CC BY
29
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Социальные науки, 2015, № 4 (40), с. 189-194
189
УДК 378.147
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В КУРСАХ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ФИЗИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА
© 2015 г. О.А. Морозов, Л.Б. Лозовская, В.А. Новиков, В.В. Сдобняков
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
oa_morozov@nifti.unn.ru
Поступила в редакцию 28.04.2015
Рассматривается организация лабораторного практикума по дисциплинам, связанным с изучением основ цифровой электроники, с привлечением современных информационных технологий моделирования и проектирования цифровых устройств. Использование близкой по своим характеристикам технической и ресурсной базы, программных средств и технологий, реализуемых в рамках проектной технологии обучения, а также общность учебно-методического обеспечения, позволяет объединить усилия преподавателей различных кафедр в данной области образовательного процесса. Представленные материалы отражают предпринимаемые на физическом факультете шаги в направлении более активного использования проблемно-поисковых методов и применения новых форм организации занятий.
Ключевые слова: информационные технологии, лабораторный практикум, активные методы, метод проектов.
Введение
Формирование и развитие компетентности учащихся школ и студентов вузов в области использования информационных технологий, навыков и умений работы с различными компьютерными программами - как в повседневной жизни человека, так и в области его будущей профессиональной деятельности - является одной из основных задач образовательного процесса. Формирование качеств, связанных с проектируемой деятельностью учащихся школ и студентов вузов и направленных на успешную социализацию, наиболее эффективно осуществляется в рамках дифференцированного обучения и применения проектных методов обучения [1; 2].
В Федеральных государственных образовательных стандартах (ФГОС) третьего поколения, утвержденных в 2009-2010 годах, зафиксирована необходимость внедрения активных методов в вузовский учебный процесс для повышения качества образования, мотивации к обучению у студентов и повышения ответственности студентов за результаты их обучения, а также повышения эффективности учебного процесса в целом. Представленные в статье материалы отражают предпринимаемые на физическом факультете ННГУ шаги по изменению методов обучения, направленных на более активное внедрение частично-поисковых и проблемно-поисковых методов, применение новой формы организации занятий, при которой групповая работа сочетается с индивидуальной и
фронтальной, а также организацию активной самостоятельной работы студентов над учебным материалом. Занятия разрабатываются с использованием различных приемов и стратегий технологии с учетом особенностей изучаемого материала и преследуемых целей.
Разработка и использование современных информационных систем и технологий, отличающихся наличием широкого спектра программных и технических средств, предполагает применение различных подходов, методов и средств проектирования систем, анализа и моделирования информационных процессов [3] и обучения персонала совокупности теоретических и инженерных знаний для грамотного использования средств инструментальной поддержки.
Современное состояние лабораторного практикума по изучению основ цифровой электроники и программируемой логики, реализуемого различными кафедрами физического факультета ННГУ, можно охарактеризовать как сложный комплекс технических, программных, информационных и учебно-методических средств, обеспечивающих достаточно глубокое освоение студентами современных информационных технологий в области разработки и использования цифровых систем, реализуемых на основе микросхем программируемой логики. Использование близкой по своим характеристикам технической и ресурсной базы, программных средств и технологий, реализуемых де-факто в рамках проектной технологии обучения, а так-
же общность учебно-методического обеспечения, позволяет объединить усилия преподавателей различных кафедр в данной области образовательного процесса.
Информационные технологии в структуре лабораторного практикума
Согласно Федеральным государственным стандартам высшего образования по направлениям подготовки 230400 «Информационные системы и технологии», 210100 «Электроника и наноэлектроника», 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника», бакалавры готовятся к различным видам деятельности, в том числе проектно-конструкторской и проектно-техноло-гической, включая системный анализ предметной области; рабочее проектирование; моделирование процессов и систем; проектирование базовых и прикладных информационных технологий. Учебным планом предусмотрены различные дисциплины, связанные с изучением основ электротехники и (радио)электроники. Данные дисциплины относятся к профилирующим и направлены на формирование у студентов комплекса теоретических знаний и практических навыков, необходимых для понимания основных закономерностей, играющих фундаментальную роль при функционировании радиоэлектронных аналоговых и цифровых систем, а также принципов построения структурных блоков радиоэлектронной аппаратуры, исходя из ее функционального назначения при аналоговом и цифровом преобразовании информационных сигналов.
В структуру курса входит лабораторный практикум, где изучаются принципы построения и работы аналоговых и цифровых устройств радиотехники и электроники, а также основы разработки цифровых электронных устройств на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Целью лабораторных практикумов является приобретение навыков проектирования электронных устройств, использования средств электрических измерений и приборов, включая автоматизированные и микропроцессорные устройства.
Примерная структура курсов, реализуемых в рамках указанных выше направлений подготовки кафедрами информационных технологий в физических исследованиях (ИТФИ), физики полупроводников и оптоэлектроники (ФПО) и электроники твердого тела (ЭТТ) физического факультета ННГУ, условно представлена на рис. 1.
Общность курсов явно прослеживается в рамках изучения как аналоговых устройств электроники, так и устройств цифровой элек-
троники. Несмотря на это, лабораторные практикумы по аналоговой электронике включают в себя различный набор лабораторных работ, отражающих специфику подготовки студентов по различным направлениям. В то же время инструментальные средства разработки цифровых устройств и систем все больше ориентируются на архитектуру готовых программных изделий, в частности реализуемых на основе микросхем большой степени интеграции и микросхем программируемой логики (ПЛИС), постольку это позволяет уменьшить затраты на разработку и внедрение и обеспечивает единый интерфейс с конечным пользователем. Данная тенденция накладывает соответствующие требования на организацию образовательного процесса в области изучения современных средств цифровой электроники, использование близкой по своим характеристикам технической базы и программных средств, а также общность учебно-методического обеспечения.
С одной стороны, изучение основ цифровой электроники включает изучение принципов функционирования логических элементов, комбинационных (сумматоров, дешифраторов, мультиплексоров) и последовательностных (триггеров, регистров, счетчиков) устройств и элементов памяти, что может быть реализовано в лабораторном практикуме с помощью традиционных технических средств (макетов и модулей на микросхемах). С другой стороны, современные программные средства разработки цифровых устройств на основе ПЛИС позволяют проводить разработку цифрового устройства как на основе специальных языков программирования, так и с помощью схемотехнического редактора, а также позволяют проводить непосредственное моделирование распространения сигналов через элементы схемы. Данную особенность схемотехнического проектирования цифровых устройств можно успешно использовать в лабораторном практикуме.
На кафедре ИТФИ лабораторный практикум по изучению основ цифровой электроники и программируемой логики организован на основе использования микросхем программируемой логики фирмы Xilinx и соответствующих программных средств данной фирмы. Лабораторный практикум по цифровой электронике и схемотехнике включает в себя работы по созданию цифровых управляющих и вычислительных систем на кристалле высокой степени интеграции. В качестве аппаратной основы для выполнения лабораторных работ используется модульная система, состоящая из материнской платы и набора подключаемых к ней
Рис. 1. Примерная структура курсов, реализуемых различными кафедрами
периферийных устройств, предназначенных для ввода и вывода данных. На основной плате установлена ПЛИС, являющаяся цифровым ядром системы.
Выводы ПЛИС подключены к разъемам для подключения периферийных устройств. К заданиям, выполняемым при помощи данной платформы, относятся создание приборов индикации событий и/или результатов измерений, создание измерительных приборов (измерительный частотомер, измеритель емкости), эмулятора музыкального инструмента, а также вычислительного устройства и устройства со встроенным процессором (калькулятор).
Структура практикума включает несколько этапов (рис. 2), основными из которых являются постановка задачи (реализуется в рамках сдачи студентом допуска по лабораторной работе), собственно выполнение работы и сдача отчета. Если на этапе сдачи отчета обнаружи-
ваются серьезные недостатки, например отклонения в работе проектируемой цифровой схемы от заданных условий, студенту может быть предложено доработать схему с учетом сделанных преподавателем замечаний.
В лабораторном практикуме по цифровой электронике кафедр ЭТТ и ФПО используется автоматизированный лабораторный комплекс на базе измерительной платформы фирмы National Instruments NI ELVIS2. Лабораторные комплексы National Instruments приобретены в 2011-2013 гг. в рамках реализации программ развития ННГУ УНИК-2. Оборудование и программные средства лабораторного комплекса NI ELVIS2 реализуют технологии виртуальных приборов. Разработанное на кафедре ЭТТ учебно-методическое обеспечение используют технологии дистанционной формы обучения и контроля знаний в интернет-среде Moodle. Программное обеспечение разработано с учетом
Допуск Постановка задачи
( \ Разработка схемы
ч М хШпх !ЭЕ
/
Г Схемотехническое ^ моделирование
(Г\.......... Моае!Э1т ЭЕ
О Ю га а
Отладка схемы
(внесение исправлений)*]
Компилирование Загрузка в ПЛИС
Отчет
Рис. 2. Этапы выполнения работы
Рис. 3. Разработка цифрового устройства при выполнении лабораторной работы
опыта внедрения дистанционного обучения в ННГУ с использованием интернет-среды Moodle [4], оно с легкостью позволяет обеспечить доступ к материалам практикума через Интернет из любой точки мира, реализовать многоуровневую систему тестов, состоящую как из контролирующих, так и обучающих решений, унифицировать форму отчета о проделанной работе для эффективного сопоставления результатов исследований, выполненных различными группами, создать интерактивный глоссарий для согласования терминологии, предоставить ссылки на литературные источники в открытом доступе, реализовать обратную опНпе-связь преподаватель-студент, студент-студент и многое другое.
Под проектом обычно понимается завершенный цикл продуктивной деятельности отдельного человека или коллектива. В высшей школе в настоящее время довольно часто используют элементы проектной технологии обучения. Наиболее эффективным с позиций результативности является использование проектного метода в ходе выполнения курсовой и вы-
пускной квалификационной работы, а также при прохождении учебно-исследовательской и производственной практик [5]. По сути, любая выпускная работа - это индивидуальный исследовательский проект. Применение проектного метода в процессе обучения в высшей школе означает подготовку вхождения студентов в проектно-технологический тип культуры, организующийся в социуме в настоящее время [6].
Фактически выполнение лабораторной работы по реализации цифрового устройства на основе ПЛИС представляет собой эффективную, в образовательном смысле, реализацию проектного метода обучения с включенным в него использованием современных информационных технологий - совокупности средств и методов сбора, обработки и передачи данных для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления. Использование современных информационных технологий схемотехнического проектирования и моделирования в рамках лабораторного практикума (рис. 3) по цифровой электронике позволяет эффективно использовать выделенные рабочим
учебным планом часы учебной нагрузки, мотивирует студентов серьезно относиться к проектной деятельности и будущей профессии. Информационные технологии совместно с использованием проектного подхода позволяют в достаточно короткие сроки выработать у студентов естественно-научных и технических вузов практические навыки по выбранной специальности, способствуют повышению профессиональной компетентности выпускников. Сам лабораторный практикум становится важным этапом подготовки квалифицированных инженерно-технических специалистов с высшим образованием, позволяя сократить этап послевузовской стажировки [5].
Заключение
Как отмечается в [6], основная проблема объективного характера, сдерживающая распространение проектного обучения, состоит в трудности совмещения цели и условия выполнения проектных заданий с нормативами и требованиями образовательных стандартов. Применение современных информационных технологий в рамках выполнения проектного задания в лабораторном практикуме по цифровой электронике позволяет не только существенно расширить возможности реализации индивидуальных проектов студентов, но и предусмотреть реализацию групповых проектов в рамках отведенных учебным планом часов, использовать в учебном процессе результаты деятельности предыдущих поколений студентов.
В ходе лабораторного практикума эффективно достигается одна из основных целей проектного обучения - развитие у студентов навыков, актуальных для современной жизни, через самостоятельную исследовательскую и практическую деятельность, а также закрепление знаний и навыков, полученных при изучении ряда учебных дисциплин [5]. В процессе проектирования цифровых устройств уделяется большое внимания вопросам высокоуровневого проектирования - таким, как модульное проектирование, планирование и унификация интерфейсов и сигнальных протоколов, повторное использование узлов устройства, распределение функцио-
нальности устройства между аппаратной реализацией и встроенным программным обеспечением и др. Также рассматриваются моменты низкоуровневого проектирования - такие, как структура ПЛИС и особенности распространения сигналов, тактирование устройств, особенности взаимодействия ПЛИС с периферийными устройствами.
В настоящее время преподавателями кафедр ИТФИ, ФПО и ЭТТ разработано соответствующее учебно-методическое обеспечение для лабораторных практикумов с использованием программируемых логических схем. Использование близкой по своим характеристикам технической базы, программных средств и технологий, а также общность учебно-методического обеспечения позволяют объединить усилия преподавателей различных кафедр в данной части образовательного процесса и создать на физическом факультете единый учебно-методический комплекс в области изучения основ цифровой электроники и программируемой логики.
Список литературы
1. Борисова Ю.В., Гребенев И.В. Психологические основания дифференциации обучения физике: Учебное пособие. Н. Новгород: ННГУ, 2001. 64 с.
2. Корнилаева Т.В., Лозовская Л.Б., Малых М.Ю. Проблемы профильного обучения и профессионального самоопределения // Нижегородское образование. 2009. № 2. С. 40-47.
3. Гвоздева Т.В., Баллод Б.А. Проектирование информационных систем: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: Феникс, 2009. 509 с.
4. Филология дистанционно: опыт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского // Материалы Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в обеспечении федеральных государственных образовательных стандартов». Т. 1. Елец: ЕГУ, 2014. С. 317-322.
5. Минеев С.А. Проектный подход в производственной практике: робототехника // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2014. № 3(4). С. 138-141.
6. Швец И.М. Проектный метод: особенности и проблемы использования в высшей школе // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2014. № 3(4). С. 235-240.
194
ОА. Морозоe, N.E. flo3oecKan, B.A. HoeuKoe, B.B. Cdo6mKoe
APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGY IN DIGITAL ELECTRONICS COURSES
AT THE FACULTY OF PHYSICS
O.A. Morozov, L.B. Lozovskaya, V.A. Novikov, V.V. Sdobnyakov
Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod
This article describes the organization of laboratory practical work in subjects related to learning the basics of digital electronics, with the use of modern information technologies for modeling and designing digital devices.
By applying technical resources, software and technologies, which are similar in their characteristics, in the framework of the project oriented learning technology, as well as common training and methodological support, it is possible to combine efforts of teachers of different departments in this field of the educational process. Materials presented in the article reflect the steps undertaken at the Physics Faculty to introduce teaching methods aimed at a more extensive use of problem-search methods and new forms of class organization.
Keywords: information technology, laboratory work, active methods, project method.
