Geum.ru

Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической работе Е. Г. Елина " " 20 г. Рабочая программа

Вид материалаРабочая программа

Содержание


1. Цели освоения дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биоф
4. Структура и содержание дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»
Неделя семестра
Формы текущего контроля успеваемости
Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи
5. Образовательные технологии
Виды самостоятельной работы студента
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических д
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»
Подобный материал:
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского


Физический факультет


УТВЕРЖДАЮ

Проректор СГУ

по учебно-методической работе


_____________________Е.Г. Елина

"__" __________________20__ г.


Рабочая программа дисциплины


ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ В СИСТЕМАХ СБОРА И ОБРАБОТКИ БИОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ


Направление подготовки

011200 Физика


Профиль подготовки

Биофизика


Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр


Форма обучения

очная


Саратов, 2011


1. Цели освоения дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»

Целью освоения дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных» является изучение современного программного обеспечения и методов автоматизации научных исследований в биомедицине:

1) фундаментальные аспекты применения цифровых электронно-вычислительных машин для автоматизации научных исследований;

2) архитектуру и конструктивные особенности современных цифровых электронно-вычислительных машин;

3) основы программирования и построения языков программирования;

4) интерфейс современного компьютера и особенности его взаимодействия с различными внешними устройствами;

5) особенности современного графического интерфейса пользователя и его программирование;

6) принципы цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразований физических величин, устройства цифрового ввода и вывода электрических сигналов;

7) цифровые датчики изображений и особенности представления изображений в цифровой форме;

8) методы автоматизированного проектирования и оптимизации оптических систем;

9) Основы автоматизации научных исследований с использованием пакета программ National Instruments LabVIEW.


2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных» относится к дисциплинам факультатива ФТД.4. Дисциплина «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных» в рамках учебного плана связана с дисциплинами профессионального цикла профиля Биофизика, такими как:
  • Физические методы регистрации физиологических параметров
  • Основы флоуметрии биологических жидкостей
  • Люминесценция биологических тканей
  • Введение в оптическую биофизику
  • Спектроскопия биологических тканей in vivo
  • Нелинейная оптика в биофизических исследованиях
  • Информационные технологии в биофизике
  • Фотобиофизика
  • Современная микроскопия в биофизических исследованиях

Дисциплина «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных» призвана формировать знания в области цифровой электронно-вычислительной техники, программирования и автоматизации научных исследований.

При изучении курса «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных» студенты должны иметь теоретическую подготовку по следующим разделам и темам общего курса физики: механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, оптика, а также математики: математический анализ, аналитическая геометрия.

Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и монографической учебной литературой, умение решать физические задачи, требующие применения дифференциального и интегрального математического аппарата, умение производить приближенные преобразования аналитических выражений (для решения оптических задач, важно подчеркнуть, это умение имеет особое значение). Также студентам необходимы навыки работы на персональном компьютере с математическими пакетами программ (MatLab, MathCad), графическим (например, Microcal Origin) и текстовым (например, Microsoft Word) редакторами, иметь навыки работы на физических экспериментальных установках, умение оформления результатов экспериментов с использованием графического материала и с оценкой погрешностей измерений.


3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»


ОК-12: в части навыков в автоматизации научных исследований и программирования а также эффективного использования современных информационных технологий в профессиональной деятельности;

ОК-16: именно ее компоненты связанные с использованием базовых теоретических знаний в области физической оптики, геометрии, математики для решения профессиональных задач микроскопической визуализации, выполнения оптических измерений и анализа конструктивных особенностей и принципа действия современных микроскопов;

ПК-7: способность формировать суждения о значении и последствиях своей профессиональной деятельности с учетом социальных, правовых, этических и природоохранных аспектов.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

•Знать:
  • фундаментальные аспекты применения цифровых электронно-вычислительных машин для автоматизации научных исследований;
  • архитектуру и конструктивные особенности современных цифровых электронно-вычислительных машин;
  • основы программирования и построения языков программирования;
  • интерфейс современного компьютера и особенности его взаимодействия с различными внешними устройствами;
  • особенности современного графического интерфейса пользователя и его программирование;
  • принципы цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразований физических величин, устройства цифрового ввода и вывода электрических сигналов;
  • цифровые датчики изображений и особенности представления изображений в цифровой форме;
  • методы автоматизированного проектирования и оптимизации оптических систем;
  • основы автоматизации научных исследований.

•Уметь:
  • применять цифровые электронно-вычислительных машины для автоматизации научных исследований;
  • эксплуатировать современные цифровые электронно-вычислительные машины;
  • программировать с использованием современных языков программирования;
  • организовать взаимодействие компьютера с различными внешними устройствами;
  • программировать современный графический интерфейс пользователя;
  • грамотно использовать принципы цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразований физических величин;
  • регистрировать оптическим изображения при помощи цифровых датчики изображений;
  • организовать автоматизированное проектирование и оптимизацию оптических систем;
  • использовать современные информационные технологии для автоматизации научных исследований.

•Владеть:
  • фундаментальными аспектами применения цифровых электронно-вычислительных машин для автоматизации научных исследований;
  • навыками применения современных цифровых электронно-вычислительных машин;
  • основами программирования;
  • навыками использования интерфейса современного компьютера для организации взаимодействия с различными внешними устройствами;
  • навыками проектирования графического интерфейса пользователя;
  • методами ввода и вывода электрических сигналов;
  • навыками обработки изображений в цифровой форме;
  • методами автоматизированного проектирования и оптимизации оптических систем;
  • навыками автоматизации научных исследований.


4. Структура и содержание дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единиц 36 часов.


№

п/п
Раздел дисциплины
Семестр
Неделя семестра
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)
Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Формы промежуточной аттестации (по семестрам)

Лекц.
Лаб.
Самост.



1
Основы цифровой вычислительной техники
5
1
2



-






2
Интерфейс и программирование
5
3
2



-






3
Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи
5
5
2



-



УО-1

4
Цифровые датчики оптического изображения
5
7
4



2






5
Автоматизированное проектирование оптических систем
5
11
4



4






6
Программирование в среде National Instruments LabVIEW
5
15
4



4






Итого:
18



10



УО-3


Содержание дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»

Основы цифровой вычислительной техники
  1. Цифровые электронно-вычислительные машины в современной науке и технике. Применение ЭВМ в оптических исследованиях и конструировании оптических приборов.
  2. Двоичная система счисления. Представление двоичных чисел в памяти ЭВМ. Арифметические операции с двоичными числами.
  3. Двоичная логика. Логические операции. Логические элементы. Двоичный сумматор.
  4. Элементы ЭВМ. Триггер. Регистр. Память. Сдвигающий регистр. Дешифратор.
  5. Структура и принцип действия микропроцессора. Основные команды микропроцессора.

Интерфейс и программирование
  1. Элементарные операции с данными. Программа. Подпрограмма. Операции ветвления. Цикл.
  2. Ассемблер. Языки программирования. Объектно-ориентированное программирование.
  3. Работа компьютера с внешними устройствами. Организация интерфейса. Прерывания
  4. Интерфейс пользователя. Устройства ввода-вывода информации. Графический интерфейс пользователя и его особенности.

Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи
  1. Представление физических величин в цифровой форме. Квантование и дискретизация сигналов. Ошибки и потеря информации при аналогово-цифровом преобразовании.
  2. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Суммирование токов и масштабирующие резисторы. Интегрирующие ЦАП.
  3. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП параллельного кодирования. АЦП последовательных приближений. Преобразование напряжения в частоту. Интегрирующие АЦП. Дельта-сигма преобразователи.
  4. Основы цифровой обработки сигналов.

Цифровые датчики оптического изображения
  1. Представление изображения в цифровой форме. Разрешение, количество каналов и глубина цвета. Особенности дискретизации и квантования изображений.
  2. Полупроводниковые датчики оптических изображений. Датчики с активными пикселями и на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью.
  3. Датчики цветного изображения.
  4. Основы цифровой обработки изображений.

Автоматизированное проектирование оптических систем
  1. Постановка задачи при оптимизации оптических систем.
  2. Способы получения исходной системы для последующей оптимизации
  3. Выбор корригируемых функций и коррекционных параметров.
  4. Особенности автоматизированного проектирования различных оптических систем

Программирование в среде National Instruments LabVIEW
  1. Среда программирования LabVIEW 8.5. Особенности графического программирования.
  2. Основные функции с среде LabVIEW.
  3. Работа с файлами и массивами. Графическое отображение информации.
  4. Программирование интерфейса пользователя. Событийно ориентированное программирование.
  5. Цифровая обработка сигналов и изображений.
  6. Управление внешними устройствами.


5. Образовательные технологии


При реализации дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных» используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации, практические занятия - лабораторные работы, контрольные работы, самостоятельные работы.

В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и обсуждение наблюдаемых оптических явлений и эффектов, компьютерные демонстрации с использованием современных цифровых систем изобразительной техники.


6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

Виды самостоятельной работы студента:

- изучение теоретического материала по конспектам лекций и рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной литературе;

- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;

- выполнение комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по всем разделам дисциплины.


Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:

- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой работы предусмотрен на практических занятиях по данной дисциплине;

- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины и нерассмотренных на лекциях предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля – экзамена по данной дисциплине;

- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде отчету по этому виду самостоятельной работы.


Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»

а) Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля
  1. Цифровые электронно-вычислительные машины в современной науке и технике.
  2. Применение ЭВМ в оптических исследованиях и конструировании оптических приборов.
  3. Двоичная система счисления.
  4. Представление двоичных чисел в памяти ЭВМ.
  5. Арифметические операции с двоичными числами.
  6. Двоичная логика. Логические операции. Логические элементы.
  7. Двоичный сумматор.
  8. Элементы ЭВМ.
  9. Триггер
  10. Регистр. Память.
  11. Сдвигающий регистр.
  12. Дешифратор.
  13. Структура и принцип действия микропроцессора.
  14. Основные команды микропроцессора.
  15. Элементарные операции с данными.
  16. Программа.
  17. Подпрограмма.
  18. Операции ветвления.
  19. Цикл.
  20. Ассемблер. Языки программирования.
  21. Объектно-ориентированное программирование.
  22. Работа компьютера с внешними устройствами.
  23. Организация интерфейса. Прерывания
  24. Интерфейс пользователя. Устройства ввода-вывода информации.
  25. Графический интерфейс пользователя и его особенности.
  26. Представление физических величин в цифровой форме.
  27. Квантование и дискретизация сигналов. Ошибки и потеря информации при аналогово-цифровом преобразовании.
  28. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
  29. Суммирование токов и масштабирующие резисторы. Интегрирующие ЦАП.
  30. АЦП параллельного кодирования.
  31. АЦП последовательных приближений.
  32. Преобразование напряжения в частоту.
  33. Интегрирующие АЦП.
  34. Дельта-сигма преобразователи.
  35. Основы цифровой обработки сигналов.
  36. Представление изображения в цифровой форме. Разрешение, количество каналов и глубина цвета. Особенности дискретизации и квантования изображений.
  37. Датчики изображения с активными пикселями.
  38. Датчики изображения на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью.
  39. Датчики цветного изображения.
  40. Основы цифровой обработки изображений.
  41. Постановка задачи при оптимизации оптических систем.
  42. Способы получения исходной системы для последующей оптимизации
  43. Выбор корригируемых функций и коррекционных параметров.
  44. Особенности автоматизированного проектирования различных оптических систем
  45. Особенности графического программирования в среде программирования LabVIEW 8.5.
  46. Основные функции среде LabVIEW.
  47. Работа с файлами и массивами. Графическое отображение информации.
  48. Программирование интерфейса пользователя. Событийно ориентированное программирование.
  49. Цифровая обработка сигналов и изображений.
  50. Управление внешними устройствами в среде LabVIEW.

б) Контрольные вопросы и задания для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
  1. Цифровые электронно-вычислительные машины в современной науке и технике. Применение ЭВМ в оптических исследованиях и конструировании оптических приборов.
  2. Двоичная система счисления. Представление двоичных чисел в памяти ЭВМ. Арифметические операции с двоичными числами.
  3. Двоичная логика. Логические операции. Логические элементы. Двоичный сумматор.
  4. Элементы ЭВМ. Триггер. Регистр. Память. Сдвигающий регистр. Дешифратор.
  5. Структура и принцип действия микропроцессора. Основные команды микропроцессора.
  6. Элементарные операции с данными. Программа. Подпрограмма. Операции ветвления. Цикл.
  7. Ассемблер. Языки программирования. Объектно-ориентированное программирование.
  8. Работа компьютера с внешними устройствами. Организация интерфейса. Прерывания
  9. Интерфейс пользователя. Устройства ввода-вывода информации. Графический интерфейс пользователя и его особенности.
  10. Представление физических величин в цифровой форме. Квантование и дискретизация сигналов. Ошибки и потеря информации при аналогово-цифровом преобразовании.
  11. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Суммирование токов и масштабирующие резисторы. Интегрирующие ЦАП.
  12. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП параллельного кодирования. АЦП последовательных приближений. Преобразование напряжения в частоту. Интегрирующие АЦП. Дельта-сигма преобразователи.
  13. Основы цифровой обработки сигналов.
  14. Представление изображения в цифровой форме. Разрешение, количество каналов и глубина цвета. Особенности дискретизации и квантования изображений.
  15. Полупроводниковые датчики оптических изображений. Датчики с активными пикселями и на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью.
  16. Датчики цветного изображения.
  17. Основы цифровой обработки изображений.
  18. Постановка задачи при оптимизации оптических систем.
  19. Способы получения исходной системы для последующей оптимизации
  20. Выбор корригируемых функций и коррекционных параметров.
  21. Особенности автоматизированного проектирования различных оптических систем
  22. Среда программирования LabVIEW 8.5. Особенности графического программирования.
  23. Основные функции с среде LabVIEW.
  24. Работа с файлами и массивами. Графическое отображение информации.
  25. Программирование интерфейса пользователя. Событийно ориентированное программирование.
  26. Цифровая обработка сигналов и изображений.
  27. Управление внешними устройствами в среде LabVIEW.


7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»

а) основная литература:
  1. Бройдо, В. Л., Ильина, О.П., Архитектура ЭВМ и систем : учеб. для вузов . – 2-е изд. М.; СПб. [и др.]: Питер, 2009. – 720 с.
  2. Антонова, Г. М., Байков, А. Ю., Современные средства ЭВМ и телекоммуникаций, М.: Изд. центр "Академия", 2010. – 141 с.
  3. Левин, А.Ш. Самоучитель работы на компьютере. Начинаем с Windows, М.; СПб. [и др.]: Питер, 2005. – 717 с.
  4. Богачёв, К.Ю. Основы параллельного программирования. М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2003. – 342 с.
  5. Ишин, С.А., Соловьев, Ю.В. Логические элементы. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. – 27с.


б) дополнительная литература:
  1. Каймин, В.А. Информатика: М.: Инфра-М. 2002. – 271 c.
  2. Пантелеев, В. Г. Егорова, О. В. Клыкова, Е. И. Компьютерная микроскопия, М. : Техносфера, 2005. – 303 с.
  3. Розеншер Э. Оптоэлектроника. М: Техносфера. 2006. – 588 с.
  4. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. Техносфера. 2006. – 350 c.
  5. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов, М: СПб Питер. 2007. – 750 с.
  6. Цифровая обработка сигналов и изображений / под ред. В.И. Кравченко М: ФИЗМАТЛИТ 2007-544 с.
  7. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М: Техносфера. 2009 – 855 с.


в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

Программное обеспечение National Instruments LabVIEW 8.5 Professional Development system.

Учебные и учебно-методические материалы, размещенные на сайте кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского ссылка скрыта


8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Виртуальные приборы в системах сбора и обработки биофизических данных»


Доска, мел/маркеры, компьютер, мультимедийный проектор, ПЗС-камера.

Оборудование для лабораторных работ:
  1. Компьютер персональный – 10 шт.


Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю подготовки _ Биофизика


Автор к.ф.-м.н., доцент Федосов И.В.


Программа одобрена на заседании кафедры Оптики и биофотоники

от 14 января 2011 года, протокол № 1/11


Подписи:

Зав. кафедрой

д.ф.-м.н., профессор В.В. Тучин


Декан факультета/Директор Института (факультет/Институт, где разрабатывалась программа)


д.ф.-м.н., профессор В.М.Аникин


Декан факультета/Директор Института (факультет/Институт, где реализуется программа)


д.ф.-м.н., профессор В.М.Аникин