第二课 计算机的工作原理 教学设计

第二课计算机的工作原理教学设计一、教学目标1.知识与技能目标学生能够理解计算机的基本工作原理，包括冯·诺依曼体系结构的主要特点。掌握计算机硬件各组成部分的功能以及它们之间的数据流动和协作方式。了解指令、程序、存储程序等概念，并能简单描述计算机执行程序的过程。2.过程与方法目标通过观看动画演示、模型展示和小组讨论等活动，培养学生的观察能力、分析能力和逻辑思维能力。引导学生自主探究计算机工作原理中的关键环节，提高学生解决问题的能力和动手实践能力。3.情感态度与价值观目标激发学生对计算机科学的兴趣和好奇心，培养学生勇于探索和创新的精神。让学生体会计算机工作原理的严谨性和科学性，增强学生对计算机技术的尊重和敬畏之情。

二、教学重难点1.教学重点冯·诺依曼体系结构的核心内容，如五大组成部分及其功能。计算机硬件各部分之间的数据传输和控制流程。指令的执行过程，包括取指令、分析指令和执行指令。2.教学难点理解存储程序原理，即程序和数据如何存储在计算机中以及如何被计算机自动执行。解释计算机工作过程中各部件协同工作的机制，以及它们如何保证计算机系统的高效运行。

三、教学方法1.讲授法：讲解计算机工作原理的基本概念、原理和重要知识点，确保学生对基础知识有清晰的理解。2.演示法：通过动画演示、实物模型展示等方式，直观地呈现计算机硬件的组成结构和工作过程，帮助学生更好地理解抽象的概念。3.讨论法：组织学生进行小组讨论，鼓励学生就计算机工作原理中的一些问题发表自己的看法，培养学生的合作学习能力和思维能力。4.实践法：安排学生进行简单的编程实践或硬件组装模拟活动，让学生在实践中体验计算机的工作过程，加深对理论知识的理解。

四、教学过程

（一）导入（5分钟）1.引导学生回顾上节课所学的计算机硬件组成部分，提问："我们知道计算机由硬件和软件组成，那么硬件各部分是如何协同工作来完成我们交给它的任务的呢？"2.展示一个简单的计算机操作场景，如打开一个文档，让学生思考在这个过程中计算机内部都发生了什么。3.引出本节课的主题计算机的工作原理，激发学生的学习兴趣。

（二）讲解冯·诺依曼体系结构（15分钟）1.介绍冯·诺依曼向学生简要介绍约翰·冯·诺依曼（JohnvonNeumann）这位对现代计算机发展具有重大影响的科学家。强调冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础架构，它奠定了计算机设计和工作方式的基本框架。2.讲解冯·诺依曼体系结构的五大组成部分运算器通过动画演示运算器的工作过程，讲解运算器是计算机进行算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非）的部件。举例说明运算器如何对数据进行处理，如计算两个数的和。控制器展示控制器的功能示意图，解释控制器是计算机的指挥中心，它负责协调计算机各部件的工作。说明控制器如何根据程序的要求，向其他部件发出控制信号，使计算机按照预定的步骤执行任务。存储器介绍存储器的分类，包括内存储器（内存）和外存储器（硬盘、U盘等）。讲解内存用于暂时存储正在运行的程序和数据，CPU可以快速地对其进行访问；外存则用于长期存储大量的数据和程序，数据需要先调入内存才能被CPU处理。输入设备展示常见的输入设备，如键盘、鼠标、扫描仪等，让学生说一说它们的作用。讲解输入设备的功能是将用户输入的信息（如文字、图像、声音等）转换为计算机能够识别的二进制代码，并传送给计算机。输出设备展示打印机、显示器、音箱等输出设备，介绍它们如何将计算机处理后的结果以人们能够理解的形式呈现出来。强调输出设备的作用是将计算机内部的二进制数据转换为用户可以感知的信息，如文字、图像、声音等。3.总结冯·诺依曼体系结构的特点强调存储程序原理，即程序和数据都以二进制形式存储在存储器中，计算机按照程序规定的顺序依次从存储器中取出指令并执行，从而实现自动计算和处理任务。说明计算机各部件之间通过总线进行数据传输和控制信号传递，总线是连接计算机各部件的公共通信线路。

（三）计算机硬件的数据流动和协作方式（20分钟）1.展示计算机硬件数据流动示意图通过大屏幕展示一幅详细的计算机硬件数据流动示意图，让学生直观地看到数据在各部件之间的流动路径。2.结合示意图讲解数据流动过程输入设备将数据输入到计算机以键盘输入文字为例，讲解键盘如何将按键信号转换为二进制代码，通过接口电路传送到计算机的内存中。数据在内存中存储和处理说明当程序运行时，CPU从内存中读取指令和数据，然后将数据送入运算器进行处理。运算器处理后的结果再送回内存中存储。数据从内存输出到输出设备以显示器显示图像为例，讲解计算机如何将内存中存储的图像数据通过显卡处理后，发送到显示器上进行显示。3.讲解计算机硬件各部件的协作方式强调控制器在整个过程中的协调作用，它根据程序的要求，控制数据在各部件之间的流动和传输时机。举例说明在执行一个简单的加法运算程序时，各部件是如何协同工作的：控制器从内存中取出加法指令，分析指令后将操作数从内存中取出送到运算器，运算器进行加法运算，结果再送回内存存储，同时控制器根据程序流程决定下一步的操作。4.组织学生小组讨论提出问题："如果计算机的某个硬件部件出现故障，会对整个数据流动和协作过程产生什么影响？"让学生分组讨论，并派代表发言。通过小组讨论，加深学生对计算机硬件各部件协作关系的理解，培养学生的团队合作能力和问题分析能力。

（四）指令、程序与存储程序原理（15分钟）1.讲解指令的概念介绍指令是计算机能够执行的基本操作命令，每一条指令都规定了计算机要执行的一种特定操作，如加法、减法、数据传输等。以一条简单的加法指令为例，说明指令通常由操作码和操作数两部分组成。操作码表示要执行的操作类型，操作数则表示参与操作的数据。2.讲解程序的概念解释程序是由一系列指令组成的集合，这些指令按照一定的逻辑顺序排列，告诉计算机要完成什么任务以及如何完成。举例说明一个简单的程序，如计算两个数之和的程序，它可能包含读取两个数、将它们相加、输出结果等指令。3.深入讲解存储程序原理再次强调存储程序原理是冯·诺依曼体系结构的核心，程序和数据都存储在计算机的存储器中。通过动画演示计算机执行程序的过程，详细说明计算机如何从存储器中依次取出指令，分析指令，然后执行指令，直到程序结束。让学生思考存储程序原理的优点，如程序的可修改性、可扩展性等，并引导学生讨论存储程序原理对计算机发展的重要意义。

（五）实践环节（15分钟）1.安排简单的编程实践活动（可选）如果学生已经具备一定的编程基础，可以让学生编写一个简单的程序，如实现两个整数相加并输出结果。在学生编程过程中，引导学生思考程序中的指令是如何被计算机执行的，以及数据在程序运行过程中的流动情况。鼓励学生互相交流和分享自己的程序代码，教师进行巡视指导，及时解决学生遇到的问题。2.进行硬件组装模拟活动（可选）准备一些计算机硬件模型或使用计算机模拟软件，让学生进行硬件组装模拟。要求学生按照冯·诺依曼体系结构的组成，将运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备正确连接起来，并模拟数据在各部件之间的流动过程。在学生组装过程中，教师引导学生理解各硬件部件的功能和它们之间的协作关系，帮助学生进一步巩固所学的计算机工作原理知识。

（六）课堂总结（5分钟）1.回顾本节课所学的主要内容请学生回顾冯·诺依曼体系结构的五大组成部分及其功能。提问学生计算机硬件各部分之间的数据流动和协作方式，以及指令、程序和存储程序原理的概念。2.强调重点和难点再次强调本节课的重点内容，如冯·诺依曼体系结构的核心特点、计算机硬件数据流动过程和存储程序原理等。提醒学生注意理解本节课的难点，如存储程序原理的具体实现和计算机各部件协同工作的机制。3.鼓励学生课后继续探索鼓励学生在课后通过查阅资料、观看相关视频等方式，进一步深入了解计算机工作原理的相关知识。布置一些课后思考问题，如"计算机的工作原理对计算机的性能和应用有哪些影响？"让学生在课后进行思考和探索。

（七）课后作业1.书面作业让学生完成一份书面作业，要求详细描述计算机执行一个简单程序（如计算三个数的平均值）的过程，包括数据在各硬件部件之间的流动和指令的执行顺序。通过书面作业，考查学生对计算机工作原理知识的掌握程度和理解深度。2.实践作业布置一个实践作业，让学生使用所学的计算机工作原理知识，优化一个简单的程序，提高程序的运行效率。实践作业可以培养学生的知识应用能力和创新思维能力，让学生在实践中进一步巩固所学知识。

五、教学资源1.计算机硬件模型，如运算器模型、控制器模型、存储器模型、输入输出设备模型等，用于直观展示计算机硬件组成。2.计算机工作原理动画演示视频，帮助学生更形象地理解计算机内部的数据流动和工作过程。3.多媒体教学课件，包含丰富的图片、文字和图表，用于辅助教学讲解。4.计算机编程软件（可选），供学生进行简单的编程实践。5.计算机硬件组装模拟软件（可选），用于学生进行硬件组装模拟活动。

六、教学反思在本节课的教学过程中，通过多种教学方法的综合运用，学生对计算机的工作原理有了较为清晰的理解。动画演示和模型展示等方式有效地帮助学生克服了抽象概念理解