создание и поддержка учебной среды для изучения физики

СОЗДАНИЕ И ПОДДЕРЖКА УЧЕБНОЙ СРЕДЫ
ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ КОМПЬЮТЕРОВ НА ОСНОВЕ
ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Н. А. Коротаев, В. В. Горячкин, В. И. Попечиц
Белорусский государственный университет
Минск, Беларусь
E-mail: Korotaev@bsu.by:
Рассмотрены вопросы создания и поддержки учебной среды для изучения
физических основ компьютера на базе программных средств моделирования по
дисциплине «Физика компьютеров».
Ключевые слова: программные средства, моделирование, интегральные
схемы, элементная база, блоки, устройства компьютера, лабораторная работа.
На факультете прикладной математики и информатики Белорусского государственного университета (БГУ) для студентов четвертого (специальность – прикладная
информатика) и пятого курсов (специальности – информатика, компьютерная безопасность) преподается дисциплина «Физика компьютеров», которая включает лекционные и практические занятия и предназначена для ознакомления студентов с физическими основами построения, функционирования и применения элементной базы,
простейших и типовых блоков (узлов) и устройств современных компьютеров [1].
Для закрепления теоретических знаний и формирования у студентов практических навыков по данному курсу создана на основе программных средств моделирования учебная среда компьютерной поддержки лабораторных работ, где студенты
изучают принципы построения, функционирования и применения блоков и устройств
компьютеров.
Учебная среда включает следующие программные средства моделирования: систему моделирования PHIZOSN (версия 3) [2] и профессиональную систему моделирования Electronics Workbench (EWB) [3]. Система PHIZOSN разработана в упрощенном варианте для учебных целей на базе EWB и представляет собой интерактивный инструмент развернутого моделирования логических схем, различных блоков и
устройств компьютера.
Система PHIZOSN имеет модульную структуру (рис. 1), что позволяет легко, без
существенных трудозатрат моделировать модули, в частности, обновлять и добавлять
лабораторные работы.
Рис. 1. Структура программной системы PHIZOSN
Рис. 2. Блок-схема алгоритма функционирования системы PHIZOSN
Данная система состоит из следующих модулей: управляющего модуля (УМ),
модуля для хранения базы исходных микросхем (БИМ), редактора элементов (РЭ),
рабочего стола (РС), модуля «Осциллограф» (МО), модуля помощи (МП) и модуля
проверки знаний (МПЗ). Функционирование системы представлено на рис. 2.
Шаг 1. Загрузка в память системы PHIZOSN (блок 1) и переход на шаг 2.
Шаг 2. Анализ: нужна ли помощь? (блок 2). Если нужна, то выполняется шаг 3,
иначе – шаг 4.
Шаг 3. Обращение к модулю помощи (блок 3), который содержит методические
указания к лабораторным работам, процедуры выполнения заданий, справочную информацию по работе с системой и список ссылок на необходимые источники. На
входе модуля помощи файл Help, а на выходе на экране монитора – необходимая
пользователю информация.
Шаг 4. Обращение к управляющему модулю (блок 4), работа которого начинается с вывода на экран диалогового окна (рис. 3), а затем идентификации пользователя (рис. 4), т. е. вводятся фамилия, имя, отчество, курс, группа и выбирается лабораторная работа для текущего выполнения. Далее УМ загружает рабочий стол
(рис. 5), включающий меню, панель управления, панель инструментов, панели входов и выходов, поле размещения исходных микросхем, на базе которых выполняется
сборка и изучение спроектированных схем (блоков, устройств компьютера).
Рис. 3. Диалоговое окно УМ
Рис. 4. Идентификация пользователя
Шаг 5. Нажатием на кнопку «Новый» очищается поле РС, с помощью панели
инструментов выбираются из базы исходных микросхем соответствующие объекты
согласно заданной лабораторной работе и располагаются на рабочем столе (блок 5).
Рис. 5. Фрагмент рабочего стола
Шаг 6. Сборка и тестирование исследуемой схемы (блок 6), т. е. с помощью
мыши на рабочем столе выполняются необходимые соединения выбранных микросхем и логических элементов для получения требуемой схемы. При этом входы полученной схемы соединяются с панелью входов, а выходы схемы – с панелью выходов[1]. После сборки схемы включается рабочий стол, выбирается необходимый режим (статический или динамический) и выполняется тестирование схемы (на входы
схемы подаются определенные значения сигналов, значения выходных сигналов
контролируются согласно структурной формуле). Переход на шаг 7.
Шаг 7. Анализ результатов тестирования (блок 7). Если схема собрана некорректно, то выполняется переход на шаг 5, иначе – исследуется схема (блок 8) в соответствующем режиме на основе таблицы истинности и временной диаграммы с помощью модуля «Осциллограф». Установка параметров входных сигналов (длительности сигнала, периода его повторения и инвертирование) осуществляется с помощью диалогового окна. Настройка параметров микросхемы установка времени
обсчета логического элемента или схемы) осуществляется аналогично с помощью
диалогового окна.
Исследовать работу собранной схемы в потенциальном режиме удобнее с помощью панели выходов, которая представляет собой модель платы индикации на светодиодах [2], а также можно с помощью модуля «Осциллограф», который используется
в основном для исследования схем в динамическом режиме. При этом для удобства
наблюдения временных диаграмм на экране модели осциллографа введена возможность размещения и удаления меток на входы и выходы исследуемой схемы. Метка –
это специальный графический символ, представленный в виде кружка с числом
внутри, значение которого – номер графика в окне осциллографа (рис. 6). После исследования схемы – переход на шаг 8.
Рис. 6. Соответствие меток схемы графикам осциллографа
Шаг 8. Формирование отчета по лабораторной работе (блок 9), который должен
содержать следующую информацию:
• функционально-логическую схему исследуемого объекта;
• таблицу значений его входов-выходов;
• временные диаграммы работы объекта в статическом и (или) динамическом режимах.
Эта информация формируется управляющим модулем и сохраняется в папке каждого студента. Далее нажатием на пиктограмму «Выход» закрывается РС и вызывается УМ, который загружает модуль проверки знаний по выполненной работе
(шаг 9).
Шаг 9. Проверка знаний по заданной лабораторной работе (блок 10). Студент
закрепляет свои знания путем ответов на контрольные вопросы и сохранения этих
ответов в папке студента. Система предлагает студенту вопросы, на каждый из которых есть несколько вариантов правильных и неправильных ответов, и на основе полученных результатов с учетом весового коэффициента каждого ответа и затраченного времени выставляет оценку. Входными данными для МПЗ являются контрольные вопросы. На выходе МПЗ – количество заданных студенту вопросов, количество
правильных ответов на эти вопросы, оценка, поставленная студенту. На этом заканчивается выполнение соответствующей лабораторной работы. Переход на шаг 10.
Шаг 10. Анализ: все лабораторные работы выполнены? (блок 11). Если выполнены не все, то повторяется цикл, начиная с шага 4, иначе выполнение запланированных лабораторных работ завершено.
Следует отметить, что разработанные алгоритмы программных модулей, составляющих программный комплекс учебной среды, достаточно просты и удобны в эксплуатации, отличаются прозрачностью и гибкостью в использовании, а также возможностью расширения и обновления лабораторных работ.
Данная учебная среда предоставляет студентам для более глубокого изучения аппаратурных средств компьютера возможность использования при выполнении лабораторных работ также и пакет Electronics Workbench [4], достаточно сложную систему, предназначенную для профессионального исследования аналоговых, цифровых
и аналого-цифровых схем.
Результаты эксплуатации рассматриваемой учебной среды на факультете прикладной математики и информатики БГУ показали д эффективность ее использования в учебном процессе.
Библиографические ссылки
1.
2.
3.
4.
Коротаев Н. А. Методика преподавания курса «Физика ЭВМ» на факультете прикладной математики и информатики Белорусского государственного университета // Сетевые компьютерные
технологии : сб. тр. 3 Междунар. науч. конф. Минск, 2007. С. 131–134.
Коротаев Н. А., Попечиц В. И. Диалоговая учебная среда компьютерной поддержки лабораторных работ по дисциплине «Физика ЭВМ» на факультете прикладной математики и информатики
БГУ // Информатизация образования – 2010 : материалы Междунар. науч. конф. Минск, 2010.
C. 258–262.
Горячкин В. В., Золоторевич Л. А. Физика ЭВМ. Работа в системе Electronics Workbench 8 (EWB):
учеб.-метод. пособие. Минск : БГУ, 2007.
Горячкин В. В., Золоторевич Л. А., Коротаев Н. А. Учебная среда компьютерной поддержки лабораторных работ по курсу «Физика компьютеров»: практикум. В 4 ч. Ч. 1 : Введение в систему
Electronics Workbench и исследование простейших схем. Минск : БГУ, 2013.