
алгебраические операции (например, такие, как «Электроника МК-
23А» или «Электроника БЗ-23»), Это позволит проводить практи-
ческие занятия с фронтальным применением микрокалькуляторов
и будет способствовать более широкому их использованию круж-
ковцами в самостоятельной работе.
Для ознакомления кружковцев с программируемыми микро-
калькуляторами в лаборатории можно использовать микрокальку-
ляторы «Электроника МК-41, МК-44, МК-45» и др. Оснащение ла-
боратории кружка этими или подобными им электронными вы-
числительными приборами определяется возможностями учрежде-
ния, при котором работает кружок. Занятия могут быть организо-
ваны на основе использования таких ЭВМ, как «Корвет» УКНЦ,
КУВТ-86 (комплект из 12 машин БК-0010Ш и машины ДВК-3),
УМПК 80М, «Искра-226», «Ямаха» и др. Если оснастить лабора-
торию компьютерами нет возможности, то руководителю кружка
следует изыскать пути организации соответствующих занятий с
кружковцами на базе ЭВМ кабинета информатики и ВТ школы или
внешкольного учреждения, или вычислительного центра базового
предприятия.
§ 1.3. СТАНКИ И ИНСТРУМЕНТЫ
Для выполнения практических работ, связанных с изготовлени-
ем на занятиях кружка различных кибернетических устройств, мо-
делей и приборов, в учебной лаборатории необходимо иметь мини-
мум станочного оборудования: токарный, фрезерный, сверлильный
и точильный станки. Полезными могут оказаться и некоторые другие
станки (например, полировальный), особенно в тех случаях, когда
по тем или иным причинам кружок не может рассчитывать на по-
мощь учебных мастерских школы или внешкольного учреждения.
Токарный станок служит для механической обработки твердых
материалов путем обтачивания заготовок с помощью резцов. Наибо-
лее приемлемыми для установки в учебных лабораториях кружков
технической кибернетики следует считать небольшие токарно-винто-
резные станки с расстоянием между центрами до 500 мм и высотой
центров до 150 мм. Можно рекомендовать выпускаемый заводом
№ 1 «Учебное оборудование» в Ростове-на-Дону токарно-винто-
резный станок типа ТВ-4 (ТВШ-4). Привод станка осуществляет-
ся от асинхронного электродвигателя мощностью 1 кВт, делающего
около 1500 об/мин. Габариты станка ТВ-4: длина 1440 мм, ширина
470 мм, высота 1020 мм. С успехом могут использоваться в кружке
и другие типы токарно-винторезных станков (например, ТВ-16).
Сверлильный станок предназначен для сверления, зенкования
и развертывания отверстий; на этом станке можно также нарезать
резьбу в отверстиях и вырезать диски из листового материала.
В технических кружках наиболее широкое распространение полу-
чили настольные вертикально-сверлильные одношпиндельные станки
15
с наибольшим диаметром сверления до 15 мм и наибольшим ходом
шпинделя до 80—100 мм. Из них следует отметить настольные
сверлильные станки НС-12А и НС-12Б Можно рекомендовать также
для установки в учебной лаборатории вертикально-сверлильные
станки 2А106, УПМ-Н-1 и др.
Точильный станок (электроточило) необходим главным образом
для заточки слесарного и монтажного инструмента. В практике ра-
боты технических кружков находят применение небольшие электро-
точила типа И-138А и С-458 с диаметром абразивного круга 100 мм
и скоростью его вращения 2700 2800 об/мин, а также выпускаемые
промышленностью для школьных мастерских точила типа ЭТ-62 с
двумя абразивными кругами размером 150 мм и скоростью враще-
ния 1400 об/мин. В точильных станках указанных типов применя-
ются электродвигатели мощностью 0,2 0,5 кВт. Устанавливается
электроточило на специальном столике, тумбочке или на стальных
балках, заделанных в стену.
Фрезерный станок служит для обработки наружных и внутренних
поверхностей различной конфигурации и фасонных поверхностей
вращения, а также для прорезания прямых и винтовых канавок.
В учебной лаборатории кружка технической кибернетики может ока-
заться полезным горизонтально-фрезерный станок НГФ 100.
Инструменты. Учебную лабораторию кружка технической кибер-
нетики необходимо обеспечить в достаточном количестве разно-
образным рабочим инструментом: слесарно-монтажным (разметоч-
ным, режущим, ударным), электромонтажным, измерительным и пр.
Качество и ассортимент инструмента, а также его состояние должно
быть предметом постоянной заботы руководителя занятий, так как
от этого во многом зависит эффективность всей практической рабо-
ты кружковцев. Принимая во внимание высокую стоимость отдель-
ных видов инструмента, можно посоветовать руководителю кружка
приобретать и накапливать инструмент постепенно, ограничившись
на первых порах лишь самым необходимым. Опыт показывает,
что большая часть необходимых инструментов, в том числе наибо-
лее ценные из них, может быть всего лишь в 1—2 экземплярах —
этого вполне достаточно для проведения практических работ. Кроме
инструментов общего пользования, нужно иметь комплекты ин-
струментов индивидуального пользования в количестве не меньшем,
чем число членов кружка (эти комплекты выдаются каждому из
кружковцев на время занятий).
Комплект инструментов индивидуального пользования
(для каждого члена кружка)
Электропаяльник (напряжение питания 36 В. мощность 30. .40 Вт)
Паяльница (подставка под паяльник с запасом припоя, канифоли)
Пинцет
I (лоскогубцы
Кусачки боковые (бокорезы)
Кусачки специальные (щипцы) для снятия изоляции с проводов
Нож монтажный
Отвертка
16
Рис. 8. Переносный пенал для инструментов индивидуального пользования
Для хранения комплектов инструментов индивидуального поль-
зования целесообразно изготовить из фанеры переносные пеналы
(рис. 8). С тыльной стороны к пеналам прикрепляются деревянные
угольники, позволяющие располагать их во время работы на столах
в наиболее удобном наклонном положении. Паяльники лучше хра-
нить отдельно на паяльницах в специальном отделении одного из
шкафов.
Примерный комплект инструментов общего пользования
(для кружка из 16 учащихся)
Тиски слесарные 2 ШТ.
Тиски настольные малые 5 шт.
Тиски ручные 3 шт.
Молоток слесарный (0,5...0,8 кг) 2 шт.
Молоток слесарный (0,2...0,3 кг) 2 шт.
Киянка 1 шт.
Зубило слесарное 2 шт.
Крейцмейсель 1 шт.
Наковальня малая 1 шт.
Ножовка слесарная ручная с набором полотен 2 шт.
Ножовка по дереву 1 шт.
Лобзик со столиком на струбцинке и набором пилок 2 шт.
Ножницы для резки листового металла ручные 1 шт.
Ножницы для резки картона и бумаги 3 шт.
Резак для резки листовых материалов 5 шт.
Напильники разных профилей по 2 шт.
Рашпили разных профилей но 1 шт.
Надфили разных профилей в наборах 3 набора
Шлифовальная шкурка 2 м2
Плоскогубцы комбинированные (пассатижи) 2 шт.
Круглогубцы 2 шт.
Кусачки 2 шт.
Клещи 1 шт.
Отвертка с широкой лопаткой (9...11 мм) 3 шт.
Отвертка часовая 2 шт.
Шило прямое 2 шт.
Ключ гаечный раздвижной (200 ..250 мм) 2 шт.
Ключ торцевой 1 шт. 17
Топорик малый I шт.
Рубанок с двойной железкой 1 шт.
Алмаз или стеклорез 1 шт.
Дрель ручная или электрическая с набором сверл 1 шт.
Зенкер и развертка (комплект) I шт.
Клупп с набором плашек и метчиков (2...6 мм) 1 шт.
Брусок точильный 1 шт.
Паяльник большой (220 В, 90 Вт) 1 шт.
Чертилка 5 шт.
Разметочный циркуль 2 шт.
Кернер 2 шт.
Линейка металлическая (30...40 мм) 3 шт.
Метр складной 1 шт.
Штангенциркуль 2 шт.
Микрометр I шт.
Резьбомер I шт.
Угольник I шт.
Стальная щетка • шт.
Хранятся инструменты общего пользования, как уже указыва-
лось, в инструментальном шкафу и в ящиках слесарных верстаков.
Измерительные инструменты требуют особенно бережного обраще-
ния, и хранить их следует в специальных футлярах, после работы
осматривать, чистить и слегка смазывать вазелином.
В лаборатории полезно иметь набор чертежных инструментов
(чертежные лекала, линейки, готовальню и пр.) для выполнения
графических работ: принципиальных и монтажных схем электри-
ческих цепей, таблиц и графиков, чертежей конструкций, над кото-
рыми работают кружковцы. Хранить эти инструменты можно в
ящике чертежного стола.
§ 1.4. ДЕТАЛИ. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ОТДЕЛОЧНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Почти все кибернетические приборы, модели, наглядные пособия
и конструкции, с которыми будут заниматься члены кружка, пред-
ставляют собой электрические устройства. Поэтому в практической
работе юных кибернетиков могут понадобиться самые разнообраз-
ные электротехнические материалы и детали.
Для изготовления шасси, панелей, футляров, щитов нужны
листовые материалы: алюминий, железо, гетинакс, текстолит, орг-
стекло, фанера и пр. В качестве источников электропитания в при-
борах и моделях применяются аккумуляторы, гальванические
элементы и батареи, а также малогабаритные выпрямители, под-
ключаемые к сети переменного тока. В электрических цепях исполь-
зуются резисторы и конденсаторы, катушки индуктивности и транс-
форматоры, электромагнитные реле, счетчики и шаговые искатели,
электровакуумные и полупроводниковые приборы (диоды, транзис-
торы, микросхемы и пр.) и другие детали Основными индикаторами
служат неоновые лампы и низковольтные лампы накаливания, све-
тодиоды, цифровые индикаторные устройства и др. Лампы накали-
18
вания применяются также для подсвета всевозможных табло и эк-
ранов. Нередко кружковцы оснащают свои приборы не только све-
товой, но и звуковой сигнализацией. С этой целью используются
электрические звонки, зуммеры. Для управления работой моделей
и приборов, их регулировки предусматриваются разнообразные
тумблеры, переключатели, кнопки, штекеры и другие коммутаци-
онные устройства. Монтаж, крепление и соединение всех этих дета-
лей осуществляются с помощью установочных и вспомогательных
элементов: опорных стоек, расшивочных панелек, ламповых патро-
нов, клемм, гнезд, штепсельных разъемов. Для этой же цели нужен
и крепежный материал: винты и гайки, шурупы, заклепки, шайбы
и т. п. Необходимы также такие материалы, как припой и кани-
фоль— для пайки, различные клеи — для склеивания деталей из
дерева, металла и пластмасс, нитрокраска разных цветов - для ок-
рашивания футляров и отдельных узлов изделий, монтажный про-
вод, изоляционная лента и многое другое.
Имеющиеся в распоряжении кружка материалы и детали, их
номиналы и параметры в значительной мере определяют тематику
работы коллектива кружка — руководитель занятий вынужден ос-
танавливать свой выбор на таких конструкциях, для изготовления
которых есть все необходимое. Только при наличии достаточного
количества и разнообразия электротехнических материалов и дета-
лей кружок не будет испытывать больших ограничений в выборе
тем практической деятельности, не будут связаны инициатива и
творческая фантазия кружковцев.
Демонтируя в кружке отработавшие свой срок и списанные
промышленные установки и аппараты, кружковцы получают в свое
распоряжение большое количество вполне пригодных для учебной
и конструкторской работы материалов, деталей и даже целых узлов
и блоков. Часть необходимых деталей и конструкционных материа-
лов может быть приобретена также через учколлекторы, специаль-
ные магазины и базы Посылторга. Разумеется, приобрести все
необходимое сразу за короткий промежуток времени едва ли пред-
ставится возможным, делается это постепенно. С течением време-
ни в хозяйстве кружка могут быть накоплены достаточные запасы
всевозможных электротехнических материалов, деталей и узлов, нуж-
ных для изготовления разнообразных, в том числе и весьма слож-
ных, кибернетических устройств. Тем не менее минимальное коли-
чество самых необходимых деталей, конструкционных и отделоч-
ных материалов должно быть приобретено сразу до начала заня-
тий во вновь организуемом кружке, чтобы обеспечить бесперебой-
ную работу в течение учебного года.
§ 1.5. ЛИТЕРАТУРА И УЧЕБНО-НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ
Для успешной работы кружка технической кибернетики чле-
нам этого кружка и руководителю занятий необходима специаль-
ная литература, разнообразная по своему характеру и содержанию.
19
Учащимся, которые работают в кружке, нужны:
научно-популярная литература по кибернетике, и в особеннос-
ти по тем вопросам технической кибернетики, с которыми связана
их деятельность в кружке;
учебная и справочная литература по этим же вопросам для
более глубокого их изучения при подготовке к выполнению кон-
структорских и монтажных работ;
технические описания и схемы конкретных типовых устройств,
моделей и приборов, представляющих по тем или иным причинам
интерес для кружковцев и доступных для изготовления в люби-
тельских условиях,
периодическая литература, информирующая юных техников о
деятельности и успехах их коллег в других местах — у нас в стране
и за рубежом.
Руководителю кружка, кроме того, необходимы:
научно-техническая литература по тематике, с которой связана
работа его питомцев;
методическая литература по вопросам организации кружковой
работы с юными любителями кибернетики;
периодическая литература, обеспечивающая оперативную ин-
формацию по вопросам, связанным с внеклассной работой в области
кибернетики, и широкий обмен опытом.
Кружок технической кибернетики необходимо обеспечить лите-
ратурой всех указанных категорий. Разумеется, сразу это сделать
невозможно, для создания кружковой библиотечки потребуется оп-
ределенное время. Некоторые книги найдутся у руководителя, кое-
что могут принести из дома кружковцы; часть необходимой литера-
туры можно приобрести на средства, выделенные базовым учреж-
дением (предприятием) и школой. Желательно, чтобы для кружка
была оформлена подписка на такие журналы, как «Моделист-
конструктор», «Юный техник», «Радио». Постепенно таким обра-
зом может быть собрана достаточно большая библиотечка техни-
ческой, учебной, методической и научно-популярной литературы.
Книги этой библиотечки станут в дальнейшем большим подспорьем
в работе кружка.
Не меньшую помощь кружковцам в усвоении понятий и пред-
ставлений кибернетики могут оказать разнообразные учебно-на-
глядные пособия. Это реальные приборы и устройства, их действу-
ющие модели или макеты, а также различные плакаты, чертежи,
схемы, графики. Во многих случаях полезными оказываются учеб-
ные диапозитивы, диафильмы и кинофильмы, демонстрация которых
требует наличия соответствующей проекционной аппаратуры.
На кружковых занятиях могут оказаться полезными многие из
учебно-наглядных пособий, выпускаемых промышленностью для
школьных кабинетов информатики и вычислительной техники,
а также для физических кабинетов (например, изготовляемые за-
водом «Электродело» в Ленинграде прибор для демонстрации
сортировки деталей по прозрачности, комплект приборов по радио-
20
телемеханике, комплект приборов программного управления, набор
полупроводниковых приборов и др.).
Важнейшее место в арсенале учебно-наглядных пособий круж-
ка технической кибернетики следует отвести тем из них, которые
сконструированы и изготовлены самими кружковцами. При про-
хождении той или иной темы кружковцы могут изготовить специ-
альные тематические'стенды (например, «Электромагнитные реле»,
«Транзисторы», «Микросхемы», «Индикаторные устройства» и т. п.),
действующие развернутые схемы (например, «Логические элемен-
ты И, ИЛИ и НЕ», «Триггеры», «Дешифраторы» и др.), модели
кибернетических устройств (например, играющие автоматы, вы-
числительные приборы). Готовясь к докладам и сообщениям в круж-
ке, отдельные его члены могут изготовить наглядные пособия в
виде деталей и узлов кибернетических устройств, подвижных
диаграмм, фотомонтажей, а также начертить необходимые плакаты,
таблицы, графики. Все это в дальнейшем входит в общий фонд
учебно-наглядных пособий кружка и используется в учебном про-
цессе.
Наиболее красочные и интересные стенды и плакаты из числа
изготовленных в кружке следует использовать для оформления
учебной лаборатории. В оформлении помещения для занятий ре-
комендуется использовать также фотомонтажи, рисунки и другие гра-
фические материалы, иллюстрирующие различные рабочие приемы,
правила обращения с инструментами и приборами, справочные
таблицы. Из таблиц следует обязательно иметь те, которые со-
держат графические изображения и буквенные обозначения
электронных элементов на схемах, стандартные номиналы резисто-
ров и конденсаторов, данные о наиболее широко применяемых
диодах, транзисторах, микросхемах и т. п. Использование нагляд-
ных средств будет способствовать усвоению кружковцами теорети-
ческих сведений и эффективности выполнения практических работ.
§ 1.6. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ
И БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА
Выполняя на занятиях в кружке слесарные, монтажные, сбо-
рочные, измерительно-наладочные и другие работы, учащиеся
действуют в условиях, близких к условиям мастерской или цеха про-
мышленного предприятия. Они имеют дело почти с такой же техно-
логией, с такими же инструментами, станками, измерительными
приборами, какие характерны для настоящего производства. Дей-
ствующее законодательство предусматривает в этих условиях вы-
полнение в обязательном порядке требований производственной
санитарии и охраны труда. Руководитель должен предусмотреть все
необходимые мероприятия, обеспечивающие нормальный режим и
безопасность работы.
Важнейшим условием успешной работы кружка является нор-
мальное освещение лаборатории во время занятий. Требуемое
21
естественное освещение обеспечивается, если площадь застекленной
поверхности окон примерно равна четверти площади помещения.
При одностороннем расположении окон противоположная стена не
должна быть удалена от окон на расстояние, превышающее удвоен-
ную высоту помещения Освещенность на рабочих местах должна
быть около 100—150 лк.
Равномерное искусственное освещение создается подвесными
электросветильниками. Рабочие места кружковцев следует обору-
довать также настольными лампами (можно переносными) с отра-
жателями света, покрытыми белой эмалью или алюминиевой
краской.
К другим важным требованиям производственной санитарии
относятся определенный тепловой режим (оптимальная температу-
ра от 18 до 23 °C) и чистота воздуха в учебном помещении.
Значительная часть работы кружковцев связана с пайкой. При
этом используются припои и флюсы, пары которых оказывают
вредное воздействие на организм человека. В практике работы
кружка находят применение и некоторые химические вещества, даю-
щие вредные и ядовитые испарения. Поэтому эффективное про-
ветривание помещения во время практических работ является важ-
нейшей задачей. Наилучшим решением этой задачи следует счи-
тать оборудование рабочих мест вытяжными вентиляционными
установками, а при использовании естественной вентиляции необхо-
димо чаще проветривать помещение.
Важнейшее значение имеют разъяснение кружковцам правил
обращения с ядовитыми и вредными веществами, требование
соблюдения правил личной гигиены во время работы, ознакомления
с безопасными приемами работы. Целесообразно ввести специаль-
ную рабочую одежду: халаты, фартуки, нарукавники, форменные
куртки, а при работе на станках — головные уборы (береты, пилот-
ки, косынки). В необходимых случаях кружковцы должны пользо-
ваться защитными очками (работа на точиле и других станках),
рукавицами (работа с жестью).
Вращающиеся и движущиеся части станков и механизмов
(маховики, валы, шкивы) должны быть закрыты специальными
оградительными устройствами.
В учебной лаборатории необходимо четкое соблюдение правил
пожарной безопасности. Легковоспламеняющиеся жидкости (лаки,
краски, растворители), как уже указывалось, должны храниться
в несгораемом шкафу; выдавать их кружковцам для работы сле-
дует в небольших количествах в металлических баночках с широки-
ми горлышками, закрываемыми резиновыми пробками. Эти баночки
также желательно хранить в сейфе или в общей металлической
коробке, закрываемой плотно пригнанной крышкой. Накапли-
вающиеся отходы горючих материалов (обрезки оргстекла, гети-
накса) следует своевременно удалять из помещения, поддерживая
чистоту и порядок. Лаборатория обязательно снабжается огнетуши-
телем, исправность которого нужно периодически проверять.
22
Особо следует остановиться на требованиях и правилах электро-
безопасности, так как в процессе практической работы кружков-
цы *все время имеют дело с различными электроинструментами и
электроаппаратурой. Все токонесущие части электроарматуры
должны быть недоступны для случайных прикосновений. Состоя-
ние изоляции электрических приборов и устройств следует регу-
лярно и тщательно проверять, ни под каким видом не допуская
использования в работе приборов и инструментов с неисправной
изоляцией. Все электрооборудование, а также станки и механизмы,
которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напря-
жением, необходимо надежно заземлить. Плавкие предохранители
и другие автоматические устройства, применяемые для защиты
электрооборудования, должны строго соответствовать допустимым
значениям силы тока, надежно срабатывать при увеличении силы
тока в цепи сверх допустимых значений. Ручной инструмент для
электромонтажных работ (отвертки, плоскогубцы, кусачки и пр.)
должен быть снабжен изолирующими рукоятками. Напряжение,
подводимое к рабочим местам для нагрева паяльников, не должно
превышать 36 В. Конструкция паялышц-подставок, на которые кла-
дутся паяльники, должна исключать возможность случайных сопри-
косновений работающего с нагретой частью паяльника.
Все кружковцы перед началом практических занятий обязатель-
но проходят инструктаж по технике безопасности. Этому нужно
посвятить не только одно из первых занятий кружка, но и в даль-
нейшем использовать каждый подходящий случай для беседы на
эту тему. Учащиеся обязаны твердо усвоить, что пренебрежение
правилами техники безопасности недопустимо, так как может при-
вести к тяжелым несчастным случаям.
В кружке должен быть специальный журнал инструктажа по
технике безопасности. В этом журнале регистрируются (и распи-
сываются) учащиеся-кружковцы, получившие очередной инструк-
таж, а также фиксируются все замеченные неисправности и нару-
шения.
В помещении кружка необходимо иметь аптечку, содержащую
перевязочный материал, медикаменты и медицинский инвентарь,
для оказания первой помощи при порезах, ушибах, ожогах. Ниже
приводится состав такой аптечки.
Состав аптечки
Борная кислота (2%-ный раствор)
Иод (5%-ная настойка) в склянке с притертой пробкой
Марганцовокислый калий (иавеска, готовая к разведению водой)
Марганцевокислый калий
Спирт нашатырный
Капли валериановые (или эфирно-валериановые)
Сода двууглекислая (питьевая) в растворе
Сода двууглекислая (питьевая) в порошке
Вазелин борный (в тюбике)
Пакеты перевязочные индивидуальные
23
Вата гигроскопическая
Б и нт i.i марлевые стерильные
Салфетки марлевые стерильные
Бумага компрессная
Гралусник медицинский
Пинцет
Пипетки капельные
Ванночка глазная
Жгут резиновый
Булавки безопасные
Указанные медикаменты, инвентарь и перевязочный материал
хранятся в небольшом настенном шкафчике, который укрепляет-
ся на видном и доступном месте. Кружковцев следует познакомить
с содержимым аптечки, назначением медикаментов и правилами
оказания первой помощи.
Глава 2
ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНО-ВОСПИТАТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
В КРУЖКЕ
§ 2.1. ОРГАНИЗАЦИЯ КРУЖКА ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ
Кружки технической кибернетики рекомендуется создавать в
школах, на станциях юных техников, во Дворцах и Домах пионеров
и школьников, по месту жительства учащихся при домоуправле-
ниях и ЖЭКах, в профсоюзных клубах, при заводских лаборато-
риях, конструкторских бюро и других учреждениях. К участию в
руководстве кружковой работой, кроме учителей школ и внешколь-
ных работников, целесообразно привлекать также инженеров и
техников, ученых, военнослужащих, студентов, родительский актив.
Создание кружка технической кибернетики начинается с подго-
товки для него материально-технической базы: помещения для
занятий, мебели и оборудования, инструментов и материалов,
наглядных пособий, учебной литературы и пр. Обзаведение вновь
организованного технического кружка разнообразным «хозяйством»
всегда процесс сложный и длительный. Учитывая это, о подготовке
минимальной материально-технической базы для кружка следует
позаботиться заранее, еще с весны или лета (во всяком случае, до
начала учебного года).
Опыт многих педагогов, накопленный за последние годы, сви-
детельствует о том, что в кружках кибернетики успешно могут
работать учащиеся как старшего, так и среднего школьного воз-
раста. Для школьников VI—VIII классов создаются кружки на-
чальной кибернетики и кружки кибернетики с элементами програм-
мирования. Кроме того, учащиеся этой возрастной группы могут
заниматься в других близких по профилю кружках: электронной
24
автоматики, информатики и вычислительной техники, радио-
электроники и т. п. Занятия в этих кружках рассчитаны на два-три
года.
Для учащихся IX—XI классов организуются кружки техни-
ческой кибернетики, занятия в которых рассчитаны на три года.
В кружки 1-го года занятий принимаются школьники IX клас-
сов. При этом учитывается, что учащиеся, начинающие работать
в кружке, уже обладают некоторыми начальными знаниями в об-
ласти электротехники и электроники, полученными в курсе физики
и в трудовом обучении (в VII—VIII классах), владеют опреде-
ленными умениями и навыками по обработке металлов, пластмасс
и древесины, приобретенными на уроках труда в школьных мастер-
ских (в IV—VII классах). Принимается во внимание также боль-
шая вероятность прихода в эти кружки юных техников, ранее
(в VI—VIII классах) активно работавших в кружках указанного
профиля и имеющих по сравнению с «новичками» более высокий
уровень теоретической и практической подготовки в избранной
области знаний. С учетом указанных факторов в отдельных слу-
чаях (по усмотрению руководителя) в кружки 1-го года занятий
можно принимать учащихся VIII классов, а в кружки 2-го года
занятий — учащихся IX классов.
Численный состав кружка технической кибернетики 1-го года
занятий не менее 15 человек. В кружках 2-го и 3-го годов занятий
возможно уменьшение численного состава до 10 12 человек (не
менее). При большем количестве желающих заниматься в кружке
следует создавать параллельные группы.
Комплектованием кружка, как и подготовкой материальной
базы, будущий руководитель должен заниматься сам. Набор уча-
щихся в кружок он проводит в конце летних каникул и в начале
учебного года. Многие руководители начинают эту работу даже
раньше, в мае, когда в школах еще идут учебные занятия. Это
необходимо, если предполагается в новом учебном году продолжить
занятия ранее работавших кружков и предстоит организовать
кружки 2-го и 3-го годов занятий. Эти кружки комплектуются в
основном из ребят, продолжающих занятия, с устойчивым инте-
ресом к данной области науки и техники. Руководитель до конца
учебного года должен побеседовать с каждым кружковцем, узнать
его планы на лето и на новый учебный год. В кружки 2-го и 3-го
годов занятий могут быть включены и школьники, самостоятельно
занимающиеся творчеством в области электроники, вычислитель-
ной техники, кибернетики и имеющие знания и навыки в объеме
1-го и 2-го годов занятий. При записи таких ребят в кружок руково-
дитель устанавливает уровень их знаний и навыков в ходе непри-
нужденной беседы.
Особого внимания требует, естественно, набор в кружок 1-го го-
да занятий. Комплектование этого кружка целесообразно провести
во второй половине сентября, после того как в школах, где учатся
будущие кружковцы, уже уточнено расписание уроков, распреде-
25
лены основные общественные поручения, решена большая часть
организационных вопросов. Информация о наборе в кружок (крат-
кие сведения о кружке, о возрасте принимаемых, о времени и месте
записи) должна быть своевременно доведена до сведения уча-
щихся. Это можно сделать с помощью афиш, вывешиваемых в
школах и внешкольных учреждениях, а также путем непосредствен-
ного контакта со школьной аудиторией.
Запись в кружок проводит руководитель в определенные часы
в помещении, где в дальнейшем будут проходить кружковые заня-
тия. Если кружок работает уже не первый год, то на период про-
ведения записи рекомендуется организовать небольшую выставку
действующих приборов, моделей и учебно-наглядных пособий,
созданных кружковцами. Весьма желательно активное участие
в этой выставке опытных членов кружка: беседы с вновь посту-
пающими ребятами, рассказы о деятельности кружка и его членов,
демонстрация созданных ими моделей и приборов. Руководитель
также беседует с каждым из новичков, выясняя область его инте-
ресов и уровень подготовки. Запись проводится в специальном
журнале или на отдельных бланках-карточках. Следует записывать
фамилию и имя нового члена кружка, номер его школы, класс
и домашний адрес. Полезно фиксировать также фамилию, имя и
отчество родителей, место их работы и должность. Записавшимся
в кружок сообщается расписание его работы, время и место про-
ведения первого занятия.
Комплектование кружка не заканчивается с началом его работы,
но нередко может продолжаться еще в течение значительной части
учебного года. Это происходит потому, что, с одной стороны, не
все записавшиеся продолжают посещать занятия (имеет место
отсев), а с другой стороны, нередко и после начала занятий по-
являются желающие записаться в кружок. Разумеется, текучесть
состава крайне нежелательна, но в отдельных случаях (по усмотре-
нию руководителя) прием новичков вместо выбывших вполне до-
пустим.
Иногда руководитель заранее записывает в кружок до 20 че-
ловек, с запасом на отсев. В иных случаях школьники, изъявив-
шие желание работать в кружке после начала занятий, записыва-
ются в «кандидаты» и пополняют основной состав кружка при
отсеве.
Некоторый отсев в начале занятий кружка можно считать естест-
венным, и он не должен вызывать особого беспокойства. Нередко
такой отсев является следствием возрастных особенностей учащихся
и, в частности, еще не сформировавшегося интереса к определенной
практической деятельности. Школьники ищут «дело по душе»,
пробуя себя в различных направлениях деятельности—спорте,
технике, искусстве, т. е. там, где можно быстрее развить и показать
свою силу, ловкость, знания и умения.
Однако причиной отсева из технического кружка может быть
и неудовлетворенность учащихся содержанием и организацией
26
работы. Другими словами, текучесть может зависеть и от квалифи-
кации руководителя, и от подготовленности материально-техни-
ческой базы кружка. Поэтому в каждом случае следует изучать
причины ухода ребят из кружка и принимать меры для сохранения
контингента кружковцев.
Для регулярного посещения школьниками кружковых занятий
и предотвращения отсева большое значение имеет и регламент
работы кружка. При составлении расписания его работы руководи-
телю необходимо иметь в виду и другие виды занятий и обязаннос-
тей кружковцев: учебу в школе, выполнение домашних заданий,
помощь родителям по дому, общественные поручения, свободное
время для физического и культурно-эстетического развития. С
учетом всех этих обстоятельств решаются вопросы о времени за-
нятий кружка, о числе занятий в неделю и их продолжитель-
ности.
Кружки технической кибернетики при внешкольных учреждениях
обычно работают два раза в неделю. В кружках 1-го и 2-го годов
занятий продолжительность каждого занятия два часа, но воз-
можны и четырехчасовые занятия по одному разу в неделю.
Всего на работу этих кружков в период с сентября по май про-
граммой отводится 144 ч. Кружок 3 го года занятий может работать
два раза в неделю по 3 ч, что составляет по 216 ч в год.
Работа школьных кружков строится из расчета 70 ч в год (по
одному двухчасовому занятию в неделю). Руководитель отбирает из
программы вопросы, подлежащие изучению в кружке, учитывая при
этом уровень подготовки учащихся, их интересы и материально-
технические возможности школы.
Расписание занятий кружка должно быть стабильным. Отмена
занятий или их перенос на другое время должны быть таким же
исключительным явлением, как и отмена занятий в школе. Занятия
в кружке должны быть регулярными и обязательными для всех
его членов. Это дисциплинирует кружковцев, способствует повы-
шению их ответственности за свою работу
Организуя работу кружка технической кибернетики, руково-
дитель с самого начала должен позаботиться о развитии само-
управления. На первых же занятиях членов кружка нужно позна-
комить с их правами и обязанностями, помочь им избрать старосту.
Староста — первый помощник педагога в организации и прове-
дении учебно-воспитательной работы в кружке. Он устанавливает
очередность дежурства, распределяет между кружковцами другие
обязанности и контролирует их исполнение, выявляет причины
пропуска занятий и т. д. Старостой должен избираться школьник,
пользующийся авторитетом и уважением кружковцев и облада-
ющий наряду с принципиальностью и требовательностью опреде-
ленными организаторскими навыками.
С первого дня занятий в кружке вводится самообслуживание.
Дежурные следят за порядком во время занятий, за чистотой рабо-
чих мест, а по окончании работы убирают помещение (проверяют,
27
правильно ли уложены инструменты, подметают пол, расставляют
стулья и т. д.).
Огромное значение в успешной и плодотворной работе кружка,
в воспитании школьников имеет их участие в обсуждении и ре-
шении основных задач работы. Поддержание порядка в лаборато-
рии, хранение инструментов, подготовка и проведение тематического
вечера, участие в выставке, обсуждение плана работы, соблюдение
дисциплины — все эти и многие другие вопросы решаются руко-
водителем совместно с членами кружка.
Очень важно развивать у ребят чувство общественной активно-
сти и заинтересованности в дружной, сплоченной работе всего кол-
лектива. Это приводит к тому, что у школьников исчезают ижди-
венческие настроения, развивается инициатива, повышается само-
стоятельность и ответственность за общее дело.
Повседневная работа в кружке требует от руководителя боль-
шого педагогического такта. Он должен всегда выступать перед
коллективом как советчик и старший товарищ, опирающийся в
своей воспитательной работе на интерес членов кружка к кибер-
нетике и общественное мнение коллектива.
§ 2.2. ПЛАНИРОВАНИЕ КРУЖКОВОЙ РАБОТЫ
Плодотворная работа кружка технической кибернетики невоз-
можна без четкого, хорошо продуманного плана. Поэтому плани-
рование кружковых занятий является обязательным, а сам план
работы представляет собой важнейший документ, определяющий
основные направления и характер всей деятельности коллектива
кружка в учебном году.
План учебно-воспитательной, хозяйственной и другой работы
кружка составляется руководителем в начале учебного года на
основании типовой программы для 1,2 и 3-го годов занятий с учетом
возможностей материально технической базы, интересов членов
кружка и руководителя, а также некоторых других местных усло-
вий. Ниже приводится примерный тематический план кружка тех-
нической кибернетики IX—XI классов, которым можно руковод-
ствоваться при планировании учебно-воспитательной, методичес-
кой и хозяйственной работы (см.: Программы для внешкольных
учреждений и общеобразовательных школ. Технические круж-
ки по электронике, автоматике, информатике, вычислительной и
микропроцессорной технике, кибернетике.— М.: Просвещение,
1987).
28
Примерный тематический план кружка технической кибернетики
Школа Внешкольное
детское учреждение
Количество часов
Тема г ' i g i g
= £ = 5 г S
О и О ‘ X х * * £ х я “
со = о со к
ГС х л X
х о х о X О
1-й год занятий
Вводное занятие 2 2 — 4 4 —
Понятие о кибернетике 4 2 2 6 2 4
Системы счисления Элементы математической логики и тео 6 2 4 10 4 6
рии дискретных автоматов 12 4 8 22 6 16
Техническое творчество и конструирование Вычислительные устройства дискретного 6 2 4 12 5 7
действия 14 4 10 28 8 20
Вычислительные устройства непрерывно го действия 14 4 10 28 8 20
Электронно вычислительные машины 8 2 6 26 8 18
Экскурсия 2 — 2 4 — 4
Заключительное занятие 2 — 2 4 — 4
Итого 70 22 48 144 45 99
2-й год занятий
Вводное занятие Приемы и методы технического твор- 2 2 — 4 4 —
чества 10 4 6 18 7 II
Информационно-логические устройства Репетиторы и экзаменаторы. ЭВМ в учеб 12 4 8 26 8 18
ном процессе 10 3 7 22 6 16
Играющие автоматы Моделирование органов живых организ 10 3 7 22 6 16
мов 10 3 7 22 6 16
Понятие об искусственном интеллекте 10 3 7 20 6 14
Экскурсии 4 4 8 — 8
Заключительное занятие 2 — 2 4 — 4
Итого 70 22 48 144 42 104
3-й год занятий
Примерная тематика работы: моделиро
вание органов и функций живых организ мов; разработка и изготовление техниче
ских игрушек, действие которых основано на принципах кибернетики; конструирова ние моделей биоманипуляторов; создание кибернетических устройств для внедрения в учебный процесс и в автоматизированное
производство; конструирование приставок к микрокалькуляторам, демонстрационных учебных стендов по кибернетике и электрон но-вычислительной технике и пр. 70 22 48 216 40 176
29
В отличие от школьных учебных программ, обязательных во
всех своих частях, программа кружковых занятий является лишь
примерной: она рекомендует для изучения вопросы теории и целе-
сообразную последовательность их изложения, указывает ориен-
тировочный (но не исчерпывающий) перечень практических работ.
В процессе подготовки к новому учебному году руководитель вни-
мательно изучает существующую типовую программу кружка
технической кибернетики, при необходимости вносит в нее свои
коррективы.
При составлении плана работы кружка технической киберне-
тики на учебный год намечаются в определенном смысле «страте-
гические» и «тактические» задачи по реализации программы. Общая
стратегия воспитания и обучения кружковцев строится в соответ-
ствии с программой, а тактические вопросы разработки и изго-
товления моделей, приборов и других конструкций, проведения
массовых мероприятий решаются с учетом конкретных условий
работы.
В структуре плана работы кружка технической кибернетики
рекомендуется выделить следующие основные разделы: 1) общая
(вводная) часть; 2) учебно-воспитательная работа; 3) методи-
ческая работа; 4) массовые мероприятия; 5) хозяйственная ра-
бота.
В общей (вводной) части плана указываются наименование
кружка, год занятий (1,2 или 3-й), учебный год, номер школы или
название внешкольного учреждения, фамилия руководителя круж-
ка. Затем должны быть четко определены цель создания кружка
и его основные задачи на предстоящий учебный год. Далее необ-
ходимо назвать программу, положение, тематический план, по
которому ведется работа кружка, когда и кем утвержден документ.
Указывают также количество часов в неделю, отводимых на за-
нятия в кружке, и общее число занятий (часов) на учебный год.
Раздел учебно-воспитательной работы составляют на основе
скорректированной типовой программы. Здесь перечисляются темы
занятий, приводится ориентировочный график бесед и лабора-
торных работ по каждой из тем, перечисляются основные практи-
ческие работы (изготовление моделей, приборов, технических
устройств и др ), определяется время, отводимое для их выпол-
нения, указывается используемая литература. Отдельно приводится
перечень конструкций, изготовление которых предполагается, и
на основе этого перечня составляется список деталей, материалов,
необходимых для работы. Этот список прилагается к плану —
он служит основанием для определения соответствующих мате-
риальных потребностей кружка.
Выбор объектов труда кружковцев имеет большое значение
в воспитании общественной активности у юных техников. Разра-
ботка наглядных пособий и действующих моделей, изготовление
игровых автоматов, используемых при проведении вечеров и празд-
ников, создание технических устройств по заданиям базовых пред-
30
приятии и другие полезные работы формируют в сознании ребят
чувство долга перед коллективом, ответственность за порученное
дело.
Вообще, воспитательной работе с учащимися в кружке отво-
дится большое внимание. По темам теоретических занятий и прак-
тических работ предусматриваются беседы по вопросам науки и
техники, производства, спорта и пр., встречи с учеными, изобре-
тателями и рационализаторами, семинары и диспуты, выступления
учащихся с обзором технической литературы, по материалам жур-
налов «Моделист-конструктор», «Юный техник», «Техника —
молодежи», по зарубежным детским техническим журналам и пр.
Все эти и другие мероприятия вносятся в сетку часов учебного
времени.
Если кружок ведет работу совместно с НИИ, предприятием,
вузом, то ее необходимо также отразить в этой части плана.
План учебно-воспитательной работы кружка удобно предста-
вить в виде следующей таблицы:
Дата проведе- ния занятия Количество часов Тема Практиче- ская работа Воспитатель- ные мероприятия Использу- емая лите- ратура
В разделе методической работы планируют составление вместе
с учащимися описаний конструкций, изготовленных в кружке,
подготовку документации (чертежей, фотографий, заявок на рац-
предложения ит. п ), докладов и сообщений кружковцев по тематике
их работы, разработку содержания (планов, сценариев) и методики
проведения массовых мероприятий с участием актива кружка, вы-
пуск научно-технических бюллетеней и т. п. Если руководитель
кружка выступает с докладами, проводит консультации или семи-
нары для учителей, вожатых, пионерского или комсомольского
актива, связанных с деятельностью кружка, то эта работа также
должна быть отражена в данном разделе плана.
В разделе массовых мероприятий отражают предполагаемые
коллективные экскурсии кружковцев в музеи и на выставки, на
промышленные предприятия и в лаборатории научных учреждений,
подготовку и проведение тематических вечеров автоматики и ки-
бернетики, организацию выставок и смотров технического твор-
чества школьников, участие членов кружка в слетах юных рациона-
лизаторов и конструкторов, в конкурсах трудового мастерства по
рабочим профессиям. В этом же разделе предусматривается про-
ведение родительских собраний, итоговых и отчетных мероприятий.
Хозяйственная работа планируется в зависимости от состояния
оборудования, инструментов, наличия деталей, материалов и т. п.
Выше мы уже упоминали о том, что материально-техническое
31
обеспечение занятий кружка является предметом особой заботы
его руководителя. Основными источниками пополнения запасов
кружка служат магазины «Юный техник», «Культтовары», спе-
циализированные магазины инструментов, радиотоваров, измери-
тельных приборов, учколлекторы, специальные магазины и базы
Посылторга, а также комитеты ДОСААФ базовых предприятий
и сами базовые предприятия.
В плане предусматривается текущий ремонт измерительной
аппаратуры и инструментов, приобретение материалов и деталей,
если нужно — окраска столов, стеллажей, шкафов, ремонт поме-
щения, а также пополнение хозяйства кружка наглядными посо-
биями (в том числе самодельными), учебной, методической, спра-
вочной и научно-популярной литературой.
Для некоторых пунктов плана методической, массовой и хо-
зяйственной работы следует указать примерные сроки исполнения.
Составленный таким образом план работы кружка подписы-
вается руководителем и утверждается директором школы (вне-
школьного учреждения).
Нередко план работы кружка составляется и утверждается
задолго до начала занятий, когда руководитель еще не знает состав
кружковцев, средний уровень их знаний и умений, конкретные
запросы и склонности. Это вызывает определенные трудности в
реализации такого плана. Правильнее было бы заранее подгото-
вить лишь проект плана работы кружка, на первых занятиях озна-
комить с ним учащихся, а окончательное одобрение его членами
кружка отнести на последующие занятия, когда школьники усвоят
основную направленность работы и смогут выбрать то, что их более
всего привлекает. План, составленный при активном участии самих
кружковцев, будет наиболее реальным, так как он станет делом
каждого из них.
При обсуждении проекта годового плана с членами кружка
следует по возможности учесть их предложения и пожелания.
Надо, чтобы кружковцы сами стали организаторами жизни кружка,
а руководитель умело, тактично, без администрирования управлял
их деятельностью.
На основе годового плана работы кружка технической кибер-
нетики руководитель разрабатывает планы отдельных занятий.
В процессе подготовки к каждому занятию он продумывает содер-
жание работы кружковцев, выбирает нужное оборудование и ма-
териалы, а в необходимых случаях—литературу.
Иногда в ходе работы возникает необходимость изменить со-
держание того или иного занятия, сократить или увеличить объем
материала по какой-либо теме или даже ввести новую тему, к ко-
торой у членов кружка возник повышенный интерес. При активной
и целенаправленной работе такие изменения плана вполне воз-
можны и допустимы. Следует только обязательно фиксировать
эти изменения, периодически анализировать и оценивать ход вы-
полнения плана учебно-воспитательной работы
32
Некоторые руководители технических кружков предлагают
школьникам самим составлять планы своей работы, помогают им
это делать, определяя примерные сроки решения тех или иных
технических задач, планируя получение ожидаемых результатов
индивидуальной и коллективной работы.
§ 2.3. УЧЕБНО-ВОСПИТАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС В КРУЖКЕ
Кружковые занятия имеют много общего с уроками в кабинете
физики и в школьных мастерских; есть и немало отличительных
особенностей, которые обусловлены различием конечной цели и со-
держания, неоднородностью состава учащихся, добровольностью
выбора ими видов занятий, вариативностью содержания деятель-
ности, отсутствием стимулирующего текущего и периодического
контроля (в виде оценок). С учетом этого и следует рассматривать
основные особенности методики проведения занятий в кружке.
Руководителю кружка с первых же занятий необходимо выяв-
лять и учитывать индивидуальные особенности кружковцев, их ин-
тересы и склонности, мотивы, приведшие их в кружок и побуж-
дающие заниматься в нем постоянно. У членов кружка могут быть
существенные различия в конструктивно-технической деятель-
ности. Одни могут сосредоточить свое внимание на какой-то кон-
кретной теме; другие, наоборот, не могут сосредоточиться на чем-то
конкретном: у них много идей, но довести до конечного решения
их они затрудняются. В таких случаях нужна помощь руководи-
теля или других кружковцев.
Уровень мотивации занятий в техническом кружке у разных
его членов также может быть различным. Есть юные техники, свя-
зывающие свои жизненные планы и перспективы с творческой
деятельностью в области электроники и кибернетики. В кружке
они занимаются старательно, с интересом и увлечением, много
работают в избранном направлении техники и дома, немало вни-
мания уделяют самообразованию. Такое отношение к занятиям
в кружке можно отнести к высшему уровню мотивации. При среднем
уровне мотивации занятий увлечение электроникой и киберне-
тикой еще не стало у кружковцев жизненной потребностью, но
занятия они посещают охотно, работают с желанием. Низок уро-
вень мотивации кружковых занятий у учащихся, которые пришли в
кружок лишь под влиянием или по примеру товарищей; жизненные
планы у них еще не определились, их интересует больше сам про-
цесс работы, чем конкретное ее содержание.
Руководителю кружка следует систематически вести воспи-
тательную работу с целью повышения уровня мотивации тех уча-
щихся-кружковцев, у которых этот уровень недостаточно высок.
Учащиеся работают в кружке более успешно, если у них сформи-
ровано положительное отношение к работе, есть познавательный
интерес, потребность в приобретении новых знаний и умений, в
творчестве. Опытные руководители кружков с этой целью разно-
2 Заказ 734 33
образят формы работы и методы обучения в кружке. На первых
занятиях они рассказывают о том, что будут делать кружковцы,
знакомят их с работами прошлых лет. Практические работы соче-
таются с обзором достижений науки и техники, систематическим
показом кинофильмов по профилю кружка, проведением экскурсий
на предприятия, НИИ и в другие организации, на выставки техни-
ческого творчества, в музеи, организацией разнообразных мас-
совых мероприятий.
Для стимулирования у учащихся положительного отношения
к занятиям в кружке применяются и специальные приемы и методы.
Укажем некоторые из них.
На занятиях руководитель может приводить любопытные при-
меры и парадоксальные факты, относящиеся к изучаемым явле-
ниям, рассказывать об осуществлении тех или иных предсказаний
в научной фантастике, иногда поручать подготовить соответст-
вующие доклады для сообщения кружковцам.
Следует образно, эмоционально излагать новый материал в
сочетании с глубоким проникновением в сущность изучаемых яв-
лений, широко использовать сравнения и аналогии, сопоставления
научных и житейских представлений об изучаемых процессах,
максимально опираясь на жизненный опыт учащихся и имеющиеся
у них знания.
Необходимо систематически знакомить ребят с новинками науки
и техники по профилю кружка и побуждать их к самостоятельному
чтению научно-популярной литературы, проводить учебные дис-
куссии.
Полезно создавать ситуации успеха на занятиях. На занятии
всегда есть возможность кого-то из ребят похвалить, например,
за точность и аккуратность, за бережное отношение к инструменту,
за экономию материалов, за удачный проект и т. п.
Новые знания научно-технического характера сообщаются
кружковцам различными способами. Чаще всего такая информация
дается в ходе вводной беседы с систематизацией уже имеющихся
у них знаний, демонстрацией наглядных пособий и моделей, объяс-
нением и показом приемов и способов выполнения практических
действий или применения инструментов, приборов. Сообщается
новая информация и в виде деловых кратких замечаний и указаний
в процессе работы учащихся на занятиях, и в виде занимательных
рассказов во время перерывов. В среднем на каждом занятии для
сообщения нового отводится 15—20 мин. По отдельным наиболее
важным темам программы желательно проводить беседы позна-
вательного содержания или поручать кружковцам подготовку
соответствующих сообщений и докладов. В дальнейшем тексты
этих докладов тщательно отрабатываются и хранятся в кружке
как методические пособия.
Практика кружковой работы показывает, что новые знания
юные техники успешно приобретают при самостоятельной работе
с технической литературой, в процессе выполнения практических
34
работ и решения технических задач, а также во время наблюдений
в ходе экскурсий. На занятиях нужно периодически рассказывать
о приемах работы с научно-технической литературой, ориентируя
кружковцев на приобретение систематизированных и достаточно
полных знаний по проблемам, изучаемым в кружке.
Зачастую теоретические сведения, получаемые учащимися в
кружке, опережают школьные программы. Так, например, уже в
кружке 1-го года занятий ребятам приходится иметь дело с радио-
компонентами и электронными устройствами, монтировать и нала-
живать последние, хотя на уроках физики они еще не изучили ос-
новы электродинамики. Опытные руководители не дают в подобных
случаях полных и исчерпывающих формулировок законов и правил,
а только подводят к ним, отталкиваясь от практических задач,
и сообщают сведения в объеме, достаточном для осмысленного
выполнения интересующей кружковца работы.
Для закрепления технико-технологических знаний, формиро-
вания монтажно-демонтажных умений и навыков, развития твор-
ческого мышления и конструкторских способностей следует широко
использовать технические игрушки, «конструкторы» — комплекты
и наборы для сборки электронных устройств-автоматов и других
технических объектов. Важную роль в формировании сложных
способов действий с техническими объектами (например, поиск
причины и устранение неисправности в работе электронных при-
боров) играет применение алгоритмов, являющихся опорными
сигналами. Руководитель сообщает учащимся правила и порядок
действий, в результате которых успешно решается та или иная
задача.
Приобретение кружковцами новых знаний, умений и навыков
должно происходить параллельно с включением их в поисковую
творческую деятельность. Определяющее значение в этом имеет
выбор методов обучения, адекватных содержанию этой деятель-
ности, поставленной цели и возрасту учащихся. Эффективным
здесь оказывается проблемное изложение. Его удобно строить на
материале по истории науки и техники или раскрытия современ-
ного способа решения какой-либо рассматриваемой технической
проблемы.
Включению в поисковую творческую деятельность способст-
вует эвристический метод, который внешне реализуется так. Ру-
ководитель путем постановки вопросов организует эвристическую
беседу, дает проблемные задания и задачи, предлагает докумен-
тацию с сокращенными или неполными данными и т. п. Широко
применяются упражнения в решении задач на конструирование
и моделирование, мысленный эксперимент и др. Чтобы обеспечить
результативность решения этих задач, руководитель знакомит
учащихся с такими приемами, как расчленение сложных задач на
более простые, аналогия, объединение и пр. Полезно познакомить
кружковцев и с алгоритмами решения технических задач.
Основной частью большинства занятий кружка является орга-
2* 35
низания практической деятельности учащихся по созданию тех-
нических объектов. Как правило, не имеют успеха и быстро рас-
падаются те кружки, в которых школьники только готовят доклады,
рефераты, выступления на конференциях и т. п. Но и практичес-
кие работы в кружке технической кибернетики не должны превра-
щаться в самоцель. Выполняя их, кружковцы должны приобре-
тать новые трудовые навыки в обработке разнообразных конструк-
ционных материалов, чтении и разработке технико-технологической
документации, пользовании инструментами и приборами, прове-
дении несложных технических расчетов, в том числе с помощью
микрокалькуляторов и микроЭВМ.
Часто руководители организуют работу кружка над общей
для всех темой (ей посвящается большая часть занятий), а удовлет-
ворение индивидуальных интересов ребят осуществляется подго-
товкой докладов, изданием технических бюллетеней, решением
различных частных задач.
При выборе формы организации практической работы учащихся
на каждом занятии руководствуются прежде всего тем, как она
способствует достижению его цели. Учитываются при этом состав
кружковцев, материально-техническая база, сложность и трудоем-
кость объектов труда.
Так, при сообщении кружковцам новых знаний о технике, про-
изводственных процессах, способах действий, предусмотренных
программой, наиболее удобна фронтальная организация работы
учащихся. При этом руководитель имеет возможность управлять
одновременно группой кружковцев, организуя репродуктивную
или частично-поисковую деятельность. Методическое руководство
учебным процессом облегчается. Однако при выполнении практи-
ческих работ в кружке длительное время обеспечить фронталь-
ность трудно Во-первых, у учащихся неодинаков темп работы;
во-вторых, выполняют они неодинаковые задания даже в рамках
разработки одной темы; в-третьих, не всегда удается обеспечить
их одинаковыми приспособлениями, инструментом, оборудова-
нием и т. п.
Если на занятиях не предусматриваются одинаковые для всех
работы (при изготовлении моделей и учебно-наглядных пособий,
конструировании электронных приборов и других устройств),
применяют бригадную форму труда. Каждая бригада, состоящая
из 2—4 человек, может выполнять задание по одной теме. Наиболее
опытный и подготовленный из кружковцев назначается бригадиром.
Разновидностью этой формы организации работы являются твор-
ческие группы в составе кружка. Они разрабатывают часть общей
проблемы (или проекта), применяя известные методы коллектив-
ного поиска технических решений, консультируются со специа-
листами, а после завершения работы над проектом готовятся к
его защите в кружке.
На защиту приглашаются специалисты, которые могли бы оце-
нить выполненную кружковцами работу, помочь им увидеть в
36
проекте слабые места, наметить пути завершения работы. Вся
работа по оформлению технической документации и изготовлению
объекта в творческой группе или бригаде распределяется между
учащимися с учетом их подготовки. Если бригады выполняют оди-
наковые работы и по составу однородны, то полезно организовать
между ними соревнование.
При бригадной форме организации труда усложняется руко-
водство учебным процессом, руководителю приходится контро-
лировать выполнение различных работ. Эта трудность частично
устраняется, если заранее подготовить инструкции по выполнению
тех трудовых операций, с которыми учащиеся незнакомы. К досто-
инствам этой формы организации труда можно отнести воспитание
у кружковцев коллективизма и инициативы при выполнении об-
щей работы.
Бригадная форма применяется и в тех случаях, когда фрон-
тальность не может быть обеспечена из-за недостатка оборудо-
вания.
С отдельными кружковцами возможна организация работы
по индивидуальному плану. При этом наиболее полно могут быть
учтены индивидуальные интересы, уровень подготовки и склон-
ности учащихся.
Эффективность самостоятельной работы кружковцев во многом
зависит от качества руководства ею со стороны педагога на всех
этапах. Руководитель кружка предусматривает порядок выполнения
технического задания на каждом этапе, обучает ребят рациональ-
ным приемам труда, инструктирует их, наблюдает за ходом работы,
своевременно оказывает помощь в преодолении возникающих
трудностей, в исправлении допущенных ошибок и т. п.
В процессе практической работы кружковцам нередко прихо-
дится выполнять незнакомые им ранее операции. Чтобы руково-
дителю не нужно было отвлекаться постоянно для сообщения до-
полнительных сведений и проведения инструктажа, полезно иметь
в кружке краткие методические указания или инструкции по вы-
полнению практических работ. Основой их могут быть техноло-
гические карты на выполнение наиболее типичных и часто встре-
чающихся операций по изготовлению деталей, справочные табли-
цы, графики, расчетные формулы и т. п. Кроме того, нужны руко-
водства и пособия по применению на занятиях приспособлений,
механизированного инструмента, работе на станках, оформлению
чертежей и схем и т. п. Все это значительно облегчает работу руко-
водителя, ускоряет приобретение кружковцами технических знаний
и способов действий.
Параллельно с основными занятиями в кружке целесообразно
предусмотреть периодические дополнительные занятия в виде
консультаций. Они нужны, когда учащиеся самостоятельно изу-
чают литературу, разрабатывают графическую документацию,
готовят доклады и сообщения. Консультации могут быть общими
и индивидуальными.
37
§ 2.4. СВЯЗЬ КРУЖКА С БАЗОВЫМИ И ШЕФСТВУЮЩИМИ
ОРГАНИЗАЦИЯМИ, С РОДИТЕЛЬСКИМ АКТИВОМ
Успех работы кружка технической кибернетики в значитель-
ной степени зависит от его связей и контактов с местными про-
мышленными предприятиями и учреждениями, и в первую очередь
с базовым предприятием или шефствующей организацией, а также
от связи с родителями кружковцев.
Связь кружка с базовым предприятием имеет особое значение
прежде всего потому, что материальное обеспечение кружка не-
редко в значительной мере зависит от шефов. Отношения между
школой и базовым предприятием развиваются на основе догово-
ров, и ответственность за состояние трудового воспитания и обу-
чения несет не только школа, но и предприятие. В этих условиях
руководители и общественные организации промышленных пред-
приятий, оказывая материальную помощь подшефному техничес-
кому кружку, содействуют его укреплению и развитию. Они оснаща-
ют учебную лабораторию кружка необходимыми станками и обору-
дованием, снабжают кружок материалами и деталями, инстру-
ментами, измерительной и другой аппаратурой. Особенно благо-
приятные условия материального обеспечения складываются в тех
случаях, когда в тематику практических работ кружка включаются
отдельные задания со стороны шефствующей организации (что, ко-
нечно, возможно лишь при достаточно высоком уровне развития
кружка, на 2-м или на 3-м годах его работы). Поэтому при пла-
нировании деятельности кружка руководителю целесообразно поду-
мать о таких объектах моделирования и конструирования, которые,
отвечая профилю кружка и склонностям его членов, соответство-
вали бы также интересам и потребностям базового предприятия.
Работа кружка над объектами этого рода важна не только для
материального обеспечения кружка. Выполнение такой работы зна-
чительно поднимает авторитет коллектива кружка, вызывает уваже-
ние к его деятельности. Удачное сочетание технической самодея-
тельности с элементами производительного труда содействует и
нравственному воспитанию школьников.
Весьма полезны в этом отношении контакты и встречи членов
кружка технической кибернетики с работниками различных органи-
заций: научно-исследовательских институтов, проектно-конструк-
торских учреждений и промышленных предприятий. Беседы с круж-
ковцами ученых, инженеров, передовиков производства о работе
этих организаций, об их творческих задачах и потребностях, ус-
пешному решению которых могут содействовать своей работой чле-
ны кружка, дают толчок для возникновения актуальных и целе-
направленных идей в конструировании различных кибернетических
устройств или отдельных узлов и блоков, укрепляют связь кружка
с современной наукой и техникой, содействуют привлечению науч-
но-технических кадров к непосредственному участию в развитии
технического творчества школьников.
38
Большое значение для деятельности кружка технической кибер-
нетики может иметь его связь с одной из организаций ВОИР — Все-
союзного общества изобретателей и рационализаторов. Главная за-
дача этого добровольного общества — всемерное содействие разви-
тию массового изобретательства и рационализации. Кружок может
установить контакты с организацией ВОИР базового предприятия,
но возможно также создание первичной организации ВОИР не-
посредственно при школе или внешкольном детском учреждении,
где работает кружок.
Совет ВОИР может оказать помощь коллективу кружка, выде-
ляя средства на технические консультации, лекции и доклады,
оформление рационализаторских предложений, проведение экспери-
ментальной работы, организацию производственных экскурсий,
выставок, конкурсов, смотров и т. п.
Значительную помощь и поддержку в организации и проведе-
нии учебной и воспитательной работы в кружке технической ки-
бернетики могут оказать педагогу родители кружковцев. Связь
и постоянные контакты с родителями позволяют сделать их верны-
ми сторонниками и помощниками руководителя кружка во всех
важнейших начинаниях и мероприятиях.
Влияние родителей, их взглядов и традиций в семье на разви-
тие интереса детей к технике весьма велико. Многие родители сами
занимаются дома техническим творчеством. Используя по возмож-
ности в этой работе помощь детей, они постепенно приобщают ребят
к изучению устройства различных приборов и аппаратов, знакомят
их с инструментом и правилами пользования им, способствуя тем
самым расширению технического кругозора ребят. Но даже если
сами родители не имеют технических наклонностей, они могут рас-
ширять кругозор детей в области науки и техники с помощью чте-
ния с ними научно-популярной литературы, поощрения самостоя
тельного чтения научно-популярных и технических книг. Нередко
именно влияние родителей определяет увлечение ребят, их решение
записаться в технический кружок и активно в нем работать.
В подавляющем большинстве родители с вниманием и интере-
сом относятся к занятиям своих детей в технических кружках. Они
всячески поддерживают увлечение ребят, следят за посещением
занятий, помогают в подборе научно-популярной и учебной литера-
туры по кибернетике и автоматике, оказывают помощь в работе
над самоделками дома. Основные формы контактов руководителя
с родителями кружковцев — это родительские собрания и индиви-
дуальные беседы. Родительские собрания проводятся довольно ред-
ко: обычно в начале и конце учебного года. В первом случае роди-
телей знакомят с программой кружка и задачами, стоящими перед
ним; во втором — подводят итоги и демонстрируют достижения
кружковцев. Индивидуальная работа педагога с родителями воз-
можна на протяжении всего учебного года' как в дни проведения
собраний (до собрания и после него), так и в другие дни. Встреча-
ясь и беседуя с родителями, педагог подробнее узнает об интересах
39
и склонностях каждого кружковца, а также о характере трудовой
деятельности и интересах самих родителей. Нередко в результате
таких бесед кто-либо из родителей вызывается помочь кружку в
приобретении некондиционных или списанных деталей и материалов,
другой соглашается выступить перед кружковцами с интересным
рассказом о внедряемых на его предприятии новых «умных» ма-
шин, третий предлагает организовать для членов кружка экскурсию
на вычислительный центр и т. д.
Обычно родители всегда готовы оказать посильную помощь ру-
ководителю кружка, но, естественно, инициатива в этом должна
исходить от самого педагога.
§ 2.5. УЧЕТ И ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ РАБОТЫ КРУЖКА
На протяжении учебного года руководитель кружка технической
кибернетики должен регулярно вести учет всей деятельности кол-
лектива. Это нужно для того, чтобы систематически анализировать
ход и результаты работы, своевременно обнаруживать и устранять
недостатки, вносить коррективы, избегая повторения ошибок и не-
удач. Учет необходим и для отчета педагога перед руководством
внешкольного учреждения или школы о своей учебно-педагогичес-
кой деятельности.
Основным документом является учебный журнал кружка. В на-
чале учебного года в журнал заносятся сведения о всех членах круж-
ка (фамилия, имя, возраст, школа и класс, домашний адрес и пр.).
При проведении каждого занятия руководитель кружка указывает
в журнале тему занятия, его продолжительность, отмечает отсут-
ствующих кружковцев. Так как записи в учебном журнале являются
основанием для оплаты труда руководителя кружка, они должны
вноситься четко и аккуратно; какие-либо помарки и исправления в
учебном журнале недопустимы.
Кроме официального журнала, руководителю рекомендуется
вести дневник работы кружка. В дневнике можно записывать не
только тему, но и план проведения каждого занятия, кратко изла-
гать содержание бесед с кружковцами, указывать приемы работы
и пр. После проведения каждого занятия делаются отметки о том,
как оно прошло, что удалось (и чего не удалось) сделать, какие
возникли трудности и т. п. В днеьнике описывается также прове-
дение массовых мероприятий.
Дневник руководителя кружка не является официальным отчет-
ным документом, поэтому характер и степень подробности записей
в нем не подлежат регламентации. Ведение дневника помогает
педагогу в подготовке к каждому занятию и значительно облегчает
его работу по руководству кружком в последующие годы. Кроме того,
имея достаточно подробные записи и систематически просматривая
их, легче анализировать работу коллектива и подводить итоги.
Подведение итогов работы кружка технической кибернетики
проводится ежегодно в конце учебного года. Как уже отмечалось,
40
итоговые мероприятия следует заранее спланировать. Такими меро-
приятиями могут быть заключительное занятие кружка, отчетная
выставка работ кружковцев, отчетный тематический вечер. К итого-
вым мероприятиям можно отнести также участие кружковцев в
районных, городских, областных и других выставках технического
творчества школьников, в слетах, конкурсах.
Заключительное занятие кружка должно быть праздничным и
торжественным. К этой итоговой встрече кружковцев очень полез-
но оформить стенд, фотомонтаж, альбом или стенгазету, в которых
отражались бы работа и жизнь кружка в истекшем учебном году.
Руководитель подводит итоги работы, отмечает, какие знания при-
обрели ребята, посещавшие занятия, чему они научились; он дает
оценку деятельности отдельных кружковцев, отмечает тех из них, ко-
торые активно работали, создали наиболее интересные конструкции
моделей, приборов и устройств. Далее руководитель рассказывает
о перспективах работы кружка в будущем году, о том, что следует
читать, как продолжать изучение кибернетики.
На заключительном занятии уместно объявить о поощрении
лучших кружковцев. Такими поощрениями могут быть благодар-
ность дирекции школы или внешкольного учреждения, похвальная
грамота, подарок (хорошим подарком для юных конструкторов явля-
ется, например, набор электромонтажных инструментов или инте-
ресная научно-популярная книга о кибернетике и ее приложениях).
Если планируется развертывание отчетной выставки работ
кружковцев и проведение итогового тематического вечера, то вру-
чать награды лучшим членам кружка целесообразно непосредствен-
но на вечере.
Итоговые мероприятия районного, областного и республикан-
ского масштаба (выставки, конкурсы, слеты) планируются вы-
шестоящими организациями; подготовка к ним коллектива кружка
сводится главным образом к отбору лучших работ и оформлению
на них подробной технической документации. Последнее является
особенно важным. К сожалению, руководители нередко не придают
должного значения правильному и технически грамотному оформ-
лению чертежей, схем и описаний приборов и моделей, изготовлен-
ных кружковцами, из-за чего снижается оценка этих устройств на
выставках и смотрах. Оформление чертежей и схем должно соот-
ветствовать ЕСКД (Единой системе конструкторской документа-
ции). Разумеется, и сами авторы направляемых на выставку или
конкурс моделей и приборов должны быть хорошо подготовлены
к тому, чтобы подробно рассказать о своих конструкциях, проде-
монстрировать их в действии, дать исчерпывающие объяснения.
Полученные коллективом кружка на районных, городских и дру-
гих выставках и смотрах награды (почетные грамоты, кубки, вым-
пелы, призы и т. п.) следует хранить в учебном помещении кружка
на видном месте, на специальном стенде или витрине.
41
Глава 3
СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА
1-ГО ГОДА ЗАНЯТИЙ В КРУЖКЕ
§ 3.1. ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЙ
В кружок технической кибернетики приходят девятиклассники
с различным уровнем подготовки и характером интересов. Среди
записавшихся могут оказаться ребята, уже посещавшие кружок
электронной автоматики или начальной кибернетики и обладающие
некоторыми приемами слесарных и электромонтажных работ. При-
ходят и школьники, увлекающиеся математикой, занимавшиеся
ранее в математическом кружке и, возможно, знакомые в той или
иной мере с недесятичными системами счисления, с алгеброй выска-
зываний и другими разделами математики, которые непосредствен-
но связаны с кибернетикой. Наконец, в числе принятых в кружок
могут быть учащиеся с еще не сформировавшимися интересами,
не принимавшие ранее активного участия во внеклассной работе по
физике, технике, математике; у таких ребят круг знаний и умений
ограничен в основном тем, что они могли получить на уроках мате-
матики, физики и трудового обучения. В этих условиях перед руко-
водителем возникает довольно сложная проблема: несмотря на раз-
личие уровня подготовки и склонностей отдельных кружковцев,
увлечь их общей работой, привить устойчивый интерес к занятиям.
Основные задачи 1 -го года занятий — дать учащимся представ-
ление о некоторых важнейших понятиях и идеях кибернетики, по-
знакомить их с ее технической базой, и в частности с основами циф-
ровой электронной техники, развить практические умения и навыки
по разработке и изготовлению несущих конструкций, электричес-
кому монтажу и налаживанию электронной аппаратуры и, таким
образом, научить кружковцев создавать простейшие кибернети-
ческие электронные устройства, предназначенные для практичес-
кого использования. В соответствии с этими задачами и построена
программа кружка, определяющая содержание 1-го года его рабо-
ты: члены кружка на основе определенных знаний и умений, получен-
ных в школьных курсах математики, физики и трудового обучения,
как бы проходят «первый концентр» знакомства с кибернетикой.
Занятия кружка в первый месяц его работы строятся отчасти на
повторении материала, уже известного школьникам, но вместе с тем
кружковцы получают и много новой для них информации. Практи-
ческие работы по первым темам нужно спланировать так, чтобы
учащиеся, совершенствуя свои слесарно-монтажные умения и навы-
ки, занимались изготовлением шасси, панелей, корпусов для тех
моделей и приборов, которые они будут собирать позднее. Про-
водить практические работы целесообразно фронтально.
Все последующие темы содержат материал, с которым большая
часть кружковцев, по-видимому, встретится впервые. При прохожде-
42
нии этих тем педагогу понадобится значительно больше времени и
внимания уделять теоретическим вопросам. Наиболее сложные из
них он должен излагать в беседах с кружковцами сам. Но некоторые
вопросы могут осветить в своих кратких (на 8—15 мин) докладах
наиболее подготовленные члены кружка. Темы таких докладов
следует заранее распределить между кружковцами, снабдив их не-
обходимой литературой и контролируя ход подготовки к выступ-
лениям.
Практические работы по этим темам также могут проводиться
фронтально. Однако при прохождении последних тем фронтальность
работ может быть и нарушена: по усмотрению руководителя отдель-
ным бригадам кружковцев можно поручить выполнение работ, свя-
занных с изготовлением и налаживанием различных узлов созда-
ваемых моделей и приборов.
С первых же дней занятий учащихся нужно приучать к ведению
записей в специальных рабочих тетрадях. В эти тетради заносятся
теоретические и практические сведения, расчетные формулы, принци-
пиальные и монтажные схемы конструируемых устройств и их от-
дельных узлов, технические данные о применяемых деталях и мате-
риалах и пр. Запись в рабочей тетради нужно вести только на одной
стороне листа. Другая сторона отводится для внесения различных
добавлений, поправок, новых расчетов и т. п. На этой стороне могут
вноситься также замечания и задания руководителя кружка. Каж-
дый член кружка должен твердо усвоить, что рабочая тетрадь —
это необходимый спутник конструктора в его работе.
§ 3.2. ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ
Первое, вводное занятие кружка технической кибернетики прово-
дится в форме беседы руководителя с вновь принятыми в кружок
учащимися и посвящается предварительному ознакомлению послед-
них с содержанием его работы, а также обсуждению организа-
ционных вопросов. Кибернетика кратко характеризуется как наука
об управлении, подробнее — как наука об общих закономерностях
процессов управления и передачи информации в машинах и живых
организмах. Следует рассказать о зарождении и развитии киберне-
тики, о вкладе отечественных и крупнейших зарубежных ученых
в разработку теоретических основ этой науки, привести примеры
применения достижений кибернетики в народном хозяйстве нашей
страны, рассказать о связях кибернетики с другими науками, с
техникой.
Далее нужно кратко охарактеризовать техническую кибернети-
ку — научное направление, которое на основе общих для киберне-
тики в целом идей и методов изучает технические системы управ-
ления. Члены кружка должны знать, что техническая кибернетика —
это теория и практика автоматического управления и регулиро-
вания, а также научная база для решения комплексных задач ав-
томатизации производства и сложных систем управления (тран-
43
спорт, ирригационные и газораспределительные системы, атомные
электростанции, космические корабли и пр.).
Целесообразно рассказать о важном значении, придаваемом в
нашей стране дальнейшей разработке проблем теоретической и при-
кладной кибернетики, большой потребности в специалистах —
инженерах и ученых-кибернетиках.
Рассказ о «большой» кибернетике здесь может перейти в сферу
деятельности школьников-любителей, энтузиастов технического
творчества в области кибернетики. Следует рассказать о работе
юных кибернетиков, о создаваемых ими приборах и моделях «умных»
машин. Руководитель может продемонстрировать такие модели из
числа сконструированных и построенных школьниками, занимавши-
мися в кружке в предыдущие годы.
Сообщив кружковцам о достижениях юных любителей киберне-
тики, нужно предоставить им возможность высказаться в связи
с этим, ответить на их вопросы, а затем обсудить план работы
кружка, поставив перед кружковцами задачу—научиться кон-
струировать и строить простейшие кибернетические устройства.
Затем преподаватель сообщает кружковцам о порядке работы
кружка и основных требованиях, предъявляемых к ним, проводит
выборы старосты и решает другие организационные вопросы.
Заключительным этапом вводного занятия является краткое зна-
комство кружковцев с учебной лабораторией технической киберне-
тики и ее оборудованием. Руководитель демонстрирует учащимся
станочный парк, показывает, где хранятся слесарно-монтажные
инструменты, электроизмерительные приборы, учебная литература
и пр. Он обращает внимание ребят на необходимость сохранения
порядка в лаборатории, чистоты рабочих мест, бережного отноше-
ния к оборудованию, инструментам и всему имуществу.
Таково примерное содержание первого занятия кружка техни-
ческой кибернетики. Необходимо предостеречь педагога от некото-
рых крайностей при проведении этого занятия.
Нередко начинающий руководитель, чтобы «завлечь» школьни-
ков, строит первое занятие исключительно на развлекательном ма-
териале: например, расходует большую часть времени на демонстра-
цию многочисленных забавных и эффектных «кибернетических»
фокусов, игр и т. п. Это вполне допустимо при работе с учащимися
V—VIII классов, но, работая со старшеклассниками, очень важно
сохранить чувство меры. В противном случае можно нанести лишь
вред делу: у школьников создается ложное представление о киберне-
тическом кружке как о кружке развлекательном. Когда на после-
дующих занятиях речь пойдет о более серьезных вещах, они пока-
жутся кружковцам менее привлекательными и интересными.
Не следует на вводном занятии чрезмерно увлекаться и органи-
зационными вопросами, в особенности такими, как распределение
общественных обязанностей, тем для докладов и сообщений и пр.
Большую часть этих вопросов можно отложить на последующие
занятия, решая их постепенно, по мере необходимости.
44
Таким образом, вводное занятие не должно быть ни откровенно
«завлекающим» (рекламным), ни чисто организационным. Его нуж-
но провести в типичной рабочей обстановке, хотя кружковцы и не
будут заняты выполнением практических (расчетных, монтажных
или наладочных) работ. Учащиеся должны понять, что примерно так
же будут проходить и последующие занятия кружка.
При подготовке к проведению вводного занятия можно восполь-
зоваться материалами Большой Советской Энциклопедии, Детской
энциклопедии, научно-популярной литературой, журналами «Зна-
ние — сила», «Техника — молодежи», «Наука и жизнь», статьями из
газет.
§ 3.3. ПОНЯТИЕ О КИБЕРНЕТИКЕ
Примерное распределение материала по занятиям
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
1 Киберне- тика — на- ука об управлении Управление в живой природе, в тех- нике, в обществе (примеры). Кибер- нетические системы. Кибернетика, ее зарождение и развитие. Электронно- вычислительные машины—техниче- ская база кибернетики. Цели, дости- жения и проблемы кибернетики Учебный демонтаж раз- личных электронных ав- томатических устройств и приборов
2 Инфор- мация и сиг- налы Информация и ее свойства. Роль информации в управлении. Сигнал — носитель информации. Непрерывная и дискретная формы представления информации. Кодирование, передача и преобразование информации Учебный демонтаж элек- тронной аппаратуры. Раз- метка и вырезка загото- вок для монтажных плат, панелей, шасси из тек- столита, оргстекла, алю- миния и других листо- вых материалов (для создаваемых электрон- ных устройств)
Занятия по этой теме, по существу, являются продолжением
вводного занятия. На них следует продолжить общее знакомство
кружковцев с кибернетикой, ее значением и перспективами разви-
тия.
На первом занятии рассказ руководителя кружка можно начать
с наглядных примеров управления и регулирования в живой при-
роде, в технике и в обществе. Следует обратить внимание учащихся
на то общее, что характеризует любую кибернетическую систему
(т. е. систему, в которой осуществляется управление и регулирова-
ние): наличие регулируемого (управляемого) объекта, регулирую-
щего (управляющего) органа и каналов прямой и обратной связи
(рис. 9). В каждой такой системе происходит обмен информацией
между ее частями (по каналам связи); от того, насколько эффектив-
45
Рис. 9. Структурная схема кибернетической системы
но эта информация перерабатывается, зависит эффективность дей-
ствия всей системы.
Если, например, вооружившись карандашом, но не пользуясь
линейкой, попытаться нарисовать на листе бумаги длинную прямую
линию, а затем провести рядом с ней еще одну, но теперь — с по-
мощью линейки, то, сравнивая обе линии, мы убеждаемся, что пер-
вая линия получилась не совсем прямой. Как бы мы ни старались,
рука еле заметно отклоняется то в одну, то в другую сторону, и ка-
рандаш, не имея надежной опоры, оставляет на бумаге слегка изви-
листый след.
Откуда эти колебания, как их объяснить?
Движениями руки руководит «управляющий центр» человеческо-
го организма — головной мозг. От него по нервам один за другим
к руке бегут сигналы-команды о том, какие группы мышц надо вклю-
чить в работу в каждый момент времени, чтобы придать руке и ка-
рандашу в ней необходимое положение. А от мышц руки и от органов
зрения по другим нервам таким же потоком идут к мозгу сообщения
о результатах исполнения сигналов-команд.
Но, сравнивая достигнутое с желаемым, «управляющий центр»
немного запаздывает с выдачей очередных сигналов-команд, а ис-
полнительный орган — рука, получая эти сигналы, тоже не успевает
мгновенно реагировать на них. Этим и объясняются небольшие
колебания руки с карандашом при выполнении нашего несложного
опыта.
Сказанное лишь простой пример управления в очень сложной
системе, которую представляет собой человеческий организм. Здесь
ни на секунду не прекращается обмен сигналами между отдельны-
ми органами, с одной стороны, и центральной нервной системой —
с другой. Благодаря этому обмену осуществляется координация дви-
жений, устанавливается кровяное давление, поддерживается темпе-
ратура тела и т. д.— короче говоря, человек живет, мыслит, ориен-
тируется в пространстве, выполняет разнообразную работу.
46
Человеческий организм не просто сложная система — это систе-
ма самоуправляемая. Ее структура соответствует схеме, представлен-
ной на рисунке 9. И именно в непрерывном и достаточно интенсив-
ном обмене информацией между основными частями системы по
каналам прямой и обратной связи — залог успеха в управлении.
В организмах животных управление происходит по такой же схе-
ме. И тут нет ничего удивительного: ведь по своей природе живот-
ные достаточно близки человеку.
Можно указать все характерные черты этой схемы и для любо-
го вида растений. Правда, здесь немного труднее разобраться в ка-
налах связи. Но если присмотреться внимательнее, их непременно
можно найти. Ведь только проявлением этих связей можно объяс-
нить, например, движение ярко-желтых головок подсолнечника
вслед за солнцем.
Обратимся теперь к технике. Здесь автоматические устройства
управления заменяют внимание, память человека и как бы подра-
жают деятельности нашей нервной системы. Классический пример
технической самоуправляемой системы — паровая машина с
центробежным регулятором скорости, предложенная Д. Уаттом
почти 200 лет тому назад. Регулятор содержит массивные шары,
соединенные с помощью рычагов с валом машины. При увеличении
скорости вращения вала центробежная сила разводит шары, и они
тянут за собой рычаги, опускающие задвижку на трубе, по которой
подводится пар. В машину начинает поступать меньше пара, и ско-
рость вращения вала снижается.
Здесь паровая машина — управляемый объект, а центробежный
регулятор — управляющий (регулирующий) орган. Через рычаги и
задвижку (это прямая связь) регулятор посылает управляемому
объекту сигналы управления; через ось регулятора, соединенную с
валом машины, осуществляется обратная связь — регулятор полу-
чает сигналы о результате управляющего воздействия.
Такая схема самоуправляемой системы характерна и для многих
других технических устройств и машин-автоматов.
Вот, например, авторулевой на океанском лайнере. Едва объект
управления — судно — отклонится от заданного курса, гирокомпас,
который следит за правильностью курса, передает команду соответ-
ствующим механизмам, и они воздействуют на руль, выдерживая
заданный курс.
Родной брат авторулевого — автопилот, сохраняющий курс летя-
щего самолета. Этот автомат получает информацию о положении
воздушного корабля от гироскопа, установленного на самолете.
На основе получаемой информации автопилот управляет рулями
крылатого лайнера, не позволяя ему сбиться с пути.
В этих примерах также нетрудно найти все элементы изобра-
женной на рисунке 9 схемы кибернетической системы.
Итак, технические устройства и машины, животные и растения,
человеческий организм... Наш список самоуправляемых (киберне-
тических) систем еще не исчерпан. В него нужно внести также че-
47
ловеческое общество, большие и малые коллективы людей. Ведь
любой завод или школа, научно-исследовательский институт или
воинская часть, маленькое село или большой город и даже вся наша
огромная страна — все это тоже очень сложные самоуправляемые
системы. И в каждой из них — все та же схема управления: управ-
ляемый объект, управляющий орган и соединяющие их каналы пря-
мой и обратной связи образуют своего рода замкнутый круг —
«кольцо связи».
Большое сходство процессов управления в различных по своей
природе и структуре сложных системах не осталось без внимания
ученых. Было установлено, что все процессы управления, где бы
ни протекали они и как бы разнообразны ни были, подчиняются
одним и тем же общим и объективным законам. Изучение этих
общих законов и составляет предмет специальной науки об управле-
нии — кибернетики.
Термин «кибернетика» происходит от древнегреческого слова
Xt>0epvT]TT]£ (кибернетес) — рулевой, кормчий, управляющий. Кста-
ти, таково же происхождение слов «губернатор» и «гувернер».
Когда-то, более 2000 лет тому назад, древнегреческий философ
Платон называл «кибернетикой» искусство управления кораблем,
а в прошлом столетии французский физик Андре Ампер использовал
это слово для обозначения не существовавшей еще в те годы науки
об управлении государством. После Ампера долгое время термином
«кибернетика» ученые не пользовались, это слово было забыто.
Снова ввел его в употребление около 50 лет тому назад американ-
ский математик Норберт Винер, который одним из первых сформу-
лировал основные идеи новой науки. Книга этого ученого «Киберне-
тика или управление и связь в животном и машине», опубликован-
ная в 1948 г., уже в самом названии содержала определение новой
отрасли знаний. Идеи, высказанные в этой и других работах Н. Ви-
нера, быстро получили развитие в трудах многих ученых — мате-
матиков, физиков, физиологов, философов. Новая наука с древним
названием стала быстро и успешно развиваться.
Таким образом, объектом изучения кибернетики являются слож-
ные динамические системы: живые организмы (животные и расте-
ния), технические агрегаты (поточные линии, транспортные сред-
ства, машины и пр.), социально-экономические комплексы (орга-
низованные группы людей, бригады, предприятия, отрасли про-
мышленности, государства).
Предметом изучения кибернетики являются процессы управле-
ния в сложных динамических системах.
Основной целью кибернетики является изучение и оптимизация
систем управления.
В кибернетике принято выделять ее теоретическую часть — тео-
ретическую кибернетику, ее основное содержание — совокупность
теоретических проблем, относящихся к системам и процессам управ-
ления в них. Сюда относятся, в частности, следующие основные
разделы: теория информации, теория алгоритмов, теория автоматов,
48
теория игр. В зависимости от типов систем управления, которые
изучаются прикладной кибернетикой, последнюю подразделяют на
биологическую, техническую и экономическую кибернетику.
Таким образом, кибернетика тесно связана с другими науками:
физико-математическими, техническими, биологическими, социаль-
но-экономическими, гуманитарными. Но связь эта определяется
предметом исследования и ограничивается вопросами, относящими-
ся к процессам управления.
В беседе с кружковцами руководитель может более подробно,
чем на вводном занятии, остановиться на истории становления
и развития кибернетики, рассказать о деятельности крупнейших
отечественных ученых-кибернетиков А. И. Берга, В. М. Глушкова,
А. Н. Колмогорова, А. А. Харкевича и др., о достижениях кибер-
нетики в народном хозяйстве, о развернутых в стране работах по
созданию и повсеместному внедрению электронно-вычислительной
техники и о связанной с этим организацией компьютерного всеобуча.
Важно подчеркнуть, что технической базой современной киберне-
тики являются именно электронно-вычислительные машины, а уско-
рение научно-технического прогресса во всех сферах деятельности
человека неразрывно связано с индустрией информатики, которая
и определяет этот прогресс.
На следующем занятии по этой теме нужно подробнее позна-
комить учащихся с понятием информации в кибернетике.
Вернувшись к структурной схеме кибернетической системы
(рис. 9), следует обратить внимание кружковцев на то, что эффек-
тивный взаимный обмен информацией между управляющим орга-
ном и управляемым объектом — характерная черта всех систем,
в которых происходят процессы управления.
Известный советский ученый, академик А. Н. Колмогоров, уточ-
няя сущность и принципиальные особенности кибернетики, опреде-
лил ее как науку, которая «...занимается изучением систем любой
природы, способных воспринимать, хранить, перерабатывать инфор-
мацию и использовать ее для управления и регулирования». Эта же
особенность данной отрасли знаний подчеркивается в определении,
принадлежащем другому крупному советскому ученому, академику
В. М. Глушкову: «Кибернетика — наука об общих законах пре-
образования информации в сложных управляющих системах».
Информация, стало быть, является основным понятием киберне-
тики. Информация (от латинского informatio — разъяснение, изло-
жение, осведомление) — это все, что является отражением каких-
либо фактов или событий: определенные сведения, совокупность
некоторых данных, знаний и пр.
Понятие это очень широкое. Информацию переносят телеграф
и телефон, радио и телевидение. Она записана на грамофонных
пластинках и магнитофонных лентах, на фотоснимках и литограф-
ских оттисках. Она передается от человека к человеку с помощью
устной речи, ее пересылают по почте в виде писем, издают в виде
книг и газет, хранят в библиотеках. Информация содержится в ма-
49
тематических формулах и таблицах, в показаниях измерительных
приборов.
Зрение, слух, осязание приносят нам информацию о внешних
событиях. Наши внутренние органы, обмениваясь информацией, ко-
ординируют совместную работу. Посредством обоняния и вкусовых
ощущений мы получаем информацию о качестве пищи.
Но не только для человека и человечества столь решающее зна-
чение имеет информация. Она является обязательным условием
существования животных и их сообществ. Тревожные или призыв-
ные крики птиц, угрожающее рычание зверя, танцы пчел, извеща-
ющие о местонахождении медоносных растений,— все это типичные
примеры передачи информации.
С незапамятных времен человек совершенствовал способы хране-
ния и передачи информации. В древности о важнейших событиях
оставляли записи летописцы. Для передачи сообщений использо-
вались дым костров и бой барабанов, в дальний путь снаряжались
специальные гонцы. В прошлом столетии появились телеграф и те-
лефон, значительно ускорившие обмен информацией между людьми
на огромных расстояниях. А XX век поставил на службу связи
радио и телевидение — люди сумели покорить пространство и вре-
мя. И мы теперь в считанные минуты узнаем о событиях, происхо-
дящих не только в самых отдаленных точках земного шара, но и
в беспредельных просторах космоса.
Сигнализация дымом костров и барабанным боем ставила когда-
то перед древней «службой информации» те же проблемы, которые
приходится решать теперь (разумеется, на несравненно более вы-
соком техническом уровне): выбор способа сигнализации, определе-
ние дальности действия и пропускной способности системы связи,
разработку мер, исключающих возможность искажения передавае-
мых сообщений.
Мы уже отмечали, что эффективность управления, а нередко и
само существование кибернетической системы (т. е. системы, в кото-
рой происходят процессы управления) зависят от того, насколько
своевременно получает она достаточно полную и достоверную ин-
формацию и насколько интенсивно циркулирует эта информация
в системе связи. Разнообразные формы представления и способы
хранения и передачи информации как применительно к конкретным
кибернетическим системам, так и в отвлеченном (абстрактном) виде
изучает теория информации — один из основных разделов кибер-
нетики.
В беседе с кружковцами руководитель должен раскрыть основ-
ные свойства информации, введя одновременно ряд понятий и тер-
минов, широко используемых в кибернетике.
Как отражение явлений реального мира понятие информации
раскрывается указанием процессов, в которых она участвует: выра-
ботка (производство, создание, появление), передача (во времени
и пространстве), хранение (т. е. передача во времени), получение,
преобразование, использование информации.
50
Источником информации может быть любой материальный
объект, основной особенностью которого является то, что в нем со-
здается совокупность сведений о его состоянии и происходящих
процессах (явлениях, событиях). Совокупность сведений, созда-
ваемых источником и подлежащих передаче (хранению), называет-
ся сообщением. Поэтому источник информации нередко называют
источником сообщений. Примеры источников сообщений: книга (га-
зета, журнал, справочник и т. п.); оратор на митинге (перед микро-
фоном, телекамерой); клиенты, передающие телеграммы на телегра-
фе; измерительные приборы-датчики (воспринимающие элементы)
в системе контроля какого-либо технологического процесса.
Информация нематериальна, но она проявляется в форме мате-
риальных носителей — знаков и сигналов.
Знаки (символы) — реальные, различимые адресатом (получате-
лем информации) материальные объекты: буквы, слова, цифры,
предметы и т. п.
Сигналы — динамические (физические) процессы, протекающие
в пространстве и во времени и характеризующиеся изменениями
физических величин любой природы: напряжения, давления, яр-
кости и пр. Величины эти могут принимать некоторое множество
значений (соответствующих множеству состояний процесса).
Следует отметить, что в теории информации понятия «знак» и
«сигнал» нередко взаимозаменяются. Знаки чаще используются при
хранении (т. е. передаче во времени) информации, а сигналы —
при передаче в пространстве (и во времени) информации.
Сообщения строятся из последовательности (или комбинации)
знаков или сигналов. Они и несут информацию адресату.
Передача информации от источника к адресату осуществляет-
ся с помощью канала связи. Каналом связи называется среда и со-
вокупность средств, с помощью которых передаются сообщения.
Множество знаков или сигналов, из которых строятся сообще-
ния, называется алфавитом. Применительно к сигналам (динами-
ческим процессам) под алфавитом понимается множество значений,
которые может принимать характеризующая процесс физическая
величина.
Информация может быть заключена как в самих знаках, так и
в их взаимном расположении. В первом случае информация осно-
вана на однозначной связи знаков с объектами реального мира и
называется семантической или смысловой. Примеры: знак +, бук-
ва О, знаки «столовая», «подземный переход» (рис. 10). Во втором
случае информация определяется характером (порядком и взаимо-
связью) следования знаков в сообщении и называется синтакси-
ческой. Пример: смысл сообщений из четырех букв «торс», «рост»,
«трос», «сорт» (а значит, и заключенная в этих словах информа-
ция) зависит от возможного расположения знаков (букв).
Информация может быть представлена в двух формах — непре-
рывной и дискретной. В первом случае сигналы, несущие сообщение,
состоят из плавно, непрерывно меняющихся величин. Например,
51
1
Рис. 10. Знаки: 1 — «Столовая»; 2 — «Подземный переход»
при передаче по радио или телефону человеческой речи звуки
представляются в виде непрерывно изменяющихся значений напря-
жения или тока. При записи же этой речи на бумаге или при пере-
даче с помощью азбуки Морзе характер представления информации
будет иным. Сигналы в этом случае состоят из отдельных (дискрет-
ных) порций: букв алфавита или точек и тире. Это уже дискретная
форма представления информации.
При передаче и преобразовании информации приходится неред-
ко переходить от непрерывной формы представления информации
к дискретной. Ученые установили, что информация, заданная в не-
прерывной форме, может быть с любой наперед заданной точностью
представлена в дискретной форме. На современном уровне развития
кибернетики дискретная форма представления информации-приобре-
ла особо важное значение.
Знаки и сигналы в сообщениях несут информацию только дйя
получателя, способного распознать их. Это значит, что адресат дол-
жен быть предварительно подготовлен для приема сообщений, в ко-
торых использован тот или иной конкретный алфавит. В против-
ном случае, наблюдая физический процесс (или объект), он не бу-
дет воспринимать его как сигнал. Например, в известном телеви- .
зионном фильме «Семнадцать мгновений весны» цветы на подокон-
нике явочной квартиры видят многие прохожие, но только специаль-
но проинструктированный («подготовленный» разведчиком) человек
воспринимает эти цветы как сигнал опасности. Другой пример:
информация, содержащаяся в книге или газете, напечатанной по-
английски, недоступна для человека, не умеющего читать на этом
языке.
Распознавание знаков (сигналов) состоит в их отождествлении
с объектами и отношениями этих объектов в реальном мире. Такое
отождествление осуществляется при сопоставлении сигналов (зна-
ков). Правило, по которому производится сопоставление, называет-
ся кодом (от латинского codex — свод законов), а процесс сопостав-
ления — кодированием. Процесс, обратный кодированию, называ-
ется декодированием. Если при передаче сообщений возникает не-
52
обходимость перейти от одного алфавита к другому, осуществля-
ют перекодирование (пример: перевод текста с одного языка на
другой).
Количество символов в алфавите может быть различным. На-
пример, алфавит уличного светофора содержит три символа — зе-
леный, желтый и красный свет; алфавит десятичной системы счисле-
ния— десять символов-цифр: 0, 1, 2, .... 9. Алфавит английского
языка имеет 26 букв, а русского — 33 буквы.
Наиболее простым, очевидно, является алфавит, состоящий всего
из двух символов. Примерами «двоичных» алфавитов могут слу-
жить точка и тире в телеграфном коде азбуки Морзе, цифры 0 и 1 —
в двоичной позиционной системе счисления (подробно с этой систе-
мой счисления кружковцы познакомятся при прохождении следую-
щей темы). В символах такого алфавита можно закодировать и
передать любую информацию.
Покажем, как закодировать двумя цифрами 0 и 1 текст какой-
либо телеграммы, составленной на русском языке. Русский телеграф-
ный алфавит содержит 31 букву (не различаются е и ё, ъ и ь); учи-
тывая еще пропуск между словами (пробел), получаем 32 символа,
т. е. 25. Значит, каждый из этих символов можно обозначить пяти-
значным числом, состоящим из нулей и единиц.
Вот один из возможных вариантов такого кода:
А — 00000 и — 01000 р — 10000 Ш — 11000
Б — 00001 Й — 01001 С — 10001 Щ— 11001
В — 00010 к 01010 т — 10010 ъ,ь— ною
Г — 00011 л — 01011 У — 10011 ы — нон
д- 00100 м — 01100 ф — 10100 Э — 11100
Е,Ё — 00101 н — 01101 X — 10101 Ю— 11101
Ж — 000110 о — 01110 п- юно Я — НПО
3 — 00111 п — 01111 Ч - 10111 Пробел — 11111
Например, сообщение «Тетя выздоровела» будет выглядеть так:
10010 00101 10010 11110 11111 00010 11011 00111
00100 01110 10000 OHIO 00010 00101 01011 00000
С помощью цифр 0 и 1 можно закодировать также информацию,
содержащуюся в каком-либо рисунке. Для этого рисунок разбивают
на маленькие квадраты. Если в квадрате преобладает черный цвет,
его обозначают единицей, а в противном случае — нулем. Затем,
проходя все квадраты по строкам слева направо, а строки — свер-
ху вниз, записывают последовательность единиц и нулей. Например,
на рисунке 11 приведено изображение кошки, которое можно зако-
дировать так:
100010000000011111000000001010100000000111110000000001110
000000000011110000000001111100000100111111000010011111100
0110010111110010001011111011000100111111000111111111000
53
Разумеется, здесь рисунок был
закодирован с малой точностью:
ведь его разбили всего на 169 квад-
ратов. Но мы могли бы описать
этот рисунок с помощью единиц
и нулей более точно, если бы раз-
били его на большее число эле-
ментов.
В кибернетике разработаны не
только приемы кодирования раз-
личных сообщений, но и спосо-
бы количественной оценки содер-
жащейся в них информации (ха-
рактеризующейся такими важ-
ными свойствами, как достовер-
ность, ценность, своевременность,
доступность и др.), оптимальные
методы преобразования, хранения
и передачи информации.
В беседах руководителя с учащимися на первых занятиях круж-
ка нет необходимости останавливаться на всех понятиях и законо-
мерностях теории информации, раскрывать их подробно. Это можно
будет сделать при прохождении других тем программы первого
года работы кружка. Детальное же и последовательное изучение
элементов теории информации целесообразно отложить до 2-го и
даже 3-го года занятий, когда кружковцы будут уже более подго-
товлены к восприятию и усвоению этого сложного материала и раз-
ным аспектам теории информации можно будет посвятить даже
два-три отдельных семинара.
Большое внимание руководителю следует уделить организации
и проведению практических работ на занятиях кружка. Первые
такие работы целесообразно посвятить расширению знаний и разви-
тию практических умений учащихся в области технологии пайки и
электромонтажа ввиду особого значения этих видов работ при
создании электронных устройств. Кружковцев знакомят с основны-
ми видами электрического монтажа: навесным (мягким и жестким)
и печатным. С этой целью полезно организовать учебный демонтаж
какой-либо негодной электронной аппаратуры: старых и неработаю-
щих радиоприемников, блоков списанных электронных приборов и
т. п. При такой форме проведения занятия решается сразу несколь-
ко задач: кружковцы не только знакомятся с типичным профес-
сиональным монтажом, но вместе с тем приобретают и совершен-
ствуют навыки обращения с электромонтажными инструментами,
получают представление о различных деталях электрических и
электронных устройств и, кроме того, выполняют полезную работу,
выпаивая нужные для кружка детали и радиокомпоненты.
Прежде чем приступить к демонтажу аппаратуры, кружковцы
получают от руководителя инструктаж о предстоящей работе. Педа-
54
гог в беседе с учащимися выясняет, насколько хороню им знакомы
электромонтажные инструменты, и при необходимости напоминает
о назначении последних и приемах работы с ними. Следует кратко
напомнить также об устройстве электропаяльника и правилах бе-
зопасного обращения с ним. Затем руководитель фиксирует внима-
ние учащихся на основных особенностях профессионального монта-
жа, демонстрирует блоки и узлы, которые предстоит демонтиро-
вать, и объясняет, как выполнить демонтаж аккуратно, не повре-
див деталей.
Демонтируя блоки и узлы электронной аппаратуры, кружковцы
сортируют полученные детали и сдают их руководителю.
Другой вид практических работ кружковцев в первые недели
занятий — изготовление шасси, панелей, каркасов, футляров для
тех моделей и приборов, которые им предстоит создать в дальней-
шем. Конкретные схемы и конструкции таких простых кибернети-
ческих устройств руководитель подбирает заранее, руководствуясь
программой работы кружка и имеющимися в наличии материала-
ми, деталями, радиокомпонентами. Целесообразнее всего в качест-
ве таких первых объектов труда взять модели различных дешифра-
торов и простые игровые автоматы на их основе. Этот выбор бу-
дет соответствовать содержанию теоретических занятий по темам
«Системы счисления» и «Элементы математической логики и теории
дискретных автоматов». Дешифраторы в электрических цепях таких
устройств могут быть реализованы на базе релейно-контактных
элементов, дискретных полупроводниковых приборов (диодов, тран-
зисторов) или интегральных микросхем — выбор зависит от мате-
риальных возможностей кружка.
Кружковцы приступают к созданию кибернетических устройств
(отгадывающих, игровых автоматов и т. п.), принципы действия
которых будут рассмотрены позднее, при изучении следующих тем,
и работа над этими устройствами начинается с изготовления эле-
ментов несущих конструкций для них. Монтажные панели, шасси,
каркасы и другие элементы несущих конструкций являются необхо-
димыми составными частями электронной аппаратуры и предназна-
чены для размещения радиокомпонентов и других элементов
электрических цепей и обеспечения их устойчивости к воздей-
ствиям внешней среды.
Педагог знакомит членов кружка с различными листовыми
электротехническими материалами, используемыми в практике
работы кружка. Следует показать учащимся образцы листов желе-
за, алюминия (или дюралюминия), гетинакса, текстолита, оргстек-
ла, рассказать о применении этих материалов для изготовления
шасси, лицевых панелей, каркасов и футляров кибернетических
устройств, а затем обсудить с кружковцами возможные способы
обработки (механической, термической) листовых материалов.
Кружковцы должны научиться правильно и экономно раскраи-
вать листовой материал, вырезать плату нужных размеров из лис-
та гетинакса или дюралюминия, придавать необходимую форму за-
55
готовке путем механической или термической обработки. Педагог на-
поминает приемы рубки, резки (пиления), сгибания листовых заго-
товок. В ходе объяснений он напоминает также о правилах тех-
ники безопасности при работе с режущим инструментом.
§ 3.4. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ
Примерное распределение материала по занятиям
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
1 Позици- онные сис- темы счис- ления Построение позиционных сис- тем счисления. Десятичная, двоичная, восьмеричная систе- мы счисления. Цифровая и многочленная формы записи чисел. Двоич- но-восьмеричная и двоично-де- сятичная системы счисления Изготовление шасси, пане- лей, монтажных плат и т. п. Изготовление установочных и вспомогательных деталей и уз- лов (для создаваемых элек- тронных устройств)
2 Перевод чисел из од- ной систе- мы счисле- ния в дру- гую Переход от десятичной сис- темы записи чисел к двоичной системе записи и обратно. Об- щие правила перевода чисел из одной системы счисления в другую (алгоритм замены, схе- ма Горнера). Автоматический перевод чисел из одной сис- темы счисления в другую с по- мощью дешифраторов Упражнения: запись чисел в различных системах счисле- ния; перевод чисел из десятич- ной системы счисления в дво- ичную и обратно. Анализ прин- ципиальных схем десятично- двоичных и двоично-десятич- ных дешифраторов на основе контактных элементов, полу- проводниковых диодов, микро- схем. Конструирование моде- лей дешифраторов и игровых автоматов на их основе
3 Арифме- тические действия в системах счисления с разными основания- ми Двоичная арифметика. Сло- жение и вычитание в двоичной системе счисления. Дополне- ния. Умножение и деление в двоичной системе счисления. Арифметические действия в восьмеричной системе счисле- ния Упражнения: арифметиче- ские действия в двоичной сис- теме счисления. Подбор дета- лей и материалов, монтаж мо- делей дешифраторов и простых игровых устройств-автоматов
В начале первой беседы руководитель напоминает кружковцам
известные из школьного курса математики представления о систе-
мах счисления. Он обращает внимание на то, что общепринятая
десятичная система счисления является позиционной, так как зна-
чение любой цифры числа в этой системе определяется не только
самой цифрой, но и позицией — местом, которое эта цифра за-
нимает.
В позиционных системах счисления для записи любого числа
может быть использовано строго определенное количество цифр. В
десятичной позиционной системе таких цифр десять: 0, 1, 2, 3, 4,
56
5, 6, 7, 8, 9. В этой системе счисления каждая единица следующего
разряда содержит 10 единиц предыдущего (младшего) разряда. Это
соотношение значений единиц соседних разрядов называется осно-
ванием системы счисления.
Любое п-разрядное целое число в десятичной системе счисле-
ния изображается в виде
abc...kl = а-10"“' + Ь- 10"“2 + с-1 О'1”3~Ь £ • 10' + /-10°,
п цифр
где а, Ь, с.k, I — цифры десятичной системы из набора 0, 1,2, ...,
9. Например, число «триста пятьдесят восемь» представляется так:
358 = 300+50+8 = 3- 102 + 5-Ю1+8-10°.
Левая часть этого равенства называется цифровой формой за-
писи числа, а правая — многочленной формой записи.
Дробное число (правильная дробь) в десятичной системе счис-
ления тоже можно представить в цифровой и многочленной фор-
мах записи:
0, abc...kl= a- 10“' + fe. 10 2 + с- 10“3 + ... + fe-10 (п '’ + /• 10“".
1 " V .
п цифр
Например: 0,209 = 2-10“'+0- 10“2 + 9-10“3.
Таким образом, в общем виде в многочленной форме записи
любое число L в десятичной системе счисления имеет следующий
вид:
L = dm-10m + dm_l-10m 1 + ... + с/, -10’ +с/о-10° + ^ , - 10 ' +гУ 2Х
ХЮ“2+... .
В этой формуле символы dm, dm-\, dt, do, d-\, d_2, ... могут
принимать значения 0, 1,2, 9.
Руководитель объясняет кружковцам, что появление и широкое
распространение десятичной позиционной системы счисления, не-
сомненно, связано со счетом по пальцам на двух руках. Однако ис-
пользование для счета системы с основанием 10 вовсе не является
обязательным, в основу системы счисления могут быть положены
и другие числа. В частности, в двоичной системе счисления основа-
нием является число 2, а для записи любых чисел используются толь-
ко две цифры: 0 и 1. Благодаря этому двоичная система счисления
находит широкое применение в технической кибернетике, и в част-
ности в электронно-вычислительных устройствах и машинах. Для
электромеханических и электронных элементов характерно наличие
двух устойчивых состояний. Так, выключатель может быть выклю-
чен или включен, лампа может гореть или не гореть, транзистор
может быть заперт или открыт, электромагнитное реле — не возбуж-
дено или возбуждено и т. д. В ЭВМ любое двоичное число может
быть представлено с помощью различных состояний элемента,
57
одно из которых принимается для изображения нуля, а другое —
за изображение единицы. В цифровой форме записи двоичные чис-
ла представляются в виде ряда единиц и нулей.
В многочленной форме записи в общем виде любое число N в
двоичной системе счисления имеет следующий вид:
N=ат-2т-\-ат— । • 2m 1 ф- ф-Qi '21 -ф-его - 2fl —|—сг. i-2 *-ф-
+ а_2.2-2 + - .
В этой формуле символы ат, am-i, ..., Ch, ао, а~ь ... могут при-
нимать только два значения: 0 и 1. Таким образом, здесь многораз-
рядные числа составляются как суммы различных степеней двойки.
Вот как выглядят в цифровой форме записи целые числа натураль-
ного ряда в десятичной и двоичной системах счисления:
Система
десятич- ная двоичная
1 1
2 10
3 11
4 100
5 101
6 по
7 111
8 1000
Система
десятич- ная двоичная
9 1001
10 1010
11 1011
12 1100
13 1101
14 1110
15 1111
16 10000
Система
десятич- ная двоичная
17 10001
18 10010
19 10011
20 10100
21 10101
22 10110
23 10111
24 11000
Например, число 1110 означает
I -23+ 1 -22+1 -2'+О-2о=14.
В вычислительной технике находит применение и восьмеричная
система счисления, т. е. система с основанием 8. Для записи чисел
в восьмеричной системе используют восемь цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7. В общем виде в многочленной форме записи число М в восьмерич-
ной системе счисления имеет следующий вид:
Д4 = 6т-8"1ф-6т_ jф-...ф-61-81 ф-6о-8°ф-6_|-8-1 ф-
ф-6ш —2’8 2ф“... .
В этой формуле символы Ьт, Ьт-\, ..., Ь\, Ьо, 6_|, 6-2, ...— цифры
из набора: 0, 1, 2, ..., 7.
Используется в вычислительной технике и система счисления
с основанием 16 — шестнадцатиричная система счисления. Для за-
писи чисел в цифровой форме для этой системы необходимы 16 цифр.
Так как в этом случае десяти арабских цифр 0, 1,2, ..., 9 недостаточ-
но, то в шестнадцатиричной системе счисления дополнительно для
цифр 10, 11, 12, 13, 14 и 15 вводятся соответственно символы А, В,
С, D, Е и F.
58
В общем виде в многочленной форме записи число Р в шестна-
дцатиричной системе счисления имеет следующий вид:
P=cm-16m + cm_1-16m-'+ ...4-С1.16'+ с0-16° 4-с„,. 16-’ +
+ с2-16-2 + -
В этой формуле символы ст, cm_i, .... clt с0, С— i, с_2, ...— цифры
из набора: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, А, В, С, D, Е, F.
Для сопоставления ниже приведена таблица записи в цифровой
форме чисел в десятичной, двоичной, восьмеричной и шестнадцати-
ричной системах счисления.
Система
десятич- ная двоич- ная восьме- ричная шестнад- цатирич- ная
1 1 1 1
2 10 2 2
3 11 3 3
4 100 4 4
5 101 5 5
6 но 6 6
7 111 7 7
8 1000 10 8
9 1001 11 9
10 1010 12 А
11 1011 13 В
12 1100 14 С
13 1101 15 D
14 1110 16 Е
15 1111 17 F
16 10000 20 10
Система
десятич- ная двоич- ная восьме- ричная V шестнад- цатирич- ная
17 10 001 21 и
18 10010 22 12
56 111000 70 38
57 111001 71 39
58 111010 72 ЗА
59 11 юн 73 ЗВ
60 111100 74 зс
61 111101 75 3D
62 111110 76 ЗЕ
63 111111 77 3F
64 1000000 100 40
65 1000001 101 41
66 1000010 102 42
67 1000011 103 43
68 1000100 104 44
Каждую из цифр восьмеричного числа можно представить трех-
разрядным двоичным числом, которое называется триадой.
Восьмеричная цифра 0 1 2 3 4 5 6 7
Двоичная триада 000 001 010 ОН 100 101 но 111
Заменяя цифры восьмеричного числа соответствующими им
триадами, получим запись исходного числа в двоично-восьмерич-
ной системе счисления. Например, восьмеричному числу 104 соответ-
ствует двоично-восьмеричное число 001 000 100 (здесь два нуля впе-
реди числа дополняют до трех разрядов первую триаду). Нетрудно
видеть, что двоично-восьмеричная запись числа совпадает с его
двоичным изображением.
Иначе обстоит дело с двоично-десятичной записью чисел. При
такой записи каждая десятичная цифра представляется четырех-
59
разрядным двоичным числом — тетрадой. Например, десятичное
число 68 в двоично-десятичной записи представится так: ОНО 1000.
После объяснения следует предложить кружковцам поупраж-
няться в записи чисел в различных системах счисления. Но основное
время, выделенное на практические занятия, используется для про-
должения работы над панелями, монтажными платами, шасси, а
также для изготовления установочных и вспомогательных элементов
к создаваемым электронным устройствам. Нужно показать учащим-
ся различные образцы кронштейнов, хомутиков, скоб, опорных стоек,
держателей, расшивочных панелек и пр., объяснить их назначение,
указать, из каких материалов выполнены те или иные их детали.
При этом руководитель в первую очередь обращает внимание круж-
ковцев на те элементы и узлы, которые можно применить в созда-
ваемых ими устройствах. Педагог объясняет также, как изготовить
те или иные элементы, детали и узлы в любительских условиях, и
кружковцы выполняют необходимую работу.
В следующей беседе преподаватель знакомит учащихся с прави-
лами перехода от десятичной записи чисел к двоичной записи и об-
ратного перехода от двоичных чисел к десятичным.
Общий прием перевода целых чисел из одной позиционной сис-
темы счисления в другую систему, основание которой q меньше
основания первой системы, сводится к следующему. Нужно разде-
лить данное число на основание q (полученный от деления оста-
ток будет младшим разрядом числа в новой системе), затем част-
ное от деления нужно снова разделить на q (остаток от деления бу-
дет следующим разрядом числа в новой системе); такое последова-
тельное деление необходимо продолжать до получения частного, ко-
торое будет меньше, чем q; это частное будет старшим разрядом
числа в новой системе.
Применим этот метод для перевода из десятичной системы счис-
ления в двоичную систему, например, числа 41 ю (здесь число 10,
стоящее справа внизу у числа 41, показывает, что последнее запи-
сано в десятичной системе счисления):
41 I 2
4 I 20 | 2
1 2 | ГО | 2
0 10 I 5 | 2
0 4 | 2 12
1 _2 Г1-> 10100]
о
Итак, 4110=1010012.
Для перевода правильной дроби из одной системы счисления в
другую необходимо умножить эту дробь на основание q той систе-
мы, в которую она переводится; при этом будут получены целая
и дробная части; целая часть произведения (это может быть и нуль)
будет первой после запятой цифрой искомой дроби; дробную часть
первого произведения снова нужно умножить на q; целая часть
60
этого (второго) произведения — вторая цифра искомой дроби; про-
цесс умножения нужно последовательно продолжать до тех пор,
пока дробная часть произведения не окажется равной нулю, или не
обнаружится период, или не будет достигнута требуемая точность.
Переведем, например, из десятичной системы в двоичную число
О, 625ю:
О, 625-2
1 250-2
0 500-2
1 000
Итак, 0,625ю = 0,1012-
Приведем еще один пример — переведем из десятичной системы
в двоичную систему дробь 0,6ю:
0,
1
0
0
1
1
о
о
1
6-2
2-2
4-2
8-2
6-2
2-2
4-2
8-2
6
Итак, O,6io=O,10011001...2=^0,(1001)2. Как видим, из конечной
десятичной дроби 0,6ю получена двоичная периодическая дробь.
Если нужно перевести из одной системы счисления в другую сис-
тему неправильную дробь, то комбинируются указанные выше прие-
мы: переводят отдельно целую и дробную части по соответствующим
правилам. Так, в соответствии с приведенными выше примерами
41,625ю= 101001,1012.
Для обратного перевода числа из двоичной системы счисления
в десятичную систему удобно представить это число в многочлен-
ной форме и затем вычислить сумму всех входящих в него слагае-
мых — степеней основания 2. Например:
101001,1012 = 1-25 + 0 - 24+1-23 + 0 - 22 + 0 - 2'+1-2°+1-2-' +
+ 0 • 2“2+ 1 -2-э=324-8+ 1 +0,5 + 0,125 = 41,625ю.
Члены кружка должны поупражняться в переводе чисел из де-
сятичной системы счисления в двоичную систему и обратно. Для
этого руководителю следует подобрать достаточное количество раз-
нообразных примеров.
Далее нужно объяснить кружковцам, что в электронно-вычи-
слительных приборах и машинах перевод чисел из одной системы
счисления в другую систему осуществляется автоматически: для
этого используются специальные устройства — дешифраторы. Прин-
61
цип действия десятично-двоичного и двоично-десятичного дешифра-
торов раскрывается при анализе схем и конструкций различных
моделей этих устройств и простых игровых автоматов на их основе.
Приступая к объяснению работы этих устройств (которые представ-
ляют собой однотактные дискретные автоматы), руководитель ис-
пользует готовые принципиальные электрические схемы, но при этом
обязательно нужно подчеркнуть, что в дальнейшем, познакомив-
шись с элементами теории дискретных автоматов, кружковцы на-
учатся синтезировать подобные схемы самостоятельно.
Принимая во внимание материальные возможности кружка
(наличие контактно-релейных элементов, полупроводниковых дио-
дов, микросхем и других деталей и материалов), а также интересы
членов кружка, руководитель вместе с ребятами принимает решение
о выборе конкретных объектов труда. Педагог обсуждает с кружков-
цами схемы и возможные варианты конструкций, затем учащиеся
приступают к подбору деталей и материалов и изготовлению ки-
бернетических устройств. Практическая работа по изготовлению
дешифраторов продолжается на протяжении нескольких занятий
параллельно с изучением теоретических вопросов данной и следую-
щей тем.
Ниже приводятся краткие описания нескольких таких устройств-
автоматов, выполнение которых возможно на различной элемент
ной базе.
Модель контактного десятично-двоичного дешифратора*. Внеш-
ний вид модели показан на рисунке 12, а принципиальная схема
приведена на рисунке 13.
Дешифратор содержит:
а) десять ключей SA1 — SA10; эти ключи пронумерованы чис-
лами от 1 до 10, с их помощью вводятся числа десятичной
системы счисления;
б) сигнальные лампы HL1 —
HL4, символизирующие разряды
чисел в двоичной системе счисле-
ния: лампа HL1 изображает ну-
левой разряд (2°), лампа HL2 —
первый разряд (21), лампа HL3—
второй разряд (22) и лампа
HL4 — третий разряд (23); при
работе модели светящаяся лампа
означает единицу, негорящей лам-
пе соответствует нуль;
в) источник питания и соеди-
нительные провода.
Действует модель следующим
Рис. 12. Модель контактного десятич-
но-двоичного дешифратора
* Десятично-двоичный дешифратор часто называют шифратором, чтобы под-
черкнуть, что его действие обратно действию двоично-десятичного дешифратора.
62
образом. Для пересчета числа (в пределах от 1 до 10) из десятичной
системы счисления в двоичную систему нужно включить ключ, но-
мер которого соответствует этому числу в десятичной системе. При
этом напряжение поступает к тем лампам-разрядам двоичного кода,
которые соответствуют введенному с помощью ключа числу деся-
тичной системы счисления. Например, если включить ключ SA1,
то ток будет протекать только через лампу HL1 (2°). Эта лампа за-
горится, а остальные лампы гореть не будут. Это означает: «числу 1
в десятичной системе счисления соответствует число 0001 в двоичной
системе». При включении ключа SA2 должна загореться только
лампа HL2 (21), что означает: «числу 2ю соответствует число 00102».
При включении ключа SA3 загорятся лампы HL1 и HL2, что озна-
чает: «числу Зю соответствует число 0011г». Аналогично при вклю-
чении ключа SA4 получим: «числу 4ю соответствует число 0100г»
и т. д. Работая с моделью, необходимо следить, чтобы при включении
одного из ключей все остальные ключи были отключены.
Для питания модели может быть использован практически любой
источник постоянного или переменного тока: батарея от карманного
фонаря, аккумулятор, понижающий трансформатор, первичная об-
мотка которого включается в городскую электросеть, и т. п. Величина
напряжения источника питания определяется типом примененных в
модели ламп накаливания. Ключи (типа КТРО или какие-либо иные)
и лампы закрепляются на лицевой панели из текстолита или фанеры.
Эта панель представляет собой переднюю стенку ящика-футляра.
Источник питания устанавливается в ящике.
Модель контактного двоично-десятичного дешифратора. Па ри-
сунке 14 показан внешний вид модели, а ее принципиальная схема
дана на рисунке 15. В этой модели применены те же основные детали,
что и в предыдущем устройстве: ключи КТРО SA1 — SA4, лампы
HL1 — HL10, источник тока и соединительные провода. Но здесь
ключи символизируют разряды двоичных чисел, а лампы подсвечи-
вают числа от 1 до 10 десятичной системы счисления. Действует
модель аналогично описанной выше. Для преобразования чисел (от
0001 до 1010) из двоичной системы счисления в десятичную систему
двоичные числа вводятся с помощью ключей SA1 — SA4 (включение
63
Рис. 14. Модель контактного двоично-
десятичного дешифратора
Рис. 15. Схема модели контактного двоич-
но-десятичного дешифратора
ключа означает введение единицы соответствующего двоичного раз-
ряда, невключение означает введение нуля). В каждом случае к ис-
точнику тока оказывается подключенной та лампа, которая подсве-
чивает десятичное число, соответствующее введенному двоичному
числу. Например, для перевода в десятичную систему счисления
двоичного числа 0101 включаем ключи SA1 и 5Л5. При этом к источ-
нику тока подключается лампа HLb, освещающая число 5, что озна-
чает: «числу 01012 соответствует число 5ю». Аналогично осущест-
вляется пересчет и в других случаях. Следует иметь в виду, что при
введении с помощью ключей SA1 — SA4 двоичных чисел, превы-
шающих 1010, лампочки загораться не будут.
10
SA1
SA2 2S
^АЗ VD1
SA4
SA5
SA6
'SA7
SA8
SA9
SA10
УРЗф ф
VD4A ф
VD2
VP14
—И—
VD5 УРбф ф ф
VP7 VP8VP9
HL1
2°
HL2
HL4
2
VD1Q2S ф
УР11ф фуР13
220В^И
2
3
5
6
Рис. 16. Схема модели диодного десятично-двоичного дешифратора
64
VD1-TVD36 HL1 -г HL10
Д226Б МН-5
Рис. 17. Схема модели диодного двоично-десятичного дешифратора
Модели диодных дешифраторов. Принципиальные схемы этих мо-
делей приведены на рисунках 16 и 17. Конструктивно модели могут
быть оформлены так же, как и описанные выше контактные дешифра-
торы. Однако более целесообразно изготовить их в виде разверну-
тых принципиальных схем на вертикальных панелях-стендах больших
размеров. Такие конструкции удобно использовать в качестве учебно-
наглядных пособий. Принцип действия этих дешифраторов понятен
из анализа принципиальных схем. В десятично-двоичном дешифра-
торе диоды VD1 — VD13 соединяют ключи с лампами таким образом,
чтобы при включении одного из ключей ток протекал только по
тем лампам-разрядам двоичного кода, которые соответствуют вве-
денному числу десятичной системы счисления. В двоично-деся-
тичном дешифраторе диоды VD1 — VD35 соединяют ключи с лам-
пами так, что при вводе любого из чисел двоичной системы от
0001 до 1010 напряжение поступает только на одну из ламп HL1 —
HL10, которая и подсвечивает соответствующее десятичное число.
В конструкциях моделей применены неоновые лампы типа МН-3
или МН-5, последовательно с каждой из ламп включается бал-
ластный резистор сопротивлением 80 кОм, диоды типа Д226Б. В
качестве ключей можно использовать малогабаритные тумблеры ти-
па ТВ1. Выпрямление тока обеспечивается диодами VD14 (в схеме
десятично-двоичного дешифратора) и VD36 (в схеме двоично-деся-
тичного дешифратора), поэтому можно питать модели непосредст-
венно от сети напряжением 220 В.
Автомат — отгадчик имен. Это устройство представляет собой
3 Заказ 734 65
Рис. 18. Автомат-отгадчик имен. Лицевая панель
информационно-логический прибор, отгадывающий имя человека.
На лицевой панели (рис. 18) в верхней ее части расположено 16 лам-
почек (использованы лампочки от карманного фонаря типа
ЛН 3,5 ВХ 0,28 А). Рядом с каждой из них указано какое-либо
мужское или женское имя. Ниже на панели укреплены четыре таблич-
ки, в каждой из которых указаны некоторые из этих имен. Под таб-
личками укреплены ключи (типа КТРО), а еще ниже — кнопка
ОТВЕТ. Автомат работает следующим образом. Предлагается за-
думать какое-либо из имен, указанных в верхней части панели, а
66
Рис. 19. Схема автомата-отгадчика имен на основе кон-
тактного двоично-десятичного дешифратора
затем перевести в верхнее положение ключи, расположенные под теми
табличками, в которых встречается загаданное имя. После этого при
нажатии кнопки ОТВЕТ будет загораться лампочка, расположенная
рядом с задуманным именем.
Принципиальная электрическая схема прибора приведена на ри-
сунке 19. Из схемы видно, что в зависимости от положений клю-
чей SAI — SA4 напряжение от источника (батарейка 3336Л) по-
ступает на определенную лампочку.
Автомат-отгадчик представляет собой контактный двоично-деся-
тичный дешифратор на четыре двоичных разряда. Такой дешифратор
3* 67
-220В
VD60*^
VD56‘
IVD5;
VD53
VD4’
VD4:
VD4
VD3<
VD32-
VD21
VD48
VD3:
vd:
VD:
VD4:
VD3I
VD34
VD2.
VD16
VD5
R1-R16
82к
VD9
VD1
|SA1
VD3I
VD2:
VD24
VD2
VD17
VD6
VD1
VD1
VD7-
VD2'
о\Т
ISA2
VD1-VD60
Д226Б
Иван
VD51
Нина
VD5
Клим
VD5
Анна
VD47
Лев
VD43
Елена
Яков
Зоя
Петр
Вера
Глеб
SA3
VD3
OUT
Lit
LU
U3
LI 2
LI
О
HL8
VD28
HL7
Марк
Слег
VD8
Сльга
VD12
HL9
Рис. 20. Схема автомата-отгадчика имен на основе диодного двоично-
десятичного дешифратора
может быть собран не только на основе переключателей (ключей
типа КТРО), но и на основе диодной матрицы; в качестве лампочек-
индикаторов в этом случае можно использовать неоновые лампочки,
включенные последовательно с балластными резисторами. Принци-
пиальная схема такого варианта игрового автомата, отгадывающего
имя человека, приведена на рисунке 20. Здесь диоды матрицы соеди-
няют переключатели с лампочками так, что при вводе любого из чи-
68
сел от 0000 до 1111 (им соответствуют 16 различных имен) напряже-
ние поступает только на одну из лампочек, которая и подсвечивает
соответствующее (загаданное) имя.
Внешний вид этого варианта автомата-отгадчика может быть
таким же, как и варианта с ключами КТРО, но вместо этих ключей
используются тумблеры-переключатели, неоновые лампы типа МН-3
или МН-5, последовательно с каждой из них включается балластный
резистор сопротивлением 82 кОм, диоды типа Д226Б. Выпрямление
тока обеспечивается таким же диодом VD60.
Автомат-отгадчик имен можно собрать и на основе интегральной
микросхемы, используя в качестве индикаторов светодиоды. На ри-
сунке 21 приведена принципиальная схема такого устройства на базе
дешифратора К155ИДЗ. Этот дешифратор имеет четыре входа для
приема двоичных чисел от 0000 до 1111 и шестнадцать выходов для
десятичных чисел от 0 до 15, а также входы управления W0 и W1
(для разрешения передачи сигнала на входы управления следует
подать низкий уровень напряжения). Питание дешифратора под-
водится к выводам 12 (общий « — ») и 24 ( + 5В).
Как и в варианте автомата-отгадчика с диодной матрицей, здесь
с помощью тумблеров SA1 — SA4 вводятся двоичные числа, соот-
ветствующие загаданным именам, а при нажатии кнопки SB1 ОТВЕТ
загорается один из светодиодов HL1 — HL16, указывая задуманное
имя (применены светодиоды типа АЛ307А).
ни - HL16
Рис. 21. Схема автомата-отгадчика имен на основе интегральной микросхемы
69
Рис. 22. Схема простейшего стабилизатора напряжения для питания микросхем
Для питания устройств, собранных на интегральных микросхемах,
необходимо стабилизированное напряжение 5 ± 0,25 В. На рисун-
ке 22 приведена схема простейшего стабилизатора напряжения для
этой цели. Постоянное напряжение 7 . . . 10 В можно подвести к нему
от двух последовательно соединенных батареек типа 3336Л, а в усло-
виях школьного кабинета физики для этого можно использовать
выпрямитель ВС4-12. Резистор R1 и стабилитрон VD1 образуют
делитель напряжения. Напряжение, снимаемое со стабилитрона
(для КС168А оно составляет 6,8 В), через подстроечный резистор
R2 подается на базу транзистора VT1. Напряжение между базой и
эмиттером этого транзистора определяется разностью напряжений на
стабилитроне и на резисторе R3. При снижении входного напряже-
ния эта разность увеличивается, что вызывает увеличение коллек-
торного тока и напряжения на выходе стабилизатора. Увеличение
входного напряжения, наоборот, вызывает уменьшение разности по-
тенциалов между базой и эмиттером транзистора VT1, что приводит
к уменьшению коллекторного тока и выходного напряжения. Таким
образом, описанное устройство поддерживает стабильное постоянное
напряжение как при изменении входного напряжения, так и при
изменении нагрузки. Напряжение 5 В на выходе стабилизатора
устанавливается регулировочным (подстроечным) резистором R2
по контрольному вольтметру.
Электролитический конденсатор С/ сглаживает пульсации напря-
жения на входе, если стабилизатор присоединен к выпрямителю;
электролитический конденсатор СЗ блокирует цепь, питания микро-
схем по низшим частотам, а керамический или слюдяной конденса-
тор С2 — по высшим частотам электрических колебаний: это защи-
щает микросхемы от влияния на них различных импульсных помех.
Двоично-десятичный дешифратор с цифровым индикатором. Эта
конструкция может быть выполнена в виде автомата-отгадчика
(задуманной цифры — от 0 до 9), но она полезна и как демонстра-
ционное учебно-наглядное пособие. Ее схема приведена на рисун-
ке 23. Дешифратор К514ИД1 преобразует код двоично-десятичных
70
DD1 HG1
Рис. 23. Схема двоично-десятичного дешифратора с цифровым индикатором
тетрад от 0000 до 1001 (подаваемый на его входы с помощью тумбле-
ров SA1— SA4) в код семисегментного индикатора десятичных
цифр от 0 до 9. Светодиодный семисегментный индикатор АЛС324А
формирует изображения соответствующих десятичных цифр при на-
жатии кнопки SB1 ОТВЕТ.
В следующей беседе педагог знакомит членов кружка с основами
двоичной арифметики. Арифметические действия в двоичной системе
счисления производятся по обычным для позиционных систем пра-
вилам. Так, сложение многоразрядных чисел производится по раз-
рядам начиная с младшего. Для этого используется таблица сложе-
ния одноразрядных чисел:
0 + 0 = 0 1+0=1
0+1 = 1 1 + 1 = Ю
Вот пример сложения столбиком двух двоичных чисел:
. 11110101
~г~ 1001101
101000010
Переходя к объяснению вычитания в двоичной системе счисления,
руководитель должен разъяснить, что это действие также можно вы-
полнять обычным для позиционных систем способом. При этом при-
меняется следующая таблица вычитания одноразрядных чисел:
0 — 0 = 0 1 — 1=0
1-0=1 10-1 = 1
Последнее равенство в этой таблице определяет правило «зани-
мания» единицы старшего разряда в случае, когда разряд уменьшае-
мого меньше разряда вычитаемого. Например:
_1100111
110101
110010
71
Умножение чисел в двоичной системе счисления значительно
проще, чем в десятичной системе. Двоичная таблица умножения
состоит всего из четырех строк:
0X0 = 0 1X0 = 0
0X1=0 1X1 = 1
Вот пример умножения двух многоразрядных двоичных чисел по
обычным правилам арифметики:
v 11011
х 1101
11011
00000
ион
11011
101011111
Этот пример показывает, что при двоичном умножении не надо
находить произведения множимого на значения последовательных
разрядов множителя (так как значение этих разрядов может быть
или 0, или 1). Достаточно лишь записать значения множимого
одно под другим со сдивигом на один разряд (в случае равенства
нулю очередного разряда множителя — со сдвигом на два разряда,
в случае равенства нулю двух соседних разрядов множителя —
со сдвигом на три разряда и т. д.), а затем произвести сложение
записанных таким образом чисел.
В заключение педагог демонстрирует выполнение деления в
двоичной системе счисления. Например:
110011|11
11 |10001
_ 00011
I 1
0
Арифметические действия с дробями в двоичной системе счисле-
ния выполняются аналогичным образом.
Следует предложить кружковцам поупражняться в выполнении
арифметических действий в двоичной системе счисления, а также
кратко познакомить их с арифметикой восьмеричной системы.
§ 3.5. ЭЛЕМЕНТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ
И ТЕОРИИ ДИСКРЕТНЫХ АВТОМАТОВ
Педагог знакомит кружковцев с понятием логического высказы-
вания.
Высказывание — это повествовательное предложение, относи-
тельно которого можно определенно сказать, истинно оно или ложно.
Например:
«Луна — спутник Земли» (истинное высказывание).
72
Примерное распределение материала по занятиям
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
1 Алгебра вы- сказываний Истинные и ложные выска- зывания. Сложные высказыва- ния. Элементарные логические операции: сложение (дизъюнк- ция), умножение (конъюнк- ция) и отрицание (инверсия). Таблицы истинности Изготовление дешифра- торов и простых игровых устройств-автоматов на их основе
2 Тождествен- ные преобра- зования слож- ных высказы- ваний Построение сложных выска- зываний. Равносильные, тож- дественно-истинные и тождест- венно-ложные высказывания. Упрощение (минимизация) фор мул алгебры высказываний Решение задач и упраж- нений. Изготовление де- шифраторов и простых иг- ровых устройств-автоматов
3 Решение ло- гических задач Логические задачи. Состав- ление логических условий на основании данных задачи. При- менение алгебры высказыва- ний для решения логических задач Решение задач и упраж- нений. Изготовление и ис- пытание дешифраторов и простых игровых устройств- автоматов
4 Реализация логических опе- раций средст- вами электро- ники Логические элементы И, ИЛИ, НЕ на релейно-контактных уст- ройствах, на полупроводнико- вых приборах (диодах, тран- зисторах). Цифровые микро- схемы. Комбинированные эле- менты И —НЕ, ИЛИ —НЕ Конструирование и изго- товление учебно-наглядных пособий — развернутых де- монстрационных схем логи- ческих элементов
5 Однотактные автоматы Основные понятия теории ав- томатов. «Черный ящик». Таб лица состояний. Структурные формулы и функциональные схемы автоматов. Примеры Изготовление разверну- тых демонстрационных схем логических элементов
6 Синтез одно- тактных авто- матов Алгоритм синтеза однотакт- ных автоматов. Составление структурных формул, переход к функциональным схемам и схемам электрических цепей. Примеры синтеза однотактных автоматов Упражнения: синтез функ- циональных и принципиаль- ных электрических схем простых однотактных авто- матов. Подбор материалов и деталей для создаваемых логических устройств авто- матов
«Два больше трех» (ложное высказывание).
«Петя решил задачу» (это высказывание в каждом конкретном
случае может быть истинным или ложным).
Предложения «Будь внимателен!», «Как Вы себя чувствуете?»
и т. п. не являются высказываниями и в алгебре высказываний
не рассматриваются.
Высказывания принято обозначать буквами латинского алфавита.
Так, высказывание «Трава зеленая» можно обозначить буквой А,
высказывание «Лев — птица» — буквой В и т. д. В алгебре высказы-
ваний отвлекаются от конкретного содержания высказывания, инте-
73
ресуются лишь вопросом, является ли оно истинным или ложным.
Каждому верному высказыванию присваивается значение истин-
ности 1 (истинно), каждому неверному — значение истинности О
(ложно). Например: А=^=1, В=0.
Над высказываниями можно производить логические операции.
В результате получаются новые высказывания, истинность которых
определяется истинностью исходных высказываний и характером
логических операций.
Соединение двух (или большего числа) высказываний союзом И
называется логическим умножением или конъюнкцией. Эта операция
обозначается символом Д или знаком умножения •. Сложное выска-
зывание А-В считается истинным только в том случае, если истинны
оба входящих в него простых высказывания А и В. Истинность
логического умножения определяется следующей таблицей:
А В А-В
0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1
Соединение двух (или нескольких) высказываний союзом ИЛИ
называется логическим сложением или дизъюнкцией. Эта операция
обозначается символом V или знаком сложения -|-. Сложное выска-
зывание А-\~В истинно только тогда, когда истинно хотя бы одно из
входящих в него простых высказываний А и В. Таблица истинности
логической суммы имеет следующий вид:
ся отрицанием или инверсией А. Эта операция обозначается А
(читается «не Л»), Если высказывание А истинно, то его отрицание
ложно, и наоборот. Инверсии соответствует следующая таблица
истинности:
А А
0 1 1 0
74
На следующем занятии кружка продолжается ознакомление уча-
щихся с алгеброй высказываний. Руководитель объясняет кружков-
цам, что с помощью трех элементарных логических операций —
конъюнкции, дизъюнкции и инверсии — могут быть построены
более сложные логические операции над высказываниями. В ка-
честве примера можно рассмотреть логическую операцию эквива-
лентности.
Эквивалентностью (равнозначностью) высказываний А и В
(обозначается А ~ В) называется логическая операция, которой со-
ответствует таблица истинности:
точно построить таблицу истинности сложного высказывания, за-
писанного в правой части этого равенства, и сравнить ее с таблицей
истинности высказывания Л~В:
А В А в А-В А-В А-В + А-В
0 0 1 1 0 1 1
0 1 1 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 0
1 1 0 0 1 0 1
Если таблицы истинности совпадают, то соответствующие выска-
зывания называются равносильными.
Сложное высказывание называется тождественно-истинным, если
значение истинности его равно 1 при любых значениях истинности
входящих в него простых высказываний. Примеры: A-f-A =1,
А-А = 1.
Сложное высказывание называется тождественно-ложным, если
значение его истинности равно 0 при любых значениях истинности
входящих в него простых высказываний. Примеры: Л-Л=0,
Л+Л =0.
В формулах алгебры высказываний тождественно-истинные и
тождественно-ложные высказывания можно заменять соответствен-
но единицей или нулем. Например: ВА~А • А =В-(-0, С-|-(В + В) =
= С+1.
Далее следует познакомить кружковцев с проведением тож-
дественных преобразований над высказываниями. Для этого необхо-
75
димо рассмотреть свойства отдельных логических операций, их
взаимные распределительные свойства и некоторые законы алгебры
высказываний: поглощение, склеивание, формулы де Моргана. Ниже
приводятся основные из этих свойств и законов. Используя их,
можно осуществлять тождественные преобразования, упрощая и
минимизируя формулы алгебры высказываний, что необходимо как
при решении логических задач, так и при синтезе и конструиро-
вании кибернетических устройств.
1. Свойства отдельных логических операций:
А-В = В-А А+В = В±А
(А-В)-С=А-(В-С') Л+(В+С) = (Л+В)Ч-С
А-А=А А-\-А=А
А-1=А Л + 1 = 1
Л-0 = 0 д + о=Л Л=Л
2. Некоторые взаимные свойства логических операций:
Л+Л = 1 Л-(В + С)=Л-В-|-Л.С
Л-Л=0 Л + Й-С=(Л+Й).(Л + С)
Л.В4-С=(Л + С)-(В + С)
3. Формулы де Моргана:
ЛТй=Д _|_Д
4. Формулы склеивания:
А-В + А-В=А
5. Формулы поглощения:
АА-А-В=А
АА-В = А-.В
(Л + В)-(Л + В) = Л
Л-(Л + В)=Л
Программой предусмотрено лишь краткое знакомство кружков-
цев с этими вопросами. Можно показать учащимся некоторые из
свойств логических операций, рассмотреть с ними два-три примера
преобразования и упрощения формул, а затем решить вместе с ними
одну-две достаточно простые логические задачи. Для подробного
ознакомления учащихся с приемами тождественных преобразований
и минимизацией формул алгебры высказываний целесообразно вы-
делить несколько дополнительных занятий (4 — 6 ч). Это позволит
кружковцам достаточно подробно разобрать основные свойства ло-
гических операций и законы алгебры высказываний, даст возмож-
ность им поупражняться в минимизации формул и решении логи-
ческих задач.
Наряду с решением задач и выполнением упражнений кружковцы
продолжают практические работы по изготовлению и испытанию
дешифраторов, наглядных пособий и игровых автоматов на их основе.
Далее следует познакомить учащихся со способами реализации
логических операций средствами электроники. Руководитель объяс-
няет кружковцам, что для определения истинности высказываний
76
Рис. 24. Условные обозначения логических элементов: а —
элемент И; б — элемент ИЛИ; в — элемент НЕ
можно использовать специальные технические устройства, назы-
ваемые логическими элементами. Такие устройства собирают из
электротехнических деталей и узлов с двумя устойчивыми состоя-
ниями. Логические элементы, получая значения истинности отдель-
ных простых высказываний (в виде электрических сигналов: 1 — на-
личие сигнала, 0 — отсутствие сигнала), выдают значение истин-
ности конъюнкции, дизъюнкции и инверсии.
На схемах логический элемент изображают прямоугольником;
отрезками прямых линий показывают входы и выходы, по которым
вводятся и выводятся сигналы об истинности высказываний. Рядом
с каждым входом и выходом указывается символическое обозна-
чение высказываний (рис. 24).
Логический элемент И реализует конъюнкцию. Он имеет два или
более входов и один выход. На выходе сигнал 1 появляется только
тогда, когда сигналы 1 поданы на все входы.
Логический элемент ИЛИ реализует дизъюнкцию. Он также имеет
два или более входов и один выход. На выходе сигнал 1 появляется
тогда, когда сигнал I подан хотя бы на один из входов.
Логический элемент НЕ реализует инверсию. Он имеет один
вход и один выход. Если на вход подается сигнал 1, то на выходе
будет сигнал 0; если же на вход поступает 0, то на выходе по-
является 1.
Наиболее просто и наглядно можно реализовать логические эле-
менты, применив электрические цепи с кнопочными выключателями
и лампами. Будем считать, что кнопка находится в состоянии 0,
если она не нажата, и в состоянии 1, если она нажата. Пусть далее
горящая лампа означает 1, а негорящая — 0.
Логический элемент И реализуется двумя кнопочными выключа-
телями с замыкающимися контактами и лампой, которые присоеди-
нены последовательно к источнику тока (рис. 25, а). Один из кно-
Рис. 25. Схемы логических элементов с кнопками и лампами накаливания:
а — элемент И; б — элемент ИЛИ; в — элемент НЕ
77
a
Рис. 26. Схемы логических элементов с нейтральными электромагнитными
реле: а— элемент И; б — элемент ИЛИ; в — элемент НЕ
почных выключателей соответствует высказыванию А, другой —
высказыванию В, а лампа изображает высказывание А-В. Лампа
горит только в том случае, если нажаты обе кнопки (в соответствии
с таблицей истинности конъюнкции).
Логический элемент ИЛИ можно реализовать, соединив парал-
лельно кнопки Л и в, с помощью которых подается напряжение
от источника тока к лампе A-j-B (рис. 25, б). В соответствии
с таблицей истинности для дизъюнкции лампа будет гореть, если
нажата хотя бы одна из кнопок.
Логический элемент НЕ реализуется с помощью кнопочного
выключателя, имеющего размыкающий контакт, и лампы, которые
соединены последовательно с источником тока (рис. 25, в). Если
кнопка не нажата (Л=0), то лампа горит (А = 1); если же кнопка
нажата (Л = 1), то лампа не горит (Л =0).
Для реализации логических элементов можно использовать
нейтральные электромагнитные реле. Схемы таких элементов приве-
дены на рисунке 26. Входами элементов здесь служат выключатели,
с помощью которых подается напряжение на обмотки реле; выходами
являются исполнительные контакты реле. У элемента И реле возбуж-
дается, замыкая исполнительные контакты Л • В только тогда, когда
включены оба выключателя Л и В. У элемента ИЛИ реле возбуждает-
ся, замыкая исполнительные контакты А±В, если включен хотя бы
один из выключателей А или В. У элемента НЕ исполнительные кон-
VD1 - VD3 VD1 - VD3
Входы -12В
Рис. 27. Схемы логических элементов с полупроводниковыми диодами:
а — элемент И; б — элемент ИЛИ
78
такты А замкнуты, если выключен выключатель Л; при его включении
реле возбуждается и исполнительные контакты размыкаются.
Реализацию логических элементов с помощью полупроводнико-
вых приборов необходимо рассмотреть подробно. Можно заранее
поручить кружковцам подготовить краткие сообщения о каждом
из таких элементов и заслушать эти сообщения на занятии.
Схема логического элемента И с полупроводниковыми диодами
показана на рисунке 27, а. За нулевой уровень (состояние 0) принято
напряжение 0 В, а за единичный уровень (состояние 1) —отрица-
тельное напряжение— 12 В. Если на входы А и В подано напряже-
ние— 12 В, то все точки схемы имеют один и тот же потенциал.
Следовательно, потенциал выхода тоже будет равен — 12 В. Если же
хотя бы один из выходов находится под нулевым потенциалом,
то через соответствующий диод и резистор R протекает ток. Так как
падением напряжения на диоде, проводящем ток, можно пренебречь,
то можно считать, что напряжение на выходе в этом случае равно
нулю.
Схема логического элемента ИЛИ с полупроводниковыми дио-
дами показана на рисунке 27, б. От схемы элемента И она отли-
чается направлением включения входных диодов и потенциалом,
подводимым к резистору R. Принцип действия этой цепи аналоги-
чен. Если на все входы подан нулевой потенциал, то этот потенциал
имеют все точки схемы, ток через резистор R не протекает, напря-
жение на выходе 0 В. Если же хотя бы на одном из входов напряже-
ние — 12 В, то через резистор R будет протекать ток, вызывая
падение напряжения на нем; потенциал выхода станет равным
-12 В.
Следует обратить внимание кружковцев на то, что число входов
в схемах рассмотренных элементов может быть и больше двух (на-
пример, на рисунке 27 пунктиром показан третий вход С).
Схема логического элемента НЕ с транзистором показана на
рисунке 28. Сопротивления резисторов /?1 и R2 подобраны здесь так,
+1.5B
Рис. 28. Схема логического элемента НЕ с транзистором
79
что при нулевом потенциале на входе потенциал базы транзистора
положителен; поэтому транзистор заперт и ток через резистор R3
не протекает. Вследствие этого потенциал на выходе равен —12 В.
Если же на вход подается потенциал — 12 В (т. е. логическая едини-
ца), то транзистор открывается, через резистор R3 протекает ток,
вызывая падение напряжения, потенциал выхода становится равным
нулю.
Далее педагог объясняет учащимся, что логические элементы И,
ИЛИ, НЕ могут быть реализованы также с помощью других элек-
тронных компонентов и электрических цепей. Благодаря прогрессу
микроэлектроники в последние годы созданы логические элементы в
виде микромодулей, тонких пленок, гибридных и интегральных мик-
росхем. Такие логические элементы обладают высокой надежностью,
большой плотностью монтажа, малыми габаритами и наименьшей
стоимостью. Но по принципу выполнения логических операций они не
отличаются от аналогичных элементов с дискретными полупроводни-
ковыми диодами и транзисторами.
Современная цифровая микросхема — это миниатюрный элек-
тронный блок, содеражащий в своем корпусе транзисторы, диоды,
резисторы и другие элементы, общее число которых может достигать
от нескольких десятков (микросхемы малой интеграции) до сотен
тысяч (сверхбольшие интегральные микросхемы). Микросхемы се-
рии К155 и некоторых других широко используемых в любительской
практике серий рассчитаны на напряжение источника питания
5В + 10%. Для таких микросхем логической единице соответствует
высокий уровень напряжения сигнала — более 2,4 В; логическому
нулю соответствует низкий уровень напряжения сигнала — менее
0,4 В.
Можно привести примеры микросхем серии К155, с помощью
которых реализуются логические операции И, ИЛИ, НЕ. Так, микро-
схема К155ЛИ1 содержит в своем корпусе четыре логических эле-
К155 ЛАЗ К155 ЛЕ1 К155 ЛП5
Д е
в
Рис. 29. Графические обозначения логических элементов в некоторых микро-
схемах серии К155
80
Рис. 30. Схема построения основных логических элементов И. ИЛИ, НЕ
из элементов ИЛИ — НЕ
HE
мента И с двумя входами (рис. 29, а). Каждый из этих элементов
работает как самостоятельное устройство. Микросхема К155ЛЛ1
имеет четыре отдельных двухвходовых элемента ИЛИ (рис. 29, б).
В микросхеме К155ЛН1 размещены шесть отдельных элементов НЕ
(рис. 29, в).
Наряду с микросхемами, реализующими логические операции И,
ИЛИ, НЕ, созданы микросхемы, содержащие комбинированные ло-
гические элементы И — НЕ и ИЛИ — НЕ (рис. 29). Комбинирован-
ные логические элементы очень удобны для широкого использова-
ния, так как они универсальны: из элементов только одного типа
(только И — НЕ или только ИЛИ — НЕ) можно реализовать основ-
ные логические элементы И, ИЛИ, НЕ, а значит, и любые сложные
логические устройства.
Так, для реализации логического элемента НЕ на основе эле-
ментов ИЛИ — НЕ достаточно взять один такой элемент, исполь-
зовав только один из его входов (рис. 30); для получения элемента
ИЛИ последовательно включаются два элемента ИЛИ— НЕ, но у
второго из них используется только один вход; элемент И можно
построить из трех элементов ИЛИ — НЕ — у двух из них исполь-
зуется только один вход.
Точно так же основные логические элементы, И, ИЛИ, НЕ можно
построить из элементов И — НЕ (рис. 31). Элемент НЕ получается
из элемента И — НЕ, если у последнего объединить оба входа; для
получения элемента И последовательно включаются два элемента
И — НЕ, но у второго из них объединяются входы; элемент ИЛИ
можно построить из трех элементов И — НЕ — у двух из них объеди-
няются входы.
В серии К155 имеется микросхема К155ЛАЗ, содержащая четыре
Рис. 31. Схема построения основных логических элементов И, ИЛИ,
НЕ из элементов И — НЕ
81
двухвходовых логических элемента И — НЕ, и микросхема К155ЛЕ1,
содержащая четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ — НЕ
(рис. 29).
Следует познакомить кружковцев с конструкцией микросхем
(на примере микросхем серии К155), их условными обозначениями
и цоколевкой, основными правилами обращения с ними и правилами
установки их на монтажных платах. В частности, нужно разъяснить
учащимся, что при монтаже различных электронных устройств с
микросхемами некоторые из входов (выводов) последних могут
оставаться неиспользованными (нередко такие выводы не указывают
на принципиальных схемах). По техническим условиям на интег-
ральные микросхемы серии К155 неиспользуемые выводы следует
соединять с общим проводом или с питающей шиной через резистор
сопротивлением 1 кОм.
Практические работы кружковцев на занятиях, связанных с
изучением логических элементов, следует использовать для изготов-
ления развернутых демонстрационных схем — моделей логических
элементов. Эти полезные наглядные пособия можно собрать на
отдельных платах (панелях) размером 150X200 мм, изготовленных
из 5-миллиметровой фанеры с двусторонним пластиковым покрытием
или любого другого изоляционного ма-
териала: оргстекла, гетинакса, тексто-
лита и т. п. С помощью металлического
стержня, приклепленного к нижней ча-
сти панели, последняя укрепляется на
треноге (рис. 32). Принципиальные
электрические схемы моделей представ-
лены на рисунках 33—37. Логиче-
ские элементы собираются на основе
диодов и транзисторов, а индикация
напряжения высокого уровня сигнала
ноге
Рис. 32. Панель демонст-
рационной модели логи-
ческого элемента на тре-
Рис. 33. Электрическая схема модели эле-
мента НЕ
82
6В
-0
Рис. 34. Электрическая схема модели эле-
мента И
-0
+
(логической единицы) осуществляется загорающимися лампами
накаливания МН 6,3—0,3 (для их установки можно использовать
патрончики от елочных гирлянд). Источником постоянного напря-
жения (6 В) может служить выпрямитель ЛИП-90 или ВС-4-12.
Элемент НЕ (рис. 33) имеет один вход А (кнопка SB1, лампа HL1)
и один выход А (лампа HL2). Если на входе низкий уровень напря-
жения (кнопка SB1 не нажата), то лампа HL1 не горит, транзистор
открыт, через лампу HL2 проходит ток, она горит. При нажатии
кнопки SB1 загорается лампа HL1, транзистор запирается, и лам-
па HL2 гаснет. Таким образом реализуется таблица истинности
для инверсии.
Элемент И (рис. 34) имеет два входа А и В (кнопки SBIh
SB2, лампы HL1 и HL2) и один выход А-В (лампа HL3). Если
кнопки не нажаты (т. е. на входы поступают сигналы Л=0 и В = 0),
то лампы HL1 и HL2 не горят, оба транзистора заперты, и лампа HL3
не горит: А-В = 0. Эта лампа загорится лишь при нажатии обеих
кнопок SB1 и SB2, когда открываются оба транзистора. При этом
загораются и лампы HL1 и HL2. Так реализуется таблица истин-
ности для конъюнкции.
Элемент ИЛИ (рис. 35) имеет два входа Лий (кнопки SB1 и
SB2, лампы HL1 и HL2) и один выход А А-В (лампа HL3). Реализа-
ция дизъюнкции здесь осуществляется благодаря тому, что для заго-
рания лампы HL3 достаточно, чтобы высокий уровень напряжения
поступил хотя бы на один из диодов VD1 или VD2.
Элемент ИЛИ — НЕ (рис. 36) имеет два входа А и В (кнопки SB1
и SB2, лампы HL1 и HL2) и один выход С (лампа HL3). Если кнопки
не нажаты (т. е. 71—0, S = 0), то транзистор открыт, лампа HL3
горит (С=1). Когда нажата хотя бы одна из кнопок, транзистор
запирается, лампа HL3 гаснет.
83
84
Элемент И — НЕ (рис. 37) имеет также два входа А и В и один
выход С. Здесь на выходе лампа HL3 не горит (С = 0), если только
одновременно нажаты кнопки SB1 и SB2 (т. е. А=1 и В=1).
Монтаж электрических цепей моделей выполняется соединитель-
ными проводами с обратной стороны панелей. Для подключения их к
источнику напряжения используются универсальные гнезда или
клеммы. Для того чтобы логические элементы работали устойчиво,
рекомендуется снизить уровень пульсаций напряжения, присоединив
к выходным клеммам блока питания конденсатор емкостью 500 мкФ.
Следующая ступень в освоении кружковцами основ технической
кибернетики — знакомство с методами синтеза логических
устройств — преобразователей информации. Простейшие из таких
устройств уже знакомы членам кружка. Это логические элементы И,
ИЛИ и НЕ, способные автоматически определять истинность выска-
зываний, полученных в результате выполнения над теми или иными
исходными простыми высказываниями операций конъюнкции, дизъ-
юнкции и инверсии. Возникает задача: создать логические устрой-
ства, способные автоматически определять истинность более сложных
высказываний. Такие устройства (они называются однотактными
автоматами) составляются из отдельных логических элементов И,
ИЛИ и НЕ, подобно тому как из отдельных кирпичиков строится
здание. В беседах с учащимися руководитель должен объяснить, как
это делается. Основные приемы синтеза однотактных автоматов ре-
комендуется раскрыть на каком-либо достаточно простом примере.
Пусть, например, требуется создать кибернетическое устройство
для оповещения зрителей об оценке выступлений тяжелоатлетов на
соревновании. Судейская коллегия состоит из трех судей А, В и С,
один из которых — А — является председателем (старшим судьей).
Если, по мнению судьи, вес взят спортсменом правильно, то судья
нажимает кнопку на расположенном перед ним пульте. Коллектив-
ное решение «вес взят» должно появляться на световом табло X в
случае единогласного положительного решения всех трех судей или
только двух из них, но при условии, что в числе этих двух — пред-
седатель.
Как по данному описанию построить требуемое устройство?
Педагог объясняет кружковцам, что прежде всего следует пред-
ставить синтезируемый автомат в виде «черного ящика» (т. е.
устройства, внутренняя структура которого пока неизвестна) и
определить количество его входов и выходов. Такой «черный ящик»
для данного примера изображен на рисунке 38, а. Он имеет три
входа А, В и С (по ним поступают сигналы 0 или I от председателя А
и судей В и С) и один выход X (с него подается на световое табло
сигнал коллективной оценки: 1 — «вес взят» или 0 — «вес не за-
считан») .
Затем следует составить таблицу с указанием всех возможных
состояний выхода X, соответствующих всем возможным комбинациям
состояний входов Л, В и С. При составлении этой таблицы нужно
воспользоваться условиями, заданными в описании автомата. Оче-
85
Рис. 38. Кибернетический арбитр: а — схема в виде «черного ящика»; б — функ-
циональная схема; в — вариант принципиальной схемы с выключателями и лампой
накаливания; г—вариант принципиальной схемы с электромагнитным реле
видно, таблица состояний (таблица истинности) для нашего авто-
мата будет иметь следующей вид:
А В с X
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1
Исходя из этой таблицы нужно составить структурную формулу
автомата. Для этого существует следующий алгоритм:
1) из таблицы состояний выбираем те строки, для которых зна-
чение состояния на выходе равно 1;
2) для каждой из выбранных строк записываем логическое про-
изведение (конъюнкцию) входных величин, значения которых рав-
ны 1, и отрицаний входных величин, значения которых равны 0;
3) составляем логическую сумму (дизъюнкцию) записанных
произведений для всех выбранных строк таблицы;
4) используя свойства логических операций и законы алгебры
высказываний, упрощаем (минимизируем) полученную структурную
формулу.
Согласно указанному алгоритму составляем структурную форму-
лу синтезируемого автомата: X — А В С А В С Л- В С.
Эту формулу можно упростить на основании распределительного
свойства конъюнкции: Х = А -(В • Сф- В- С -\~В- С).
Применяя преобразование склеивания к выражению В-С ф-В-С,
получаем В-С-^В-С—В, следовательно, Х=А-(В -СА-В). Далее,
так как В • Сф- В = С-ф В, то окончательно Х=Л-(С-|-В). Это и есть
86
структурная формула создаваемого автомата. Соответствующая
ей функциональная схема показана на рисунке 38, б.
Исходя из функциональной схемы автомата и имеющихся техни-
ческих средств (контактно-релейных элементов, диодов, транзисто-
ров, микросхем) составляют электрическую схему автомата. На ри-
сунке 38, в представлен вариант такой схемы автомата на выключа-
телях (тумблерах) SA1 (A), SA2 (В), SA3 (С) и лампе HL1 (А").
Другой вариант электрической схемы кибернетического арбитра
показан на рисунке 38, г. Здесь использованы кнопочные выключа-
тели SB1 (A), SB2 (В), SB3 (С), электромагнитное реле Л7 (ИЛИ)
и лампа HL1 (X)— И. По любой из этих принципиальных схем
можно составить соответствующую монтажную схему, после чего
можно приступить к изготовлению сконструированного автомата.
Руководствуясь той же функциональной схемой, можно составить
принципиальную схему кибернетического арбитра на кнопках и
микросхеме К155ЛАЗ (рис. 39). Световым индикатором X здесь слу-
жит светодиод HL1 АЛ307А. Элементы микросхемы DDi.i, DD1.2 и
DD1.3 образуют логический элемент ИЛИ, a DDL4 — логический
элемент И — НЕ (инверсия нужна для подачи на светодиод низкого
уровня напряжения, обеспечивающего его свечение). Разумеется,
такой индикатор пригоден лишь для небольшой, «настольной» мо-
дели кибернетического арбитра; при необходимости установить этот
прибор-автомат в спортивном зале для подсветки табло «вес взят»
понадобился бы более мощный источник света.
Обобщая рассмотренный пример, руководитель формулирует
алгоритм синтеза однотактных автоматов:
1) описать работу автомата словами (задать автомат словесно);
2) представить автомат в виде «черного ящика», указав все его
входы и выходы;
3) составить таблицу состояний автомата;
4) записать структурные формулы для каждого выхода автомата;
5) упростить (минимизировать) полученные формулы;
Рис. 39. Вариант принципиальной схемы кибернетического арбитра с микро-
схемой К155ЛАЗ
87
SB1.I
SB2.1
Рис. 40. Устройство для независимого включения и выключения лампы из
двух разных мест: а — «черный ящик»; б — функциональная схема; в — схе-
ма с кнопками; г — схема с переключателями
6) построить функциональную схему автомата;
7) исходя из имеющихся технических средств, составить принци-
пиальную (электрическую) схему автомата;
8) составить монтажную схему и приступить к постройке авто-
мата.
Применение этого алгоритма руководитель кружка может про-
иллюстрировать решением, например, следующей конструкторской
задачи.
В двухэтажном доме лестничная клетка освещается одной лам-
пой X. На первом этаже лестничной клетки расположен выключа-
тель Л, на втором этаже — выключатель В. Лампа X должна выклю-
чаться и включаться изменением состояния (переключением) любого
из выключателей независимо от состояния другого выключателя.
Как по этому описанию построить требуемое устройство?
Представляем устройство в виде «черного ящика» (рис. 40, а).
Оно должно иметь два входа (выключатели Л и В) и один выход
(лампа X). Далее необходимо составить таблицу состояний констру-
ируемого устройства. Она должна иметь следующий вид:
А в X
0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0
Попутно здесь можно заметить, что полученная таблица состоя-
ний является инверсией таблицы истинности для логической операции
эквивалентности (равнозначности) и, следовательно, характеризует
88
логическую операцию неравнозначности чисел Л и В. В математи-
ческой логике она известна как операция поразрядного суммирова-
ния по модулю 2. Действительно, если сложить 0 и 1 (или 1и 0), то
получим 1; если же сложить 0 и 0, то получим 0, а если сложить 1 и 1,
то получим 0 и единицу переноса в старший разряд. Так как здесь
нас не интересует перенос (отдельные разряды числа в этом случае
не связаны между собой), результат считаем равным 0. Поразрядное
суммирование обозначается символом ф. Итак, А = ЛфВ.
На основании таблицы состояний составим структурную формулу
конструируемого устройства. Здесь только во второй и в третьей
строках Х=1. Следовательно, структурная формула имеет вид:
Х — А-В~\~А-В.
Эта формула не нуждается в упрощении. Ей соответствует функ-
циональная схема, приведенная на рисунке 40, б. Если для замы-
кания цепи лампы использовать кнопочные выключатели, то принци-
пиальная электрическая схема синтезируемого автомата может вы-
глядеть так, как показано на рисунке 40, в. Но удобнее вместо каждой
пары кнопок применить один переключатель (тумблер). Тогда схема
электропроводки, обеспечивающей решение этой задачи, будет вы-
глядеть так, как показано на рисунке 40, г.
Можно предложить кружковцам сконструировать схему электри-
ческой цепи, с помощью которой можно было бы решать аналогичную
задачу включения и выключения одной лампочки любым из трех
выключателей, расположенных в разных местах. У такого киберне-
тического устройства должно быть три входа (выключатели А, В
и С) и один выход (лампа X). «Черный ящик» имеет такой же вид,
На основании этой таблицы составляется следующая структур-
ная формула:
х=а-в-с+а-в-с+а-в-с+а-В-С.
Проведем простейшие преобразования полученного выражения.
Х=Л-(Д.С + В-С)+Л .(В-С-|-В-С)=Л-(ВфС)+Л -(ВфС)=
=Лф(ВфС).
89
Выход
Рис. 41. Устройство для независимого включения и выключения лампы из трех
разных мест: а — схема цепи на основе микросхемы К155ЛП5; б — схема цепи
на основе переключателей
Логическая часть автомата может быть реализована на одной
микросхеме К155ЛП5 (рис. 41, а). Эта микросхема содержит четыре
отдельных логических элемента, выполняющих операцию поразряд-
ного суммирования по модулю 2 (см. рис. 29, е). Включение и
выключение освещения осуществляется выключателями SAI, SA2
и 5/13, а индикатором высокого уровня напряжения на выходе яв-
ляется светодиод HL1, включенный последовательно с резистором R1.
При использовании такого логического устройства для управления
освещением в его выходную цепь следует включить тиристорный
ключ, нагрузкой которого будет лампа накаливания.
На рисунке 41, б приведена схема варианта этого же устройства
с выключателями и лампой накаливания, питаемой от сети пере-
менного тока.
На практических занятиях рекомендуется в качестве упражнений
выполнить синтез функциональных схем нескольких простых одно-
тактных автоматов. Можно рассмотреть синтез десятично-двоичных
и двоично-десятичных дешифраторов, сопоставив полученные функ-
циональные схемы с принципиальными электрическими схемами
дешифраторов, построенных кружковцами ранее, при изучении
предыдущей темы. Можно также, «забегая вперед», синтезировать
функциональные схемы двоичных сумматоров, пояснив учащимся,
что решение этой задачи пригодится в дальнейшем, при изучении
вычислительных устройств дискретного действия.
Наряду с выполнением этих упражнений кружковцы занимаются
практической работой, продолжая изготовление, налаживание и
испытание демонстрационных учебных пособий и других логических
устройств-автоматов.
90
§ 3.6. ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО И КОНСТРУИРОВАНИЕ
Примерное распределение материала по занятиям
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
1 Техническое творчество Суть и содержание техниче- ского творчества. Основные этапы (стадии) творческого процесса. Роль массового тех- нического творчества в ускоре- нии научно-технического про- гресса. Особенности техниче- ского творчества школьников Изготовление моделей ло- гических элементов и прос- тых однотактных автоматов
2 Конструиро- вание техниче- ских объектов Конструирование как один из видов технического твор- чества. Задачи и особенности конструирования технических объектов. Элементы техниче- ской эстетики. Работа с источ- никами технической информа- ции Изготовление моделей ло- гических элементов и про- стых однотактных автома- тов
3 Организаци- онные и эко- номические ос- новы техниче- ского творче- ства Система управления изобре- тательством и рационализаци- ей. Всесоюзное общество изо- бретателей и рационализато- ров (ВОИР). Школьные орга- низации ВОИР. Единая об- щественно-государственная си- стема научно-технического твор- чества молодежи. Планирова- ние и финансирование техни- ческого творчества Изготовление моделей ло- гических элементов и про- стых однотактных автома- тов. Составление техниче- ской документации на кон- струируемые и изготовляе- мые автоматические устрой- ства
Для проведения занятий по данной теме руководителю необхо-
димо, не прерывая практической работы кружковцев над создавае-
мыми ими кибернетическими устройствами (моделями логических
элементов, простыми однотактными автоматами и пр.), подготовить
несколько бесед с учащимися по указанной тематике. Содер-
жание этих бесед не связано непосредственно ни с предыдущей, ни
с последующими темами, а имеет более общий характер. К обсужде-
нию рассматриваемых вопросов целесообразно активно привлекать
членов кружка, заранее поручая им подготовку небольших сообще-
ний по возможности конкретного характера. Обобщения и реко-
мендации на основании этих сообщений делает в конце каждой
беседы руководитель кружка.
В первой беседе с учащимися педагог, раскрывая сущность и
содержание технического творчества, прежде всего отмечает, что
творчество вообще является высшей формой активности и самостоя-
тельной деятельности человека. Оценивается творчество по его
социальной значимости и оригинальности (новизне) и определяется
91
его конечным продуктом — научным открытием или новизной науч-
ного исследования, созданием художественного произведения, ре-
шением новой задачи (математической, медицинской, технической
и т. п.). В частности, в техническом творчестве таким конечным
продуктом являются изобретение и рационализация.
Изобретение — это новое и обладающее существенными отли-
чиями техническое решение задачи в любой области народного
хозяйства, социально-культурного строительства или обороны,
дающее положительный эффект. Объектом изобретения могут быть
новое устройство, новый способ, новое вещество, а также применение
ранее известных устройств, способов и веществ по новому назна-
чению.
Рационализаторским предложением называется техническое ре-
шение, являющееся новым и полезным для предприятия, органи-
зации или учреждения, которому оно подано, и предусматривающее
изменение конструкций, изделий, технологии производства и при-
меняемой техники или изменение состава материала.
Часто из-за несовершенства существующих машин, материалов,
технологии рабочих процессов требуется внести какие-то изменения,
новшества. На основе анализа возникшей потребности формулирует-
ся конкретная задача; «...сделать так, чтобы...» В этом аспекте
анализируются и переосмысливаются имеющиеся знания, изыски-
вается необходимая информация. В результате появляется принци-
пиальное решение задачи, которое затем уточняется и детализи-
руется. Далее следуют материальное воплощение проекта и практи-
ческая проверка сделанного изобретения или усовершенствования.
В процессе работы над новым объектом (машиной, аппаратом и т. п.)
может возникнуть новая потребность в его усовершенствовании.
Здесь можно специально подчеркнуть, что в техническом твор-
честве, как и в творчестве вообще, большую роль играет не только
интеллект, но и личность в целом. Человек, открывающий новое,
должен обладать определенными личными качествами; решимостью,
смелостью мысли, умением заглядывать дальше того, что видят его
современники и видели предшественники. Он должен обладать му-
жеством для того, чтобы пойти против рутины, привычных взглядов
и представлений.
Техническое творчество выступает как фактор развития произ-
водительных сил общества и одновременно как фактор, позволяющий
компенсировать нехватку трудовых ресурсов.
Составной частью движения за ускорение социально-экономи-
ческого развития страны является научно-техническое творчество
молодежи (НТТМ), выражающееся в массовом участии нашей мо-
лодежи в совершенствовании техники и технологии производства,
в решении научных проблем. В этом движении принимают участие
и многие учащиеся, работая в различных технических кружках,
клубах и других творческих объединениях по интересам при школах,
УПК, Домах и Дворцах пионеров и школьников, на станциях юных
техников и в других внешкольных детских учреждениях.
92
Обычное техническое творчество детей и подростков проявляет-
ся в конструировании и постройке моделей различных механизмов,
несложных машин, приборов и аппаратов, электронных и других
устройств. Для учащихся-старшеклассников (активно привлекаемых
к производительному труду) наряду с этим характерна и творческая
деятельность в области техники с более четко выраженной произ-
водственной направленностью содержания: участие в рационализа-
ции рабочего места, в технологии изготовления тех или иных изделий
по заказам предприятий, в разработке приспособлений, повышающих
производительность труда и улучшающих качество продукции.
В заключение беседы педагог может подчеркнуть, что и деятель-
ность членов кружка технической кибернетики, связанная с конструи-
рованием и созданием электронных устройств, приборов, наглядных
пособий и т. п.,— это одна из форм технического творчества. Активно
участвуя в этой работе, кружковцы готовятся пополнить ряды изобре-
тателей и рационализаторов, новаторов производства и в дальней-
шем могут внести посильный вклад в решение вопросов, направлен-
ных на ускорение экономического и социального развития нашей
страны.
В следующей беседе руководитель кружка раскрывает перед
учащимися значение и содержание конструирования технических
объектов, рассматривая его как один из видов технического твор-
чества.
В сложном и длительном процессе создания новых машин и техни-
ческих устройств можно выделить несколько стадий: инженерное
прогнозирование, проектирование и конструирование, подготовку и
освоение производства. Стадия инженерного прогнозирования пред-
полагает сбор научно обоснованной информации о потенциальных
возможностях развития той или иной отрасли техники. Она необхо-
дима для того, чтобы создаваемый технический объект соответ-
ствовал современному состоянию науки и техники и тенденциям их
развития на ближайшие 5—10 лет. Стадии подготовки и освоения
производства технических объектов реализуются на основе мате-
риалов проектно-конструкторских разработок, и поэтому их осущест-
вление полностью зависит от результатов проектирования и конструи-
рования.
Таким образом, основной задачей проектирования и конструиро-
вания является разработка документации, необходимой для изготов-
ления, испытания и эксплуатации создаваемого технического
объекта. Проектирование обычно предполагает разработку общей
конструкции изделия.
Техническое конструирование (от латинского construere —
строить, сооружать, создавать) — часть процесса создания техни-
ческого объекта, заканчивающаяся составлением рабочих чертежей
и текстов в виде специальных технических требований, указаний
к изготовлению, контролю качества, испытаниям и пр.
При конструировании технического объекта важное значение
имеют сведения о свойствах материалов и их применении, указания
93
об инструменте, технологических приспособлениях, необходимых
для его изготовления. Удачной считается конструкция, которая обес-
печивает минимальную материалоемкость, трудоемкость, себестои-
мость, простоту изготовления, удобство сборки, эксплуатации,
контроля, транспортировки и пр.
Одной из особенностей конструирования является единство ути-
литарных, эргономических и эстетических требований. К утилитар-
ным требованиям относятся функциональность, конструктивность,
надежность, долговечность, технологичность, экономичность и др. В
эргономические требования входят удобство обслуживанйя и ре-
монта, небольшие усилия, требуемые для управления. Эсте-
тичность — это красота, изящество, выразительность, образность.
Все эти требования взаимосвязаны.
Важным принципом конструирования технических объектов яв-
ляется унификация — рациональное сокращение числа деталей и
сборочных единиц одинакового функционального назначения, выра-
жающееся в многократном применении в конструкции одних и тех
же элементов. Это способствует уменьшению стоимости изготовле-
ния, упрощению эксплуатации и ремонта технических устройств.
Руководитель кружка должен рассказать учащимся о некоторых
методах, с помощью которых решаются многие конструкторские
задачи.
Гармония технических и эстетических качеств изделия невоз-
можна без учета научных данных эргономики — науки, изучающей
функциональные возможности человека в трудовом процессе с целью
создания совершенных орудий и оптимальных условий труда. На-
пример, при выборе формы и размеров рукояток ручного инстру-
мента нужно учитывать особенности строения рук; при проектирова-
нии станков, верстаков — моторику человеческого тела, зоны досяга-
емости, зоны расположения ступней, коленей. Одно из важнейших
требований эргономики — изучение органов зрения человека: поля
зрения, зоны обзора при фиксированном положении головы и при ее
движении в вертикальной и горизонтальной плоскостях, зоны
эффективной видимости при концентрированном внимании, за-
висимости зрительного восприятия от освещенности и цвета
объектов.
При конструировании самодельных моделей и приборов не реко-
мендуются произвольные формы, размеры и расположения ручек
управления, кнопок и выключателей. Они кодируются формой и цве-
том. Кодирование формой целесообразно для ручек аппаратуры
управления моделями судов, автомобилей, когда зрительное внима-
ние моделиста-конструктора направлено на управляемый объект, а
манипуляция органами управления осуществляется ощупью. Коди-
рование цветом рекомендуется при большом количестве однородных
кнопок и ручек управления. Возможность случайного включения
нескольних кнопок одновременно должна быть сведена к миниму-
му. Вертикальное размещение кнопок предпочтительнее горизон-
тального.
94
На панелях и щитках устройств часто приходится делать надписи.
Исследованиями психологов установлены оптимальные соотношения
размеров шрифта и ширины штриха начертания букв и цифр в
зависимости от расстояния наблюдения. Сведения эти собраны в
справочниках по инженерной психологии и пособиях по оформи-
тельскому делу.
Важную роль в конструировании технических объектов играет
цвет. Он несет функциональную, психофизиологическую и эстети-
ческую нагрузку.
Таким образом, художественное конструирование преследует цель
создания изделий, наиболее полно удовлетворяющих запросы чело-
века, максимально соответствующих условиям эксплуатации, имею-
щих гармонически целостную форму и высокие эстетические ка-
чества. Эти качества в изготовленной продукции так же важны, как и
высокие технико-экономические показатели.
В заключение беседы руководителю следует рассказать круж-
ковцам кратко о системе Государственной научно-технической ин-
формации в нашей стране, а также о работе изобретателей, рацио-
нализаторов и конструкторов со справочной, периодической литера-
турой и патентной документацией.
Одну из бесед руководитель может посвятить организацион-
ным и экономическим основам технического творчества.
Общесоюзным органом государственного управления, осуществляющим руко-
водство развитием изобретательского и рационализаторского творчества и органи
зацию использования открытий, изобретений, рационализаторских предложений,
промышленных образцов и товарных знаков СССР, является Государственный ко-
митет СССР по делам изобретений и открытий (Госкомизобретений). В составе этого
комитета действуют Научно-технический совет (НТС), Экспертный совег. Методи-
ческая комиссия, Междуведомственная комиссия по патентно-лицензионным вопросам.
В систему Госкомизобрегений входит также и ряд других организаций, и среди них —
Всесоюзный научно-исследовательский институт государственной патентной экспер-
тизы, который проводит научно техническую экспертизу по заявкам на открытия,
изобретения, промышленные образцы и товарные знаки, предварительную оценку
перспективности изобретений, научно-исследовательские работы в области патенто-
ведения, а также разрабатывает проекты инструкций, указаний, разъяснений и
других нормативных актов в области экспертизы перечисленных объектов и т. д.
Министерства и ведомства организуют руководство делом развития изобрета-
тельства и рационализации на подведомственных им предприятиях, в организа-
циях и учреждениях. Вся эта работа осуществляется при участии ВОИР, проф-
союзных и других общественных организаций.
О деятельности Всесоюзного общества изобретателей и рационализаторов пе-
дагог может рассказать учащимся более подробно.
Выше мы уже упоминали об этой общественной организации и ее основных
задачах (см. § 2.4). Деятельность ВОИР осуществляется в соответствии с Уставом,
утвержденным высшим его органом — Всесоюзным съездом общества. Основой ВОИР
являются первичные организации, создаваемые на предприятиях промышленности,
строительства, транспорта, связи, сельского хозяйства, в научно-исследовательских
и проектных институтах, учреждениях и организациях, вузах и техникумах, школах
и профессионально-технических училищах. Для первичной организации ВОИР высшим
органом является общее собрание. Членом общества может быть каждый гражданин
нашей страны, участвующий в рационализаторской и изобретательской работе или
содействующий ее развитию.
В школе первичная организация ВОИР может быть создана по инициативе
95
организационного бюро, созданного из представителей администрации, комитета ком-
сомола и педагогического коллектива. Члены бюро проводят разъяснительную работу
среди учащихся и педагогов, знакомят их с Уставом и задачами ВОИР. Желающие
вступить в общество подают заявления в организационное бюро. На первом собрании
изъявивших желание вступить в ВОИР создается первичная организация, которая
регистрируется в областном, краевом или республиканском совете ВОИР.
В содержание деятельности ученической первичной организации ВОИР могут
входить различные мероприятия: организация экскурсий на предприятия, консуль-
таций специалистов по разрабатываемым техническим объектам для кружковцев;
проведение занятий по темам: «Методы поиска решений творческих технических
задач», «Юные рационализаторы — народному хозяйству» и т. п.; оформление уголка
ВОИР, наглядно отражающего достижения школьной организации и план ее работы;
организация Всесоюзной недели науки, техники и производства в школе; выставки
работ юных рационализаторов и конструкторов; оформление подписки на журналы
«Моделист конструктор», «Юный техник», «Техника — молодежи» н др.
Денежные средства ученической организации ВОИР составляют членские
взносы. Расходуются эти средства ио решению совета. ВОИР на мероприятия,
связанные с развитием изобрегательства и рационализации.
При центральном, республиканских, краевых и областных советах ВОИР соз-
даются секции по работе с молодежью, благодаря чему в стране действует много
школ молодого рационализатора, клубов и кружков технического творчества.
Как уже было отмечено выше, в нашей стране создается единая общественно-
государственная система НТТМ. Главные задачи этой системы состоят в том, чтобы
всемерно развивать творческую инициативу юношей и девушек, содействовать их
массовому участию в решении вопросов ускорения экономического и социального
развития страны, вовлекать в активную работу по поиску эффективных, передовых,
нестандартных решений научных и технических проблем во всех сферах произ-
водства, а также содействовать внедрению и широкому использованию в народном
хозяйстве новейших достижений науки и техники, изобретений, разработок молодых
новаторов и молодежных творческих коллективов. Структура единой общественно-
государственной системы НТТМ строится по территориально-отраслевому прин-
ципу.
В заключение беседы руководитель кружка может подробнее проинформировать
учащихся о планировании и финансировании изобретательской и рационализатор-
ской деятельности трудящихся, а также массовой работы, которая проводится с
целью активизации их творческих усилий.
Практические работы кружковцев при прохождении данной темы посвящаются
главным образом завершению монтажа и налаживанию моделей логических элемен-
тов и однотактных автоматов. Кроме того, учащиеся знакомятся с методикой оформ-
ления технической документации на изготовленные изделия, выполняют соответст-
вующие чертежи, схемы, описания конструкций.
§ 3.7. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ
Примерное распределение материала ио занятиям
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
1 2 Синтез про- стых цифро- вых вычисли- тельных уст- ройств История циф- ровой вычис- лительной тех- Простые вычислительные устройства как однотактные автоматы. Синтез полусумма- тора, сумматора, дешифрато ра. Модель перцептрона Сведения из истории цифро- вой вычислительной техники. Вычислительные устройства и Анализ работы и изго- товление однотактных ав- томатов и других электрон- ных устройств Доклады и сообщения членов кружка. Изготовле- ние однотактных автоматов.
96
Продолжение
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
ники (семинар) приспособления прошлого (от абака до механических клавиш- ных машин). Общие принципы действия цифровых вычисли- тельных устройств Изготовление стабилизиро- ванных блоков питания для цифровых автоматов
3 Триггеры Триггер как элемент памяти автомата. Виды триггеров. При- меры использования триггеров Изготовление и испыта- ние блоков питания, моде- лей триггеров, игровых и других устройств
4 Регистры и счетчики Генераторы импульсов на ос- нове цифровых микросхем. Ре- гистры. Параллельные и после- довательные регистры. Счетчи- ки, примеры их применения Изготовление моделей триггеров, генераторов им- пульсов, игровых и других устройств
5 Многотакт- ные автоматы Структурная схема автома- та с памятью. Синтез много- тактных автоматов (примеры). Алгоритм синтеза автоматов с памятью Упражнения: синтез функ- циональных и принципиаль- ных электрических схем про- стых автоматов с памятью. Изготовление цифровых элек- тронных устройств
6 Некоторые функциональ- ные устройст- ва цифровых автоматов Мультиплексоры и демульти- плексоры Устройства ввода и вывода цифровой информации. Индикаторные устройства. Осо- бенности конструкций н элек- трических схем цифровых авто- матов Изготовление цифровых электронных устройств
7 Современ- ные электрон- ные цифровые вычислитель- ные устройст- ва (семинар) Развитие электронной циф ровой вычислительной техники (от первых релейно-контактных и ламповых ЭВМ до персональ- ных компьютеров). Поколения ЭВМ. Перспективы развития вычислительной техники Доклады и сообщения членов кружка. Изготовле- ние цифровых электронных устройств
Эта тема занимает очень важное место в работе кружка 1-го
года занятий. Здесь учащиеся не только продолжают знакомство
с технической базой современной кибернетики, но и получают конк-
ретные представления о многих функциональных элементах и уст-
ройствах конечных автоматов, общих принципах и способах их
практического использования.
В цифровых вычислительных устройствах (устройствах дискрет-
ного действия) величины, над которыми производятся математи-
ческие операции, выражаются в виде чисел в цифровой форме.
Решение математических задач в таких устройствах сводится к
последовательному выполнению четырех арифметических действий.
Точность получаемых результатов зависит лишь от количества раз-
рядов в изображении чисел и может быть очень высокой. Этим
такие устройства выгодно отличаются от устройств непрерывного
4 Заказ 734 97
действия, с которыми предстоит познакомиться кружковцам при
прохождении следующей темы. Другое важное достоинство цифро-
вых вычислительных устройств — их универсальность.
Поскольку некоторые из простых цифровых вычислительных
устройств представляют собой однотактные автоматы, то, приступая
к занятиям по этой теме, целесообразно сначала синтезировать
такие цифровые устройства (применив уже знакомый кружковцам
алгоритм) и рассмотреть некоторые примеры их применения на
практике.
В качестве первого примера можно рассмотреть синтез одно-
разрядного двоичного сумматора с двумя входами. Такое устройст-
во осуществляет сложение в разряде единиц, но у него нет третьего
входа для переноса единицы из младшего разряда. Сумматор с
двумя входами часто называют полусумматором, так как однораз-
рядный сумматор с тремя входами можно составить из двух таких
полусумматоров (в чем мы в дальнейшем убедимся). Полусумматор
должен выполнять следующие арифметические действия:
0 + 0=00 1+0 = 01
0+1=01 1 + 1 = 10
Представляя полусумматор в виде «черного ящика» (рис. 42, а),
следует отметить, что он должен иметь два входа (Л — первое
слагаемое, В — второе слагаемое) и два выхода (S — значение
суммы в данном разряде, Р — значение переноса в старший раз-
ряд). Таблица состояний синтезируемого двоичного полусумматора
должна иметь следующий вид:
А В S р
0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1
Составляем структурные формулы для каждого выхода полу-
сумматора:
S = A-B+A-B; Р—А-В.
Рис. 42. Двоичный полусумматор: а — «черный ящик»; б — функциональная
схема
98
А В Ро SM S р
Рис. 43. Одноразрядный двоичный сумматор: а — условное обозначение; б —
функциональная схема
Первую из этих формул целесообразно преобразовать. Для этого
произведем логическое сложение (дизъюнкцию) ее правой части с
тождественно-ложным высказыванием А-А-^В-В (такая опера-
ция, очевидно, не повлияет на результат — истинность S). Получаем
•S’-Л-В+А-В+А -А-\-В-В.
Воспользовавшись взаимными распределительными свойствами
конъюнкции и дизъюнкции, преобразуем правую часть равенства
5=(Л+В)-(Л + В).
Учитывая далее, что согласно формуле де Моргана А А-В =А - В,
запишем окончательно S=4-В-(А А-В).
Итак, структурные формулы для полусумматора приобретают
следующий вид:
5 = Л^В-(Л + В); Р=А-В.
По этим формулам строится функциональная схема двоичного
полусумматора (рис. 42, б).
Основным счетным узлом арифметического устройства электрон-
ных цифровых вычислительных машин является многоразрядный
двоичный сумматор, выполняющий сложение двоичных чисел. Этот
сумматор составляется из некоторого числа одноразрядных двоич-
ных сумматоров с тремя входами. Рассмотрим подробнее такой
одноразрядный двоичный сумматор, имеющий три входа (рис. 43).
Два его входа А и В служат для подачи чисел 0 или 1 первого и
второго слагаемых, а на третий вход Ро поступает 0 или 1 из сум-
матора младшего разряда. Одноразрядный двоичный сумматор
имеет два выхода. На выходе S — сумма в данном разряде, а на
4* 99
выходе Р — перенос в старший разряд. Таблица состояний двоич-
ного одноразрядного сумматора с тремя входами имеет следующий
вид:
Первое слагаемое данного п разряда, А Второе слагаемое данного п разряда, В Поступило из младшего (п-1) разряда, Р« Сумма в данном п разряде, S Перенос в старший (п + 1) разряд, Р
0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1
На рисунке 43, б изображена функциональная схема однораз-
рядного двоичного сумматора с тремя входами. Она составлена из
двух одинаковых полусумматоров и одного элемента ИЛИ. Проана-
лизировав эту схему, нетрудно убедиться, что она реализует таблицу
истинности.
Последовательно соединяя несколько одноразрядных суммато-
ров, можно составлять многоразрядные двоичные сумматоры. Схе-
ма четырехразрядного двоичного сумматора, составленного таким
образом, показана на рисунке 44.
В сериях микросхем есть одно-, двух- и четырехразрядные сум-
маторы, которые можно объединять для получения сумматоров
любой разрядности. В серию К155 входит четырехразрядный сум-
матор К155ИМЗ. На основе этой микросхемы можно собрать дей-
ствующую демонстрационную модель двоичного суммирующего
устройства на четыре разряда. Принципиальная электрическая
схема такой модели приведена на рисунке 45.
Здесь четырехразрядное первое слагаемое вводится с помощью
тумблеров 5Л1, &43, 5Л5 и SA7, а такое же второе слагаемое —
тумблерами SA2, SA4, SA6, и (размыкание выключателя со-
ответствует введению единицы соответствующего разряда). Пяти-
Рис. 44. Схема четырехразрядного двоичного сумматора
юо
щего устройства на основе микросхемы К155ИМЗ
разрядная сумма индицируется загорающимися светодиодами
HL1—HL5. Модель питается от стабилизированного источника
напряжением 5 В. Для наглядности целесообразно смонтировать
модель на стенде-панели из текстолита или оргстекла.
В качестве другого примера цифрового вычислительного устрой-
ства, которое представляет собой однотактный автомат, можно
рассмотреть дешифратор. Руководитель обсуждает с кружковцами
синтез десятично двоичного и двоично-десятичного дешифраторов.
Десятично-двоичный дешифратор должен иметь девять входов
и четыре выхода (рис. 46, а\ для простоты ограничиваемся одно-
разрядными десятичными числами). Таблица состояний для него
выглядит так:
А (1) в (2) с (3) D (4) Е (5) F (6) о (7) н (8) / (9) V (23) X (22) У (21) Z (2°)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1
Не представляет большого труда составление структурных фор-
мул десятично-двоичного дешифратора. После выполнения упро-
щающих преобразований эти формулы принимают следующий вид:
V=H-1 + //-1;
101
Рис. 46. Десятично-двоичный дешифратор: а — схема в виде «черного ящика»;
б — функциональная схема
X=D-E-F-G + D-E-F-G + D-E-F-G + D-E-F-G;
Y=B-C-F-G + B-C-F-G + B-C-F-G + B-C-F-G;
Z=A-C-Ё-С-Т+Д-C-E-G-1+Л -С-E-G-1 + А-С-Ё -G-T+
+ Д -C-E-G-1.
Несмотря на кажущуюся сложность этих формул, соответст-
вующая им функциональная схема автомата получается несложной
(рис. 46, б). Ранее, в § 3. 4, были рассмотрены принципиальные
схемы таких дешифраторов с использованием различной элемен-
тной базы (см. рис. 13, 16).
Для обратного перевода чисел из двоичной системы счисления
в десятичную систему необходим двоично-десятичный дешифратор.
Изображение такого автомата в виде «черного ящика» мы получим,
если воспользуемся «черным ящиком» для десятично-двоичного
дешифратора (рис. 46, а), но входы и выходы у него поменяем
местами. В качестве таблицы состояний для двоично-десятичного
дешифратора можно также взять таблицу десятично-двоичного
дешифратора, но при этом иметь в виду, что здесь символы V, X,
У и Z будут обозначать входы автомата, а символы А, В, С, ...,
Н, 1 — его выходы.
Нетрудно получить для девяти выходов автомата следующие
структурные формулы:
A = V-X-YZ; D = V-X-Y-Z; G=V-X-Y-Z;
B=V-X-Y-Z; E=V-X-Y-Z; H=V-X-Y-Z;
C=V-X-Y-Z; F=V-X-Y-Z; I = V-X-Y-Z.
По этим формулам составляется функциональная схема двоич-
но-десятичного дешифратора (рис. 47.). Принципиальные схемы
102
таких дешифраторов с использованием различной элементной базы
были рассмотрены ранее (см. рис. 15, 17, 19, 21).
Интересным примером применения схемы дешифратора на прак-
тике является почтовый перцептрон — автомат, распознающий
цифры почтового индекса на конвертах писем. Модель такого уст-
ройства может привлечь внимание кружковцев как объект для
конструиров ан ия.
Как известно, для написания цифр почтового индекса исполь-
зуют специальную сетку (рис. 48). Принципиальная схема почто-
вого перцептрона приведена на рисунке 49. Чувствительные элемен-
ты — фоторезисторы R1 — R4 установлены в считывающей ячейке
(рис. 50). Цифры, подлежащие опознанию, вырезанные из жести
или плотного картона в соответствии с рисунком 48, накладываются
Рис. 47. Функциональная схема двоично-десятичного дешифратора
Рис. 48. Изображение цифр почтового индекса
103
Рис. 49. Принципиальная схема модели почтового перцептрона на основе
релейно-контактного дешифратора
Рис. 50. Считываю
щая ячейка
Рис. 51. Внешний вид модели почтового перцепт-
рона
на считывающую ячейку, затемняя те или иные фоторезисторы.
Последовательно с каждым фоторезистором включена обмотка
соответствующего электромагнитного реле К/—К.4. Если фоторе-
зистор освещен (т. е. не затемнен наложенной цифрой), то его
сопротивление мало и протекающий ток достаточен для срабаты-
вания реле. Контакты реле К1 — К4 включены по схеме дешифра-
тора, обеспечивающей включение опознаваемой цифры.
104
Пусть, например, на считывающую ячейку наложена цифра 3.
Тогда фоторезисторы R2 и R3 будут освещены, a R1 и R4 затем-
нены. Реле К2 и КЗ срабатывают, создавая такую комбинацию
переключившихся контактов, при которой загорается лампа HL6,
подсвечивающая цифру 3. Аналогично автомат опознает и другие
цифры.
Внешний вид модели показан на рисунке 51. На лицевой панели
корпуса расположены ячейка с фоторезисторами и индикаторное
устройство — цифры 0, 1,2, ..., 9, подсвечиваемые лампами HL1 —
HL10.
В описанном устройстве можно применить следующие детали:
реле К1 и К2 типа РЭС9 (паспорт РС4.524.201), реле КЗ — РЭС22
(паспорт РФ4.500.131), реле К4— РС13 (паспорт РС4.523.017);
фоторезисторы R1 — R4 типа ФСК1 или ФСД; лампы HL1 — HL10
типа ЛН 3,5 В-0,28 А; трансформатор Т\ набран из пластин Ш20,
пакет толщиной 20 мм; обмотка I содержит 1400 витков провода
ПЭЛ 0,31, обмотка II — 450 витков ПЭЛ 0,15, обмотка III — 45 вит-
ков ПЭЛ 0,8; диоды VD1 — VD4 типа Д226Б.
В качестве индикаторного устройства в данной модели вместо
десяти ламп накаливания HL1 — HL10 можно использовать цифро-
вую газоразрядную индикаторную лампу, например ИН8—2. Анод
лампы через резистор 47 кОм и диод Д226Б подключается к одному
из выводов первичной (сетевой) обмотки трансформатора, катоды
лампы через контактную пирамиду дешифратора присоединяются
к другому выводу этой обмотки. Индикаторная лампа устанавли-
вается вместо ламп накаливания на лицевой панели прибора.
Модель почтового перцептрона можно собрать на основе микро-
схемы серии К155, используя в качестве индикаторов светодиоды
АЛ307А. Схема такого варианта данного устройства приведена
на рисунке 52. Рассмотрим работу такого устройства на примере
опознавания цифры 6, наложенной на считывающую ячейку. Не-
трудно видеть, что в этом случае затемненными окажутся фоторе-
зисторы R3 и R4. В результате напряжения на коллекторах транзи-
сторов VT1 и VT2 будут иметь низкий уровень, а на коллекторах
транзисторов VT3 и VT4 — высокий уровень. Соответственно на
выходах элементов DD1.1 и DD1.2 присутствует высокий уровень, а
на выходах элементов DD1.3 и DD1.4 — низкий. Если проанализи-
ровать уровни на входах всех четырехвходовых элементов И—НЕ
(микросхемы DD2 — DD6), то нетрудно увидеть, что только на
входах элемента DD5.1 будет высокий уровень. На выходе этого
элемента появится низкий уровень, в результате чего загорится
светодиод HL7, индицирующий цифру 6. На одном из входов
остальных элёментов И—НЕ присутствует низкий уровень, и в
результате другие светодиоды не горят из-за высокого напряжения
на выходах указанных элементов.
Для работы с цифровыми электронными устройствами, содержа-
щими несколько микросхем, световых индикаторов и других компо-
нентов, может понадобиться более мощный источник стабилизиро-
105
+ 5В
/?1 . . ./?4 ФСК1; VT\ .. . VT4 КТ315; DDl K155JIH1; DD2 .. . DD6 К155ЛА1;
HLA ... HLIO АЛ307А; /?13 — R22 390
Рис. 53. Принципиальная схема стабилизированного выпрямителя на 5 В, 700 мА
106
ванного напряжения, чем описанный ранее, в § 3.4. На рисун-
ке 53 приведена схема такого блока питания. Он представляет
собой стабилизированный выпрямитель на 5 В, 700 мА. Силовой
трансформатор мощностью 7—10 Вт имеет на вторичной обмотке
напряжение 8—10 В. Микросхему К142ЕН5В необходимо устано-
вить на радиатор с площадью рассеивания 100 см2. Такие блоки
питания могут быть изготовлены кружковцами.
Продолжая занятия по этой теме, необходимо познакомить чле-
нов кружка с историей развития цифровых вычислительных уст-
ройств и машин, с принципом их действия и основными характе-
ристиками. Удобнее всего это сделать, проведя одно из занятий в
форме семинара. Тематику выступлений учащихся на этом семинаре
следует хорошо продумать.
Докладчики должны рассказать о простых счетных приспособле-
ниях прошлого (древнеримский абак, китайский саун-пан, японский
сарабан, русские счеты и т. п.), о механических вычислительных
машинах Паскаля и Лейбница, об арифмометрах Томаса, Однера,
Чебышева, об электромеханических клавишных и счетно-аналити-
ческих машинах. Следует обсудить на семинаре и общие принципы
электронных цифровых вычислительных устройств, отметив их осо-
бенности, достоинства и возможности по сравнению с механически-
ми и электромеханическими машинами этого типа. Желательно,
чтобы докладчики подготовили и продемонстрировали плакаты,
схемы, таблицы или модели, поясняющие принципы действия циф-
ровых вычислительных устройств.
Часть времени, отведенного на эти занятия, можно использовать
для практической работы по завершению монтажа и испытанию
однотактных автоматов.
Для дальнейшей работы по данной теме руководитель опреде-
ляет, исходя из материальных возможностей кружка и интересов
его членов, основные объекты для конструирования. Такими объек-
тами могут быть наряду с описанными выше и другие действующие
модели различных электронных цифровых вычислительных уст-
ройств, многотактные автоматы (автоматы с памятью), устройства,
необходимые для их питания и налаживания, и пр. (стабилизиро-
ванные выпрямители, генераторы импульсов и т. п.). В беседе с
кружковцами педагог дает предварительный анализ функциональ-
ных схем, принципа действия этих объектов конструирования, их
принципиальных схем. Затем обсуждаются варианты монтажных
схем и выбираются наиболее приемлемые. Педагог распределяет
между отдельными бригадами кружковцев задания по изготовле-
нию функциональных блоков (узлов) объектов, учащиеся подбира-
ют детали и материалы и приступают к работе над ними.
В очередной беседе с учащимися педагог обращает их внимание
на один существенный недостаток однотактных автоматов: у них
нет памяти и они не запоминают поступающую информацию. Для
нормальной работы таких автоматов все сигналы должны поступать
на их входы одновременно. Только при этом условии на выходах
107
будут появляться нужные результирующие сигналы. Между тем на
практике обычно сигналы поступают на входы логических устройств
неодновременно: например, сигнал на первый вход может поступить
раньше, чем на второй. Ясно, что однотактный автомат не может
справиться с преобразованием таких сигналов. Необходимо преду-
смотреть в структуре автомата дополнительные элементы и приспо-
собления, которые могли бы запомнить сигнал, поступивший на
первый вход, до появления сигнала на втором входе. Обычно для
запоминания сигналов в кибернетических устройствах применяются
специальные элементы — триггеры.
Триггер (от английского trigger — защелка, курок) определяет-
ся как бистабильный элемент, т. е. логическое устройство с обрат-
ными связями, которое может находиться в одном из двух устойчи-
вых состояний, обеспечиваемых этими связями. Простейший триггер
может быть описан структурными формулами, которые имеют сле-
дующий вид:
X=A + Y; Y=B+X.
Функциональная схема, соответствующая этим формулам, при-
ведена на рисунке 54. Анализируя ее, нетрудно убедиться, что при
кратковременной подаче на вход А сигнала 1 (если В = 0) триггер
принимает устойчивое состояние, характеризующееся сигналами на
выходах: Х = 0, У=1. Повторная подача сигнала 1 на вход А не
изменяет состояние триггера; на выходах его сохраняются значе-
ния: %=(), У= 1.
При кратковременной подаче сигнала 1 на вход В (если Л=0)
триггер «переворачивается», переходя в другое устойчивое состоя-
ние с сигналами на выходах: Х= 1, У=0. Теперь повторная подача
сигнала 1 на вход В также не изменяет состояния триггера. Для
очередного «переворачивания» нужно снова кратковременно подать
сигнал 1 на вход А.
В вычислительной технике обычно принято входы триггера обоз-
начать буквами S (от английского set — установить в состояние 1)
и R (от английского Reset — установить в исходное состояние,
вернуть в состояние 0); выходы обозначаются буквами Q и Q, так
как эти выходы инверсны: когда на
выходе Q имеется высокий уровень
напряжения (логическая 1), то на
выходе Q — низкий уровень (логи-
ческий 0). Сам этот триггер назы-
вают асинхронным -триггером —
этим названием подчеркивается, что
поступающие на входы триггера
сигналы вызывают изменение его
состояния немедленно, в любой мо-
мент времени. В отличие от асин-
хронных существуют и синхронные,
108
Рис. 55. Функциональные схемы и условные обозначения асинхронных
/?5-триггеров: а —триггер с прямыми входами на двух логических элемен-
тах 2ИЛЙ — НЕ; б — триггер с инверсными входами на двух логических
элементах 2И — НЕ
или тактируемые, триггеры; у этих логических элементов изменение
состояния под воздействием входных сигналов может происходить
лишь в строго определенные моменты времени, соответствующие
поступлению синхронизирующих (тактовых, разрешающих) импуль-
сов. Естественно, синхронные триггеры помимо информационных
входов S и R имеют и синхронизирующий (тактовый) вход С.
В зависимости от логической структуры различают 7?5-триггеры
с прямыми и с инверсными входами. Их схемы и условные обозна-
чения приведены на рисунке 55.
Работа асинхронных AfS-триггеров с прямыми (S и /?) и инверс-
ными (S и/?) входами хорошо описывается таблицами их состояний.
В таких таблицах символом t отмечают момент времени до подачи
сигналов (1 или 0) на входы, а символом ^+1 — момент времени
после поступления этих сигналов. Таким образом, Q1 — состояние
выхода Q до подачи, a Qr+I — после подачи сигналов на входы
триггера; состояния выходов Q1 и Q'+l в таблицах не указываются,
так как они являются инверсными по отношению к выходу Q. Табли-
цы состояний асинхронных /?5-триггеров с прямыми и инверсными
входами имеют следующий вид:
109
Рис. 56. Синхронный 7?S триггер: а — функциональная схема; б —
условное обозначение
Знаком * в этих таблицах отмечены запрещенные комбинации
состояний входов. Это запрещение объясняется тем, что у триггера
с прямыми входами при S = /? = 1 состояние становится неопреде-
ленным, так как после окончания действия входных сигналов он
может с равной вероятностью принять любое из устойчивых состоя-
ний; у триггера с инверсными входами такая же неопределенность
состояния возникает при S =/?=0.
Синхронные (тактируемые) /?5-триггеры могут быть реализова-
ны на основе асинхронных /?5-триггеров. Как уже было отмечено,
они имеют дополнительные входы синхронизации. Простым спосо-
бом преобразования асинхронного /?5-триггера в синхронный
/?5-триггер является включение на его входах дополнительных ло-
гических элементов И—НЕ или ИЛИ—НЕ. Например, это может
быть сделано так, как показано на рисунке 56.
Таблица состояний для изображенного на этом рисунке синхрон-
ного /?5-триггера имеет следующий вид:
t <4-1
S R с Q'+l
0 0 0 Q'
1 0 0 Q'
0 1 0 Q'
1 1 0 Q1
0 0 1 Q1
1 0 1 1
0 1 1 0
1 1 1 *
В вычислительной технике часто используется тактируемый
D-триггер (от английского Delay — задержка). Он имеет один ин-
формационный вход D и вход синхронизации С. Одна из возмож-
ных функциональных схем такого триггера показана на рисун-
ке 57, а. Если С=0, то состояние D-триггера устойчиво и не зависит
110
от сигнала на его информационном входе. При подаче на вход
синхронизации сигнала С = 1 информация на прямом выходе Q бу-
дет повторять сигнал, подаваемый на вход D. Таблица состояний
£)-триггера имеет следующий вид:
t /+1
D С Q' + '
0 0 Q‘
1 0 Q‘
0 1 0
1 1 1
Заметим, что в случае поступления сигнала на вход D в отсут-
ствии синхронизирующего импульса (т. е. при С=0) состояние
выхода Q1 сохраняется; оно изменится лишь после появления
следующего синхроимпульса (С=1). Таким образом, £)-триггер
осуществляет задержку поступающего на его информационный вход
сигнала на время одного такта синхронизации.
Из D-триггера введением обратной связи, как показано на ри-
сунке 58, а, может быть получен Т-триггер, называемый также
Рис. 57. Тактируемый D-триггер: а — функциональная схема; б —
условное обозначение
а
Рис. 58. Т-триггер (триггер со счетным сходом): а — функцио-
нальная схема; б — условное обозначение
111
триггером со счетным входом. Этот
триггер имеет один управляющий
вход Т и два выхода Q и Q. Он
«переворачивается», изменяя со-
стояние своих выходов, каждый раз,
когда на его вход поступает сиг-
нал Т= 1. Следовательно, при по-
даче тактовых импульсов на вход
Т-триггера на его выходе частота
импульсов уменьшается вдвое. По-
этому такой триггер можно исполь-
зовать в качестве делителя частоты
Рис. 59. Графическое обозначение И ДВОИЧНОГО Счетчика ИМПуЛЬСОВ.
микросхемы К155ТМ2 Следует обратить внимание на
возможное различие в способах
воздействия тактовых импульсов на
работу триггера. Синхронизация может быть потенциальной и ди-
намической. В первом случае воздействие осуществляется на про-
тяжении всей длительности тактового импульса (т. е. пока С= 1),
во втором случае синхроимпульс воздействует на триггер только в те-
чение перепада напряжения на входе синхронизации. Динамические
входы условно изображаются на схемах треугольником. Если верши-
на треугольника направлена в сторону микросхемы, то триггер «сра-
батывает» по фронту входного импульса, а если от нее — по срезу
импульса.
Наиболее сложен в схемном отношении //(-триггер; вместе с тем
он обладает наибольшими возможностями, и поэтому его называют
универсальным: при соответствующем подключении входной логики
//(-триггер может выполнять функции любого другого триггера.
Получить универсальный триггер можно из D-триггера, дополнив
112
его двумя входами S и R, как показано пунктирными линиями на
рисунке 57, а. Например, микросхема К155ТМ2 содержит два таких
триггера (рис. 59).
Преподаватель объясняет кружковцам, что триггеры могут быть
выполнены на электромагнитных реле, электронных лампах (трио-
дах), транзисторах, магнитных сердечниках и других двоичных
элементах. Принципиальная электрическая схема триггера на тран-
зисторах приведена на рисунке 60. Такой триггер кружковцы могут
смонтировать в виде развернутой демонстрационной модели, подоб-
ной таким же моделям логических элементов, описанным выше
(см. § 3.5).
Входами триггера R, Т и S служат кнопки SB1 — SB3, нажатием
которых подается напряжение высокого уровня — логическая 1.
Индикаторами выходов Q и Q являются лампы HL1 и HL2. При
включении питания триггера загорается одна из ламп, например
HL2. Если теперь на вход R подать 1 (нажав кнопку SB1), триггер
перейдет в противоположное устойчивое состояние — загорится
лампа HL1, а лампа HL2 погаснет. При поступлении на этот же
вход последующих идентичных импульсов состояние триггера не
изменяется. Чтобы его перевести в первое устойчивое состояние,
достаточно подать на вход S единицу (нажав кнопку SB3) — за-
горится HL2, a HL1 погаснет. При подаче импульсов то на один,
то на другой из входов S и R триггер будет работать как переклю-
чающий элемент. Можно подавать импульсы только на один вход Т
(нажимая кнопку SB2). Тогда с каждым нажатием этой кнопки
состояние триггера будет изменяться на противоположное, на что
укажет поочередное загорание ламп.
Для иллюстрации использования триггеров в электронных
устройствах можно рассмотреть (и при желании кружковцев изгото-
вить) игровой автомат «Кто быстрее», применив микросхемы
К155ТМ2. Эта игра представляет собой небольшой ящичек, на верх-
ней, лицевой, панели которого расположены две кнопки и два инди-
катора-светодиода игроков, а также светодиод-индикатор сигнала
судьи. Кнопка судьи делается выносной.
По сигналу судьи — включению светодиода нажатием кнопки —
каждый из двух соревнующихся спешит включить свою лампочку
(светодиод) нажатием своей кнопки. У того, кто это сделает пер-
вым, светодиод загорается; светодиод отставшего соперника не
загорается вообще. Чтобы повторить игру, нужно отпустить кнопку
судьи и нажать ее снова.
Принципиальная схема игрового автомата приведена на рисун-
ке 61. Рассмотрим его действие. Пока кнопка судьи SB3 не нажата,
триггер DD1.1 находится в единичном состоянии, инверсный
выход этого триггера сбрасывает триггеры DD2.1 и DD3.1 в нуле-
вое состояние — индикаторы не светятся. При нажатии кнопки
SB3 на прямом выходе триггера DD1.1 устанавливается нулевой
уровень напряжения — загорается светодиод HL3. Одновременно
с инверсного выхода этого триггера на входы С триггеров DD2.2
113
и DD3.2 поступает тактовый (разрешающий) импульс, и эти триг-
геры устанавливаются в единичное состояние. С прямого выхода
триггера DD2.2 единица поступает на информационный вход D
триггера DD3.1, а с прямого выхода DD3.2 единица приходит на
информационный вход D триггера DD2.1. Если теперь нажать одну
из кнопок игроков, например SB1, то на прямом выходе триггера
DD2.2 возникнет нулевой уровень, а на инверсном — единичный.
Единичный уровень с триггера DD2.2 поступает на тактовый вход С
триггера DD2.1, и светодиод HL1, загораясь, фиксирует выигрыш
первого игрока. Нулевой уровень с триггера DD2.2 поступает на
вход D триггера DD3.1. Поэтому при нажатии кнопки SB2 вторым
игроком светодиод HL2 уже не загорится.
Если кто-либо из игроков нажмет свою кнопку до того, как судья
подал стартовый сигнал (нажав свою кнопку SB3 и включив свето-
диод HL3), то триггеры DD2.2 и DD3.1 не изменят своего состояния,
так как на их входах R — нулевой уровень напряжения.
Для дальнейшей работы в кружке с цифровыми электронными
устройствами, их испытания и налаживания, а также для проверки
работоспособности микросхем функционального назначения могут
понадобиться испытательные генераторы импульсов различной дли-
тельности и частоты следования. Простые генераторы этого типа,
достаточно удобные и надежные, могут быть изготовлены самими
кружковцами под руководством педагога. На рисунке 62 представ-
лена принципиальная схема возможного варианта такого прибора-
помощника, который позволяет получать как одиночные импульсы
напряжения длительностью около 0,5 с, так и периодически повто-
ряющиеся импульсы с частотой следования, регулируемой в доста-
точно широких пределах.
114
На элементах DD1.1 и DD1.2 собран ждущий мультивибратор.
При кратковременном нажатии кнопки SB1 ЗАПУСК он формирует
импульс отрицательной полярности, длительность которого (0,5 с)
не зависит от длительности нажатия кнопки SB1. При верхнем по
схеме положении переключателя SA1 этот импульс поступает на
гнезда XS1 и XS2 ВЫХОД. С этих гнезд сигнал подают на вход
испытываемой микросхемы или нужного каскада налаживаемого
устройства. Светодиод HL1 индицирует появление импульса и его
длительность.
При нижнем по схеме положении переключателя SA1 к выходу
прибора подключается мультивибратор, собранный на элементах
DD1.3, DDI.4 и DD2.1. Он вырабатывает импульсы положительной
полярности, длительность и частоту следования которых можно
изменять переменным резистором R6 ЧАСТОТА. Для того чтобы
работу этого генератора можно было контролировать на слух, к
нему подключен вспомогательный мультивибратор, собранный на
элементах DD2.2, DD2.3 и DD2.4. Генерируемые им импульсы часто-
+5В
Рис. 62. Принципиальная схема прибора для проверки и налаживания
цифровых электронных устройств
115
той около 1000 Гц поступают на телефон ВА1. Звук в телефоне
будет слышен лишь тогда, когда на вывод 10 элемента DD2.3 по-
ступает высокий уровень напряжения с контролируемого генератора
(с вывода 11 элемента DD1.4).
Описанный прибор целесообразно смонтировать в одном корпусе
с источником стабилизированного напряжения, о котором было
рассказано выше (см. рис. 53). Получится удобный в работе комби-
нированный аппарат, получающий питание от сети переменного
тока напряжением 220 В.
Продолжая далее знакомить кружковцев с материалом данной
темы, руководителю следует рассказать им о таких функциональных
узлах цифровых электронных устройств, как регистры и счетчики.
Регистры можно получать, объединяя в группы некоторое число
триггеров. Такие группы являются простейшими запоминающими
устройствами, способными хранить дискретную информацию в виде
двоичных чисел. Основными видами этих функциональных узлов
являются параллельные и последовательные регистры.
Параллельный регистр может быть построен на тактируемых
D-триггерах. Число триггеров равно количеству разрядов записы-
ваемого в регистр двоичного числа. Код этого числа (единицы и
нули) подается на информационные D-входы всех триггеров и
записывается с приходом очередного тактового импульса на их
С-входы. Для изменения записи числа в регистре требуется подача на
D-входы другой комбинации единиц и нулей и появление на С-вхо-
дах триггеров следующего синхроимпульса. Такие регистры исполь-
зуют в системах памяти ЭВМ (рис. 63).
Последовательным (сдвигающим) регистром называется ре-
гистр, в котором запись информации производится в последова-
тельном коде — разряд за разрядом (рис. 64). С приходом такто-
вого импульса С=1 первый триггер записывает кодовый сигнал
(0 или 1), находящийся в этот момент на его D-входе, а каждый
следующий триггер переключается в состояние, в котором до этого
находился предыдущий триггер. Так происходит потому, что запи-
сываемый сигнал приходит со входа D к выходу Q триггера с за-
держкой, большей длительности фронта тактового импульса (в
течение которого происходит запись). Каждый тактовый импульс
Рис. 63. Параллельный регистр на 4 двоичных разряда:
схема; б — условное обозначение
а — функциональная
116
б
а
Рис. 64. Последовательный регистр на 4 двоичных разряда: а — функциональная
схема; б — условное обозначение
последовательно сдвигает код числа на один разряд. Поэтому для
записи TV-разрядного кода требуется N тактовых импульсов.
Если необходимо получить хранимую регистром информацию
в последовательном коде, то ее снимают с последнего выхода (на
схеме — с выхода Q4) в моменты прихода очередных тактовых
импульсов. Такой режим называют режимом последовательного
считывания. Но можно осуществить и параллельный вывод инфор-
мации одновременно с выходов Q1—Q4. В этом случае регистр
сдвига выполняет функцию преобразования последовательного
кода в параллельный.
Счетчик — это устройство, предназначенное для счета числа
импульсов, поступающих на его вход, и фиксации этого числа. Он,
как и сдвигающий регистр, составляется из цепочки триггеров.
На рисунке 65 приведена функциональная схема последовательного
двоичного четырехразрядного счетчика на /’-триггерах. Для уста-
новки счетчика перед началом счета в нулевое состояние (Q = 0,
Q=l) триггеры имеют /?-входы (сброс). Установка на нуль осу-
ществляется подачей на эти входы логического нуля или единицы
в зависимости от конструкции счетчика.
Подлежащие счету импульсы подаются на счетный /'-вход триг-
гера первого разряда, на триггеры последующих разрядов сигналы
переключения поступают с инверсных выходов триггеров предыду-
щих разрядов. Двоичные цифры, отображающие состояние тр-игге-
Рис. 65. Функциональная схема четырехразрядного двоичного счетчика
на Г-триггерах
117
ров QI—Q4, образуют двоичный код числа импульсов, поступивших
на вход счетчика. После прихода 16-го импульса четырехразрядный
счетчик возвращается в исходное нулевое состояние, и далее начи-
нается новый цикл счета. Таким образом, максимальное число,
которое способен «запомнить» счетчик, содержащий п триггеров,
Е=2п—1. Это число называется емкостью счетчика.
В любительских конструкциях часто применяется счетчик на
микросхеме К155ИЕ5 (рис. 66), содержащий четыре триггера. Три
из них соединены в трехразрядный двоичный счетчик и имеют
общий счетный вход С2, а четвертый триггер имеет отдельный
счетный вход С1 и отдельный прямой выход Q1. Поэтому, соединив
этот выход со входом С2, можно получить четырехразрядный двоич-
ный счетчик.
Для практического ознакомления кружковцев с использованием
счетчиков в электронных цифровых устройствах можно предложить
им собрать простую конструкцию «Бегущие огни». Принципиальная
схема этого устройства приведена на рисунке 67. Устройство содер-
жит счетчик импульсов на микросхеме DD1 К155ИЕ5 и уже знако-
мый учащимся дешифратор DD2 на микросхеме К155ИДЗ со свето-
диодами HL1 — HL16. Для приведения в действие собранной конст-
рукции на ее вход С1 нужно подать импульсы напряжения от
генератора импульсов, описанного выше (см. рис. 62), подобрав
наиболее подходящую частоту следования импульсов. Светодиоды-
индикаторы будут поочередно загораться и гаснуть по мере по-
ступления импульсов с генератора на счетчик.
На основе подобных счетчиков и дешифраторов могут быть
сконструированы, например, электронные часы, секундомер, раз-
личные игровые автоматы и другие устройства.
Следующим этапом теоретических занятий и практической
работы в кружке является продолжение знакомства с элементами
теории конечных автоматов: учащиеся должны получить представ-
ление о методах синтеза многотактных автоматов (т. е. автоматов
с памятью). Основные этапы синтеза таких автоматов целесообраз-
но рассмотреть на конкретном и достаточно простом примере. Таким
примером может послужить модель автоматического контролера
метро (рис. 68).
Проход турникета пересекается двумя световыми лучами от
специальных осветителей 01 и 02. Если монета не была опущена в
монетоприемник, то при пересечении человеком первого луча вклю-
чается звуковой сигнал (звонок) и механический заградитель пре-
граждает проход. При опускании монеты загорается световое табло
«Идите», а горевшее до этого табло «Опустите монету» гаснет;
звуковой сигнал и механический заградитель при этом не включают-
ся. После пересечения второго светового луча автомат возвраща-
ется в исходное «контролирующее» состояние, причем снова заго-
рается табло «Опустите монету».
По этому описанию нужно сконструировать предложенное
кибернетическое устройство.
118
Рис. 66. Графическое обозначение
микросхемы К155ИЕ5, используе-
мой в качестве четырехразрядного
двоичного счетчика
генератору
Рис. 67. Принципиальная схема
устройства «Бегущие огни»
119
В отличие от однотактных автома-
тов этот автоматический контролер
должен обладать памятью: получив
монету, он помнит об этом, пока чело-
век не пройдет через турникет.
Работа автомата протекает в не-
сколько тактов: он последовательно
переходит от одного состояния к друго-
му (отсюда и название — многотакт-
ный автомат). Условия работы подоб-
ных автоматов удобно анализировать, пользуясь так называемыми
графами.
Каждое состояние автомата на графе обозначается кружком с
определенным символом: а0 — исходное состояние автомата; at —
следующее его состояние и т. д. Переходы из одного состояния в
другое обозначаются стрелками, над которыми указывается, под
влиянием какого сигнала происходит переход в новое состояние
и какой сигнал при этом появляется на выходе. Например, на ри-
сунке 69 показано, что автомат из состояния п0 в состояние щ пере-
ходит под влиянием сигнала А; при этом на выходе появляется
сигнал X. Под воздействием сигнала В автомат, находясь в состоя-
нии П|, сохраняет это состояние, и на выходе появляется сигнал У.
Составим граф для нашего кибернетического контроллера.
Прежде всего отметим возможные состояния автомата: По —
исходное, «ждущее» (включено табло «Опустите монету»); at — за-
прещение прохода (включено табло «Опустите монету», звенит
звонок, опущен заградитель); пг — разрешение прохода (включено
табло «Идите»).
Введем обозначения: М — монета опущена в монетоприемник;
А — человек вошел в турникет (пересек первый световой луч);
В — человек прошел турникет (пересек второй световой луч); X—
включено табло «Опустите монету»; У — включено табло «Идите»;
Z — звенит звонок, опущен заградитель.
Граф кибернетического контролера изображен на рисунке 70, а.
По нему удобно проследить работу автомата. Пока на входе нет
А, М(Х)
120
Рис. 70. Модель автоматического контроллера метро: а — граф-схема; б — струк-
турная схема; в — функциональная схема; г — принципиальная электрическая
схема модели на основе релейно-контактных логических элементов
121
единичных сигналов (А=0, Л1 —0), он находится в исходном
состоянии ао. В состояние сц он переходит под воздействием сиг-
нала А = 1, в состояние а2—под воздействием сигнала М = 1.
В исходное положение (состояние) ао автомат может вернуться из
состояния at — под воздействием сигнала А = 1 (человек вышел
обратно из турникета) или из состояния а2 — под воздействием
сигнала В=1. Если сигнал А = 1 поступит в состояниях at или а2,
то автомат не изменит того состояния, в котором он находится.
Конструируемый автомат можно представить в виде системы,
содержащей следующие узлы:
1. Память — группа триггеров. Автомату необходимо помнить,
в каком состоянии он находится. Так как состояний всего три, то
достаточно взять два триггера и закодировать эти состояния двоич-
ными двухразрядными числами: состояние ао — 00; состояние
а1 — 01; состояние а2 — 10. С помощью группы из двух триггеров
автомат может запоминать и демонстрировать эти двоичные числа.
2. Комбинационная схема — логический блок, в котором обра-
батываются сигналы с учетом состояния автомата.
3. Входные устройства: монетоприемник, фоторезисторы, вос-
принимающие сигналы Л и В.
4. Выходные устройства: световые табло X и Y, механический
заградитель и звонок Z.
Структурная схема автомата представлена на рисунке 70, б.
Сигналы, поступающие на входы А, В и М, не только формируют
сигналы на выходах X, Y и Z, но и воздействуют на блок памяти
по каналам у\ и у2. Из блока памяти в комбинационную схему сиг-
налы о состоянии автомата идут по линиям Xi и х2. Выходные сиг-
налы формируются под воздействием входных сигналов А, В и М
и поступающих из памяти сигналов %i и х2.
Теперь в соответствии с графом составим таблицу работы авто-
мата.
состояние Входные сигналы Выходные сигналы Изменение состояния
Х1 Х2 м А в У> 4/2 X У Z
По 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 Оставаться в состоянии ао Перейти из ао в а. Перейти из ао в аг
П1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 Оставаться в состоянии ai Вернуться из а, в ао
а2 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 Оставаться в состоянии аг Перейти из аг в ао
122
Структурные формулы составляются для многотактных автома-
тов по тем же правилам, что и для однотактных. Для нашего кибер-
нетического контроллера они выглядят так:
Х=Х]-Х2-М-А • В А~х\-Х2- М-А- В A Xt-X2- М-А- В А
+ %i - яг - М-А - В +*i • Х2-М-А • В=(х]-В -|-Х1 -х2-А В}-М\
Y=Xi-X2-M-A • В A~xi-X2- М-А- В = (xi-M-A Axi-M-A)-X2-B;
Z = xi-X2-M-A-B-Yxi-X2-M-A-B—xi-M-A-B;
t/j = xi - Х2-М-А - В A-xi-X2-М-А - B = (xt-M-B -Y xi - М- В)-Х2-А;
y2 = xi-Х2-М-А-В ~Yxt-X2-М-А - В =(хг-A A X2-A)-xi-M-В.
На основании этих структурных формул составляется функцио-
нальная схема (рис. 70, в). Она получается несколько сложнее,
чем рассмотренные ранее схемы однотактных автоматов. Но при
построении принципиальной электрической схемы возможны значи-
тельные упрощения. Так, можно упростить схему автоматического
контролера, применив в качестве двоичных элементов электро-
магнитные реле с переключающимися контактами.
На рисунке 70, г приведена принципиальная схема такого авто-
мата. Объясним его работу подробнее. При включении тумблера
SA1 и осветителей (на рисунке 70, г последние не показаны) реле К2
и КЗ возбуждаются, так как освещенные фоторезисторы R1 и R2
имеют малые сопротивления. Контакты К3.1 замыкаются, а контак-
ты К2.1 размыкают цепь звонка Зе и электромагнита YA1. В этом
состоянии автомат готов к работе. При опускании монеты кратко-
временно замыкаются контакты М монетоприемника и возбужда-
ется реле К1, вызывая следующие изменения в цепях: контакты
К11 отключают лампу HL1 («Опустите монету») и подключают
лампу HL2 («Идите»); контакты К1-2 отключают цепь звонка и
заградителя; контакты К13, замыкаясь, блокируют контакты мо-
нетоприемника.
Такое состояние цепей сохраняется до тех пор, пока не будет
пересечен второй световой луч (при пересечении первого светового
луча реле К2 отпускает свои контакты К2.1, но цепь звонка и загра-
дителя остается разомкнутой, так как разомкнуты контакты К1-2).
При пересечении второго луча затемняется фоторезистор R2, ток
через реле КЗ уменьшается, реле отпускает свои контакты К3.1,
которые, размыкаясь, возвращают автомат в исходное состояние.
Если монета не была опущена в монетоприемник, то реле К1 не
включается. При пересечении первого луча затемняется фоторе-
зистор R1, реле К2 отпускает свои контакты К2.1, включая звонок
и электромагнит YA1 заградителя (контакты К12 замкнуты!).
Описанную модель кибернетического контролера можно со-
брать на занятиях в кружке. В качестве реле К1 используется реле
типа МКУ-48 для переменного тока, реле К2 и КЗ типа РКН; фото-
резисторы R1 и R2 типа ФС-К1 или ФС-Д1; сопротивление резисто-
ра R*3 (несколько сотен Ом) подбирается опытным путем — по
123
четкости срабатывания реле К2 и КЗ при затемнении фоторезисто-
ров; конденсатор С1 10 мкХ450 В; диод VD1 типа Д226Б; контакты
монетоприемника и другие детали самодельные.
Заметим, что мы здесь несколько упростили работу автоматичес-
кого контролера метро. Настоящий контролер-автомат, кроме
указанных действий, проверяет качество опущенных монет и выпол-
няет некоторые другие операции.
Обобщая рассмотренный пример, руководитель перечисляет по-
следовательные этапы конструирования многотактного автомата:
1) определение числа состояний, в которых может находиться
автомат, его входов и выходов;
2) составление графа;
3) расчет объема памяти и кодирование состояний автомата;
4) составление таблицы работы автомата;
5) запись структурных формул для каждого выхода и формул
для управления каждым триггером; упрощение этих формул;
6) вычерчивание функциональной схемы;
7) составление принципиальной электрической схемы;
8) составление монтажной схемы.
Только после этого можно приступать к постройке автомата.
В качестве упражнения можно предложить кружковцам сконст-
руировать еще один автомат с памятью — замок с секретом. Этот
замок должен открываться, если сначала нажать кнопочный выклю-
чатель А, а затем — дважды нажать кнопочный выключатель В;
при всех иных последовательностях нажатия кнопок (всего выклю-
чателей три — А, В и С) должен включаться сигнал тревоги. При-
меняя описанный метод конструирования автоматов с памятью,
учащиеся должны справиться с этой задачей.
Руководитель разъясняет учащимся, что многотактные авто-
маты способны выполнять самые сложные виды «умственной» рабо-
ты: они могут накапливать опыт, обучаться. Это можно проиллюст-
рировать рассказами о моделировании условных рефлексов техни-
ческими средствами, об играющих машинах и других технических
самообучающихся системах. Подробное знакомство кружковцев с
подобными системами предусмотрено на 2-м и 3-м годах занятий
кружка.
Следующие очередные занятия кружка можно посвятить обсуж-
дению устройства и назначения некоторых не рассматривавшихся
ранее операционных элементов и узлов цифровой техники: преобра-
зователей кодов (мультиплексоров и демультиплексоров), элемен-
тов ввода и вывода цифровой информации и пр. Беседы руково-
дителя кружка и сообщения кружковцев должны быть краткими,
так как основное время занятий используется для практической
работы по изготовлению выбранных ранее объектов труда.
Мультиплексор (рис. 71)—это операционный узел, имеющий
несколько информационных £)-входов (например, DO, DI, D2, D3)
и один выход Q и осуществляющий последовательное подключение
этих входов к выходу в соответствии с адресным кодом, поступаю-
124
Рис. 71. Мультиплексор с четырьмя информационными входами: а —
функциональная схема; б — условное обозначение
щим на дополнительные (адресные) входы (SI, S2). Мультиплексор
применяют для последовательного опроса заданного числа инфор-
мационных входов и передачи их сигналов на выход. Таблица его
состояний имеет следующий вид:
увеличено, но при этом возрастает и разрядность адреса 5. Кроме
D-входов и S-входов, мультиплексор имеет также вход синхрони-
зации (стробирующий вход), на схеме не указанный.
Демультиплексор (рис. 72) восстанавливает мультиплекси-
рованную информацию: в соответствии с принятым адресом он
направляет сигнал со входа D на один из выходов Q. Так, например,
при четырех выходах работа демультиплексора описывается сле-
дующей таблицей:
.8 1 S2 Q 0 Q 1 Q 2 Q 3
0 0 D 0 0 0
0 1 0 D 0 0
1 0 0 0 D 0
1 1 0 0 0 D
D DMX
S1
S2
Q0
Q1
Q2
Q3
На занятии могут быть кратко оха-
рактеризованы различные устройства вво-
да цифровой информации (кнопочные Рис. 72. Демультиплексор
125
переключатели, контактные клавиатуры и т. п.) и устройства вы-
вода (точечные, цифровые, знаковые индикаторы и индикаторные
табло на их основе).
Заключительное занятие по теме целесообразно провести в фор-
ме семинара, проведя к нему соответствующую предварительную
подготовку. Докладчики должны раскрыть историю развития элект-
ронной цифровой вычислительной техники от появления первых
релейно-контактных и ламповых ЭВМ до современных микрокаль-
куляторов и персональных компьютеров, рассказать о смене поко-
лений ЭВМ за последние десятилетия, о перспективах совершенст-
вования и применения цифровых автоматов и систем в будущем.
Как и на первом семинаре, здесь нужно стремиться использовать
изготовленные докладчиками и другими членами кружка наглядные
пособия, схемы и таблицы, а также самодельные конструкции круж-
ковцев.
§ 3. 8. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Примерное распределение материала по занятиям
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
1 Общие сведе- ния об аналого- вых вычислитель- ных устройствах (семинар) Общий принцип действия и основные особенности аналого- вых вычислительных устройств. Физическое и математическое моделирование. Электрические модели Доклады и сообщения членов кружка. Изго- товление и испытание миоготактных автоматов и других цифровых устройств
2 Простейшие ана- логовые вычисли- тельные устройст- ва Простые реостатно-потенцио- метрические решающие схемы для выполнения арифметиче- ских действий Анализ работы про- стых реостатио-потенцио- метрических решающих приборов
3 Мостовые ре- шающие приборы Схемы мостовых решающих устройств и их использование для выполнения арифметиче- ских операций Анализ работы мосто- вых решающих прибо- ров. Выбор конструк- ций аналоговых уст- ройств для моделирова- ния. Подбор деталей, материалов
4 Функциональ- ные потенциомет- ры Принцип действия функцио- нальных потенциометров. Спо- собы получения заданной функ- циональной зависимости Конструирование и из- готовление аналоговых вычислительных уст- ройств и их моделей
5 Операционные решающие блоки аналоговых вы- числительных ма- шин Некоторые решающие блоки аналоговых вычислительных ма- шин: масштабный блок, сум- матор, блоки умножения и де- ления, интегратор, блок диф- ференцирования Изготовление аналого- вых вычислительных уст- ройств и их моделей
6—7 Аналоговые вы- числительные ма- шины и системы Особенности конструкций и электрических схем аналого- вых вычислительных устройств и систем Изготовление анало- говых вычислительных устройств и их моделей
126
Работа аналоговых вычислительных
машин (устройств непрерывного дейст-
вия) основана на математическом подо-
бии различных по своей природе физиче-
ских процессов, описываемых одинако-
выми математическими (алгебраически-
ми или дифференциальными) уравнения-
ми. В таких устройствах задачи решают-
ся постановкой опытов, в которых трудно-
осуществимый процесс заменяется дру-
Рис. 73. Схема простой элект-
рической цепи
гим, равноценным ему в математическом
отношении, но легче воспроизводимым. При этом одно физическое
явление служит математической моделью другого (отсюда еще
одно название таких устройств — моделирующие).
Например, для электрической цепи, схема которой изображена
на рисунке 73, справедливо следствие из закона Ома:
U = JR.
Изменяя здесь одну величину, например сопротивление R, мож-
но получить закономерное изменение другой величины, например
силы тока /.
Представим себе теперь соотношение, выражающее закономер-
ность равномерного движения тела:
s = vt.
Оба соотношения аналогичны. Поэтому, если изменять в элект-
рической цепи напряжение U пропорционально пути s, а сопротив-
ление R — пропорционально времени t, то изменение значений силы
тока J будет пропорционально изменению скорости v.
Таким образом, для исследования равномерного движения тел
можно не обращаться к реально двужущимся объектам, а исполь-
зовать формальную аналогию между законом равномерного дви-
жения тела и законом Ома.
Во многих случаях аналоговое устройство не отражает непосред-
ственно какого-либо реального объекта, но преследует чисто вычис-
лительную цель и строится так, что соотношения между физичес-
кими величинами соответствуют поставленной математической
задаче. При этом исходные, промежуточные и выходные данные
изображаются в виде непрерывных значений каких-либо физи-
ческих величин.
Простейшими примерами аналоговых вычислительных устройств
такого рода могут служить различные образцы счетных механи-
ческих (логарифмических) линеек. С помощью аналоговых уст-
ройств помимо четырех арифметических действий можно реализо-
вать дифференцирование и интегрирование, образование сложных
функциональных зависимостей и пр. Точность решения задачи за-
висит от качества изготовления отдельных элементов и в лучших
случаях ограничивается тремя четырьмя значащими цифрами.
127
Обычно аналоговые вычислительные машины составляются из
отдельных узлов — блоков, выполняющих те или иные арифмети-
ческие операции. Для решения каждой новой задачи необходимо
изменять всю схему взаимодействия этих блоков. Поэтому все
аналоговые машины являются более или менее узкоспециализи-
рованными, т. е. каждая из них пригодна для решения лишь опре-
деленного класса математических задач.
Не все типы аналоговых вычислительных устройств одинаково
доступны по принципу действия пониманию учащимся-старшеклас-
сникам. Поэтому на занятиях кружка по этой теме следует дать
только общие представления о сущности выполняемых такими уст-
ройствами операций, а затем рассмотреть подробнее некоторые
наиболее простые аналоговые устройства: реостатно-потенциомет-
рические цепи, мостовые схемы, некоторые виды функциональных
преобразователей и др.
Первое занятие рекомендуется провести в форме семинара. На
этом занятии докладчики в своих выступлениях рассказывают о
характерных особенностях работы аналоговых вычислительных
устройств и систем, знакомят кружковцев с конструкциями некото-
рых из них, с принципами физического и математического модели-
рования. Можно включить в программу семинара сообщения о
принципах работы различных механических моделирующих уст-
ройств (тангенсный и фрикционный механизмы, логарифмическая
линейка и т. п.), а также об электромоделирующих установках.
На следующих занятиях можно познакомить кружковцев с про-
стыми реостатно-потенциометрическими и мостовыми устройствами,
предназначенными для выполнения арифметических операций.
Простейшим устройством этого типа является обычный проволоч-
ный реостат, представляющий собой каркас из изоляционного мате-
риала с намотанной на него проволокой высокого сопротивления,
по которой скользит щетка (ползунок). Ширина каркаса на всем
его протяжении одинакова. Если включить такой переменный ре-
зистор по схеме, приведенной на рисунке 74, и подать на вход цепи
напряжение U1, то вольтметр на выходе покажет напряжение U2,
величина которого зависит от положения щетки потенциометра и
находится в пределах от 0 до U1. Всегда можно установить щетку
в такое положение, что напряжение на выходе будет равно опреде-
ленной части от поданного на вход напряжения. Таким образом,
0-
Ui
0-
Рис. 74. Схема умно-
жения числа на по-
стоянный коэффициент,
меньший единицы
мы получаем устройство, умножающее пере-
менную величину — входное напряжение U1 —
на любое постоянное число меньше единицы.
Это устройство называется линейным по-
тенциометром.
Аналоговое устройство для вычисления
суммы двух чисел можно собрать по схеме,
приведенной на рисунке 75,а. Здесь числа-
слагаемые устанавливаются с помощью щеток
128
Рис. 75. Аналоговые сумматоры: а — с вольтметрами; б — с амперметрами
потенциометров R1 и R2 и отсчитываются по показаниям вольт-
метров VI и V2. Сумма оценивается по показанию вольтметра V3,
включенного на выходе цепи.
Аналоговый сумматор можно построить и по схеме, изображен-
ной на рисунке 75,6. В этом случае суммируются не напряжения,
а токи: ток в общей части цепи, измеряемый амперметром АЗ, равен
сумме токов, протекающих в отдельных ветвях и измеряемых ампер-
метрами А1 и А2. Заметим, что по этой схеме можно собрать сум-
матор для трех и большего числа слагаемых, для чего к двум ветвям
в электрической цепи нужно присоединить параллельно еще столько
же подобных ветвей, чтобы общее число параллельных ветвей в
цепи было равно числу слагаемых.
Для моделирования всех четырех действий арифметики можно
воспользоваться мостовыми схемами. Например, для моделирова-
ния сложения и вычитания чисел следует собрать цепь, схема кото-
рой приведена на рисунке 76,а. В этой схеме г! = г2. Поэтому при
равновесии моста
RI = R2 + R3.
Рис. 76. Схемы мостов: а — для моделирования сложения и вычита-
ния двух чисел; б — для моделирования умножения и деления двух
чисел
5 Заказ 734
129
Здесь удобно применить кольцевые радиотехнические потенцио-
метры на 2 кОм типа ПЭ-7, ПЭ-15, ПП-11 и т. п. К ним нужно при-
делать равномерные шкалы, имеющие по 100 делений, а к щеткам
прикрепить стрелки-указатели. Для сложения чисел устанавливают
щетки реостатов R2 и R3 так, чтобы сопротивления этих реостатов
были пропорциональны слагаемым числам а и Ь. Затем, перемещая
щетку реостата R1, добиваются равновесия моста (при этом стрелка
гальванометра устанавливается на 0). В этом случае сопротивление
плеча R1 будет равно сумме: с=а-\~Ь.
Чтобы выполнить вычитание двух чисел, устанавливают щетку
реостата R1 на деление шкалы, соответствующее уменьшаемому с,
а щетку одного из оставшихся реостатов, например R2— на деление
шкалы, соответствующее вычитаемому а. Затем, передвигая щетку
реостата R3, добиваются равновесия моста и по шкале этого реоста-
та отсчитывают величину разности: Ь = с — а.
Для моделирования действий умножения и деления собирают
мост по схеме, показанной на рисунке 76,6. При равновесии этого
моста
4=44 откуда
R R2 ’ } R2
В этой модели также все четыре реостата должны иметь одина-
ковые сопротивления. Для выполнения действия умножения уста-
навливают указатель по шкале реостата R2 на первом делении; ука-
затели на шкалах реостатов R и R1 устанавливают на делениях,
соответствующих перемножаемым числам. Затем реостатом Rx
производят балансировку моста и отсчитывают по шкале этого рео-
стата величину произведения.
Чтобы выполнить действие деления, устанавливают указатель
реостата R на деление 1, а указатели реостатов R1 и R2 — на
делениях, соответствующих делимому и делителю. Тогда после ба-
лансировки моста реостатом Rx по шкале реостата можно будет
отсчитать значение частного.
В аналоговой вычислительной технике наряду с линейными по-
тенциометрами, рассмотренными выше, используются также и
нелинейные — функциональные потенциометры. В отличие от ли-
нейных потенциометров, имеющих каркас постоянной (вдоль его
оси) ширины, функциональные потенциометры изготовляются на
каркасах, ширина которых неравномерна и зависит от характера
моделируемой функциональной зависимости (рис. 77).
Например, при постоянной ширине каркаса
U2=UfX.
При линейном возрастании ширины каркаса
9
U2 = U[-X .
В общем случае для получения функциональной зависимости
вида
130
Рис. 77. Функциональные потенциометры: а — линейный (u2 = Ui-x); б — квадра-
тичный (и2 = щ • х2); в — для получения функциональной зависимости U2 = tii-f (х)
U2 = Ui-f(x)
сторона каркаса должна иметь вид кривой, соответствующей
функции
Потенциометр является весьма гибким аналоговым устройством,
что обусловливает его широкое применение.
Аналоговое устройство, с помощью которого можно реализовать
ту или иную математическую зависимость, называют решающим
блоком. Аналоговые вычислительные машины (АВМ) представля-
ют собой наборы таких блоков, каждый из которых способен выпол-
нять простейшую математическую операцию (сложение, вычита-
ние, умножение, деление, дифференцирование, интегрирование).
На практике более точные результаты математических операций
могут быть получены соединением пассивных элементов (резисторы,
конденсаторы) с активным элементом — усилителем постоянного
тока. Такой усилитель, называемый операционным, совместно с
пассивными элементами и образует операционный решающий блок.
Количество таких блоков в АВМ и способы их соединения опреде-
ляются конкретным характером решаемых машиной задач.
Перечислим основные операционные решающие блоки АВМ с
указанием их функций и схематического изображения, не останав-
ливаясь детально на устройстве этих блоков.
Линейные решающие блоки:
1. Масштабный усилитель (рис. 78,а) осуществляет умножение
входного сигнала на постоянный коэффициент k:
где k — коэффициент передачи масштабного усилителя.
При k = 1 масштабный усилитель называется инвертором, так
как он производит только изменение знака входной величины.
2. Сумматор (рис. 78, б) осуществляет суммирование величин,
поданных на его входы, с одновременным умножением входных
5* 131
Рис. 78. Операционные решающие блоки АВМ: а — масштабный усилитель; б —
сумматор; в — интегратор (интегросумматор); г — блок дифференцирования; д —
функциональный преобразователь; е — блок умножения; ж — блок деления
величин на некоторые коэффициенты:
п
i — I
где kt — коэффициент передачи сумматора по t-му входу.
3. Интегратор (интегросумматор; рис. 78,в) осуществляет ин-
тегрирование входных величин по времени и их суммирование:
п t
<=i Jo
где kt — коэффициент передачи интегратора по t-му входу.
4. Блок дифференцирования (рис. 78, г) осуществляет диффе-
ренцирование входной величины UBX:
U = kdlJm
dt ’
где k — коэффициент передачи.
Нелинейные решающие блоки:
1. Функциональный преобразователь (рис. 78, д) осуществляет
воспроизведение заданной функциональной зависимости:
2. Блок умножения (рис. 78, е) перемножает входные величины
132
и умножает их произведение на некоторый постоянный коэффи-
циент:
ЦВЬ1Х=Ш-Ц2-
3. Блок деления (рис. 78, ж) производит деление одной из вход-
ных величин на другую и умножает результат на постоянный коэф-
фициент:
U =k—
« и2-
Кроме перечисленных операционных решающих блоков, в АВМ
используются и другие блоки.
На занятиях в кружке руководитель знакомит учащихся с осо-
бенностями конструкций и электрических схем АВМ; кружковцы
занимаются конструированием, монтажом и налаживанием моделей
аналоговых вычислительных устройств, готовятся к проведению
итоговых отчетных мероприятий.
§ 3.9. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭВМ. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Примерное распределение материала по занятиям
№ за- нятия Тема Теоретические сведения Практические работы
1 Арифмети- ческие и логи- ческие основы цифровых ЭВМ Повторение: системы счис- ления; алгебра высказыва- ний; однотактиые и много- тактные автоматы. Алгорит- мы. Принципы алгоритмиза- ции в использовании вычис- лительной техники Завершение практических работ по изготовлению ана- логовых вычислительных устройств и их моделей. Упражнения в конструирова- нии алгоритмов
2 Структура ЭВМ Основные устройства ЭВМ, их назиачеиие, взаимодейст- вие. Конструкции и функцио- нирование конкретных типов ЭВМ Ознакомление с конструк- циями микрокалькуляторов и персональных ЭВМ. Работа на микрокалькуляторах и ЭВМ
3 Элементы программиро- вания Алгоритмический язык Бей- сик: алфавит, числа, перемен- ные операторы. Программи- рование иа Бейсике Работа иа микрокалькуля- торах и ЭВМ
4 Элементы программиро- вания (продол- жение) Сопоставление аппаратно- го и программного принци- пов реализации преобразова- телей информации Работа на микрокалькуля- торах и ЭВМ
5 Экскурсия на вычисли- тельный центр Понятие о вычислительном центре. Типы современных ЭВМ, области и практика их применения Подготовка к экскурсии, обсуждение ее итогов. Завер- шение всех практических ра- бот. Подготовка к проведе- нию итоговых мероприятий
6 Заключи- тельные заня- тия Итоги работы кружка за учебный год. Перспективы продолжения работы кружка в новом учебном году Проведение итоговых меро- приятий
133
Общее направление занятий в кружке в этот период — расши-
рение знаний и представлений об электронно-вычислительных ма-
шинах, полученных школьниками в учебном курсе основ информа-
тики и вычислительной техники, развитие их практических умений
и навыков при работе с ЭВМ.
Следует кратко повторить рассмотренные ранее сведения о
системах счисления (см. § 3.4), математической логике и дискрет-
ных автоматах (см. § 3.5 и 3.7), добиваясь активного участия всех
членов кружка в обсуждении этих вопросов.
Педагог разъясняет учащимся принципы алгоритмизации в при-
менении вычислительной техники.
При использовании микрокалькулятора для сложных вычисле-
ний по определенным формулам полезно заранее составить и запи-
сать на бумаге программу — перечень действий, которые должны
быть выполнены в процессе счета. Особенно удобна такая програм-
ма, если предстоит произвести ряд вычислений по одной и той же
формуле.
Более совершенные вычислительные машины способны запоми-
нать программы вычислений, и человеку остается только составить
программу и поместить ее в память машины, а все остальное —
собственно решение задачи — машина сделает автоматически.
Такие вычислительные машины называют программно-управляе-
мыми. К их числу и относятся цифровые ЭВМ. Для составления
программ управления работой ЭВМ разработаны специальные ал-
горитмические языки программирования: Алгол, Фортран, Паскаль,
Бейсик и др.
Основой программы для вычислительной машины является
алгоритм решения данной задачи, т. е. точное предписание о после-
довательности действий, которые должны быть произведены для
получения результата. Алгоритм является более общим понятием,
чем программа; в этом смысле программа для вычислительной
машины — это запись алгоритма решения некоторой задачи в виде,
пригодном для данной вычислительной машины.
Руководитель обсуждает с кружковцами и на конкретных при-
мерах рассматривает различные способы представления алгорит-
мов: словесную запись, запись с помощью математических формул,
таблиц; специально рассматривается графический способ записи
алгоритмов (в виде схем), широко применяемый в практике состав-
ления программ для ЭВМ вследствие наглядности и общедоступ-
ности.
При разработке алгоритмов обычно придерживаются особой
методики, называемой структурным подходом: алгоритмы как бы
«собираются» из трех типов основных (базовых) структур — РАЗ-
ВИЛКА, ЦИКЛ, СЛЕДОВАНИЕ, каждая из которых имеет один
вход и один выход.
Базовая структура РАЗВИЛКА (рис. 79, а, б) состоит из логи-
ческого элемента с проверкой некоторого условия Р и функциональ-
ных блоков Si и 5г, которые в простейшем случае являются арифме-
134
д
г
Рис. 79. Базовые структуры для конструирования алгоритмов: а — РАЗВИЛКА, пол-
ная условная конструкция; б — РАЗВИЛКА, неполная условная конструкция; в —
ЦИКЛ-ПОКА; г — ЦИКЛ-ДО; д — СЛЕДОВАНИЕ
тическими элементами. Эта структура может быть двух видов: пол-
ная условная конструкция (рис. 79, а) и неполная условная конст-
рукция (рис. 79,6).
Базовая структура ЦИКЛ также может быть двух видов (рис.
79, в, г). В ее состав входят логический элемент с проверкой усло-
вия Р и блок S, называемый телом цикла. В первом случае блок S
размещен после проверки условия Р, которое здесь является усло-
вием продолжения цикла. Этот вариант структуры ЦИКЛ назы-
вают ЦИКЛ—ПОКА. Во втором случае блок S расположен до
проверки логического условия Р. Здесь Р является условием выхода
из цикла. Этот вариант структуры ЦИКЛ называют ЦИКЛ—ДО.
Базовая структура СЛЕДОВАНИЕ (рис. 79, д) состоит из двух
функциональных блоков Si и S2, каждый из которых в простейшем
случае может быть арифметическим элементом. Эта структура озна-
чает, что два функциональных блока могут быть размещены один
за другим.
Конструируемые с помощью таких структур алгоритмы имеют
четкое и ясное построение, легко поддаются анализу и проверке.
Пример 1. Дано уравнение ах=Ь. Составить в общем виде
схему алгоритма для решения этого уравнения.
Схема этого алгоритма приведена на рисунке 80, а. В зависи-
мости от значений а и b возможны три исхода: решений бесконеч-
ное множество (п = 0 и 6 = 0), решений нет (п = 0, но 6=/=0), решение
единственное (ц=/=0).
Пример 2. В урне хранится некоторое количество черных и белых
шаров. Необходимо разложить шары по двум корзинам: черные
шары — в черную корзину, а белые — в белую. Составить схему
алгоритма для выполнения этой работы.
135
Рис. 80. Примеры схем алгоритмов: а—алгоритм решения уравнения ах = 6;
б — алгоритм сортировки белых и черных шаров
Схема этого алгоритма приведена на рисунке 80, б. Здесь пунк-
тиром показано тело S структуры ЦИКЛ—ПОКА, которое само
представляет собой следование простого функционального блока и
развилки.
На практических занятиях кружковцам предлагаются упражне-
ния по конструированию алгоритмов решения различных задач.
Приступая к обсуждению структуры ЭВМ, руководитель также
начинает с повторения материала, известного учащимся из курса
информатики и вычислительной техники, а также рассмотренного на
заключительном семинаре по теме § 3.7. Обсуждаются устройства
и принципы работы микрокалькуляторов и более сложных ЭВМ.
Педагог напоминает учащимся, что процесс автоматической
обработки информации включает следующие обязательные опера-
ции: ввод исходной информации, ее запоминание и хранение, обра-
ботку информации (собственно решение задачи), управление про-
цессом обработки, вывод результатов. Для выполнения этих опера-
ций ЭВМ имеет в своем составе следующие основные устройства:
136
Рис. 81. Общая схема связей между основными устройствами ЭВМ
а) запоминающее устройство (память) — ЗУ;
б) арифметико-логическое устройство (процессор) — АЛУ;
в) устройство управления — УУ;
г) устройство ввода-вывода — УВВ.
В различных ЭВМ эти основные устройства реализуются в спе-
цифических для разных классов ЭВМ технических решениях. В
весьма общем и упрощенном виде схема связей между устройства-
ми ЭВМ изображена на рисунке 81.
Память машины служит для хранения всей необходимой инфор-
мации — исходных, промежуточных и окончательных числовых зна-
чений, а также программы, т. е. алгоритма, представленного в спе-
циальном виде. Память ЭВМ обычно состоит из двух частей: опе-
ративной и внешней. Это разделение связано со скоростью вы-
борки информации и не имеет принципиального значения при изу-
чении начал программирования.
Процессор обеспечивает выполнение операций над исходными
данными. Он получает исходные данные из памяти и по ним выраба-
тывает промежуточные и окончательные результаты, которые снова
отправляются в память, и выполняет только те операции, которые
определены для данной машины ее конструктивными возможностя-
ми. Характерная особенность процессоров — высокое быстродейст-
вие. У ЭВМ высокого класса оно определяется миллионами опера-
ций в секунду.
Устройство управления координирует работу всех устройств ма-
шины: вызывает из памяти сведения о выполнении очередной опе-
рации, расшифровывает эти сведения, вызывает из памяти участ-
вующие в операции числа и отправляет их в процессор, а затем
пересылает в память полученный результат.
Устройство ввода-вывода осуществляет связь человека с маши-
ной. Вся исходная информация перед решением задачи записывает-
ся в памяти с помощью устройства ввода. Обычно ЭВМ снабжаются
пультовой пишущей машинкой, с помощью которой исходные дан-
ные и программа могут быть введены в память. Эта же машинка
может отпечатать и результаты счета.
137
Для диалогового режима работы многие ЭВМ снабжаются уст-
ройствами визуального отображения информации — дисплеями,
которые имеют экран с изображением алфавитно-цифровой и гра-
фической информаций и клавиатуру для ввода данных.
Более подробное обсуждение структуры и особенностей работы
микрокалькуляторов и других ЭВМ руководитель проводит, исполь-
зуя конкретную электронно-вычислительную технику, имеющуюся
в его распоряжении. Эта же техническая база используется при
проведении практических занятий с учащимися.
Программой работы кружка предусмотрено ознакомление его
членов с элементами программирования. Они должны получить
представление о машинных языках высокого уровня, научиться
составлению простых программ для ЭВМ.
Один из первых простых и удобных алгоритмических языков
высокого уровня был разработан американскими учеными Дж. Ке-
мени и Т. Куртцом. Назвали они его Бейсик (Basik — Beginner's
All-Purpose Symbolic Instruction Code, что может быть переведено
примерно как многоцелевой код (язык) символических команд для
начинающих). Этот язык, усовершенствованный и дополненный,
и теперь успешно используется для решения широкого круга мате-
матических и инженерных задач в режиме диалога человека—ЭВМ.
Программы на языке Бейсик могут быть реализованы на микроЭВМ
типа «Электроника-60», «Электроника ДЗ-28», «Искра-226» и др.,
получивших большое распространение в учебных заведениях.
Запись программы на Бейсике сводится к использованию 30—
50 слов английского языка (или их сокращений), прописных букв
латинского и русского алфавитов, арабских цифр и нескольких
специальных символов. Не будет преувеличением сказать, что чело-
век может овладеть началами программирования на Бейсике за
несколько часов.
Существует несколько вариантов (версий) языка Бейсик. На
занятиях в кружке рассматривают первоначальные сведения о Бей-
сике, необходимые для составления простейших программ.
Алфавит. Символы, воспринимаемые ЭВМ на языке Бейсик,
могут
а)
б)
в)
Г)
Д)
быть подразделены на следующие группы:
прописные латинские буквы А, В, С, Z и русские буквы
А, Б, В, ..., Я (кроме Е и Ъ);
цифры 0, 1,2, 3, ..., 9;
знаки арифметических операций:
+ (сложение)
— (вычитание)
знаки отношений:
* (умножение)
/ (деление)
f (возведение в степень)
= (равно)
< (меньше)
< = (меньше или равно)
специальные символы: . ,
> (больше)
> = (больше или равно)
< > (не равно)
; ' () I ] ! ? % # и др.
Числа. В языке Бейсик используются целые и действительные
138
числа; при записи десятичных дробей целая часть отделяется точкой;
действительные числа могут представляться в экспоненциальной
форме.
Переменные. Числовая переменная в языке Бейсик обозначается
любой буквой латинского алфавита или любой буквой, за которой
следует одна цифра. Совокупность букв и цифр, обозначающих
переменную, называют ее именем (или идентификатором). Кроме
безындексных (простых) переменных, могут использоваться пере-
менные с индексами, служащие для обозначения элементов мас-
сивов. Переменная с индексом обозначается именем массива, за
которым в круглых скобках указываются индексы — числовые или
буквенные.
Арифметические выражения составляются из чисел и перемен-
ных с помощью знаков арифметических операций и круглых скобок.
Стандартные функции языка Бейсик обозначаются соответст-
вующими именами, за которыми следует аргумент в круглых скоб-
ках. Некоторые из этих функций:
синус X — SIN (X)
косинус X — COS (X)
тангенс X — TAN (X)
арксинус X — ARCSIN (X)
арккосинус X — ARCCOS (X)
арктангенс X — ARCTAN (X)
натуральный логарифм X — LOG (X)
квадратный корень из X — SQR (X)
экспонента X (ех) — EXP (X)
абсолютное значение X — ABS (X)
Организация программы. Программа на языке Бейсик представ-
ляет собой последовательность строк. Каждая строка программы
снабжается номером от 0 до 9999. Выполнение программы осущест-
вляется в порядке возрастания номеров строк (если не предусмот-
рено программного изменения последоватщтьности выполнения
строк), причем не требуется, чтобы строки программы нумеровались
непременно подряд (1,2, 3...). Для того чтобы облегчить в процессе
составления программы вставление новых строк между уже имею-
щимися, строки программы обычно нумеруют с каким-либо шагом,
например через 10 номеров: 10, 20, 30 и т. д.
Основными компонентами программы являются операторы. Опе-
ратор состоит из двух частей: служебного слова (имени) и инфор-
мационной части (тела). Ниже приводятся наиболее употребитель-
ные служебные слова языка Бейсик и их смысловые переводы (в
скобках указаны основные функции).
CALL — вызвать (обращение к внешней подпрограмме)
CLEAR — очищать (очистка памяти)
139
— конец (окончание программы)
— ошибка (указание об ошибке)
— спуститься (переход на подпрограмму)
— перейти на (безусловный переход)
—для (заголовок цикла)
— если ... то (условный переход)
— ввести (ввод данных по запросу программы)
— пусть (оператор присваивания)
— список (вывод текста программы)
— следующий (оператор проверки конца цикла)
— печатать (вывод данных—числовых и текстовых)
— примечание (комментарий к программе)
— вернуться (возврат из подпрограммы)
— пуск (запуск программы)
— остановить (останов рабогы программы)
DATA — данные (формирование блока данных)
DIM(ENSION) —размерность (описание массива)
END
ERROR
GOSUB
GOTO
FOR
IF ... THEN
INPUT
LET
LIST
NEXT
PRINT
REM(ARK)
RETURN
RUN
STOP
Если служебное слово оператора определяет характер действия,
предписываемого ЭВМ, то следующее за ним тело содержит всю
информацию, необходимую для указанного действия. Например:
150 LET /7=25.3
160 PRINT Р
Здесь программная строка с номером 150 предписывает машине
осуществить процедуру присваивания, заключающуюся в том, что
переменной с именем Р присваивается значение 25,3. Следующая
строка с номером 160 заставляет машину напечатать (вывести на
экран дисплея) это значение переменной Р.
Подобным же образом при необходимости ввести значения ис-
ходных данных (аргументов) в машину, например переменных с
именами А и В, используется оператор
170 INPUT А, В
Встретив в программе этот оператор, машина переходит в режим
ожидания и ждет, когда с клавиатуры устройства ввода будут
введены значения А и В; затем ЭВМ продолжает выполнение
программы.
Аналогично рассматривается использование при программиро-
вании других наиболее употребительных операторов Бейсика. Сле-
дует отметить, в частности, что оператор REM не исполняется маши-
ной, а применяется для необходимых пояснений, что облегчает
пользователю чтение программы. Своеобразны и некоторые другие
служебные слова, например RUN и STOP; за ними не указывается
140
информационная часть (тело); они используются как команды
пуска и остановки машины, выполняющей программу.
Все пояснения педагога иллюстрируются примерами составле-
ния простых программ. Вначале он приводит примеры программ
с небольшим числом последовательно выполняемых команд; потом
рассматриваются программы, содержащие ветвления и циклы,
обсуждаются вопросы загрузки, редактирования и пуска программ.
Вследствие того что в различных типах ЭВМ используются
разные версии языка Бейсик, здесь не приводятся примеры подоб-
ных программ; руководитель кружка подбирает соответствующие
примеры, ориентируясь на используемую электронно-вычислитель-
ную технику.
Всем членам кружка должна быть предоставлена возможность
поупражняться в работе на ЭВМ.
Ознакомление кружковцев с программированием позволяет рас-
смотреть с ними и сопоставить аппаратный и программный прин-
ципы реализации преобразователей информации. Педагог обращает
внимание ребят на то, что все изученные и построенные ими ранее
в кружке кибернетические устройства (однотактные и многотактные
автоматы) реализованы с помощью так называемой «жесткой» или
аппаратной логики (на основе релейно-контактных, электронных
и других элементов); они характеризуются достаточной простотой
изготовления и высокой скоростью действия. Однако такие уст-
ройства всегда узкоспециализированы и с трудом, а в большинстве
случаев вообще не перестраиваются на выполнение других функций
по преобразованию информации.
В цифровых же ЭВМ преобразование информации осущест-
вляется программным путем. Универсальность ЭВМ и их широкие
программные возможности позволяют заменить аппаратный прин-
цип преобразования информации программным принципом. При
этом значительное количество различных «схемно» (аппаратно)
решенных приборов — преобразователей информации заменяется
одной ЭВМ с различными разработанными для нее программами.
С дидактической точки зрения представляется интересным ком-
бинированное ознакомление кружковцев с моделированием преоб-
разователей информации: наряду с конструированием и изготов-
лением специального кибернетического устройства (аппарата)
составляется программа, обеспечивающая реализацию его функций
на какой-либо ЭВМ.
В качестве примера такого достаточно простого аппарата можно
рассмотреть информационно-логический тестер.
В последние годы так называемые психологические тесты приоб-
рели довольно широкую популярность. Чаще всего они представ-
ляют собой ряд вопросов, на которые должен ответить опрашивае-
мый. Вопросы составляются таким образом, что за каждый утвер-
дительный или отрицательный ответ опрашиваемый получает опре-
деленное количество очков; в зависимости от числа набранных
очков судят о некоторых сторонах характера опрашиваемого.
141
Ниже приводится тест такого рода, содержащий серию вопросов,
на каждый из которых необходимо ответить «да» или «нет».
Любите ли вы животных?
1. Можете ли вы взять в руки мышь, ящерицу, ужа?
2. Умеете ли вы чистить аквариум?
3. Сможете ли вы различить более десяти пород собак?
4. Приходилось ли вам подбирать и кормить бездомную собаку
или раненую птицу?
5. Нравятся ли вам телепередачи «В мире животных»?
6. Умеете ли вы доить корову?
7. Сами ли вы кормите своих животных?
8. Если, гуляя в лесу, вы услышите шум, заинтересуетесь ли,
что происходит?
9. Считаете ли вы профессию ветеринара хорошей?
10. Знаете ли вы адрес местной ветеринарной поликлиники?
11. Полагаете ли вы, что кошку надо кормить, так как сама
себя она не прокормит?
12. Нравится ли вам играть с котенком или щенком?
За каждый положительный ответ на вопрос отвечающий получа-
ет одно очко. Если получилось 10—12 очков, то отвечающий любит
животных, они его тоже любят. Результат 7—9 очков означает, что
отвечающий любит животных, но лишь при условии, если они не
нарушают его покой и распорядок жизни. Если же сумма меньше
7 очков, то он не любит животных, они ему неприятны.
Разумеется, результаты этого теста не должны претендовать
на полную характеристику отношения испытуемого к животному
миру.
Обработку информации при проведении описанного теста может
выполнить простой аппарат, в котором для ввода исходных данных
(ответов «да» или «нет») используются двухпозиционные переклю-
чатели, а выдача суждений об отношении испытуемого к животным
осуществляется подсветом электрическими лампочками надписей
на табло; На лицевой панели этого аппарата располагаются 12 пере-
ключателей (тумблеров). У каждого из них прикреплена табличка
с вопросом. Отвечая на эти вопросы, нужно установить тумблер в
правое положения («да»), или в левое («нет»). Здесь же на панели
находятся органы управления: выключатель сети и кнопка ОТВЕТ,
а также три световых табло.
На принципиальной схеме рассматриваемого информационно-
логического тестера можно выделить следующие основные части
(рис. 82):
а) логическая суммирующая цепь из переключателей SA1 —
SA12 для ввода ответов на вопросы (на схеме все переключатели
установлены в положения, соответствующие ответам «нет»);
б) лампы HL1 — HL3, подсвечивающие табло;
в) органы управления — выключатель сети SA13, кнопка SB1
ОТВЕТ;
г) блок питания аппарата — понижающий трансформатор Т1.
142
Рис. 82. Принципиальная схема информационно-логического тестера
Тексты надписей на световых табло:
1. «Вы любите животных. Они тоже любят вас. Их преданность
доставляет вам в жизни много радостей».
2. «Возможно, вы и любите живогных, но лишь при условии, что
они не нарушают ваш покой и распорядок жизни».
3. «Вы не любите животных. Они вам неприятны, и вы стараетесь
не иметь с ними дела».
Надписи на табло должны быть сделаны так, чтобы их можно
было прочитать лишь при включенных лампочках подсветки.
Принципиальная схема дает полное представление о действии
автомата. Контакты переключателей SAI — SA12 образуют логи-
ческую цепь, через которую напряжение подводится к лампам
HL1 — HL3. Если отвечающий перевел в положение «да» не меньше
десяти переключателей, то при нажатии кнопки ОТВЕТ загорается
лампа HL1, подсвечивая на табло надпись 1. Если в положение
«да» переведено от 7 до 9 переключателей, то лампой HL2 будет под-
свечено табло с надписью 2. Наконец, при переводе в положение
«да» менее 7 переключателей подсвечивается лампой HL3 табло
с надписью 3.
Для возврата автомата в исходное положение необходимо вер-
нуть в первоначальное состояние все переключатели.
В конструкции аппарата можно применить лампы накалива-
ния ЛН 3,5 В X 0,28 А; переключатели SA1—SA12 — телефонные
ключи типа КТРО; кнопочный выключатель SB1 типа Д7; выклю-
чатель SA13 типа ТВ1; сердечник сетевого трансформатора Т1 наб-
ран из пластин Ш20Х20 мм; обмотка I имеет 1400 витков прово-
да ПЭЛ 0,31, обмотка II — 45 витков провода ПЭЛ 0,8.
Описанный информационно-логический тестер может быть по-
строен кружковцами ранее — при прохождении в кружке предыду-
щих тем. Но если этого не было сделано, можно здесь ограничиться
143
лишь анализом и обсуждением принципа его действия и электри-
ческой схемы. Руководитель обращает внимание кружковцев на
«жесткий», аппаратный, принцип действия автомата и его узкую
специализацию. Затем, опираясь на уже известные учащимся эле-
менты программирования, педагог предлагает им составить про-
грамму, обеспечивающую проведение теста «Любите ли вы живот-
ных?», с помощью цифровой ЭВМ. При этом сопоставляются и
обсуждаются особенности такого программного и аппаратного ме-
тодов реализации преобразователей информации.
Ниже приведена программа реализации теста «Любите ли вы
животных?» на языке Бейсик для ЭВМ «Электроника ДЗ-28».
10 REM ПСИХОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕСТ «ЛЮБИТЕ ЛИ ВЫ
ЖИВОТНЫХ?»
20 PRINT# 1
30 LET В = 0
40 LET С = 0
50 PRINT 'ЗДРАВСТВУЙТЕ! С ВАМИ РАБОТАЕТ ЭВМ
«ЭЛЕКТРОНИКА ДЗ-28». СООБЩИТЕ ВАШ КОД'.
60 REM КОД ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ — А.
70 DIM А (10, 10)
80 CALL 1,А
90 PRINT 'ПРЕДЛАГАЕМ ВАМ ТЕСТ «ЛЮБИТЕ ЛИ ВЫ
ЖИВОТНЫХ?». ВАМ СЛЕДУЕТ ОТВЕТИТЬ НА
12 ВОПРОСОВ. НА КАЖДЫЙ ВОПРОС НУЖНО
ОТВЕЧАТЬ «ДА» ИЛИ «НЕТ» (1 ИЛИ 0).
1. МОЖЕТЕ ЛИ ВЫ ВЗЯТЬ В РУКИ МЫШЬ,
ЯЩЕРИЦУ, УЖА?'
100 GOSUB 420
110 PRINT '2. УМЕЕТЕ ЛИ ВЫ ЧИСТИТЬ АКВАРИУМ?'
120 GOSUB 420
130 PRINT '3. СМОЖЕТЕ ЛИ ВЫ РАЗЛИЧИТЬ БОЛЕЕ
ДЕСЯТИ ПОРОД СОБАК?'
140 GOSUB 420
150 PRINT '4. ПРИХОДИЛОСЬ ЛИ ВАМ ПОДБИРАТЬ
И КОРМИТЬ БЕЗДОМНУЮ СОБАКУ ИЛИ
РАНЕНУЮ ПТИЦУ?'
160 GOSUB 420
170 PRINT '5. НРАВЯТСЯ ЛИ ВАМ ТЕЛЕПЕРЕДАЧИ «В МИРЕ
ЖИВОТНЫХ»?'
180 GOSUB 420
190 PRINT '6. УМЕЕТЕ ЛИ ВЫ ДОИТЬ КОРОВУ?'
200 GOSUB 420
144
210 PRINT '7. САМИ ЛИ ВЫ КОРМИТЕ СВОИХ ЖИВОТНЫХ?'
220 GOSUB 420
230 PRINT '8. ЕСЛИ, ГУЛЯЯ В ЛЕСУ, ВЫ УСЛЫШИТЕ ШУМ,
ЗАИНТЕРЕСУЕТЕСЬ ЛИ, ЧТО ПРОИСХОДИТ?'
240 GOSUB 420
250 PRINT '9. СЧИТАЕТЕ ЛИ ВЫ ПРОФЕССИЮ ВЕТЕРИНАРА
ХОРОШЕЙ?'
260 GOSUB 420
270 PRINT '10. ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ АДРЕС МЕСТНОЙ
ВЕТЕРИНАРНОЙ ПОЛИКЛИНИКИ?'
280 GOSUB 420
290 PRINT '11. ПОЛАГАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО КОШКУ НАДО
КОРМИТЬ, ТАК КАК САМА СЕБЯ ОНА НЕ
ПРОКОРМИТ?'
300 GOSUB 420
310 PRINT '12. НРАВИТСЯ ЛИ ВАМ ИГРАТЬ С КОТЕНКОМ
ИЛИ ЩЕНКОМ?'
320 GOSUB 420
330 CALL 2,А
340 IF С<7 THEN GOTO 400
350 IF С<=9 THEN GOTO 380
360 PRINT 'ВЫ ЛЮБИТЕ ЖИВОТНЫХ. ОНИ ТОЖЕ ЛЮБЯТ
ВАС. ИХ ПРЕДАННОСТЬ ДОСТАВЛЯЕТ ВАМ В
ЖИЗНИ МНОГО РАДОСТЕЙ'.
370 GOTO 460
380 PRINT 'ВОЗМОЖНО, ВЫ И ЛЮБИТЕ ЖИВОТНЫХ, НО
ЛИШЬ ПРИ УСЛОВИИ, ЧТО ОНИ НЕ НАРУШАЮТ
ВАШ ПОКОЙ И РАСПОРЯДОК ЖИЗНИ'.
390 GOTO 460
400 PRINT 'ВЫ НЕ ЛЮБИТЕ ЖИВОТНЫХ. ОНИ ВАМ
НЕПРИЯТНЫ, И ВЫ СТАРАЕТЕСЬ НЕ ИМЕТЬ С
НИМИ ДЕЛА'.
410 GOTO 460
420 REM ВВОД ОТВЕТА
430 INPUT В
440 IF В = 1 THEN LET С = С+1
450 RETURN
460 STOP
145
Далее в § 4.2 описан более сложный информационно-логичес-
кий автомат подобного типа (характерологический тестер), пост-
роенный на аппаратном принципе. Можно предложить кружковцам
составить соответствующую его функциям программу для ЭВМ и
проверить ее на практике.
В связи с приближающимся окончанием учебного года должны
быть приняты меры, обеспечивающие завершение всех расчетно-
конструкторских и монтажно-наладочных работ и выдачу готовой
продукции. Изготовленные наглядные пособия, действующие мо-
дели кибернетических устройств могут быть переданы в кабинет
физики или в кабинет информатики и вычислительной техники.
Но некоторые из них целесообразно оставить в кружке — их можно
будет использовать на занятиях в последующие годы. Игровые
устройства можно передать в школьную игротеку.
В это же время в кружке развертывается подготовка к подведе-
нию итогов работы за год. Кружковцы гоговят техническую доку-
ментацию на созданные приборы и модели, фотомонтажи и стен-
газеты, посвященные деятельности коллектива кружка, экспонаты
для выставки технического творчества, вместе с руководителем
обсуждают перспективы дальнейшей работы кружка в новом учеб-
ном году.
Глава 4.
СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА
2-го И 3-го ГОДОВ ЗАНЯТИЙ В КРУЖКЕ
§ 4.1. ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЙ
В течение 2-го и 3-го годов занятий в кружке учащиеся
продолжают расширять и углублять свои знания в области элект-
ронно-вычислительной техники и кибернетики. Несколько увеличи-
вается (по сравнению с первым годом) часть времени, отводимого
на изучение теории. Члены кружка более подробно знакомятся с
элементами теории информации, с устройством и действием инфор-
мационно-логических машин, изучают пути и средства автомати-
зации и оптимизации учебного процесса, элементы теории игр и
игровые системы автоматического управления. В это же время
даются представления о методах моделирования органов и функций
живых организмов, о промышленных работах и проблемах искусст-
венного интеллекта. Разумеется, этой тематикой не исчерпываются
все возможные направления работы кружка технической киберне-
тики, допустимы и другие направления при наличии необходимой
материальной базы и интереса у кружковцев и их руководителя к
тем или иным проблемам.
146
Форма проведения занятий несколько изменяется. Основной
теоретический материал, как и прежде, руководитель сообщает во
время бесед одновременно всем кружковцам. Для более глубокого
знакомства с вопросами теории руководитель может поручать от-
дельным членам кружка подготовку небольших докладов и сообще-
ний. Можно предусмотреть и проведение семинаров по огдельным
теоретическим вопросам. При этом каждому из докладчиков руко-
водитель своевременно подбирает необходимую литературу консуль-
тирует и контролирует работу над докладами и сообщениями.
Практическая деятельность учащихся в кружке может иметь
различные направления: конструирование и изготовление моделей;
разработка наглядных пособий, обучающих и иных устройств по
заявкам школ и других учебных заведений; создание приборов и
проведение исследований по заданиям базовых предприятий и науч-
ных учреждений и пр. Образцы некоторых конструкций, представ-
ляющих практический интерес и доступных для изготовления в ус-
ловиях кружка, также описаны в этой главе. Каждого члена круж-
ка желательно привлечь к составлению технической документации
на создаваемые устройства и машины, ознакомить с приемами и
методами технического творчества.
В основу деятельности кружка положены индивидуальный и
звеньевой методы работы учащихся над конструкциями: каждый
член кружка или звено из 2—3 кружковцев выполняют свое кон-
кретное задание. Однако это не значит, что учащиеся предоставлены
самим себе. Предлагаемые ими проекты решений технических задач,
ход работы над конструкциями обсуждаются всеми членами круж-
ка, педагог же выступает в роли старшего консультанта и рецен-
зента. Школьники должны научиться правильно пользоваться тех-
нической и справочной литературой, творчески решать поставлен-
ные задачи, четко формулировать свои мысли в докладах и рефе-
ратах.
Желательно наладить связи кружка и отдельных его членов с
каким-либо научным учреждением или предприятием, привлечь
кружковцев к участию в решении той или иной производственной
задачи. Творческие контакты с учеными, инженерами, рабочими
этого предприятия или учреждения будут не только содействовать
углублению знаний кружковцев и развитию их интереса к данной
области науки и техники, но и могут помочь им в сознательном
выборе дальнейшего жизненного пути.
§ 4.2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ.
ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
Вопросы теории информации в программе работы кружка тех-
нической кибернетики относятся к наиболее трудным. Тем не менее
с элементами этой теории кружковцев необходимо познакомить.
Специальных практических занятий по этим вопросам не предусмат-
147
ривается. Занятия рекомендуется проводить в форме научно-попу-
лярных бесед руководителя с кружковцами, а также в форме семи-
наров. Можно предложить следующие темы для семинарских за-
нятий:
1. Информация и ее свойства.
2. Количество информации.
3. Кодирование и передача информации.
На проведение семинаров отводится только часть занятий. Ос-
тальное время (на каждом занятии) кружковцы используют для
выполнения монтажных, наладочных и других практических работ,
связанных с конструированием технических объектов.
Прежде всего следует подробно обсудить с учащимися содержа-
ние понятий «информация» и «сигнал». Сделать это можно на осно-
ве повторения и дальнейшего развития сведений, полученных круж-
ковцами ранее, особенно в начале первого года занятий в кружке
(см. § 3.3). После подробного рассмотрения основных свойств сиг-
налов можно перейти к вопросу о количестве информации, содер-
жащейся в том или ином сообщении, о мере количества информации.
Руководитель поясняет, что для введения такой меры нужно
прежде всего абстрагироваться от конкретного смысла сообщений
точно так же, как отрешаются от конкретности, приступая к вычи-
слениям при решении арифметических задач (например, складывая
два яблока и три яблока, мы приходим к сложению чисел вообще:
2 + 3).
Если ожидается поступление какого-либо сообщения, то до его
прихода существует некоторая неизвестность, неопределенность
относительно того, что будет содержать это сообщение; приход
сообщения уничтожает эту неопределенность. Естественно до-
пустить, что чем больше неопределенность, ликвидируемая посту-
пившим сообщением, тем большее количество информации это со-
общение содержит. При числовой оценке количества информации
используется логарифмическая мера.
Для пояснения сказанного следует рассмотреть несколько при-
меров.
Пример 1. Путем жеребьевки определяется, кто из двух шахматистов — А
или В — будет играть белыми. До поступления сообщения о результате жеребьевки
существует неопределенность: можно ожидать любой из двух результатов. После
получения сообщения (например: «Белыми будет играть Д») эта неопределенность
исчезает.
Пример 2. Из разрезной русской азбуки, содержащей 32 карточки с буквами,
наугад выбирают одну карточку и сообщают название выбранной буквы. Очевидно,
здесь неопределенность, имеющая место до получения сообщения о результате
опыта, значительно больше, чем в первом примере: ведь можно ожидать с равной
вероятностью появления любого из 32 вариантов результата.
Эти примеры показывают, что степень неопределенности зависит
от числа состояний источника информации: чем больше это число,
тем неопределенность больше. Случай, когда при отправлении сооб-
148
щения делается выбор одного из двух равновероятных состояний,
является простейшим. Поэтому неопределенность, ликвидируемая
приходом такого сигнала, принимается за единицу количества
информации — 1 бит (от английского binary digit — двоичный
разряд). Такое определение единицы позволяет найти количество
информации, содержащейся в любом более сложном сообщении,
если сложную операцию выбора одного из многих состояний свести
к последовательности элементарных операций выбора между двумя
равновероятными возможностями. Например, выбор одного из че-
тырех равновероятных состояний можно выполнить с помощью
двух элементарных операций выбора, выбор одного из восьми рав-
новероятных состояний — с помощью трех таких операций и т. д.
В общем случает если число равновероятных состояний источника
информации равно т, то нужно выполнить S элементарных опера-
ций выбора, причем m = 2s. Отсюда находим
S = logzm.
В первом из приведенных примеров т=2. Следовательно, со-
общение о том, что «Белыми будет играть А», содержит 1 бит инфор-
мации:
Si = log2 2= 1 бит.
Во втором примере т = 32. Значит, сообщение о том, что выбор
пал на определенную букву (например, на букву М), содержит
S2 = log2 32 = 5 бит.
Более крупная единица количества информации — байт: 1 байт=
=8 бит. Применяются также единицы в 210 раз большие (210=
= 1 024):
1 килобит =1 024 бит; 1 килобайт =1 024 байт = 8 192 бит.
Далее следует объяснить кружковцам, что неопределенность,
существующая до прихода сообщения, зависит не только от числа
состояний источника сообщений, но также и от того, насколько
вероятна реализация того или иного состояния. Например, если мы
ожидаем сообщение о результате шахматной встречи двух игроков,
один из когорых опытный мастер, а другой начинающий любитель,
то неопределенность здесь гораздо меньше, чем в случае встречи
двух одинаково сильных шахматистов: сообщение о том, что опыт-
ный мастер выиграл у начинающего любителя не принесет практи-
чески ничего нового (этого и следовало ожидать!). Наибольшая
неопределенность имеет место при равных вероятностях реализации
всех состояний источника сообщений.
Руководителю кружка следует принять во внимание, что понятие
вероятности события может оказаться незнакомым кружковцам.
Поэтому следует на простых примерах раскрыть смысл этого важ-
ного понятия и затем использовать его в дальнейшем изложении
элементов теории информации.
149
Нужно рассказать учащимся, что по предложенияю Клода Шен-
нона в качестве меры неопределенности источника сообщений, осу-
ществляющего выбор из т состояний, каждое из которых реализу-
ется с вероятностью p,(t=l, 2, 3, ..., m), используется функция
т
Н= — % Pi log2 Pi,
i= 1
которая называется энтропией источника.
Если подсчитать значение функции Но до прихода сообщения
и значение этой же функции Hi после получения сообщения, то
разность этих величин Но — Hi будет равна численно количеству
информации, содержащейся в сообщении.
Для лучшего усвоения учащимися изложенного материала сле-
дует рассмотреть несколько упражнений и задач на вычисление
энтропии и количества информации.
Обсуждение с кружковцами проблем кодирования и передачи
информации также проводится на основе повторения и расширения
сведений, известных им по ранее изученным темам. Здесь можно
рассмотрегь важную проблему эффективного кодирования при пе-
редаче информации.
При применении кода для записи или передачи информации
отдельные символы используются, вообще говоря, неодинаково
часто. Например, в русском тексте в среднем часто встречаются
буквы О, А, И, но гораздо меньше вероятность появления букв Щ,
Э, Ф. Если производится перекодирование сообщений, то число
символов и распределение их вероятностей могут изменяться. При
этом изменяется и энтропия, приходящаяся в среднем на каждый
символ. Возникает задача: найти наиболее экономичный код, т. е.
такой код, у которого значение энтропии, приходящейся в среднем
на один символ, было бы наибольшим. Использование такого кода
позволило бы передавать заданное количество информации наи-
меньшим числом символов.
При заданном числе символов кода (состояний источника ин-
формации) энтропия на символ будет наибольшей в случае равен-
ства вероятностей всех символов. Если же вероятности разных сим-
волов различны, то энтропия на символ меньше максимальной.
Экономичность кода Э в конкретном случае его применения для
передачи какого-либо сообщения оценивается соотношением
Э //средн
=7}-------
'' макс, средн
Для оптимального, т. е. наиболее экономичного, кода Э=Е
Избыточность кода
И=1—Э.
Эта величина служит мерой того, какая часть символов в сооб-
щении является лишней (т. е. не несет информации). Для оптималь-
ного кода, очевидно, И = О.
150
Примером отптимального кода является цифровой код для
записи чисел в десятичной системе счисления. Здесь любое число
точно определяется только при задании всех его цифр-символов;
в случае утраты какой-либо из цифр восстановить ее (а значит, и
все число) невозможно.
Русский алфавит (как и алфавиты других языков) — пример
неоптимального кода, обладающего значительной избыточностью.
Действительно, смысл многих слов может быть точно определен
даже при утере некоторых букв-символов, из которых они составле-
ны, а утраченные буквы во многих случаях легко восстанавливают-
ся. Следует обратить внимание кружковцев на то, что избыточность
кода обеспечивает его помехоустойчивость при передаче сообщений,
рассказать о самокорректирующихся кодах, привести примеры та-
ких кодов. Для семинарского занятия учащиеся могут подготовить
интересные сообщения о статистических особенностях человеческо-
го языка (на примере русского языка), о методах восстановления
частично утраченных текстов и расшифровки тайнописи (здесь
определенный интерес представляют рассказы Эдгара По «Золотой
жук» и Конан Дойля «Пляшущие человечки»), о том, как были
разгаданы древние письмена — следы исчезнувших культур дале-
кого прошлого, и даже о применении мегодов статистики для «ма-
шинного» сочинения музыки и стихов.
Следует рассказать учащимся о мегодах передачи информации
по каналам связи при наличии помех и пояснить, как зависит ско-
рость передачи сообщений от свойств канала связи и методов коди-
рования.
В результате бесед и семинарских занятий члены кружка техни-
ческой кибернетики должны получить представления об основных
понятиях теории информации и о ее значении для решения практи-
ческих задач передачи информации и управления.
Дальнейшее прохождение данной темы предполагает теорети-
ческое и практическое ознакомление членов кружка с информацион-
но-логическими устройствами и системами. Это тем более целе-
сообразно и полезно, что некоторые устройства и аппараты этого
типа — автоматизированные информаторы и справочники — нахо-
дят все более широкое применение в качестве обучающих устройств
в школах, вузах и других учебных заведениях. Это обстоятельство
привлекает к теме особый интерес учащихся.
Приступая к очередному занятию, руководитель должен ознако-
мить кружковцев с данными, характеризующими «информационный
взрыв» — стремительный рост объема накопленных человечеством
знаний, рассказать о возникших в связи с этим явлением трудностях
и проблемах. Следует на конкретных примерах показать, почему
теперь все труднее становится ориентироваться в «библиотечных
Гималаях», оперативно использовать уже накопленные знания.
Только машины-автоматы — специальные информационные уст-
ройства и ЭВМ — могут оказать в этом деле эффективную помощь
ученым и инженерам, экономистам и хозяйственникам, врачам и
151
педагогам. Такие машины используются, например, для следующих
целей:
1. Обработка результатов научных исследований и инженерных
разработок. Исходными материалами для этой обработки являются
отчеты, статьи, книги, экспериментальные данные и пр.
2. Автоматизация процесса поиска информации в мировом
фонде литературы (в библиотеках и архивах, в патентных бюро
и картотеках).
3. Обработка статистических сведений, накапливающихся в
промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте. Здесь исход-
ными материалами для обработки служат сводки, таблицы, графи-
ки, документация предприятий и учреждений.
4. Обработка результатов наблюдений за больными в клиниках,
больницах, амбулаториях. Сведения могут быть внесены в память
машины и логически обработаны для изучения и предотвращения
эпидемий или для обобщения симптомов болезни и методов лечения.
5. Обработка данных наблюдений над явлениями природы. Про-
цессу обработки подвергаются данные, сообщаемые метеорологи-
ческими и сейсмологическими станциями, обсерваториями, спутни-
ками Земли и космическими станциями.
6. Автоматизация отдельных стадий процесса обучения в шко-
лах, вузах и других учебных заведениях (этой проблеме посвя-
щается следующая тема занятий кружка).
7. Автоматизация информационно-справочной службы ком-
мунально-бытовых, транспортных и иных услуг для населения.
Количество примеров приложения информационно-логических
устройств и систем может быть увеличено.
Переходя к ознакомлению членов кружка с принципами дейст-
вия и конструкциями различных информационно-логических машин,
следует сначала остановиться на электромеханических и электрон-
ных информационно-справочных устройствах со световыми табло
и экранами. Нужно обратить внимание кружковцев на то, что
подобные устройства и системы уже сейчас широко используются
для оперативного оповещения больших групп людей (пассажиров,
зрителей, покупателей и пр.) о текущих событиях и фактах на
вокзалах, в аэропортах, на стадионах и в других общественных
местах. Следует подчеркнуть, что высокий эффект работы подобных
устройств достигается здесь сравнительно простыми техническими
средствами. Подобные устройства-информаторы кружковцы могут
построить для нужд школы, Дворца пионеров (например, для спор-
тивного зала или спортплощадки) по опубликованным описаниям,
внеся в них по своему усмотрению необходимые конструктивные
изменения и дополнения. Уместно здесь кратко рассмотреть и такие
средства массовой информации, как кино, радиовещание и телеви-
дение, подчеркнув их значение для хранения и передачи разнообраз-
ной информации.
Можно рассказать о современных информаторах, одновременно
являющихся эффективным элементом архитектурно-художест-
152
венного оформления улиц и площадей больших городов. В качестве
примера можно описать электронный информатор ЭЛИН, установ-
ленный в Москве на проспекте Калинина. Он позволяет воспроизво-
дить многотональную динамическую информацию на табло пло-
щадью 235 м2, содержащем 102 900 ламп накаливания, закрытых
цветными светофильтрами. Ввод информации производится с по-
мощью 35-миллиметровой цветной киноленты. Управление работой
светового табло осуществляется устройством, содержащим 600 000
элементов электронной техники.
Далее следует объяснить кружковцам, что сложные задачи
поиска, обработки и выдачи информации наиболее эффективно
могут решать специальные информационно-поисковые и информа-
ционно-логические системы на основе современных ЭВМ. Учащиеся
должны получить представления о принципах работы информа-
ционно-логических машин и их основных блоках. Для таких
ЭВМ характерны многоканальность (т. е. возможность одновре-
менного выполнения нескольких программ обработки информации)
и большая емкость запоминающего устройства. Эти особенности
играют важную роль, ибо чем больше емкость памяти информацион-
ной машины и количество одновременно выполняемых операций,
тем шире и разнообразнее возможности ее использования. Еще
одной важной характеристикой является время обращения к па-
мяти — продолжительность поиска и выдачи нужной информации.
Стремление к увеличению емкости памяти находится в противо-
речии с требованием сокращения времени обращения: чем больше
емкость, тем дольше приходится искать нужную информацию.
Ученые и инженеры продолжают поиски путей к преодолению этого
противоречия. Успехи микроминиатюризации в электронике позво-
ляют создавать весьма компактные информационно-логические
системы, обладающие высокой эффективностью.
В беседах с кружковцами необходимо коснуться перспективы
развития и совершенствования информационно-логических машин
и систем, расширения сферы их применения в народном хозяйстве.
Переходя к практической работе, следует познакомить круж-
ковцев с некоторыми из опубликованных в печати описаний простых
информационно-логических устройств, выбрать в качестве объекта
конструирования прибор, представляющий интерес для школы или
внешкольного детского учреждения, и приступить к его изготовле-
нию.
Ниже в качестве примеров приведены описания двух таких про-
стых электронных информационно-логических устройств.
АУСТ — автоматическое универсальное справочное табло. В
каком из кинотеатров города демонстрируется сегодня новый кино-
фильм? Каково расписание уроков в четверг в 8 «Б» классе? В какой
из городских аптек есть данное лекарство? По любому из этих и
многих других вопросов дает исчерпывающую справку несложное
автоматическое устройство в виде настенного табло. Слева у него
расположены кнопки, справа — лампочки (рис. 83); возле них нахо-
153
дятся рамки, в которые вставлены
карточки с названиями «объек-
тов» (у кнопок) и их «признаков»
(у лампочек). Стоит лишь нажать
кнопку с названием интересующего
«объекта», как загораются лампоч-
ки, подсвечивающие присущие это-
му «объекту» «признаки».
Например, необходимо узнать
расписание уроков в 8 «Б» классе
в четверг. На настенном табло ря-
дом с кнопками указаны дни
недели, кроме воскресенья, а рядом
с лампочками — названия учебных
предметов, изучаемых в классе.
При нажиме кнопки у слова «чет-
верг» справа загораются лампочки,
подсвечивающие названия учебных
предметов, которые изучаются вось-
миклассниками в этот день недели.
Другой пример. Автоматическое табло-информатор дает справ-
ки, в каком кинотеатре демонстрируется тот или иной кинофильм.
Здесь «объектами» выступают названия фильмов, а их «признака-
ми» — наименования и адреса кинотеатров.
Принципиальная схема АУСТ изображена на рисунке 84. Осно-
вой ее служат два ряда вертикальных и горизонтальных проводни-
ков, изолированных друг от друга. В местах их пересечения уста-
новлены контактные гнезда (рис. 85, а), рассчитанные на стандарт-
154
Рис. 85. Детали конструкции АУСТ: а — расположение кон-
тактных гнезд; б — вилка с диодом
ную штепсельную вилку (рис. 85, б). К ее выводам припаивают
диод Д226 или КД 105. Такие вилки с диодами используют для
ввода информации в память нашего автоматического устройства-
справочника.
Каждый проводник горизонтального ряда через кнопку подклю-
чают к положительному полюсу батареи GB1, а каждый из верти-
кальных проводников через лампу присоединяют к отрицательному
полюсу.
Чтобы ввести справочные сведения по определенному циклу
вопросов, нужно вставить карточки с надписями в рамки «объектов»
и «признаков» и с помощью штепсельных вилок с диодами соединить
кнопки «объектов» с соответствующими им лампочками (обратить
внимание на полярность включения диодов!).
Количество горизонтальных и вертикальных проводников, кно-
пок и лампочек определяется объемом информации, которую необ-
ходимо ввести в автомат. Для решения многих информационных
задач достаточно 7—8 кнопок и столько же ламп.
Горизонтальные и вертикальные проводники укрепляют на дере-
вянной или пластмассовой основе — панели. Здесь же устанавли-
ваются гнезда. Панель соединяют с кнопками и лампами много-
жильным монтажным проводом. Кнопки можно использовать любо-
го типа, в том числе и самодельные. Лампы 3,5 ВХ0,28 А. Если
программы работы автомата таковы, что одновременно включается
не более двух-трех ламп, то для питания достаточно одной батареи
3336Л. Если же при нажатии какой-либо кнопки должны загораться
сразу три-четыре и более ламп, то целесообразно в качестве источ-
ника тока использовать две такие батарейки, соединенные парал-
лельно.
Если предполагается использовать описанный информатор для
работы только с одной постоянно введенной в него программой,
то конструкция его может быть упрощена. В этом случае не нужны
штепсельные вилки и гнезда: все диоды припаивают в нужных
155
местах непосредственно к вертикальным и горизонтальным провод-
никам панели памяти.
Может быть изменена и правая часть табло-информатора в
соответствии с характером выдаваемых справок. Так, например, для
выдачи информации типа «Как проехать до станции...» правая
часть табло может быть оформлена в виде схемы маршрутов, а
лампы нужно установить так, чтобы они подсвечивали отдельные
участки этих маршрутов. Кнопки в левой части табло остаются,
а рядом с ними располагаются таблички с названиями станций
(подобного рода табло-информаторы установлены на некоторых
станциях Московского метрополитена).
Характерологический тестер. Этот аппарат представляет собой
информационно-логическое устройство, реализующее своеобразный
психологический тест: опрашиваемому задается ряд вопросов, на
которые он должен ответить утвердительно или отрицательно; на
основании этих ответов делается вывод о некоторых чертах его
характера.
Всего предлагается три серии вопросов.
Серия А
1. Употребляете ли вы грубые слова, разговаривая с людьми,
которых это шокирует?
2. Любители вы похвастаться накануне экзамена, что все отлич-
но знаете?
3. Бывает ли у вас желание во что бы то ни стало поразить
друзей оригинальностью?
4. Доставляет ли вам удовольствие высмеивать мнения других?
5. Имеете ли вы обыкновение читать нотации, делать замечания
и т. п.?
Серия Б
1. Предпочитаете ли вы профессии артиста, телевизионного дик-
тора профессиям инженера, лаборанта, библиографа?
2. Чувствуете ли вы себя непринужденно в обществе малознако-
мых людей?
3. Предпочитаете ли вы заняться вечером спортом, вместо того
чтобы посидеть спокойно за книгой?
4. Способны ли вы хранить секреты?
5. Любите ли вы праздничную атмосферу?
Серия В
1. Строго ли вы соблюдаете в письмах правила пунктуации?
2. Готовитесь ли вы заранее к воскресным развлечениям?
3. Можете ли вы точно отчитаться в своих покупках и расходах?
4. Любите ли вы наводить порядок?
5. Свойственна ли вам мнительность?
Обработка информации, полученной в результате ответа на все
вопросы, производится так. Если опрашиваемый на большинство
156
вопросов серии ответил «да», то ставится индекс этой серии — А,
Б или В. Если же на большинство вопросов он ответил «нет», то ста-
вится вместо индекса серии — О. Таким образом, получается соче-
тание из трех букв, например АОВ или ОБО. В зависимости от
получившихся буквосочетаний можно высказать следующие сужде-
ния о характере того, кто отвечал на вопросы:
ООО. Вас привлекает все новое, у вас пылкое воображение,
однообразие вам в тягость. Но мало кто доподлинно знает ваш
характер. Вас считают человеком спокойным, тихим и довольным
своей судьбой, тогда как в действительности вы стремитесь к жизни,
наделенной яркими событиями.
АОО. Вы склонны высказывать и яростно защищать весьма пара-
доксальные мнения. Поэгому у вас немало противников, даже
друзья вас не всегда понимают. Но вас это мало волнует. Очень
жаль!
АБО. Оказывается, вы большой оригинал и любите удивлять
друзей. Если кто-нибудь даст совет, вы сделаете все наоборот только
ради того, чтобы посмотреть, что из этого получится. Вас это забав-
ляет, а других раздражает. Только самые близкие ваши друзья
знают, что вы вовсе не столь самоуверенны, как это кажется.
АБВ. Вы энергичны, всюду чувствуете себя на своем месте,
всегда владеете собой. Вы общительны. Но, похоже, вы любите
общество друзей только при условии, что вы играете в нем главную
роль. Окружающие признают ваш авторитет, так как в ваших суж-
дениях всегда есть большая доза здравого смысла. Но тем не менее
ваше стремление вечно поучать утомляет окружающих.
ОБВ. Вы сдержанны, но не робки, веселы, но в меру, общитель-
ны, вежливы со всеми. Вы привыкли, что вас часто хвалят. Вы
хотели бы, чтобы вас любили без всяких усилий с вашей стороны.
Без общества людей вам не по себе. Вам приятно делать людям
добро. Но вас можно упрекнуть в некоторой склонности к витанию
в облаках.
ООВ. Скорее всего, вы человек застенчивый. Это видно, когда
вам приходится иметь дело с независимыми людьми. Самим собой
вы бываете только в кругу семьи или ближайших друзей. В присут-
ствии посторонних вы чувствуете себя скованно, но стараетесь
это скрыть. Вы добросовестны, трудолюбивы, у вас есть много хо-
роших замыслов, но из-за своей скромности вы нередко остаетесь
в тени.
АОВ. Характер у вас довольно трудный. Вы крайне неуступчивы,
у вас недостаточно развито чувство юмора, вы не переносите шуток.
Вы часто критикуете чужие действия и заставляете других поступать
на свой лад. А если вам не подчиняются, вы начинаете злиться.
Поэтому у вас мало друзей.
ОБО. Вы очень общительны, любите встречаться с людьми,
собираете их вокруг себя. Как только вы остаетесь один, все пропало!
Вам трудно даже запереться в комнате, чтобы написать какую-
либо важную бумагу. В вас очень силен дух противоречия: вам
157
Рис. 86. Внешний вид характерологического тестера
постоянно хочется сделать что-нибудь не так, как делают другие.
Иногда вы поддаетесь порыву, но большей частью сдерживаетесь.
Внешний вид информационно-логической машины, осуществляю-
щей автоматически обработку информации описанного теста, при-
веден на рисунке 86. Ее принципиальная схема дана на рисунке 87.
Здесь можно выделить следующие основные узлы:
а) переключатели SA1 — SA15 для ввода ответов на вопросы
(нижние положения переключателей соответствуют ответам «нет»,
верхние положения — ответам «да»);
б) светодиоды HL1 — HL8, каждый из которых индицирует текст
с характеристикой того, кто вводил ответы на вопросы;
в) микросхемы DD1 — DD9, объединенные в логические цепочки
и управляющие включением светодиодов;
г) органы управления — выключатель сети SA16 и кнопка SB1
ОТВЕТ;
д) блок питания, состоящий из трансформатора Т1, выпрями-
теля, собранного на диодах VD1 — VD4, и конденсатора С1.
Напряжение к входам микросхем DD1 — DD9 подводится через
контакты переключателей SA1 — SA15, объединенных в три группы:
SA1— SA5, SA6 — SA10 и SA11 — SA15. Контакты переключателей
каждой группы соединены таким образом, чтобы напряжение от
источника питания к выходам микросхем подводилось лишь в тех
случаях, когда в верхнее положение переводится не менее трех
из пяти переключателей, т. е. опрашиваемый ответит «да» на боль-
шинство вопросов данной серии. При ответах «нет» на три и более
вопросов этой серии напряжение к входам микросхем не поступит,
так как цепь переключателей данной группы останется разомкнутой.
Если обозначить прохождение тока от источника питания к
входам микросхем через группы переключателей SA1 — SA5,
SA6 — SA10, SA11 — SA15 соответственно А, Б, В, а непрохождение
тока — индексом О, то различные комбинации прохождения и не-
прохождения тока дадут восемь вариантов буквосочетаний: ООО,
АОО, АБО, АБВ, ОБВ, ООВ, АОВ, ОБО. Каждому из этих вариан-
158
тов соответствует включение (через элементы микросхем DD1 — DD9)
одного из светодиодов, указывающих надписи на табличках.
Рассмотрим действие автомата на конкретном примере. Пусть
играющий (опрашиваемый) ответил положительно на вопросы
1,3, 4, 9 и 10, т. е. переключатели SAI, SA3, SA4, SA9 и SA10 были
переведены в верхнее положение, а остальные переключатели
остались в нижнем положении. При нажатии кнопки SB1 ОТВЕТ
DD1.1
DD1.2
DD1.3 HLf
R1 470
ООО
К выводу 7
DD1-DD9
-220В
DD2.1 HL2 Л
R2 470 х—<
DD1.4
DD2.3
DD2.2
АОО
DD24DD3.1
DD3.2 DD3.3 HL3
R3 470
DD3.4
АБО
HL4^<
R4 470
DD4.1
DD4.3
DD4.4 DD5.1
DD5.2
DD4.2
АБВ
006.2
R5 470
DD5.3
DD5.4 DD6.1
ОБВ
DD6 3
оов
DD7.3
DD6.4 DD7.1
DD7.2 Н_бЛ>
R6 470
К выводу 14
DD1-DD9
DD1-DD9 К155ЛАЗ,
HL1-HL8 АЛ102Б
АОВ
HL8 Л
DD7.4 DD8.1 DD8.2 DD8.3 HL7z^
R7 470
DD8.4
Рис. 87. Принципиальная схема характерологического тестера
DD9.4
159
Рис. 88. Схема замены индикатор-
ных светодиодов лампами накали-
вания
напряжение от источника питания
через переключенные контакты SA1,
контакты SA2.1, переключенные
контакты SA3.2 и SA4.1 поступа-
ет на вход микросхем. Группы пе-
реключателей SA6—SA10 и
SA11 — SA15 не пропускают на
вход микросхем отрицательный по-
тенциал от источника тока.
Таким образом, на оба входа
элемента DD2.2 подается логиче-
ская 1, и на его выходе, а значит,
и на входах элемента DD2.3 устанавливается логический 0; на вы-
ходе элемента DD2.3 устанавливается логическая 1, которая пода-
ется на вход элемента DD2.1. На входы элемента DD1.4 от группы
переключателей SA1 — SA5 подается логический 0, а на его выходе
устанавливается логическая 1, которая подается на второй вход эле-
мента DD2.1. Поэтому на выходе DD2.1 устанавливается логиче-
ский 0, и светодиод загорается.
При других вариантах ответов опрашиваемого цепи автомата
действуют аналогично.
Правильно смонтированный прибор не нуждается в налажива-
нии и работает сразу после включения в сеть.
В электрических цепях описанной информационно-логической
машины применены следующие детали: микросхемы DD1 — DD9
типа К155ЛАЗ; светодиоды HL1— HL8 типа АЛ102Б; переключа-
тели SA1 — SA15 типа КТРО; выключатель SA16 типа ТС-1; кнопка
SB1 типа К/; блок питания обеспечивает постоянное напряжение
5 В.
Описанный характерологический тестер имеет один недостаток:
тексты табличек могут быть прочтены заранее, еще до того, как
опрашиваемый ответил на вопросы и автомат указал (загоревшимся
светодиодом), какой из текстов соответствует ответу. Небольшая
доработка схемы (рис. 88) позволит выполнить конструкцию при-
бора, установив вместо табличек световые табло. Помещенные на
световых табло тексты могут быть видны только при подсвечива-
нии их лампочками. Лампочки включаются в коллекторную цепь
транзисторов (параллельно по две штуки). При установлении на
выходе элемента DD1.3 логического 0 транзистор VT1 открывается,
и лампочки HL1 и HL2 загораются, подсвечивая соответствующее
световое табло. Питание усилителя на транзисторе VT1 осуществ-
ляется от блока питания автомата. В некоторых случаях понадобит-
ся подбор резистора R1 в базовой цепи транзистора VT1 до уверен-
ного его открывания при установлении на выходе DD1.3 логиче-
ского 0.
160
§ 4.3. ОБУЧЕНИЕ И ОБУЧАЮЩИЕ МАШИНЫ
В программе работы кружка эта тема сформулирована более узко:
«Репетиторы и экзаменаторы». Однако целесообразно не органичи-
ваться изучением в кружке лишь указанных приборов и машин, а
познакомить учащихся с широкими возможностями использования
методов и технических средств кибернетики в учебном процессе.
Для школьников-старшеклассников, которые сами являются непо-
средственными участниками учебного процесса, изучение этой темы
имеет особое значение. Трудности ученика и заботы учителя близки
и понятны учащимся, поэтому обсуждение возможных путей со-
вершенствования процесса обучения всегда вызывает у них живой
интерес.
В первой беседе руководитель кружка обращает внимание уча-
щихся на все более высокие требования, предъявляемые жизнью
ко всей системе народного образования. Он разъясняет, что в основе
этих требований лежит острая потребность в повышении эффектив-
ности обучения вступающей в жизнь молодежи.
Темпы накопления естественных и научно-технических знаний
теперь таковы, что объем этих знаний увеличивается вдвое через
каждые 8—10 лет. Несложные расчеты показывают, что при сохра-
нении традиционных методов обучения через два-три десятилетия
молодому человеку для получения среднего образования потребова-
лись бы не 10 лет, как в наши дни, а 20—25 лет! Более продолжитель-
ными неизбежно стали бы сроки обучения студентов в высших учеб-
ных заведениях. К тому же пришлось бы во много раз увеличить
число педагогов, занятых в учебном процессе, а материальные
затраты на обучение возросли бы и стали непосильным бременем
для общества.
Так педагог подводит кружковцев к выводу о том, что выход
здесь не в увеличении сроков обучения, а в разработке новых, более
совершенных методов передачи знаний.
Прежде всего следует объяснить, что обучение и воспитание
можно рассматривать как определенный вид управления, а именно
управление формированием и развитием психических процессов и
свойств личности. Вопрос о повышении эффективности педагогиче-
ского процесса — это вопрос оптимизации управления и регулиро-
вания в системе «учитель — ученики», которая является типичной
кибернетической системой. Здесь учитель выступает как регулирую-
щий орган, а ученики являются объектами регулирования. Каналы
и средства связи, с помощью которых от учителя к ученикам по-
ступает информация, могут быть весьма разнообразными: и живое
слово педагога во время занятия, и страницы учебника при само-
стоятельной работе, и учебно-наглядные пособия, и такие современ-
ные технические средства обучения, как кино, звукозапись, теле-
видение.
В процессе обучения имеет место не только прямая связь учителя
с учащимися, но и обратная связь учащихся с учителем. Последний
6 Заказ 734 161
следит за правильностью восприятия и понимания ими нового мате-
риала; он учитывает, насколько полно, осознанно и прочно усваива-
ют они то, что требуется программой. Таким образом, в системе
«учитель — ученики», как и во всякой другой кибернетической
системе, существует замкнутый цикл передачи информации: от
учителя к ученикам (по каналам прямой связи) и от учеников к учите-
лю (по каналам обратной связи). Именно благодаря такому обмену
информацией и возможны в данной системе управление и регулиро-
вание, т. е. целенаправленный процесс обучения.
Далее, напомнив уже известное кружковцам положение о том, что
эффективность действия всей кибернетической системы зависит от
того, насколько быстро и четко циркулируют потоки информации по
каналам связи и насколько оперативно эта информация перерабаты-
вается, следует предложить им проанализировать эффективность
прохождения потоков информации в каналах связи системы
«учитель — ученики». При проведении такого анализа нетрудно
убедиться в том, насколько несовершенны каналы прямой и обрат-
ной связи в этой системе при традицонных методах обучения.
Основные «узкие места» традиционных способов обучения —
трудность индивидуального подхода к учащимся при групповом
характере обучения и недостаточная обратная связь. Кибернетика
указывает пути и средства для устранения этих «узких мест» и
совершенствования учебного процесса. Один из таких путей —
применение методов программированного обучения.
Сущность программированного обучения заключается в следую-
щем. Изучаемый материал разбивается на элементарные порции
(«дозы») в строго логической последовательности; каждую новую
порцию материала учащиеся получают только после того, как
хорошо усвоят предыдущую. Для проверки усвоения учебного
материала ученику предлагается ответить на контрольные вопросы.
Правильность своих ответов учащийся проверяет, сравнивая их
с образцовыми ответами. В случае правильных ответов ученик
получает возможность изучить новую порцию материала и как бы со-
вершает первый шаг в обучении. Если ответы были неверными,
учащемуся даются дополнительные разъяснения и предлагаются
дополнительные вопросы.
Для совершения второго шага учащийся должен хорошо усвоить
первую и вторую порции учебного материала, а для совершения
третьего шага — первую, вторую и третью порции и т. д. Таким
образом, в процессе изучения материала ученик движется по-
степенно, шаг за шагом, с одной ступеньки на другую, от незнания
к знанию. При этом в зависимости от предварительной подготовки и
способностей разные учащиеся продвигаются вперед с большей
или меньшей скоростью, но всегда достигают конечного этапа —
успешного завершения обучения. Этим достигается индивидуали-
зация обучения при сохранении его группового характера, т. е.
устраняется одно из основных противоречий традиционных методов
обучения.
162
При таком обучении педагог должен своевременно получать
значительно большую информацию о ходе усвоения материала каж-
дым учащимся, чем при обычных методах обучения. Это обеспечи-
вается применением специальных программированных учебных
пособий, а также широким использованием обучающих машин.
Техническим средствам обучения и электронным обучающим маши-
нам отводится особая роль. Они выступают как верные и надежные
помощники учителя, обеспечивая эффективную передачу информа-
ции по каналам прямой и обратной связи и тем самым способствуя
оптимизации всего учебного процесса.
На занятиях кружка необходимо ознакомить его членов с прин-
ципом действия основных типов обучающих машин: информаторов,
контролеров, тренажеров, а также многорежимных обучающих
машин, совмещающих функции трех указанных групп.
Машины-информаторы. Технические средства обучения этой груп-
пы являются наиболее простыми по возможностям обмена инфор-
мацией с учащимися (хотя конструкции подобных устройств могут
быть весьма сложными). В простейших случаях такие машины
состоят всего из двух основных узлов: запоминающего устройства,
в котором хранится информация (учебный материал), и более или
менее сложного механизма, способного выдавать эту информацию
учащимся по определенной программе. При использовании таких
машин в учебном процессе имеет место лишь односторонняя пере-
дача информации — от машины к учащемуся. Примерами таких
машин, широко применяемых в учебном процессе, являются эпи-
диаскопы, кинопроекционные аппараты, магнитофоны, телевизион-
ные установки и т. п. Применяются для этой цели и компьютеры.
Информационно-справочный автомат, в памяти которого записано
обилие сведений, может быть хорошим консультантом и даже
лектором, который по первому требованию учащегося выдает учеб-
ный материал, а также нужные справки или проводит исчерпываю-
щие консультации по пройденному курсу.
Машины-контролеры (экзаменаторы). Для обучающих машин
этой группы характерно наличие только обратной связи — от
учащихся к машине. Для проверки и оценки усвоения учащимися
материала в память машины-контролера вводится программа
опроса. Учащийся, которому машина предлагает вопрос (или серию
вопросов, контрольное задание и т. п.) по определенному учебному
материалу, формулирует самостоятельно ответ (метод прямого
ответа) или выбирает один из нескольких предложенных ответов
(метод выбора ответа) и вводит его в машину. Машина сравнивает
ответы учащегося с правильными, хранящимися в ее памяти, а
затем на основании этого сравнения производит оценку ответов.
Разумеется, такие машины не решают проблему контроля во
всем объеме, но они могут успешно использоваться для текущего
контроля успеваемости, особенно для проверки и самопроверки
учащимися своих знаний, причем такая самопроверка может про-
водиться вне урока и даже в отсутствие учителя.
6* 163
Машины-тренажеры (репетиторы). В таких машинах учебный
материал в виде упражнений, примеров и новых для учащегося
сведений, а также задачи и вопросы по этому материалу (программа
контроля) вводятся в запоминающее устройство машины заранее,
при подготовке ее к работе. После включения машины устройство
выдачи информации извлекает из памяти хранящиеся там дозы
учебного материала, контрольные вопросы и предлагает их учаще-
муся. Прослушав (просмотрев) очередную порцию информации и
ознакомившись с соответствующими контрольными вопросами, уча-
щийся отвечает на последние, вводя свои ответы в машину. После
сравнения каждого ответа с правильным, поступающим в устрой-
ство сравнения из блока памяти, машина направляет в устройство
выдачи оценки сигнал подтверждения правильности ответа (при
неправильном ответе поступает сигнал ОШИБКА). Дальнейшие
действия машины-тренажера могут быть различными в зависимости
от логической структуры обучающей программы, заложенной в ее
конструкцию.
В простейших машинах этого типа сразу же после ввода учащим-
ся ответа на очередной вопрос устройство выдачи оценки сигнали-
зирует о правильности или неправильности ответа, а при неправиль-
ном или неполном ответе машина выдает информацию, содержа-
щую разъяснение и полный ответ на вопрос, после чего следует
переход к новой порции учебного материала. В этом случае говорят,
что машина работает по линейной программе. В других машинах
этого типа в случае ошибки правильный ответ не выдается, но
учащемуся предоставляется возможность повторных ответов на пред-
ложенные вопросы. В машине предусмотрены блокирующие устрой-
ства, не разрешающие учащемуся переходить к новому вопросу
до тех пор, пока он не ответит правильно на предыдущий.
Более сложные машины-тренажеры работают по разветвленной
программе: при неправильных ответах учащегося автомат анализиру-
ет характер ошибки, выдает соответствующий дополнительный учеб-
ный материал, наводящие вопросы, подсказки, дополнительные
задания и т. п. Только убедившись в том, что материал очередной
дозы учащийся усвоил прочно, машина переходит к следующей,
новой дозе.
Машины-тренажеры могут быть оснащены счетчиками ошибок
или другими устройствами, позволяющими учителю и самому
учащемуся в конце цикла обучения проверить его результаты и
эффективность.
Наряду с информаторами, экзаменаторами и репетиторами,
предназначенными для автоматизации отдельных этапов учебного
процесса, существуют многорежимные обучающие машины, совме-
щающие функции машин всех трех групп.
Индивидуальные обучающие машины всех типов находят при-
менение в тех случаях, когда работа учащихся носит самостоятель-
ный характер. Это имеет место при заочном обучении, при самопод-
готовке к занятиям, зачету, экзамену и т. п. Если же в классе, обору-
164
дованном такими машинами, занятие проводит преподаватель, то
гибкое управление работой всей группы ему осуществить трудно: он
должен переходить от одного учащегося к другому, успевать следить
за сигналами многих машин, стоящих в классе. Поэтому при груп-
повом обучении применяются обучающие системы, в которых все
рабочие места связаны с пультом преподавателя электрическим
кабелем. С пульта преподавателя ведется управление работой всего
класса: выдается информация, задаются упражнения и контроль-
ные задания и пр. Наиболее перспективно использование таких обу-
чающих комплексов на основе использования компьютеров, пер-
сональных ЭВМ. Обладая значительным объемом памяти и высоким
быстродействием, современные ЭВМ позволяют индивидуализиро-
вать обучение в больших группах учащихся.
Заглядывая в будущее, можно с уверенностью сказать, что
ЭВМ, обслуживая одновременно сотни и тысячи учащихся, причем
делая это четко, адаптивно (приспосабливаясь к каждому обучаю-
щемуся индивидуально), будут снабжать их учебной информацией
прямо на дому, консультировать, тренировать, экзаменовать,
обеспечивая высокую эффективность учебного процесса.
На занятиях кружка анализируются принципиальные схемы раз-
личных обучающих машин и комплексов, сопоставляются их функ-
циональные возможности. Исходя из потребностей школы или вне-
школьного учреждения и материальных возможностей, кружковцы
вместе с руководителем выбирают конструкции обучающих машин
и приступают к их изготовлению. Созданные в кружке обучающие
устройства передаются школе для использования в учебном про-
цессе.
Ниже приводится описание простого кибернетического контроле-
ра знаний, доступного для изготовления в условиях технического
кружка.
Контролер представляет собой прибор настольного типа, пред-
назначенный для автоматизации опроса учащихся на уроке. По
принципу действия это устройство относится к обучающим машинам
с выборочным методом ввода ответов: ученику предлагается серия
вопросов и на каждый из них несколько ответов, из которых он
должен выбрать правильные и наиболее полные; получив ответы,
прибор автоматически оценивает их по пятибалльной системе и
указывает, какие из них верны. Прибор может быть использован при
проверке текущей успеваемости учащихся, их готовности к выпол-
нению лабораторных работ, степени усвоения учебного мате-
риала и пр.
На лицевой панели прибора (рис. 89) расположены шесть
переключателей, каждый из которых может быть установлен в любое
из пяти рабочих положений (обозначенных цифрами 1—5). На
лицевой панели расположены также шесть сигнальных ламп,
контактное поле штепсельного коммутатора, прибор-индикатор, кноп-
ка ОЦЕНКА, контрольный замок, сетевой тумблер и лампа-инди-
катор включения прибора.
165
Рис. 89. Лицевая панель контролера знаний
Опрашиваемому ученику выдается карточка-билет с шестью
вопросами, на каждый из которых даны пять ответов: один правиль-
ный, а четыре неверных. Одновременно в прибор вводится информа-
ция о том, какие из ответов на данные вопросы являются правиль-
ными. Ввод этой информации осуществляется с помощью специаль-
ной перфокарты, накладываемой на штепсельный коммутатор.
Для каждого билета заранее заготавливается соответствующая
перфокарта. Отверстия в перфокарте располагаются так, что при
наложении перфокарты на штепсельный коммутатор они оказывают-
ся над гнездами, с которых подается напряжение на неподвижные
контакты переключателей SA1 — SA6 (по принципиальной схеме
на рисунке 90), номера которых соответствуют правильным ответам.
Контактное поле штепсельного коммутатора представляет собой
шесть рядов контактов, по пять в каждом ряду. Гнезда соединены
с контактами переключателей SA1 — SA6 не в строгом порядке, как
это показано на рисунке 90, а перепутаны. Порядок расположения
гнезд известен лишь руководителю занятий, у которого имеется
специальная табличка, где гнезда пронумерованы в соответствии
с теми контактами переключателей, к которым они присоединены.
Этой табличкой учитель пользуется при изготовлении перфокарт.
Итак, одновременно с вручением опрашиваемому билета соответ-
ствующая этому билету перфокарта накладывается на поле штеп-
сельного коммутатора и во все отверстия в перфокарте (их
шесть — по числу вопросов) вставляются штекеры. Затем прибор
включается. Опрашиваемый должен ознакомиться с вопросами,
содержащимися в билете, для каждого из них найти правильный
ответ и, заметив его номер (вопросы пронумерованы римскими
цифрами от I до VI, а ответы на каждый из вопросов — арабскими
цифрами от 1 до 5), установить этот номер с помощью соответст-
вующего переключателя SA1 — SA6. Ответив таким образом на все
вопросы, опрашиваемый нажимает кнопку SB1 ОЦЕНКА. Загорев-
166
шиеся лампы укажут, на какие из вопросов опрашиваемый ответил
правильно, а стрелочный прибор-индикатор зафиксирует оценку
в пятибалльной системе.
Рассмотрим, как работает автомат. Для подготовки его к работе
необходимо включить выключатель SA7, замкнуть и затем разом-
кнуть при помощи ключа контрольный замок SA8. При этом срабаты-
вает реле К1 и своими контактами К1.1 блокирует контакты
ключа SA8, зажигая одновременно лампу-индикатор включения
прибора HL7. Контакты К1.2 подают напряжение к контактам
кнопки ОЦЕНКА. Установкой штекеров на контактном поле штеп-
сельного коммутатора задается код правильных ответов. В случае
правильных ответов на вопросы билета, т. е. при установке пере-
ключателей в такие положения, когда их неподвижные контакты
соединены с контактами гнезд КП, замкнутых штекерами, обра-
зуются цепи от кнопочного выключателя SB1 до соответствующих
ламп HL1 — HL6.
При нажатии кнопки SB1 ОЦЕНКА срабатывает реле К2, и на-
пряжение поступает только на лампы, соответствующие вопросам,
на которые даны правильные ответы. Одновременно отклоняется
стрелка индикатора оценки (угол отклонения стрелки пропорцио-
нален числу загоревшихся ламп). Нормально замкнутые контакты
К2.1 размыкаются, питание на реле К1 подается через последова-
тельно включенные контакты переключателей SA1.2—SA6.2. Если
опрашиваемый повернет любой из переключателей после получения
оценки, то цепь питания реле К1 будет разорвана, его контакты
кп
Рис. 90. Принципиальная схема контроллера знаний
167
К1.1 и KI.2 разомкнутся и прибор оказывается отключенным от
источника питания. Вторично получить оценку невозможно до тех
пор, пока педагог не включит контакты ключа SAS. Это обеспечивает
автоматический контроль правильности эксплуатации прибора опра-
шиваемым в случае отсутствия руководителя занятий. В этом случае
опрашиваемый мог бы при неудовлетворительной оценке без ведома
учителя включить прибор с помощью выключателя SA7 или попы-
таться подобрать правильный ответ, переключая выключатели
SA1 — SA6.
Миллиамперметр РА1 показывает общий ток горящих ламп. Ток
этот пропорционален числу горящих ламп (при правильных ответах
на все вопросы ток максимален). Шкала миллиамперметра раз-
делена на пять частей в соответствии с оценками пятибалльной
системы: «очень плохо», «неудовлетворительно», «удовлетворитель-
но», «хорошо», «отлично». Деления шкалы рассчитаны таким обра-
зом, что оценку «отлично» прибор дает при правильных отвегах
на все шесть вопросов, при пяти правильных отвегах автомат выдает
оценку «хорошо», при четырех правильных ответах — «удовлетво-
рительно», при трех — «неудовлетворительно», при числе правиль-
ных ответов менее трех — «очень плохо».
В контролере применены коммутаторные лампы напряжением
24 В; переключатели SA1 — SA6 типа 5П2Н; реле К1 и К2 типа
РЭС9 (паспорт РС4.524.200); измерительный прибор РА1 типа
М-24, рассчитанный на токи до 50 мА; диоды VD1 — VD4 типа
Д226Б; сопротивление резистора R1 подбирается при градуировке
прибора; кнопка SB1 типа К1, выключатель SA7 — однополюсный
тумблер; в качестве ключа SAS использован замок зажигания от
автомобиля; блок питания обеспечивает постоянное напряжение
24 В для питания ламп накаливания и электромагнитных реле.
§ 4.4. ИГРЫ И ИГРАЮЩИЕ АВТОМАТЫ
Интерес ученых к теории игр и к игровым системам автоматиче-
ского управления и регулирования в последние годы все более
возрастает. Исследования, связанные с теоретическими проблемами
в этой области, с созданием играющих машин-автоматов и программ
для них, ведутся во многих научных учреждениях у нас в стране и
за рубежом. Разработка игровых кибернетических устройств и систем
раскрывает широкие возможности для решения многих важных
народнохозяйственных задач, например, таких, как распределение
капиталовложений в промышленность, транспорт и сельское хозяй-
ство, рациональное использование природных ресурсов страны,
организация ее обороны и т. п. Поэтому ознакомление членов кружка
технической кибернетики с элементами теории игр и привлечение
их к конструированию моделей различных играющих машин-автома-
тов имеет большое значение.
Общая методика проведения занятий по этой теме сохраняется
прежней. Обзорные беседы руководителя дополняются докладами
168
и сообщениями членов кружка по отдельным теоретическим во-
просам. На практических занятиях кружковцы занимаются кон-
струированием играющих машин, изготовляют отдельные их узлы
(эта работа ведется звеньями по 2—3 человека), осуществляют
сборку, налаживание и испытание автоматов, оформляют на них
техническую документацию.
Прежде всего кружковцам следует дать понятие о конфликтных
ситуациях в кибернегических системах, привести примеры конфлик-
тов (в промышленности, экономике, растительном и животном
мире и т. п.). Учащиеся должны усвоить, что игра в кибернегике
рассматривается как модель конфликтной ситуации, и задача теории
игр — выработать рекомендации по рациональному образу действий
участников конфликта (игроков). Нужно познакомить членов кружка
с теми основными понятиями теории игр, которые понадобятся им
при изучении теории и в практической работе (правила игры,
ходы игроков, дерево игры, стратегии, платежная матрица и пр.).
Необходимо уделить внимание знакомству учащихся с классифи-
кацией игр — делением их на игры конечные и бесконечные,
антагонистические и неантагонистические, игры с нулевой суммой и
с ненулевой суммой, с полной и неполной информацией, игры одного
игрока, парные и множественные и т. д. Подробно следует остано-
виться на неопределенности исхода игры как одном из основных
факторов вступления игроков в игру и рассказать о делении игр
в зависимости от причин неопределенности исхода на комбинатор-
ные, случайные и стратегические.
С комбинаторными играми можно познакомить кружковцев,
рассмотрев различные игры с предметами (игру Баше, «Ним»,
«Цзяньшицзы» и пр.), простые игры на шахматной доске и т. п.
В играх этого класса правила игры в принципе позволяют каждому
игроку проанализировать возможные варианты своего поведения и,
сравнив их, выбрать наилучший, ведущий к выигрышу. Неопреде-
ленность исхода таких игр связана с тем, что количество вариантов
(комбинаций) здесь настолько велико, что практически игрок не
может «перебрать» и проанализировать все эти варианты. В ком-
бинаторных играх для одного из игроков всегда существует выигрыш-
ная стратегия, т. е. можно указать такой способ поведения (выигры-
вающий алгоритм), который всегда приведет этого игрока к выигры-
шу независимо от поведения другого игрока. Например, в игре
Баше двое играющих берут по очереди предметы из кучи; при каждом
ходе игрок может взять один, два или три предмета; выигрывает тот,
кто возьмет последний предмег. Выигрывающий алгоритм в этой
комбинаторной игре сводится к следующему:
а) уступать право первого хода противнику, если исходное
число предметов в куче равно или кратно четырем;
б) начинать игру самому, если это число некратно 4;
в) своим очередным ходом дополнять число предметов, взятых
противником, до 4 (оставляя в куче число предметов, кратное 4).
Проанализировав несколько подобных игр, различных по своей
169
комбинаторной сложности, например «Цзяньшицзы», «Ним», «Крес-
тики-нулики», можно рассказать кружковцам о методах отыскания
выигрывающих алгоритмов для них. После этого следует познако-
мить учащихся с принципами построения машин-автоматов, реали-
зующих выигрывающие алгоритмы для простых комбинаторных игр,
рассмотреть схемы и конструкции некоторых из них, выбрать для
постройки какие-либо из играющих автоматов этой группы и при-
ступить к их созданию. Можно рекомендовать постройку играющих
автоматов для таких игр, как игра Баше, «Набери чет», «Ход фер-
зем», «Ход конем», «Крестики-нулики» и др.
Следующим этапом может быть знакомство учащихся с принципа-
ми обучения автоматов игре в комбинаторные игры. Здесь весьма
эффективным методическим приемом, облегчающим понимание этих
принципов, может служить ознакомление кружковцев с идеей
Дональда Мичи о самообучающихся играющих автоматах из... спи-
чечных коробков. Идея эта сводится к следующему.
Для каждой позиции, которая может встретиться автомату
в данной комбинаторной игре, заготавливается спичечный коробок,
в который закладываются разноцветные бусинки — по одной на
каждый вариант хода автомата в этой позиции. Совокупность всех
этих спичечных коробков и есть играющий автомат, а точнее — его
память. При каждом очередном ходе этого автомата нужно наугад
извлечь из соответствующего спичечного коробка одну бусинку —
она и укажет, какой ход нужно сделать за автомат (бусинка затем
снова возвращается на место). Если автомат проиграет, его «наказы-
вают», изымая из коробка бусинку, которая привела к проигрышу,
тем самым лишая его возможности повторить эту ошибку в следую-
щих партиях игры. При достаточно большом количестве сыгранных
партий из автомата будут изъяты все бусинки, соответствующие
ходам, которые ведут к проигрышу. Автомат научится играть без-
упречно.
Разъяснив кружковцам, как можно подобное запоминающее
устройство реализовать в виде релейно-контактной или электронной
схемы, нужно затем проанализировать структурную и принципиаль-
ную схему какого-либо простого автомата, способного обучаться
выигрышной стратегии, например в игре Баше. Рекомендуется
построить такой автомат, взяв за его основу описания подобных
устройств из указанных в приложении литературных источников.
Завершая изучение комбинаторных игр, педагог может обратить
внимание кружковцев на то, что игры этого типа представляют
интерес для игроков лишь до тех пор, пока последние незнакомы
с выигрывающим алгоритмом. Если один из игроков узнает этот алго-
ритм, то, следуя ему, он будет неизменно выигрывать; если же вы-
игрывающий алгоритм узнают оба участника игры, то сам процесс
игры вообще потеряет для них всякий интерес.
По мере увеличения комбинаторной сложности игр разработка
теории и формулировка выигрывающего алгоритма становятся все
затруднительнее; сложнее становятся и соответствующие играющие
170
автоматы. Для такой сложной комбинаторной игры, как, например,
шахматы, эта задача вообще еще не решена.
Об играх со случайным исходом или азартных (от французского
hasard —- случай) можно провести беседу с кружковцами лишь
в ознакомительном плане, подробно изучать их нет необходимости.
Типичными примерами таких игр являются бросание жребия (на-
пример, с помощью подбрасывания монеты), участие в различных
лотереях и т. п. Говорить о выборе наилучшего способа поведения
в таких играх не приходится: исход игры здесь случаен и от действий
игрока не зависит. Поэтому не существует выигрывающих алгорит-
мов для таких игр, и, следовательно, не могут быть созданы машины-
автоматы для игр со случайным исходом, подобные автоматам
для комбинаторных игр.
Научный анализ игр со случайным исходом возможен, он основан
на выводах теории вероятностей. Этот анализ позволяет определить
лишь шансы участников игры со случайным исходом при тех или иных
условиях ее проведения. Однако общее знакомство с такими играми
и с методами их анализа полезно при изучении стратегических игр,
многие из которых содержат элементы, свойственные играм со
случайным исходом.
В стратегических играх неопределенность исхода связана с тем,
что каждый из игроков, принимая решение о выборе образа дейст-
вий, не знает, какой стратегии будет придерживаться его противник.
Простейшим примером стратегической игры является игра «Две
монетки»: два ее участника одновременно кладут на стол по монете;
если окажется, что монеты выложены одинаковыми* сторонами
вверх, то выигрывает первый игрок; в противном случае — второй.
В играх этого типа (в отличие от комбинаторных игр) каждый от-
дельный ход игрока нельзя назвать ни плохим, ни хорошим — это
зависит от того, какой ход сделает его противник. В этом заключает-
ся основная особенность стратегических игр, делающая даже самые
простые из них более трудными для анализа, чем сложные комбина-
торные игры. Исследование многих стратегических игр осложняется
еще и наличием случайных факторов (пример такой игры —
домино).
На кружковых занятиях достаточно ограничиться лишь наиболее
простыми парными конечными играми с нулевой суммой. В таких иг-
рах интересы игроков прямо противоположны: выигрыш одного из
них равен проигрышу другого. Поэтому здесь можно рассматривать
выигрыш только одного игрока, считая, что этот игрок стремится
к достижению его максимума, тогда как другой игрок старается
свести этот выигрыш к минимуму.
Элементарные представления о приемах анализа стратегических
игр можно дать кружковцам, рассмотрев анализ какой-либо до-
статочно простой игры этого типа, например игры «Три пальца».
В этой игре игроки А и В одновременно и независимо друг от друга
показывают один, два или три пальца. Если сумма показанных
ими чисел оказывается четной, то игрок А получает равное этой сум-
171
ме число очков; если же она нечетная, то соответствующее число
очков получает игрок В.
Проанализируем эту игру.
У каждого из игроков по три стратегии: показать один, два или
три пальца. Поэтому такую игру называют игрой 3X3. Все воз-
можные результаты игры для различных стратегий, выбранных
игроками Л и В, и соответствующие выигрыши игрока А удобно
представить в виде следующей таблицы (она называется «матрицей
игры» или «платежной матрицей»):
Здесь на пересечении каждой пары стратегий игроков А и В за-
писан выигрыш в очках, который получает игрок А (отрицательный
выигрыш означает, что игрок В получает очки, а игрок А их теряет).
Легко убедиться, что на любую из стратегий, выбранных игроком А,
его противник может ответить наихудшим для А образом. Так,
например, для А заманчиво воспользоваться стратегией АЗ, сулящей
выигрыш 6 очков или, по крайней мере, 4 очка (в случае применения
игроком В стратегий ВЗ и В1 соответственно). Но если при этом
игрок В изберет стратегию В2, то игрок А проиграет 5 очков. Анало-
гично, выбирая стратегию А1 или АЗ, игрок А также не может быть
уверен в выигрыше. В таком же затруднении находится и игрок В,
который не знает, как сыграет А.
В осторожной игре, без излишней горячности и риска, каждый
игрок стремится не столько к выигрышу, сколько к тому, чтобы
уберечься от проигрыша. Поэтому ему следует выбирать свою
стратегию так, чтобы даже наилучшая стратегия противника дала
этому противнику наименьший выигрыш. Следовательно, для игрока
А наиболее «безопасной» стратегией будет такая, у которой мини-
мальный выигрыш является наибольшим по сравнению с минималь-
ным выигрышем всех других его стратегий. Для стратегии А1 наи-
меньшее значение выигрыша —3, для стратегии А2 оно равно —5,
для стратегии АЗ также — 5. Максимальным из этих минимальных
значений является число —3, которому соответствует стратегия А1.
Эта стратегия называется максиминной (от слов «максимум из
минимумов»), а соответствующий ей выигрыш (в данном случае
—3 очка) носит название нижней цены игры.
По аналогичным соображениям игрок В в расчете на умелое
поведение игрока А должен отдать предпочтение той своей страте-
172
гии, у которой максимальный выигрыш противника будет наимень-
шим из максимальных выигрышей всех его стратегий. Для стратегии
В1 наибольшее значение равно 4, для стратегии В2 оно также
равно 4, а для стратегии ВЗ оно равно 6. Минимальный из этих
максимумов равен 4 — это верхняя цена игры, ей соответствуют
две минимаксные стратегии В1 и В2.
Принцип осторожности, предписывающий игрокам выбор макси-
минной и минимаксной стратегий, называют в теории игр принципом
минимакса. Отступая от этого принципа в надежде на более крупный
выигрыш, каждый из игроков идет на риск, связанный с возмож-
ностью более крупного проигрыша. Из сказанного не следует,
однако, что при многократном повторении этой игры наиболее
безопасно для каждого из игроков все время придерживаться одной
и той же максиминной (минимаксной) стратегии. В самом деле,
допустим, что игрок А до абсурда «сверхосторожен» и неуклонно
придерживается во всех партиях игры стратегии А1. Тогда уже по
результатам первых нескольких партий его противник догадается
об этом и в дальнейшем будет неизменно отвечать выбором стратегии
В2, обрекая игрока А на постоянный (хотя и не самый крупный)
проигрыш.
Таким образом, в подобных играх большое значение имеет фактор
«разведки» — получение каждым из игроков информации, на осно-
вании которой он мог бы прогнозировать стратегии, выбираемые
противником. Чтобы затруднить противнику получение такой инфор-
мации, нужно, очевидно, от партии к партии менять свои стратегии
случайным образом, или, как говорят в теории игр, использовать
смешанную стратегию. В теории игр доказывается, что в этой игре
при многократном ее повторении наиболее целесообразной (опти-
мальной) смешанной стратегией для каждого из игроков является
такая смешанная стратегия, при которой они показывают два пальца
вдвое чаще, чем один или три.
Если каждый из игроков будет пользоваться своей оптимальной
смешанной стратегией, то при большом количестве сыгранных партий
средний выигрыш каждого будет равен нулю. Отклонение же от
такой оптимальной стратегии грозит отклоняющемуся игроку про-
игрышем.
Следует обратить внимание на то, что в этой игре оба игрока,
отклоняясь от своих максиминной и минимаксной стратегий, должны
тщательно скрывать свои намерения друг от друга. Но есть и такие
парные игры с нулевой суммой, в которых «осторожному» игроку
незачем отклоняться от максиминной (минимаксной) стратегии и
нет необходимости скрывать это от своего противника. Речь идет
об играх, у которых верхняя и нижняя цены игры по своим значе-
ниям совпадают. В таких случаях это общее значение минимакса
и максимина является наименьшим в своей строке матрицы и
наибольшим в своем столбце, а об игре говорят, что ее матрица
имеет седловую точку (это название объясняется тем, что подобная
точка есть на поверхности седла: она занимает наивысшее поло-
жение при поперечном его разрезе и наинизшее — при продольном
разрезе).
Седловая точка лежит на пересечении минимаксной и макси-
минной стратегий. Эти стратегии являются оптимальными для обоих
игроков. Если один из них решил придерживаться своей оптимальной
стратегии, то для другого отклонение от своей подобной стратегии
нецелесообразно, ибо в лучшем случае его выигрыш останется
неизменным, а в худшем — уменьшится. При этом наличие у любого
из. игроков информации о том, что его противник избрал свою
оптимальную стратегию, не может изменить поведение этого игрока:
если только последний не хочет действовать против своих же инте-
ресов, он и сам вынужден будет придерживаться своей оптимальной
стратегии.
Игры, имеющие в матрице седловую точку, встречаются на
практике довольно часто. В частности, в теории игр доказывается,
что седловую точку имеет всякая игра с полной информацией.
Следует проанализировать с кружковцами в виде примеров
несколько различных стратегических игр, составить для них платеж-
ные матрицы, определить значения минимакса и максимина и найти
седловые точки, если они имеются, а при отсутствии седловой точки
показать, как в простейших случаях определяются смешанные
стратегии игроков.
При наличии у кружковцев большого интереса к этой теме руко-
водитель может продолжить ее изложение и предусмотреть выполне-
ние практических работ по конструированию и изготовлению автома-
та, реализующего оптимальную смешанную стратегию в какой-либо
не слишком сложной стратегической игре. В подобных кибернети-
ческих устройствах, кроме узлов и деталей, характерных для машин,
играющих в комбинаторные игры, должны содержаться генераторы
случайного выбора состояний с заданной вероятностью, с помощью
которых реализуется автоматический выбор оптимальных смешанных
стратегий. Педагогу следует разъяснить кружковцам, каким обра-
зом для этой цели могут быть использованы поляризованные реле,
контактные вращающиеся диски и другие устройства.
Завершая изучение с членами кружка занятия по этой теме,
нужно рассказать им о применении ЭВМ для решения игровых
задач, о проблеме создания шахматных машин-автоматов, о матчах
и турнирах играющих машин, о перспективах использования
игровых систем автоматического регулирования в народном хозяй-
стве нашей страны. Этой теме можно посвятить ряд интересных
и содержательных докладов членов кружка.
Ниже приведены описания нескольких простых играющих авто-
матов, построенных на различной элементной базе и доступных
для реализации в условиях технического кружка.
Автомат для игры Баше. Содержание этой комбинаторной игры
и выигрывающий алгоритм для одного из игроков изложены выше.
Автомат, выполняя роль одного из игроков (его противником яв-
ляется человек), реализует выигрывающий алгоритм. Внешний вид
174
мт
Рис. 91. Лицевая панель автомата для игры Баше
лицевой панели автомата представлен схематически на рисунке 91.
На ней расположены в ряд 12 лампочек с укрепленными под ними
выключателями, кнопка ХОД АВТОМАТА, световые табло «Вы
выиграли» и «Вы проиграли» (табло «Вы выиграли» является декора-
тивным и никогда не включается, поскольку в игре всегда побеждает
автомат), сетевой выключатель.
Двое играющих (один из них — автомат) поочередно включают
произвольное число лампочек, но не менее одной и не более трех за
один ход. Лампочки должны включаться последовательно одна за
другой начиная слева. Не разрешается оставлять очередные лампоч-
ки невключенными, «перескакивая» через них, а также пропускать
свой очередной ход. Человек, играющий с автоматом, после каждого
своего хода должен нажимать кнопку ХОД АВТОМАТА. Выиграв-
шим считается тот из игроков, который своим очередным ходом
включит последнюю лампочку.
Принципиальная электрическая схема автомата показана на
рисунке 92.
Автомат не начнет игры первым: при нажатии кнопки SB1 ХОД
АВТОМАТА цепь управляющего электрода тиристора VS1 остаегся
разомкнутой (контакты выключателя SA1.2 разомкнуты) и тиристор
не откроется — все лампочки останутся огключенными. Игру должен
начинать противник автомата. Если он сделает первый ход, включив
выключатели SA1.1 и лампочку HL1, то при этом через замкнув-
шиеся контакты SA1.2 (после нажатия кнопки SB1) будет подаваться
напряжение на управляющий электрод тиристора VS1. Независимо
от того, включил ли партнер автомата одну лишь лампочку HL1 или
еще и лампочки HL2 и HL3 (выключателями SA2 и SA3), при
последующем нажатии кнопки SB1 тиристор VS1 откроется и
включит лампочки HL2 — HL4. Таким образом, число лампочек,
175
Рис. 92. Принципиальная схема автомата для игры Баше
включенных противником, автомат дополняет до четырех в соответ-
ствии с выигрывающим алгоритмом.
При втором ходе противника автомата (при включении выключа-
телем SA5.1 лампочки HL5) с замыканием контактов SA5.2 управ-
ляющий электрод тиристора VS2 подготавливается к подаче на него
напряжения. После нажатия кнопки SB1 тиристор VS2 открывается
и подключает лампочки НL6 — HL8. Аналогично выполняется и
третий ход, причем последнюю лампочку HL12 включает всегда
автомат, одновременно включая и лампочку HL13, подсвечивающую
табло «Вы проиграли». Для предотвращения нарушений правил
игры (включения игроком-человеком с помощью выключателя SA12
последней лампочки HL12) выключатель SA12 вообще не подключен
к электрической цепи.
После того как все выключатели возвращены в исходное состоя-
ние и произведено кратковременное отключение сетевого напряже-
ния питания, автомат готов к новой партии игры.
В автомате применены следующие детали: тиристоры VS1 — VS3
типа КУ201А; диоды VD1— VD10 типа Д226Б; выключатели SA1,
SA5, SA9 типа ТП1-2; остальные выключатели типа ТВ-1; лампочки
HL1 — HL13 типа ЯН 3,5 В X 0,28 А; кнопка SB1 типа МГ1; сердеч-
ник сетевого трансформатора набран из пластин Ш18 X 20 мм;
обмотка трансформатора I имеет 2640 витков провода ПЭЛ 0,15,
обмотка II — 80 витков провода ПЭЛ 0,5.
Если все монтажные соединения выполнены безошибочно,
автомат не нуждается в налаживании и работает сразу же после
включения в сеть. Возможно, потребуется подобрать сопротивления
резисторов R1 — R3 в случае нечеткого открывания тиристоров при
подаче напряжения на их управляющие электроды.
Автомат для игры «Ход ферзем». Сущность игры заключается
в следующем. Двое игроков попеременно делают ходы на шахмат-
ной доске ферзем, который в начале игры устанавливается на одном
176
из 64 полей. Каждый из игроков за один ход может передвинуть
ферзя либо на несколько полей вниз по вертикали, либо на несколько
клеток влево по горизонтали, либо на несколько клеток влево вниз
по диагонали. Выигрывает тот, кто своим очередным ходом установит
ферзя на поле al.
Для анализа этой игры договоримся о следующем: начальные
положения ферзя, исходя из которых выигрывает тот, кто начинает
игру, назовем выигрышными соответствующие поля шахматной
доски отметим знаком «плюс»; проигрышные поля будем отмечать
знаком «минус».
Очевидно, поле al является проигрышным: начинающему некуда
ходить — поставим на нем «минус» (рис. 93). Все поля, с которых
согласно правилам игры ферзь может попасть на al, будут выигрыш-
ными— обозначим знаком «плюс» клетки а2— а8, Ы—hl и
диагональ Ь2 — h.8. С полей ЬЗ и с2 все ходы ведут на поля, отмечен-
ные знаком «плюс», значит, поля ЬЗ и с2 проигрышные — обозначим
их знаком «минус». Со следующего поля, например Ь4, начинающий
может попасть на поле со знаком «минус». Это значит, что против-
ник обречен на проигрыш, и поле Ь4 обозначается знаком «плюс».
Продолжая рассуждать таким образом, завершим расстановку
«плюсов» и «минусов» на всех полях шахматной доски. Отсюда
можно вывести выигрывающий алгоритм: если ферзь стоит в ис-
ходном положении на проигрышном поле, вы непременно добьетесь
победы, предоставив право первого хода противнику и сделав от-
ветный ход ферзем на поле, обозначенное «минусом».
Пример такой выигрышной стратегии для автомата, играющего
Рис. 93. Выигрышные и проигрышные поля шах-
матной доски в игре «Ход ферзем»
177
Рис. 94. Дерево игры «Ход ферзем»
с партнером-человеком, представлен на рисунке 94 графически —
в виде так называемого дерева игры. Рассматривается случай,
когда начальное положение ферзя — поле е8. Напомним, что оно
проигрышное для того, кто делает первый ход, а в рассматриваемом
варианте первым начинает игру противник автомата. Кружками
на схеме показаны возможные ситуации в игре: в каждом из них
под чертой записан номер поля, а над чертой буквами М (машина)
или Ч (человек) указано, кто из партнеров делает ход в этой
ситуации. Стрелки обозначают ходы партнеров. Закрашенные напо-
ловину кружки, на которых отмечено поле al, соответствуют заклю-
чительным позициям при выигрыше машины. Таким образом, каж-
Рис. 95. Внешний вид автомата для игры «Ход ферзем
178
Рис. 96. Игровые поля (проигрышные позиции
противника автомата отмечены кружками)
Рис. 97. Штекер-ферзь и конст-
рукция гнезда
дая отдельная партия на дереве игры графически представляется
последовательной цепью кружков и стрелок, соединяющих кружок
начальной ситуации с кружком конечной ситуации.
Внешний вид автомата для игры «Ход ферзем» представлен на
рисунке 95. На лицевой панели изображена шахматная доска,
в каждом поле которой имеются отверстия, в которые при ходе чело-
века вставляется штекер-ферзь. Здесь же расположены выключа-
тель напряжения питания, кнопка ХОД АВТОМАТА и табло «Вы
проиграли».
На рисунке 96 проигрышные поля шахматной доски отмечены
кружками, в которых проставлены цифры 1—4; поле е8, на котором
находится ферзь в начале игры, обозначено буквой Ф. Выигрышные
поля, с которых после хода человека автомат делает ход на одно из
проигрышных полей, отмечены той же цифрой, что и проигрышное
поле (например, поля d8, d7 и е7 обозначены цифрой 1, так как
с этих полей автомат делает ход на проигрышное поле d6, обозначен-
ное также цифрой /). Сопоставляя дерево игры с изображенными
на рисунке 96 полями шахматной доски, видим, что поля hl — h8,
ql — q8, fl — f8, а также поля 0.5, в7, Ь7, сЗ, c4, c7 являются неигро-
выми, так как противник автомата не может ставить на них ферзя
согласно правилам игры; автомату же ходить на эти поля не-
выгодно. Отметим, кроме того, что на поля al, с2 и Ь6 может ходить
только автомат. Под всеми перечисленными неигровыми для человека
полями контактные группы не устанавливаются. Под отверстиями
остальных полей установлена пара контактов, которые замыкаются,
если вставляется штекер-ферзь (рис. 97).
179
VT1-VT8 МП42Б, VD1-VD5 Д9Ж
___
^VD5
Рис. 98. Принципиальная схема автомата «Ход ферзем»
Принципиальная схема автомата приведена на рисунке 98. Ее
основой являются четыре триггера, собранные на транзисторах
VT1 — VT8. В коллекторную цепь левого (по схеме) транзистора
каждого триггера включена лампочка накаливания (HL1 — HL4), а
в коллекторную цепь правого транзистора — резистор (R4, R8,
R12 и R16). Контакты SA1 изображают на схеме контактные
пары, расположенные под отверстиями в тех полях, из которых
можно сделать ход на проигрышное поле d6 (эти контактные пары
соединены параллельно). Аналогично контакты SA2 — SA4 относят-
ся к тем полям, с которых можно сделать ход соответственно на поля
ЬЗ, с2 и al.
Сопротивление холодных нитей накала ламп HL1 — HL4 пример-
но в 5 раз меньше их сопротивления в нагретом состоянии. При
включении напряжения питания выключателем S/I5 транзисторы
VT2, VT4, VT6, KT'S триггеров открываются, а транзисторы VT1, VT3,
VT5, VT7 закрываются, поэтому ни одна лампочка не горит.
Первым должен сделать ход противник автомата. Допустим, что
он переставил ферзя на поле d8. При этом замыкаются контакты
SA1, и отрицательное напряжение поступает на базу транзистора
VT1. Этот транзистор открывается, и загорается лампочка HL1,
расположенная под полем d6, указывая, что ответным ходом автомат
переставляет ферзя на это поле. Транзистор VT2 запирается.
Далее предположим, что противник автомата переставил ферзя
на поле Ь4. Теперь замыкаются контакты SA2, и отрицательное
напряжение подается на базу транзистора VT3, который откры-
вается, и загорается лампочка HL2, подсвечивающая поле ЬЗ. Это
указывает, что ответный ход автомат делает на поле ЬЗ. Одновре-
менно закрывается транзистор VT4, и с его коллектора через диод
VD1 на базу транзистора VT2 подается открывающее его отрица-
тельное напряжение. Первый триггер (на транзисторах VT1 и VT2)
переключается в исходное устойчивое состояние, и лампочка HL1
180
гаснет. Если следующий ход человек сделает на поле Ы, то замкнутся
контакты SA4. Аналогично предыдущему лампочка HL2 погаснет,
и загорится лампочка HL4, подсвечивающая поле al— автомат
выиграл. Для возврата автомата в исходное состояние необходимо
выключить питание, установить штекер-ферзь в гнездо поля е8 и
снова включить питание.
Аналогично работает автомат и при других вариантах стратегии
противника, причем в некоторых случаях может включаться и
лампочка HL3, подсвечивающая поле с2.
В автомате использованы следующие детали: транзисторы
VT1 — VT8 типа МП42Б; диоды VD1 — VD5 типа Д9Ж; резисторы
R4, R8, R12, R16, рассчитанные на мощность не менее 1 Вт (такие
резисторы можно изготовить, намотав несколько метров тонкого
провода ПЭЛ на резисторы типа МЛТ-0,5 с сопротивлением не менее
100 Ом); лампочки HL1 — HL4 типа ЛН 3,5 В X 0,28 А; вы-
ключатель питания типа МТД1; в качестве источника питания ис-
пользуется батарея 3336Л, но можно использовать и сетевой блок
питания с понижающим трансформатором и выпрямителем.
Лицевую панель автомата можно изготовить из листового орга-
нического стекла, раскрашенного под шахматную доску. Под лицевой
панелью располагается еще одна панель из листового гетинакса,
на которой в соответствующих местах укрепляют лампочки и кон-
тактные пары. На этой же панели укрепляют решетку из текстолита,
которая делит панель на клетки так, чтобы каждая лампочка под-
свечивала только одно поле. Все остальные детали (транзисторы,
резисторы, диоды) могут быть смонтированы на отдельной небольшой
плате из гетинакса, которую крепят к первой гетинаксовой панели.
§ 4.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРГАНОВ И ФУНКЦИИ
ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. РОБОТЫ
На занятиях по данной теме члены кружка изучают «анатомию
роботов» — элементы и узлы электронных устройств, моделирую-
щих функции отдельных органов живых существ и некоторые черты
их поведения.
Изложение материала руководитель кружка начинает с истории
создания устройств, воспроизводящих внешнее сходство, движения
и черты поведения живых организмов. Нужно подчеркнуть, что
мысль о создании моделей, воспроизводящих функции живых
существ, волновала человеческие умы на протяжении многих
веков, находя отражение в мифах и легендах, в художественных
произведениях писателей и поэтов разных времен и народов. Уча-
щимся будет интересно узнать (или вспомнить) о таких легендах,
сказках, рассказах, как миф о Пигмалионе и Галатее, легенда о
«железном человеке» философа и алхимика Альберта Великого,
сказки Э. Гофмана и X. Андерсена, произведения И. Гёте, А. Тол-
стого, К. Чапека и др.
Моделирование внешнего сходства успешно решается с древних
181
времен (многочисленные детские игрушки, разнообразные куклы,
в том числе с подвижными членами, способные открывать и закры-
вать глаза, вращать и кивать головой, издавать звуки и даже произ-
носить отдельные слова). Широко распространенные теперь в ряде
производств манекены тоже принадлежат к этой группе моделей.
Примером другого направления в моделировании, также зародив-
шегося еще в античные времена, являются устройства, использовав-
шиеся жрецами в древних храмах: автоматы для продажи «святой»
воды, для открывания двери храма при зажигании «священного»
огня и т- п. Функции («поведение») этих устройств являются анало-
гом (моделью) безусловных рефлексов у животных, несмотря на
полное несходство используемых здесь механизмов с органами
живых существ. Можно рассказать и о других подобных устрой-
ствах, описанных еще Героиом Александрийским в I в. до и. э.,
в частности о «театре автоматов», в котором представление разы-
грывали фигурки-куклы, приводимые в движение с помощью системы
грузов, рычагов и блоков.
С развитием механики, и в особенности часового производства,
в XVI—XVIII вв. механические модели живых существ стали очень
популярными; над их конструированием трудились не только многие
мастера-часовщики, но и талантливые ученые. Руководителю следует
рассказать о работах замечательных русских изобретателей
Т. И. Волоскова и И. П. Кулибина, о механических моделях живот-
ных, построенных немецким механиком Ф. Кнауссом, французским
мастером. Ж. Вокансоном, о знаменитых в свое время механических
автоматах, созданных талантливыми швейцарскими часовщиками
Пьером-Жаком Дро и его сыном Анри Дро, в честь которых автоматы
подобного рода стали называть андроидами.
В первой половине XX в. на смену андроидам — механическим
моделям живых существ — пришли роботы — электрические модели.
Термин «робот» был впервые применен чешским писателем Карелом
Чапеком. Так были названы в одном из его произведений человеке
подобные автоматы, которые восстали против создавших их людей.
С тех пор роботами стали называть электротехнические устройства,
подражающие внешнему виду и некоторым функциям человека.
Учеными и инженерами было построено немало таких конструкций
(с рекламными, учебными и другими целями). Развитие электротех-
ники и электроники позволило оснащать их «органами чувств» и
электрическими «мускулами»: эти роботы ходили, двигали головой
и руками, отвечали на вопросы и т. п.
В 50-х гг. конструкторы роботов стали вводить в них элементы
памяти и устройства обратной связи. Такие роботы в отличие от
своих старших механических и электрических собратьев получили
способность выполнять не только «жесткую», заранее заданную
программу, но и действия, определяющиеся обстановкой, окружаю-
щей средой. Первые простейшие модели такого типа — стремя-
щуюся к свету «моль» и бегущего от света «клопа» — разработал
еще Н. Винер. Широкую известность приобрели в те годы «черепаш-
182
ки», построенные английским биофизиком Г. Уолтером. Они
представляли собой самодвижущиеся электромеханические устрой-
ства, способные двигаться к свету или от него, обходить препятствия
на пути, искать и находить «кормушку» — источник электроэнергии,
подключаться к этому источнику для подзарядки аккумуляторов.
А последняя из созданных Г. Уолтером «черепашка» обладала
не только «зрением» и «осязанием», но и «слухом»; кроме того, ее
можно было научить останавливаться перед препятствием по сигна-
лу свистка (вырабатывая у нее условный рефлекс).
Можно познакомить членов кружка с другими кибернетическими
игрушками, создание которых имело большое значение в развитии
кибернетики («лисицы» А. Дюкрока, «белка» Э. Беркли, «мышь
в лабиринте» К. Шеннона и др.). На опытах конструирования
первых таких «кибернетических животных» ученые проверяли воз-
можность создания подобных целесообразно действующих систем,
пригодных для практического применения в народном хозяйстве.
В настоящее время такие системы уже существуют и действуют.
На занятиях кружка подробно рассматриваются устройства и
конструктивные особенности некоторых кибернетических игрушек,
члены кружка знакомятся с назначением и принципом действия их
основных узлов. Рассматривая способы технического моделирования
органов чувств (анализаторов) животных и человека, руководитель
объясняет кружковцам, что в качестве аналогов (моделей) органов
зрения, слуха, осязания в кибернетических игрушках применяются
уже знакомые им световые, звуковые, тепловые, тактильные и другие
датчики и реле. Следует обсудить с учащимися вопрос о том, на-
сколько близки к своим биологическим оригиналам их технические
модели, и обратить внимание на те параметры, по которым такие
модели превосходят органы чувств живых существ.
Подробнее можно остановиться на вопросах моделирования
памяти. Отметив основные свойства памяти человека и животных
(способность запоминать информацию и забывать ее с течением
времени, необходимость повторения для предохранения от забыва-
ния) и проиллюстрировав эти свойства примерами, следует расска-
зать о простых технических устройствах, позволяющих моделиро-
вать элементы памяти: термоэлектрических, емкостных, магнитных
и других ячейках памяти. С помощью таких сравнительно простых
технических устройств моделируются в кибернетических игрушках
условные рефлексы и процессы обучения.
Известно, что условный рефлекс — это выработанная в резуль-
тате тренировки реакция животного на какой-либо ранее безразлич-
ный для него раздражитель. Еще И. П. Павлов показал, что если
перед кормлением животного подавать звуковой сигнал (звонок),
то через какое-то время животное начинает реагировать на этот
сигнал так же, как и на появление пищи, т. е. уже при звуковом
сигнале у животного будет выделяться слюна.
Если условный рефлекс, выработанный у животного, не под-
креплять время от времени совместным действием безусловного и
183
Рис. 99. Устройство, моделирующее выработку условного рефлекса: а — «черный
ящик»; б — функциональная схема
условного раздражителей, то он постепенно затухает (забывается)
и в конце концов исчезает совсем.
У автомата с памятью (многотактного автомата) можно выра-
ботать условный рефлекс. Для того чтобы сконструировать такой
автомат, сначала его представляют в виде «черного ящика»
(рис. 99). Автомат должен иметь два входа А и В (сигналы от
безусловного раздражителя поступают на вход А, а от нейтраль-
ного — на вход В) и один выход X (для сигнала реакции на раз-
дражитель). Поступление сигнала на вход А должно обязательно
вызывать сигнал реакции на выходе X. Подача же сигнала на вход
В не должна сначала вызывать сигнал на выходе X. Но если
несколько раз сигналы на входах А и В появляются одновременно,
то в результате такой «тренировки» автомат научится выдавать сиг-
нал реакции на выходе X при поступлении сигнала только на вход В.
Выработанный таким образом условный рефлекс может угаснуть
через некоторый промежуток времени или после нескольких воз-
действий на вход В, не подкрепленных воздействием на вход А.
Функциональная схема такого автомата показана на рисунке
99, б. Сигнал, поступивший на вход А, всегда вызывает появление
сигнала на выходе X; сигнал же, поступивший только на вход В,
вызывает реакцию (сигнал на выходе X) лишь при поддержке
памяти.
В качестве устройства памяти используются не только группы
триггеров, но и другие технические элементы. Например, таким
устройством может служить биметаллическая пластинка со спи-
ралью, которая нагревается протекающим по ней электрическим
током. Ниже описана кибернетическая модель-игрушка, в которой
применяется такое запоминающее устройство.
Игрушка представляет собой забавную фигурку собачки, сидящей
на задних лапках; ее передние лапки опущены (рис. 100). Можно
взять собачку за переднюю лапку и поднять ее. Это воздействие
безусловного раздражителя. Если затем отпустить лапку, она опу-
стится. На собачку можно воздействовать также с помощью звуко-
вого сигнала — свистка. Этот раздражитель является нейтральным:
при свистке собачка лапку не поднимает. Но если несколько раз
подачу свистка сопровождать подниманием лапки, то будет выра-
ботан условный рефлекс: в дальнейшем при свистке собачка сама
184
поднимает лапку. Со временем выра-
ботанный рефлекс, если его не под-
креплять, угасает.
Принципиальная схема игрушки
показана на рисунке 101. Основные
ее узлы: акустическое реле, блок вы-
работки условного рефлекса и блок
питания. Звуковой сигнал (свисток)
преобразуется микрофоном ВМ1 в
электрический сигнал, усиливается
транзистором VT1 и подается на тран-
зистор VT2. Усиленное напряжение
через конденсатор СЗ подается на вы-
прямитель (VD1, VD2, С4), работаю-
щий в режиме удвоения напряжения.
Выпрямленный сигнал снимается с
конденсатора С4 и через резистор R4
подается на базу транзистора VT2, вво-
дя его в режим насыщения. Транзис-
тор VT2 открывается, и реле К1 сра-
батывает.
Подвижная лапка собачки состоит
Рис. 100. Кибернетическая мо-
дель «Собачка»
из плеча и кисти (рис. 102).
Плечо имеет в средней части отверстие 01 для оси, с помощью
которой лапка собачки присоединяется к туловищу. Отверстие 02
предназначено для шарнирного соединения лапки с тягой Т электро-
магнита YA1. Кроме того, на плече укрепляются контактные пружи-
ны SB1. Кисть шарнирно соединена с плечом в точке 03. Она имеет
кулачок (выступ), обеспечивающий замыкание контактов SB1 в том
случае, если лапку поднимают, взявшись за кисть; когда лапка
Рис. 101. Принципиальная схема модели «Собачка»
185
Рис. 102. Устройство лапки
поднимается под воздействием электромагнита YA1 и тяги Т, кон-
такты SB1 остаются разомкнутыми.
Если поднимать лапку собачки, взявшись за кисть, контакты
SB1 замыкаются, но напряжение на обмотку теплового реле КК1 не
поступает, так как разомкнуты контакты К1.1. При подаче свистка
контакты К1.1 замыкаются, но это не вызывает возникновения
тока в цепи теплового реле, если разомкнуты контакты SB1; кон-
такты КК1.1 также остаются разомкнутыми. Таким образом, до
обучения собачка не реагирует на звуковые сигналы. При подаче
свистка одновременно с подниманием лапки на некоторое время
замыкаются контакты А/./ и SB1, и через обмотку теплового реле
КК1 протекает ток, вызывая нагревание биметаллической пластин-
ки. После нескольких таких совпадений биметаллическая пластинка
вследствие разогрева изогнется настолько, что начнет оказывать
давление на контакты теплового реле K.KJ.1, замыкая их. Теперь
достаточно звукового сигнала, чтобы замкнувшиеся контакты К1.1
подали напряжение на обмотку электромагнита YA1; железный
сердечник, втягиваясь в катушку, воздействует на тягу и через
нее — на лапку, которая и поднимается.
Выработанный таким образом условный рефлекс сохраняется
до тех пор, пока биметаллическая пластинка не охладится настолько,
что контакты КК1.1 разомкнутся. После этого условный рефлекс
пропадает: собачка перестает реагировать на свисток. Однако если
время от времени подкреплять выработанный условный рефлекс,
поднимая лапку при подаче свистка, то рефлекс сохраняется.
В автомате-игрушке используются следующие детали: транзи-
сторы VT1 — VT2 типа МП42Б; микрофон ВМ1 — капсюль
ДЭМШ-1; реле К1 типа РЭС-10 (паспорт РС4.524.308); диоды
VD1, VD2 типа Д9Ж; в качестве электромагнита используется
магнитная система реле с втяжным якорем типа ЭП-1; биметалличе-
скую пластинку можно взять от любого теплового реле или устано-
вить готовое реле.
Тепловое реле нетрудно изготовить. Для этого нужно взять биме-
таллическую пластинку размерами 10 X 70 мм, а контакты использо-
вать от старого электромагнитного реле. Обмотку нагревателя
изготовляют из куска спирали от электроплитки. Длина спирали
подбирается такой, чтобы нагревание биметаллической пластинки
186
происходило достаточно быстро и на обучение собачки требовалось
всего несколько опытов. Выработка условного рефлекса должна
наступать после пяти-семи подниманий лапки, а забывание
рефлекса — через 1,5—2 мин.
Если в помещении, где демонстрируется игрушка, очень шумно, то
следует уменьшить чувствительность игрушки к звуковым сигналам,
регулируя усиление с помощью потенциометра R2.
Сердечник сетевого трансформатора собран из пластин
Ш20Х20 мм; обмотка I имеет 2 700 витков провода ПЭЛ 0,15,
обмотка II — 120 витков провода ПЭЛ 0,31, обмотка III — 50 витков
провода ПЭЛ 1,0.
Монтаж выполняется на небольшой панели, которая устанавли-
вается в корпусе. На средней стенке корпуса за декоративной
решеткой укрепляется микрофон: корпус служит также подставкой
для фигурки собачки. Электромагнит вместе с механизмом подъема
лапки монтируется внутри тела собачки и закрывается тканью
или мехом таким образом, чтобы детали конструкции не были
заметны.
Описанная конструкция может стать основой для конструиро-
вания подобной модели в кружке технической кибернетики.
Продолжая изучение этой темы, кружковцев знакомят с принци-
пами моделирования более сложных систем поведения живых
организмов, с лабиринтными задачами. Руководителю следует рас-
сказать учащимся о проблеме обучения машины распознаванию
образов, о распознающих кибернетических устройствах — перцепт-
ронах. Можно одну из бесед посвятить бионике — науке, изучаю-
щей биологические системы и процессы с целью применения полу-
ченных знаний для решения инженерно-технических задач (по
«патентам» природы). Затем следует перейти к современным
роботам и к проблеме искусственного интеллекта.
В современном понятии робот представляет собой сложную
автономную техническую систему, способную целесообразно взаимо-
действовать с окружающей средой в изменяющейся обстановке.
Сложность и разнообразие задач, решаемых роботами, гибкость
их структуры, способность приспосабливаться к внешним услови-
ям — все это позволяет считать роботы многоцелевыми автомати-
ческими системами. Современный робот — это не копия человека,
а автомат, который способен выполнять определенные сложные
операции лучше, чем человек. Робот может быть сильнее человека,
быстрее его в совершении некоторых действий, он может быть более
эффективным, экономичным и выгодным в использовании на произ-
водстве. К тому же роботы могут работать в опасных, вредных
или недоступных для человека условиях: под водой, в космосе,
в условиях очень низких или очень высоких температур, давлений,
повышенной радиации и пр.
У робота можно выделить три основных узла: блок воспринимаю-
щих устройств, блок исполнительных механизмов и блок управления.
Блок воспринимающих устройств состоит из ряда датчиков,
187
воспринимающих сигналы о состоянии внешней среды, и системы
обработки поступающей от датчиков информации. Подобно органам
чувств человека и животных, датчики робота воспринимают звуко-
вые, тактильные, световые и другие сигналы. Но робот может быть
оснащен и датчиками, способными воспринимать сигналы, недоступ-
ные органам чувств человека (например, электромагнитные волны
определенной длины, атмосферное давление, радиоактивное излуче-
ние и т. п.). Принцип действия датчиков определяется физической
природой воспринимаемых ими сигналов.
Простейшими являются тактильные датчики, сигнализирующие
о соприкосновении (столкновении) робота с объектами окружающей
среды. Обычно такие датчики выполняются в виде переключателей,
замыкающих или размыкающих электрическую цепь при механиче-
ских воздействиях на них. Наиболее сложными являются датчики
зрительной информации—телевизионные камеры, оснащенные
устройствами автоматической наводки на резкость, механизмами
поворота, наклона и другими приспособлениями. Все сигналы,
поступающие на датчики, преобразуются в электрические формы,
обеспечивающие наибольшие удобства при обработке информации.
Блок исполнительных механизмов робота может содержать
средства, обеспечивающие его мобильность (перемещение в про-
странстве), и устройства для манипулирования объектами окружаю-
щей среды. Для движения робота по твердому грунту используются
колесные, гусеничные и шагающие механизмы (последние — при
перемещении по местности, непроходимой для колесных и гусенич-
ных транспортных средств). Подводные роботы оснащаются устрой-
ствами для передвижения в воде и по дну. Перемещение и ориента-
ция роботов в космическом пространстве реализуются с помощью
реактивных и гироскопических устройств.
Другой разновидностью исполнительных механизмов являются
манипуляторы. Операции, выполняемые ими, функционально экви-
валентны движениям рук человека. Манипуляторы современных
роботов представляют собой весьма сложные многозвенные меха-
низмы с электрическим, гидравлическим или пневматическим
приводом.
Блок управления робота представляет собой портативную спе-
циализированную ЭВМ, в запоминающее устройство которой введены
данные о целях и задачах, поставленных перед роботом, о возможных
вариантах поведения при выполнении этих задач, о критериях
выбора варианта поведения и программы действий, о внешней
среде и другая необходимая информация. Сюда же поступают сведе-
ния об изменениях во внешней среде и о состоянии всех узлов и
механизмов робота в каждый момент времени. На основании этой
информации ЭВМ анализирует задачи, стоящие перед роботом,
составляет стратегические и оперативно-тактические планы достиже-
ния цели, в соответствии с которыми управляет блоками и узлами
робота.
Следовало бы упомянуть еще и о блоке питания, обеспечивающем
188
энергией все узлы и механизмы робота в процессе работы. В каналах
управления применяются почти исключительно электрические источ-
ники питания: аккумуляторы, солнечные батареи (если по условиям
работы возможна периодическая подзарядка аккумуляторов). Но
в энергетических установках робота могут использоваться двигатели
внутреннего сгорания, реактивные, атомные и др.
Большой практический интерес представляют роботы, у которых
управление может осуществляться не только автономной ЭВМ, но и
человеком-оператором, связанным с блоком управления при помощи
средств телемеханики. Включение человека в контур управления
роботом делает возможным использование этих автоматов в таких
сферах, как комплексная автоматизация производственных процес-
сов, глубоководные и космические исследования и пр. В качестве
примеров такого использования роботов можно привести советские
луноходы и планетоходы, глубоководные гидравлические манипуля-
торы и др.
Более подробные сообщения о современных роботах и об искус-
ственном интеллекте могут подготовить и сделать кружковцы.
Руководитель помогает учащимся выбрать схемы и конструкции
кибернетических устройств, доступных для изготовления силами
членов кружка, распределяет между ними задания по разработке и
постройке отдельных узлов и блоков, подготовке технической доку-
ментации и пр. Так как практические монтажные, слесарно-сбороч-
ные, наладочные и другие работы кружковцев над отдельными
блоками могут продолжаться на протяжении многих занятий, целе-
сообразно на некоторых из них организовать доклады и сообще-
ния кружковцев о ходе их работы, обсуждение результатов.
§ 4.6. КРУЖОК —ОРГАНИЗАТОР МАССОВОЙ РАБОТЫ
ПО КИБЕРНЕТИКЕ
Деятельность членов кружка технической кибернетики не должна
ограничиваться одними лишь кружковыми занятиями: заслушива-
нием докладов и рефератов, конструированием и изготовлением
моделей и приборов, рационализаторской работой. Работа кружка
может стать достоянием всей школы или внешкольного учреждения
и принести большую общественную пользу. Для этого нужно при-
влечь кружковцев к активному участию в подготовке и проведении
разнообразных массовых мероприятий по кибернетике, целью
которых является популяризация среди всех учащихся основных
идей и методов науки об управлении. Пропаганда среди широких
масс школьников достижений этой науки в решении важнейших
народнохозяйственных задач имеет большое учебно-воспитательное и
профориентационное значение.
Тематические вечера, встречи с учеными и передовиками произ-
водства, научно-технические конференции учащихся, олимпиады и
конкурсы, экскурсии, выставки технического творчества, слеты юных
рационализаторов и конструкторов, научно-популярные лекции, про-
189
водимые с привлечением специалистов-кибернетиков и сопровождаю-
щиеся демонстрацией кинофильмов, диапозитивов, плакатов, образ-
цов и моделей кибернетических устройств,— таков далеко не полный
перечень форм массовой работы. В последние годы все более попу-
лярными среди школьников становятся также клубные формы рабо-
ты, участие старшеклассников в деятельности научных обществ
учащихся, в организациях ВОИР и пр.
Коллектив кружка технической кибернетики должен стать глав-
ным организатором подготовки и проведения всех этих массовых
мероприятий. Опытные кружковцы обычно с большим интересом и
увлечением принимают участие в такой работе: они охотно дежурят
на выставках, выступают с докладами на вечерах и конференциях,
выполняют обязанности экскурсоводов, оформляют стенды и фото-
монтажи, выпускают специальные стенгазеты, готовят и ремонтируют
оборудование, наглядные пособия и приборы и т. д. Члены кружка
не только сами принимают активное участие в массовых мероприя-
тиях, связанных с кибернетикой, но также стараются привлечь
к этой работе своих друзей, знакомых по классу, школе или кружкам
других профилей. В процессе организации и проведения массовых
мероприятий решается обычно целый комплекс различных учебных
и воспитательных задач. Обучающее значение массовых форм работы
по кибернетике не исчерпывается тем, что члены кружка и остальные
школьники приобретают некоторые знания в области науки об
управлении или углубляют уже имеющиеся. Готовя сообщения и
демонстрации опытов к вечеру, самодельные модели и приборы к
выставке и т. п., члены кружка развивают свои умения самостоя-
тельно работать, творчески мыслить, ориентироваться в мире книг
и научных идей, извлекать ценные сведения из прочитанного, кри-
тически осмыслять и отбирать материал. Учащимся прививается
вкус к самостоятельной творческой работе.
Не меньшее значение имеет проведение массовых внеклассных
мероприятий по кибернетике и для воспитания учащихся: ведь успех
каждого из таких мероприятий зависит от слаженности в действиях
его организаторов, от их дисциплинированности, трудолюбия, умения
подчинить свои интересы интересам коллектива. Проведение таких
массовых мероприятий, как тематический вечер, выставка техни-
ческого творчества, научно-техническая конференция или олимпиада,,
является итогом большой творческой работы, который подводится
публично и оценивается всеми присутствующими. От удачного
проведения мероприятия зависит многое: и то, насколько обога-
щенными новыми знаниями будут приглашенные на вечер или вы-
ставку учащиеся, и то, у скольких из них появится желание
глубже и серьезные заняться изучением кибернетики и ее приложе-
ний, и то, сколько новых членов появится впоследствии в кружках
технической кибернетики.
Массовую работу следует четко планировать: заблаговременно
предусматриваются сроки и характер внеклассных мероприятий,
связанных с кибернетикой, количество и состав их участников,
190
объем и содержание работы, которую может взять на себя коллектив
кружка при подготовке и проведении таких мероприятий. Поручения
распределяются между членами кружка с учетом интересов и
уровня знаний последних. Руководитель должен раскрыть каждому
кружковцу стоящую перед ним задачу, помочь взять нужное на-
правление в этой работе, подсказать, с чего начать ее и как вести.
Предоставляя кружковцам большую самостоятельность и широкие
возможности для проявления инициативы при выполнении указанных
поручений, педагогу следует тактично контролировать и направлять
их действия, приходя в необходимых случаях на помощь.
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретения.— М.: Москов-
ский рабочий, 1973.— 296 с.
2. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука.— М.:
Советское радио, 1979.— 184 с.
3. Вайнштейн Л. И. Памятка населению по электробезо-
пасности.— М.: Энергоатомиздат, 1987.— 64 с.
4. Гильде В., Альтрихтер 3. С микрокалькулятором по-
всюду.— М.: Мир, 1988.— 200 с.
5. Горский В. А., Комский Д. М., Разд ы малин И. Ф.
Внеклассная работа по техническому творчеству и сельско-
хозяйственному опытничеству.— М.: Просвещение, 1985.— 176 с.
6. Гуревич Б. М., Иваненко Н. С. Справочник по электро-
нике для молодого рабочего.— М.: Высшая школа, 1987.—
272 с.
7. Интегральные микросхемы: Справочник/Под ред. Б. В. Тарабри-
на.— М.: Радио и связь, 1983.— 528 с.
8. Касаткин В. Н. Введение в кибернетику.— Киев: Радяньска
школа, 1986.— 152 с.
9. Кибернетика. Дела практические.— М.: Наука, 1984.— 176 с.
10. Кибернетика. Микрокалькуляторы в играх и задачах.— М.:
Наука, 1986.— 160 с.
11. Кибернетика. Становление информатики.— М.: Наука, 1986.—
192 с.
12. Комский Д. М., И г ош ев Б. М. Игротека автоматов.—
М.: Энергоатомиздат, 1987.— 224 с.
13. Любимов К- В. и др. Микрокалькулятор на занятиях по фи
зике.— М.: Просвещение, 1985.— 48 с.
14. Мальцева Л. А., Фромберг Э. М., Я мн о ль
с кий В. С. Основы цифровой техники.— М.: Радио и связь,
1986.— 128 с.
15. Общие сведения о промышленных роботах: Учебное пособие
для СПТУ/Сост.: Е. М. Канаев, Ю. Г. Козырев и др.— М :
Высшая школа, 1987.— 46 с.
ин
16. Паскалев Ж- Электронные игры.— М.: Радио и связь,
1983,— 110 с.
17. П е к е л и с В. Д. Маленькая энциклопедия о большой киберне-
тике.— М.: Детская литература, 1983.— 336 с.
18. Перегудов М. А., Халамайзер А. Я. Бок о бок с
компьютером.— М.: Высшая школа, 1987.— 192 с.
19. Персональные компьютеры. Информатика для всех.— М.: Нау-
ка, 1987.— 149 с.
20. Поспелов Г. С. Искусственный интеллект — основа новой
информационной технологии.— М.: Наука, 1988.— 280 с.
21. Программы для внешкольных учреждений и общеобразователь-
ных школ. Технические кружки по электронике, автоматике,
информатике, вычислительной и микропроцессорной технике,
кибернетике.— М.: Просвещение, 1987.— 64 с.
22. Программы для внешкольных учреждений и общеобразователь-
ных школ. Техническое творчество учащихся.— М.: Просвеще-
ние, 1988.— 352 с.
23. Речицкий В. И. Профессия — изобретатель.— М.: Просве-
щение, 1988.— 160 с.
24. Рационализаторская работа старшеклассников в межшкольных
комбинатах/ Под ред. В. И. Овсяника.— Киев: Радяньска шко-
ла, 1986.— 160 с.
25. Столяров Ю. С. Развитие технического творчества школь-
ников: опыт и перспектива.— М.: Просвещение, 1983.— 176 с.
26. Терминологический словарь по автоматике, информатике и вы-
числительной технике: Справочное пособие для СПТУ/Сост.:
В. В. Зотов, Ю. Н. Маслов и др.— М.: Высшая школа, 1989.—
191 с.
27. Техническое моделирование и конструирование/Под ред.
В. В. Колотилова.— М.: Просвещение, 1983.— 225 с.
28. Токхейм Р. Основы цифровой электроники.— М.: Мир,
1988,— 392 с.
29. Федотов Я- А. Инженер электронной техники.— М.: Радио и
связь, 1986.— 80 с.
30. Фролов В. В. Язык радиосхем.— М.: Радио и связь, 1989.—
129 с.
31. Эндерлайн Р. Микроэлектроника для всех.— М.: Мир,
1989.— 190 с.
ОГЛАВЛЕНИI
Предисловие . . 3
Глава 1. Материально-техническая база кружка 5
§ 1.1. Помещение и мебель.....................................
§ 1.2. Электрооборудование и измерительная anii.ip.iiyp.i HI
§ 1.3. Станки и инструменты ... 15
§ 1.4. Детали, конструкционные и отделочные мн lepiia.in.i . 18
§ 1.5. Литература и учебно-наглядные пособия ... Ill
§ 1.6. Производственная санитария и безопасность труда . 21
Глава 2. Организация учебно-воспитательной работы к кружке 21
§ 2.1. Организация кружка технической кибернетики
§ 2.2. Планирование кружковой работы............................... 28
§ 2.3. Учебно-воспитательный процесс в кружке . . . . . 33
§ 2.4. Связь кружка с базовыми и шефствующими оргаип шниямн, < роли
тельским активом....................................... . . 38
§ 2.5. Учет и подведение итогов работы кружка . 10
Глава 3. Содержание и методика 1-го года занятий в кружке 12
§ 3.1. Задачи и содержание занятий...............................
§ 3.2 Вводное занятие.......................... 13
§ 3.3. Понятие о кибернетике 15
§ 3.4. Системы счисления........................................... 56
§ 3.5. Элементы математической логики и теории дискретных автома
тов .............................................................. 72
§ 3.6. Техническое творчество и конструирование.................... 91
§ 3.7. Вычислительные устройства дискретного действия . . . 96
§ 3.8. Вычислительные устройства непрерывного действия 126
§ 3.9. Изучение работы ЭВМ. Заключительное занятие ... 133
Глава 4. Содержание и методика 2-го и 3-го годов занятии в кружке 146
§ 4.1. Задачи и содержание занятий...............................
§ 4.2 Элементы теории информации. Информационно-логические устрой-
ства ......................................................... ... 147
§ 4.3. Обучение и обучающие машины.................................161
§ 4 4. Игры и играющие автоматы..................................168
§ 4.5. Моделирование органов и функций живых организмов. Роботы . . 181
§ 4.6. Кружок - организатор массовой работы по кибернетике . 189
Литература
191
i
УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
НЕКОТОРЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ СЕРИИ К155
К155ЛН1
К155ЛИ1
К155ЛЛ1
1 2 & _1 4- 1 w- |rs| 21 & 1
4 5 & 1 & 1
9 10 & 9 _Л 10 1 —£ 75“ & 1
12 13 & 12 LL 13 1 12 —11 13 &
2
3
£
9
5
6
11
12
К155ЛЕ1
1 1
1 % 4
1 10
1 13
К155ЛАЗ
23
22
20
5
13
1 2
1 4_
1 6
1 ) 8
1 10
1 12
21
К155ИДЗ
1 2 4 8 (Wo J> W1 D С ° О 1 9 2 А 30 4 А 50 бА 70 8 с 9<J 10(! 11С 12 С 13^ 14С 15
1 J2
11
_2
3
4
5
_6_
7
8
9
10
11
13
14
15
16
17
К155ИМЗ
13
1
16
3.
4
£
7
Al Bl S М S1
A2 B2 S2
Аз Вз S3
A4 B4 S4
Ро Р
2
15
14
6