Компьютерные программы вычислений и обработки

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
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ И ОБРАБОТКИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Направление подготовки
Физика живых систем
Профили подготовки
Биофизика
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины «Компьютерные программы вычислений
и обработки экспериментальных данных»
Целью освоения дисциплины «Компьютерные программы вычислений
и обработки экспериментальных данных» является изучение современного
программного обеспечения и методов автоматизации научных исследований
в биомедицине:
1) фундаментальные аспекты применения цифровых электронновычислительных 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 «Компьютерные программы вычислений и обработки экспериментальных данных» относится к дисциплинам вариативной части Математического и естественнонаучного цикла, дисциплинам по выбору
(Б2.ДВ2). Дисциплина «Компьютерные программы вычислений и обработки
экспериментальных данных» в рамках учебного плана направления «Физика
живых систем» связана с дисциплинами Математического и естественнонаучного цикла (модули «Математика» и «Биоинформатика», дисциплина
«Цифровая обработка сигналов и изображений») и Профессионального цикла
(«Оптика биотканей», Оптические приборы в биомедицине», «Оптические
измерения в биомедицине», «Спектральные методы диагностики в медицине»).
Дисциплина «Компьютерные программы вычислений и обработки экспериментальных данных» призвана формировать знания в области цифровой
электронно-вычислительной техники, программирования и автоматизации
научных исследований.
При изучении курса «Компьютерные программы вычислений и обработки экспериментальных 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 «Компьютерные программы вычислений и обработки экспериментальных данных»
В процессе освоения обучаемым дисциплины «Компьютерные программы вычислений и обработки экспериментальных данных» должны формироваться в определенной части следующие компетенции:
общекультурные:
- способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ОК-1);
- способность приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ОК-3);
- способность владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);
- способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области информатики и современных информационных технологий, навыки использования программных средств и навыков работы в компьютерных сетях; умение создавать базы данных и использовать
ресурсы Интернет (ОК-17);
общепрофессиональные:
- способность использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);
- способность применять на практике базовые профессиональные навыки
(ПК-2);
- способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование, диагностическое и терапевтическое медицинское оборудование
(ПК-3);
- способность пользоваться современными методами обработки, анализа и
синтеза биофизической информации (в соответствии с профилем подготовки)
(ПК-6);
- способность понимать и излагать получаемую информацию и представлять
результаты физических и биофизических исследований (ПК-13).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
 фундаментальные
аспекты
применения
цифровых
электронновычислительных 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 аналоговоцифрового 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 электронновычислительных машин для автоматизации научных исследований;
 навыками
применения
современных
цифровых
электронновычислительных 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 «Компьютерные программы
вычислений и обработки экспериментальных данных»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единиц, 72 часа, из них 32 лекций и 40 самостоятельной работы студентов.
4.1. Структура дисциплины
1
2
3
Основы цифровой
вычислительной
техники
Интерфейс и программирование
Цифро-аналоговые
и аналоговоцифровые преобра-
Неделя семестра
Раздел дисциплины
Семестр
№
п/п
Виды учебной работы,
Формы текущевключая самостоятельную
го контроля
работу студентов и трудоем- успеваемости
кость (в часах)
(по неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по сеЛекц.
Лаб. Самост.
местрам)
4
1-2
4
5
проверка посещаемости
4
3-4
4
5
4
5-6
4
5
проверка посещаемости
проверка посещаемости
4
5
6
зователи
Цифровые датчики
оптического изображения
Автоматизированное проектирование
оптических систем
Программирование
в среде National Instruments LabVIEW
Итого:
проверка посещаемости, контрольная работа
проверка посещаемости
4
7-9
6
8
4
10-13
8
9
4
14-16
6
8
проверка посещаемости
32
40
Зачет
4.2. Содержание дисциплины «Компьютерные программы вычислений и
обработки экспериментальных 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
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.
Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи
10. Представление физических величин в цифровой форме. Квантование и
дискретизация сигналов. Ошибки и потеря информации при аналоговоцифровом 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.
Цифровые датчики оптического изображения
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.
Автоматизированное проектирование оптических систем
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
Программирование в среде National Instruments LabVIEW
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.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Компьютерные программы вычислений
и обработки экспериментальных данных» используются следующие виды
учебных занятий: лекции, консультации, 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 «Компьютерные программы вычислений и обработки экспериментальных 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 аналоговоцифровом 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
«Компьютерные программы вычислений и обработки экспериментальных 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. Богачёв, К.Ю. Основы параллельного программирования. М.: БИНОМ.
Лаб. знаний, 2003. – 342 с.
3. Ишин, С.А., Соловьев, Ю.В. Логические элементы. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. – 27с.
б) дополнительная литература:
4. Антонова, Г. М., Байков, А. Ю., Современные средства ЭВМ и телекоммуникаций, М.: Изд. центр "Академия", 2010. – 141 с.
5. Левин, А.Ш. Самоучитель работы на компьютере. Начинаем с Windows,
М.; СПб. [и др.]: Питер, 2005. – 717 с.
6. Каймин, В.А. Информатика: М.: Инфра-М. 2002. – 271 c.
7. Пантелеев,
В. Г. Егорова, О. В. Клыкова, Е. И. Компьютерная микроскопия, М. : Техносфера, 2005. – 303 с.
8. Розеншер Э. Оптоэлектроника. М: Техносфера. 2006. – 588 с.
9. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. Техносфера. 2006. – 350 c.
10.Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов, М: СПб Питер. 2007. – 750
с.
11.Цифровая обработка сигналов и изображений / под ред. В.И. Кравченко
М: ФИЗМАТЛИТ 2007-544 с.
12.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 http://optics.sgu.ru/library/education
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Оптические
приборы для биомедицины»
Доска, мел/маркеры, компьютер, мультимедийный проектор, ПЗС-камера.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по направлению Физика живых систем и ООП по профилям подготовки Биофизика и
Медицинская фотоника.
Автор к.ф.-м.н., доцент
Федосов И.В.
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 20 мая 2011 года, протокол № 6/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин