Внешние требования
Требования Федерального государственного образовательного стандарта
Для подготовки бакалавров
по направлению 210100 ”Электроника и наноэлектроника”
Таблица 1
| Шифр дисциплины | Проектируемые результаты освоения учебной дисциплины |
| Б.3.1 | В результате изучения учебной дисциплины студент должен: знать: - технологию работы на ПК в современных операционных средах, основные методы разработки алгоритмов и программ, структуры данных, используемые для представления типовых информационных объектов, типовые алгоритмы обработки данных; уметь: - решать задачи обработки данных с помощью современных инструментальных средств конечного пользователя; владеть: - методами построения современных проблемно- ориентированных прикладных программных средств; |
Особенности (принципы) построения дисциплины
Таблица 2
| Особенность (принцип) | Содержание |
| Основание для введения дисциплины в учебный план | Требование Федерального государственного образовательного стандарта |
| Адресат курса | Студенты 1 и 2 курса факультета радиотехники и электроники по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника», специализация каф. ППиМЭ |
| Основная цель | Дать начальные знания и элементарные практические навыки для использования информационных технологий в дальнейшем обучении и в практической деятельности бакалавра. |
| Ядро курса | Освоение технологии элементарного программирования для научно-технических приложений с целью программного моделирования изучаемых в других дисциплинах объектов, явлений и процессов. |
| Необходимая база | Основы информатики в объеме программы стандартного школьного курса. Особенностью является очень сильно различающийся уровень предварительной подготовки студентов. |
| Направленность | Дисциплина имеет практическую направленность. Она имеет большую практическую часть в виде лабораторных занятий в компьютерном классе (90 час.) и выполнения трех индивидуальных заданий. |
| Организация самостоятельной работы | Для организации самостоятельной работы используются методические указания и рабочие материалы в электронной форме. Желательно, чтобы студенты имели возможность работы на компьютере вне часов по расписанию. |
| Оценка знаний и умений | Проводится в течение семестров на основе балльно-рейтинговой системы и на итоговом контроле после каждого из семестров обучения в компьютерном классе при выполнении практических заданий. |
Цели учебной дисциплины
Таблица 3
| Номер цели | Содержание цели |
| Студент будет иметь представление: | |
| о принципах организации информационной деятельности человечества, об информационном производстве и его технических средствах, об историческом процессе их развития; | |
| о принципах представления информации для компьютерной обработки; | |
| о принципах организации компьютеров, о составе и технических характеристиках основных блоков компьютеров; | |
| о программном обеспечении: системном и прикладном, о принципах разработки, сопровождения и использования программных средств; | |
| об использовании компьютеров и программного обеспечения для решения научно-технических задач: для моделирования объектов, явлений и процессов; для управления техническими объектами; для автоматизированного проектирования, для организаторской и управленческой деятельности; | |
| об использовании компьютеров и компьютерных сетей как средств коммуникации; |
| Студент будет знать: | |
| технологию разработки программных средств для научно-технических целей; | |
| принципы разработки структур данных для научно-технических программ; | |
| принципы разработки алгоритмов для научно-технических программ; | |
| основы языка программирования С/С++; | |
| основные методы решения стандартных вычислительных задач (решение уравнений и их систем, вычисление производных и интегралов, аппроксимация и интерполяция функций, решение оптимизационных задач и т.п.) и реализующие их алгоритмы; |
| Студент будет уметь: | |
| использовать основные офисные программы: MS Word, MS Excel и MS Access для учебных целей и другой деятельности; | |
| использовать программный пакет MathCAD для учебных целей; | |
| разрабатывать структуры входных и выходных данных, алгоритмы и тексты программ на языке С/С++ средней степени сложности для учебных и других научно-технических задач; | |
| решать стандартные вычислительные задачи научно-технического характера с помощью стандартных библиотек программных средств; |
| Студент будет иметь опыт: | |
| использования компьютерных технологий в практической деятельности; | |
| разработки программ на языке С++; |
Содержание и структура учебной дисциплины
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА БАЗОВОГО ИНВАРИАНТА ДИСЦИПЛИНЫ«ИНФОРМАТИКА» ПО ТЕМАМ
Таблица 1
| Тема | Доля, % от общего объема часов |
| Основные понятия информатики. | 1.3% |
| Меры и единицы измерения информации. | 1.0% |
| Системы счисления. | 1.7% |
| Кодирование данных в ЭВМ. | 1.7% |
| Основные понятия алгебры логики. | 1.0% |
| Логические основы ЭВМ. | 1.0% |
| Основные этапы развития вычислительной техники. Принципы работы вычислительной системы. Архитектуры ЭВМ. | 1.3% |
| Состав и назначение основных элементов персонального компьютера. Центральный процессор. Системные шины и слоты расширения. | 1.7% |
| Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. | 2.0% |
| Устройства ввода-вывода данных, их разновидности и основные характеристики. | 1.3% |
| Классификация программного обеспечения. Виды программного обеспечения и их характеристики. | 0.7% |
| Понятие и назначение операционной системы. Разновидности операционных систем. Служебное (сервисное) обеспечение. | 1.3% |
| Файловая структура операционных систем. Операции с файлами. | 1.3% |
| Основы машинной графики | 1.7% |
| Программное обеспечение обработки текстовых данных. | 2.0% |
| Электронные таблицы. | 2.0% |
| Формулы в MS Excel. Работа со списками MS Excel. | 2.0% |
| Электронные презентации. | 1.3% |
| Моделирование как метод познания. | 1.0% |
| Классификация и формы представления моделей. | 1.0% |
| Методы и технологии моделирования. | 1.3% |
| Информационная модель объекта. | 1.3% |
| Алгоритм и его свойства. Способы записи алгоритмов. | 1.3% |
| Линейная алгоритмическая структура. | 1.0% |
| Разветвляющаяся алгоритмическая структура. | 1.0% |
| Циклические алгоритмические структуры. | 1.7% |
| Основные операторы циклов и ветвления. | 1.7% |
| Типовые алгоритмы. | 8.3% |
| Трансляция, компиляция и интерпретация. | 1.7% |
| Эволюция и классификация языков программирования | 1.0% |
| Интегрированные среды программирования. | 2.0% |
| Этапы решения задач на компьютерах. | 1.0% |
| Структурное программирование. Модульный принцип программирования. Принципы проектирования программ сверху-вниз и снизу-вверх. | 2.7% |
| Объектно-ориентированное программирование. | 3.0% |
| Общее понятие о базах данных (БД). Основные понятия систем управления БД. Объекты БД. | 1.7% |
| Модели данных в информационных системах. Реляционная модель базы данных. | 1.0% |
| Основные операции с данными. | 1.7% |
| Назначение и основы использования систем искусственного интеллекта. Базы знаний. Экспертные системы. | 1.3% |
| Компоненты вычислительных сетей. | 1.0% |
| Принципы построения сетей. Коммуникационное оборудование. | 1.7% |
| Сервисы Интернета. | 1.3% |
| Средства использования сетевых сервисов | 1.3% |
| Защита информации в локальных и глобальных компьютерных сетях. | 1.0% |
| Шифрование данных. Электронная подпись. | 0.7% |
| Итого: | 70.0% |
5. Примерное содержание материала базового инварианта дисциплины «Информатика»
Основные понятия информатики. Сигналы и данные. Понятие информации. Свойства информации: объективность, полнота, достоверность, адекватность, доступность, актуальность. Информатизация общества. Компьютер как техническое средство информатизации. Информатика как наука и учебная дисциплина.
Меры и единицы измерения информации. Формулы Хартли и Шеннона. Бит, байт и производные от них единицы.
Системы счисления. Десятичная и двоичная системы. Восьмеричная и шестнадцатеричные системы. Алгоритмы перевода чисел из одной системы в другую.
Кодирование данных в ЭВМ. Двоичный алфавит. Кодирование символьной информации: таблицы ASCII, альтернативная, Windows 1251. Представление целых чисел. Связь диапазона представления с числом байтов. Представление вещественных чисел. Связь диапазона и точности представления мантиссы.
Основные понятия алгебры логики. Логические величины: истина (логическая единица) и ложь (логический ноль). Логические операции: инверсия, дизъюнкция и конъюнкция. Основные законы булевой алгебры.
Логические основы ЭВМ. Техническая реализация логических величин. Бистабильная ячейка – триггер. Регистры. Сумматор. Выполнение операций сложения, вычитания и умножения целых чисел. Арифметико-логическое устройство.
Основные этапы развития вычислительной техники. Докомпьютерный период. Создание первого компьютера. Ламповые и транзисторные ЭВМ. Микроэлектронная база ВТ: интегральные схемы малой степени интеграции, БИС и СБИС. Микропроцессоры. Персональные компьютеры (ПК). Классификация ПК. Принципы работы вычислительной системы. Принципы фон Неймана: программного управления, однородности и адресации памяти. Архитектуры ЭВМ. Понятие архитектуры. Процессор, запоминающее устройство (ЗУ). Шина данных, адресная шина и шина команд. Архитектуры с фиксированным набором устройств. Открытые архитектуры.
Состав и назначение основных элементов персонального компьютера. Системный блок и его состав: системная плата, жесткий диск, дисководы, блок питания и другие устройства. Системы ввода-вывода информации: дисплей, клавиатура, мышь, принтер и другие. Устройства на системной плате. Центральный процессор. Основные характеристики микропроцессора. Эволюция микропроцессоров. Процессоры с расширенной и сокращенной системами команд. Характеристики современных микропроцессоров. Системные шины и слоты расширения. Технические характеристики шин.
Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Оперативные и постоянные ЗУ. Адресное пространство ЗУ. Ячейка памяти (ЯП), статические и динамические ЯП. Основные характеристики ЗУ: объем, разрядность, время записи и считывания. Техническая реализация модулей памяти. Накопитель на жестком магнитном диске. Принцип работы, основные характеристики. Низкоуровневая структура дисков: дорожки, сектора, цилиндры. Логические диски. Загрузочный сектор, таблицы размещения файлов. Другие накопители на магнитных дисках. Накопители на оптических дисках, их технические характеристики. Принципы записи на оптических дисках, их разновидности. Flash-запоминающие устройства.
Устройства ввода-вывода данных, их разновидности и основные характеристики. Мониторы. Принципы работы мониторов различных типов. Основные характеристики мониторов. Видеоадаптер: назначение, основные характеристики. Клавиатура, разновидности клавиатур. Манипулятор типа «мышь». Принтеры и сканнеры. Мультимедийный проектор.
Классификация программного обеспечения. Виды программного обеспечения и их характеристики. Системное (базовое, служебное) и прикладное программное обеспечение (ПО). Пакеты прикладных программ (ППП). Общие и специализированные ППП. Универсальные пакеты инженерных и научных расчетов. Отраслевые специализированные пакеты. Системы автоматизированного проектирования.
Понятие и назначение операционной системы. Разновидности операционных систем. Служебное (сервисное) обеспечение. Определение операционной системы (ОС). Функции ОС. Классификация ОС. Эволюция ОС Windows. Концепции графического интерфейса Windows: рабочий стол, окно, объект. Стандартные программы и служебные утилиты: восстановление системы, очистка и дефрагментация дисков, архивация данных. Антивирусные программы. Использование справки. Другие операционные системы.
Файловая структура операционных систем. Операции с файлами. Понятие файловой системы. Функции файловой системы. Примеры файловых систем: FAT, NTFS. Имена и расширения файлов, каталоги и подкаталоги (папки). Форматы и атрибуты файлов. Файловые менеджеры. Копирование, перенос, удаление и переименование файлов средствами Windows и файловыми менеджерами. Архивация файлов.
Основы машинной графики. Представление графической информации. Векторная и растровая графика. Цветовые модели RGB и CMYK. Программные пакеты для работы с векторной и растровой графикой. Средства технической и научной графики. Форматы графических файлов.
Программное обеспечение обработки текстовых данных. Текст как объект обработки. Редактор документов MS Word. Открытие и сохранение документа. Шаблоны документов. Установка параметров страницы. Настройка шрифта и параметров абзаца. Ввод и редактирование текста. Создание списков. Гиперссылки. Вставка формул. Вставка оглавления, нумерации страниц, колонтитулов, даты. Стили оформления документов (стандартные и пользователя). Создание таблиц. Вставка объектов. Проверка орфографии.
Электронные таблицы. Электронные таблицы как объект обработки. Электронные таблицы MS Excel. Организация таблиц: книги, листы, ячейки. Адресация ячеек: абсолютный и относительный адрес. Форматы содержимого ячеек. Копирование и перенос содержимого ячеек. Вставка строк и столбцов. Форматирование ячеек и таблиц. Сокрытие строк и столбцов.
Формулы в MS Excel. Работа со списками MS Excel. Синтаксис записи формул.Функции MS Excel. Математические и статистические функции. Логические функции. Расчет таблиц функциональных зависимостей. Построение графиков и диаграмм. Сортировка и фильтрация данных. Подбор параметров. Защита данных.
Электронные презентации. Программа MS Power Point. Структура презентации. Шаблоны презентаций. Оформление слайдов. Вставка объектов других документов MS Office. Анимационные эффекты. Показ слайдов.
Моделирование как метод познания. Функциональные и вычислительные задачи. Основные понятия теории моделирования. Суть процесса моделирования объекта.
Классификация и формы представления моделей. Классификация моделей в зависимости от формы представления объекта оригинала: материальные (реальные) модели и мысленные (абстрактные модели). Классификация материальных моделей, абстрактных моделей. Определения и примеры моделей разных видов. Классификация математических моделей. Различные классификационные признаки. Классификации математических моделей по цели моделирования, в зависимости от характера изучаемых процессов, протекающих в системе (объекте). Примеры моделей из разных предметных областей.
Методы и технологии моделирования. Общий вид математической модели системы (объекта). Классификация методов идентификации математических моделей: аналитические, численные, имитационные, вероятностно-статистические. Особенности, области использования, примеры задач, достоинства и недостатки, прикладное программное обеспечение. Понятие компьютерного моделирования. Этапы технологического процесса моделирования объекта (системы): постановка задачи; сбор, обработка, анализ априорных знаний об объекте; планирование эксперимента с объектом; экспериментирование; построение (проверка) модели по экспериментальным данным; анализ адекватности модели; применение модели и подведение итогов моделирования. Цели, содержание, результаты этапов
Информационная модель объекта. Основные понятия: экземпляр, объект, событие. Связи между объектами. Виды связей: «один-к-одному», «один-ко-многим», «многие-ко-многим». Структуры связей: таблица, стек, древовидная структура.
Алгоритм и его свойства. Способы записи алгоритмов. Понятие алгоритма. Свойства алгоритма: детерминированность (определенность), дискретность, конечность, результативность, массовость. Словесно-формульное (вербальное) представление алгоритма. Блок-схемы алгоритмов. Универсальный алгоритмический язык (псевдокод). Данные алгоритмов – константы и переменные. Идентификаторы. Сложные типы данных – массивы и структуры.
Линейная алгоритмическая структура. Последовательное выполнение действий. Изображение на блок-схеме и запись на псевдокоде. Операции присваивания, ввода и вывода данных, обращения к вспомогательному алгоритму.
Разветвляющаяся алгоритмическая структура. Бинарное ветвление (альтернатива). Обход. Изображение на блок-схеме и запись на псевдокоде. Условия ветвления, формирование сложных условий. Множественный выбор. Реализация множественного выбора как последовательности бинарных.
Циклические алгоритмические структуры. Цикл по переменной. Цикл с постусловием и цикл с предусловием. Изображение на блок-схеме и запись на псевдокоде. Прерывание цикла по условию.
Основные операторы циклов и ветвления. Операторы if, if-else, switch, for, do-while, while (C++) или if-then, if-then-else, for-to-do, for-downto-do, case-of, repeat-until, while-do (Паскаль) или аналогичные других языков.
Типовые алгоритмы. Вычисление по последовательности формул. Вычисление конечных и бесконечных сумм и произведений. Решение уравнений методами простых итераций и Ньютона. Расчет таблиц функциональных зависимостей. Подсчет числа положительных, отрицательных или нулевых элементов в одномерных и двумерных массивах. Расчет среднего и дисперсии элементов в массивах. Расчет модуля n-мерного вектора и норм матрицы. Поиск минимальных или максимальных значений в одномерных и двумерных массивах. Упорядочивание элементов одномерного массива по возрастанию или убыванию. Упорядочивание матриц по строкам или столбцам. Сложение, вычитание и скалярное произведение векторов. Сложение, вычитание и умножение матриц. Возведение матриц в целую степень. Транспонирование матриц. Удаление элементов одномерного массива, строк и столбцов матрицы.
Трансляция, компиляция и интерпретация. Язык программирования высокого уровня и язык машинных команд. Исходный модуль. Режимы компиляции и интерпретации. Объектный модуль. Компоновка объектных и библиотечных модулей. Исполняемый модуль. Переносимость исполняемых модулей. Программы - редакторы исходных текстов, компиляторы и редакторы связей.
Эволюция и классификация языков программирования. Низкоуровневые языки программирования. Ассемблер. Процедурно-ориентированные языки: Фортран, Кобол, Алгол, Бейсик, Паскаль, Си. Языки объектно-ориентированного программирования: С++, Паскаль, Java. Функциональное программирование, язык LISP. Логическое программирование, язык PROLOG.
Интегрированные среды программирования. Объединение редактора исходных текстов, компилятора, редактора связей и отладчика в интегрированную среду (IDE). DOS IDE фирмы Borland. Основные команды меню. Системы визуального программирования: Visual Basic for Application, MS Visual C++. Универсальная среда программирования Visual Studio.
Этапы решения задач на компьютерах. Постановка и формализация задачи. Построение математической модели. Выбор и обоснование метода решения. Формулировка требований к программе. Разработка структуры входных и выходных данных. Разработка алгоритма. Разработка модульной структуры программы и обмена данными. Разработка алгоритмов отдельных модулей. Разработка текста программы. Тестирование и отладка программы. Исполнение программы и анализ результатов. Сопровождение программы.
Структурное программирование. Базовый набор управляющих структур как основной принцип структурного программирования. Модульный принцип программирования. Понятие функционального модуля. Входные и выходные данные модуля. Функционально-модульная декомпозиция сложной программы. Связи модулей. Иерархическая структура программы. Библиотеки модулей. Подпрограммы. Подпрограммы-функции и подпрограммы процедуры. Механизм вызова подпрограмм. Возвращаемое значение. Передача данных через списки формальных и фактических параметров, по значению и по ссылке. Принципы проектирования программ сверху-вниз и снизу-вверх. Достоинства и недостатки нисходящего и восходящего программирования. Комбинированный метод.
Объектно-ориентированное программирование. Структура сложных систем: объекты и связи между ними. Объектная декомпозиция. Основные принципы построения объектно-ориентированных моделей: абстрагирование, модульность, иерархия. Основные элементы объектной модели: объект, класс, атрибут, операция, полиморфизм (интерфейс), компоненты и связи. Понятие класса, данных и методов класса. Инкапсуляция. Объекты класса. Закрытые и открытые разделы класса. Конструкторы и деструкторы класса. Наследование, типы наследования. Видимость элементов базового класса. Полиморфизм.
Общее понятие о базах данных (БД). Классификация БД: централизованные и распределенные, локальные и сетевые. Архитектура “файл-сервер” и “клиент-сервер”. Основные понятия систем управления БД. Функции ввода данных, хранения, корректировки, поиска, упорядочивания. Защита информации БД. Объекты БД. Таблица как способ хранения данных. Поля и записи. Типы полей. Ключевые поля. Первичный ключ. Запросы, формы и отчеты. СУБД MS Access.
Модели данных в информационных системах. Реляционная модель базы данных. Свойства реляционных таблиц. Основные и вспомогательные таблицы (справочники). Связи таблиц: один к одному, один ко многим, многие ко многим. Первая, вторая и третья нормальные формы.
Основные операции с данными. Создание таблиц в режиме конструктора. Задание свойств полей. Ввод данных в режиме таблицы и с использованием форм ввода. Конструирование запросов. Запись условий отбора. Язык SQL. Создание форм и отчетов на основе запросов. Макросы и модули. Язык VBA для разработки модулей.
Назначение и основы использования систем искусственного интеллекта. Базы знаний. Экспертные системы. Задачи систем искусственного интеллекта: распознавание образов, доказательства теорем, игровые стратегии, решение технических задач, понимание естественных языков. Моделирование процесса мышления. Организация хранения информации. Представление знаний. Принципы построения экспертных систем. Функции экспертных систем: интерпретация; прогноз; диагностика, отладка и ремонт; проектирование; планирование; обучение; управление. Известные классические экспертные системы.
Компоненты вычислительных сетей. Серверы и рабочие станции. Узлы и ресурсы. Локальные и глобальные сети.
Принципы построения сетей. Сетевое оборудование. Топология сетей: кольцевая, звездообразная, шинная и древовидная конфигурации. Сетевые карты. Сетевые кабели. Концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. Сетевые протоколы OSI: прикладной, уровень представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический уровни. Стандарт Ethernet.
Сервисы Интернета. Глобальная сеть Интернет. Протоколы TCP/IP. IP-адрес и доменный адрес. Служба WWW. Протокол HTTP. Адрес URL. Протоколы SMTP, POP3 и IMAP4 для электронной почты и FTP для обмена файлами. DNS-сервис.
Средства использования сетевых сервисов. Браузеры. Почтовые программы.
Защита информации в локальных и глобальных компьютерных сетях. Основные понятия информационной безопасности: конфиденциальность, целостность, достоверность информации; доступ, санкционированный и несанкционированный. Угрозы безопасности информации и их классификация. Юридические основы информационной безопасности: понятие компьютерного преступления, соответствующие статьи УК. Объекты нападения; виды компьютерных преступлений. Компьютерные вирусы: классификация, каналы распространения, локализация, проявления действий. Критерии защищенности компьютерных систем. Организационные, инженерно-технические и другие меры защиты информации. Брандмауэр. Методы ограничения доступа. Мониторинг несанкционированных действий.
Шифрование данных. Электронная подпись. Криптографические методы защиты данных. Методы шифрования: заменой, перестановкой, с использованием ключей и хеш-функций. Шифрование данных в Windows XP и Vista. Электронная цифровая подпись электронных документов. Электронная сертификация.
Технические требования для компьютеров и программного обеспечения, устанавливаемого в терминальные классы НГТУ
Для преподавания информатики аппаратная платформа должна обеспечивать надлежащую работу следующих типов программ:
1. Операционной системы (Windows не ниже XP);
2. Инструментальных сред разработки приложений (языки программирования C, Pascal, MatLab и др.);
3. Пакетов Microsoft Office 2003, Microsoft Visio, продуктов Corel, Adobe;
4. Альтернативных инструментальных средства для обеспечения учебного процесса (офисные пакеты, графические редакторы)
5. Современные стандарты и спецификации web-технологий (web 2.0, XML, XHTML).
6. ПО защиты от вирусов (Kaspersky AntiVirus).
7. Пакетов прикладных программ.
Таблица 5
Содержание лабораторных работ
| Номер лаб. работы | Содержание | Часы |
| Семестр 1 | ||
| Разработка научно-технических текстов | ||
| Электронные таблицы Excel | ||
| Базы данных и информационные системы на их основе | ||
| Математический пакет MathCAD | ||
| Программные средства сжатия данных. Программы WinZip и WinRaR. | ||
| Поиск информации. Работа с программой Internet Explorer. | ||
| Основы работы с Windows XP | ||
| Стандартные приложения Windows XP. Публикация WEB-документов | ||
| Семестр 2 | ||
| Элементарное программирование на языке С/С++. Разработка простейших линейных программ | ||
| Операторы if-else, switch. Программы с ветвлениями | ||
| Операторы for, do-while, while. Программы с циклами | ||
| Программы для работы с числовыми одномерными и двумерными массивами | ||
| Программы для обработки символьной информации | ||
| Функции программиста. Разработка программ сложной модульной структуры | ||
| Разработка функций | ||
| Работа над индивидуальным заданием | ||
| Семестр 3 | ||
| Работа с векторами и матрицами. | ||
| Использование классов при работе с векторами и матрицами | ||
| Решение систем линейных алгебраических уравнений | ||
| Графическое представление результатов научно-технических расчетов | ||
| Решение нелинейных алгебраических уравнений и их систем | ||
| Работа с комплексными величинами | ||
| Аппроксимация табличных функций | ||
| Сплайн-интерполяция табличных функций |
Учебная деятельность