Аннотация к рабочей программе дисциплиныfit.nsu.ru/data_/docs/bak/OOP/4_RPD/09.03.01.1/_09.03.01.1_DV12.2_rpd.pdf5 1. Внешние требования

3

Аннотация к рабочей программе дисциплины

«Физические основы информационных технологий»

Дисциплина «Физические основы информационных технологий» реализуется в рамках

образовательной программы высшего образования – программы бакалавриата 09.03.01

ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ И

СИСТЕМОТЕХНИКА по очной форме обучения на русском языке.

Место в образовательной программе:

Дисциплина «Физические основы информационных технологий» реализуется в 7 семестре

в рамках части, формируемой участниками образовательных отношений, Блока 1 дисциплин

(модулей) и является дисциплиной по выбору.

Для успешного освоения дисциплины необходимы базовые знания, приобретенные в

результате освоения предшествующих дисциплин Введение в алгебру и анализ, Введение в

дискретную математику и математическую логику, Императивное программирование,

Декларативное программирование, Объектно-ориентированное программирование 1, Объектно-

ориентированное программирование 2, Физика 1, Физика 2.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с физическими процессами

и конструкциями функциональных устройств микро- и нано- электроники позволяющих,

описывать имеющиеся и прогнозировать возможные физические явления в твердых телах, а

также понимать принципы работы создающихся в настоящее время новых видов твердотельных

приборов и устройств.

Дисциплина «Физические основы информационных технологий» направлена на

формирование компетенций:

ПК-1 Способен разрабатывать требования и проектировать программное обеспечения

ПК-3 Способен осуществлять концептуальное, функциональное и логическое

проектирование систем среднего и крупного масштаба и сложности

ПК-4 Способен проводить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

по тематике организации или при исследовании самостоятельных тем

Перечень основных разделов дисциплины: Преподавание дисциплины предусматривает проведение следующих видов учебных

занятий: лекции, практические занятия.

Основные темы:

Динамические неоднородности в твердом теле

Генерация динамических неоднородностей электрическим полем

Фононные возбуждения в твердом теле

Магнитные возбуждения в твердом теле

Спинтроника

Низкотемпературные фазовые переходы в твердом теле

Оптическая генерация динамических неоднородностей и излучательные переходы в

полупроводниках

Оптическая передача информации

Общий объем дисциплины – 2 зачетные единицы (72 часа)

4

Правила аттестации по дисциплине. Оценивание обучающихся проводится в соответствии с действующим Положением "О

проведении текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации обучающихся в

Новосибирском государственном университете".

Текущая аттестация по дисциплине «Физические основы информационных технологий»

проводится в форме заданий, доклада. Промежуточная аттестация провидится в формате

дифзачета.

Промежуточная аттестация по дисциплине производится: в 7 семестре в виде дифзачета.

По результатам аттестации выставляется оценка по шкале «неудовлетворительно»,

«удовлетворительно», «хорошо», «отлично». Оценки «отлично», «хорошо»,

«удовлетворительно» означают успешное прохождение промежуточной аттестации.

Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

Учебно-методические материалы по дисциплине «Физические основы информационных

технологий» выложены на странице курса в сети Интернет : Шамирзаев Т.С. «Твердотельная

электроника» Учеб. пособие / НГУ, Новосибирск, 2014, 92 c.

http://www.phys.nsu.ru/department-files/kaf-

afti/manual/Шамирзаев.%20Твердотельная%20электроника.pdf

http://www.phys.nsu.ru/department-files/kaf-afti/manual/Шамирзаев.%20Твердотельная%20электроника.pdf


5

1. Внешние требования к дисциплине

Таблица 1.1

Компетенция ПК-1 Способен разрабатывать требования и проектировать

программное обеспечения; в части следующих результатов обучения:

ПК-1.6

Способен на основе знания первых принципов информатики и широкой эрудиции

в моделях и методах с ней связанных проектировать программно-аппаратные

средства для решения практических задач на основе как неформального

технического задания, так и формальных спецификаций.

Компетенция ПК-3 - Способен осуществлять концептуальное, функциональное и

логическое проектирование систем среднего и крупного масштаба и сложности; в части

следующих результатов обучения:

ПК-3.1 проводить эксперименты по заданной методике и анализировать результаты

Компетенция ПК-4 Способен проводить научно-исследовательские и опытно-

конструкторские работы по тематике организации или при исследовании

самостоятельных тем; в части следующих результатов обучения:

ПК-4.1 понимает природу и иерархическую сущности абстракций, а также роль и знание

математических моделей в разработке программных и аппаратных технологий

2. Требования к результатам освоения дисциплины

Таблица 2.1

Результаты изучения дисциплины по уровням освоения

(иметь представление, знать, уметь, владеть)

Формы организации занятий

Лекции

Практики

/

семинары

Самостояте

льная

работа

ПК-1.6 Способен на основе знания первых принципов информатики и широкой эрудиции в

моделях и методах с ней связанных проектировать программно-аппаратные средства для

решения практических задач на основе как неформального технического задания, так и

формальных спецификаций.

1 Уметь самостоятельно приобретать с помощью

информационных технологий и использовать в

практической деятельности новые знания и умения

+ + +

ПК-3.1 проводить эксперименты по заданной методике и анализировать результаты

2. Уметь применять профессионально-профилированные

знания в области информационных технологий + + +

ПК-4.1 понимает природу и иерархическую сущности абстракций, а также роль и знание

математических моделей в разработке программных и аппаратных технологий

3. Знать физические принципы процессов заложенных в

основание компьютерных, информационно-

накопительных и коммуникационных технологий, в

особенности электрические, магнитные и оптические

процессы имеющие отношение к современной элементной и

компонентной базе компьютеров, устройств памяти и

телекоммуникации. Основываясь на простых абстрактных

моделях понимать взаимосвязь и взаимную

обусловленность физических величин, участвующих в этих

процессах.

+ + +

6

4. Уметь строить простые оценки физических величин,

осуществлять качественный и простой количественный

анализ наблюдаемых явлений и определять роль физических

факторов в технологических процессах

+ + +

3. Содержание и структура учебной дисциплины

Таблица 3.1

Темы лекций

Активные

формы,

час.

Часы

Ссылки на

результаты

обучения

Семестр: 7

1. Динамические неоднородности в твердом теле.

Электроника – этапы развития. Физические границы

возможного в микроэлектронике. Динамические

неоднородности - носители информации. Принцип

физического моделирования в преобразовании

информации. Функциональные элементы, устройства и

системы преобразования информации, основанные на

принципе физического моделирования. Состояние и

перспективы развития.

2 2 1, 2, 3, 4

2. Генерация динамических неоднородностей

электрическим полем.

Электронный энергетический спектр как

фундаментальная характеристика твердого тела.

Перестройка энергетического спектра под влиянием

электрических, магнитных, тепловых и других полей.

Явление междолинного переноса электронов в

полупроводниках. Процессы туннелирования

электронов в гомо- и гетеропереходах. Рекомбинация

и захват носителей заряда в сильном электрическом

поле.

2 2 1, 2, 3, 4

3.Фононные возбуждения в твердом теле.

Основы теории упругости. Фононы в твердом теле.

Типы и свойства поверхностных акустических волн.

Взаимодействие свободных электронов с

акустическими колебаниями в твердом теле.

Акустоэлектрический эффект. Эффект увлечения

электронов фононами. Усиление акустических волн.

Дифракция света на акустических волнах.

2 2 1, 2, 3, 4

4. Магнитные возбуждения в твердом теле.

Основы квантовой теории магнетизма. Доменная

структура магнетиков. Обменное взаимодействие.

2 2 1, 2, 3, 4

7

Ферромагнетики. Антиферромагнетики.

Ферримагнетики. Магнитооптические явления в

твердом теле. Спиновые волны.

5. Спинтроника.

Предмет спинтроники. Методы поляризации и

детектирования спина электронов и дырок. Квантовые

точки: методы получения, энергетический спектр

носителей заряда и экситонов. Функциональные

устройства на основе управления спинового состояния

электронов и экситонов в квантовых точках.

2 2 1, 2, 3, 4

6. Низкотемпературные фазовые переходы в твердом

теле.

Основы теории сверхпроводимости. Идеальная

проводимость и идеальный диамагнетизм.

Феноменологическая теория сверхпроводимости

Лондонов. Образование куперовских пар.

Энергетическая щель. Квантование магнитного

потока. Сверхпроводники второго рода. Особенности

образования и движения магнитных вихрей. Эффекты

Джозефсона.

2 2 1, 2, 3, 4

7. Оптическая генерация динамических

неоднородностей и излучательные переходы в

полупроводниках.

Взаимодействие излучения с полупроводниками.

Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты

Эйнштейна. Квантовые переходы. Дипольное излучение.

Критерии возникновения лазерного излучения в

полупроводниках. Резонатор и моды. Волноводные

свойства активной области. Нелинейно-оптические

эффекты. Физические основы голографии. Необратимые и

реверсивные регистрирующие среды.

2 2 1, 2, 3, 4

8. Оптическая передача информации.

Оптрон. Оптроны с комбинированными оптическими

и электрическими связями. Оптроны на варизонных

полупроводниках. Основы электромагнитной теории

диэлектрических волноводов. Дисперсия, связь мод и

механизмы возникновения потерь. Одномодовые и

многомодовые волноводы. Цилиндрические,

планарные и полосковые волноводы.

2 2 1, 2, 3, 4

16

8

Таблица 3.2

Темы практических занятий

Активные

формы,

час.

Часы

Ссылки на


обучения

Учебная деятельность

Семестр: 7

1. Природа динамических

неоднородностей. Методы их

генерации и регистрации.

Структуры Металл-

полупроводник, МДП

физические принципы работы

ПЗС. Устройства

преобразования изображения

на ПЗС.

4 4 1, 2, 3, 4 Разбор теоретической темы,

представленной на лекции,

решение задач

2. Логические функции,

оперативная память и

преобразователи слабых

информационных сигналов в

твердых телах с

отрицательным

дифференциальным

сопротивлением.

Функциональные устройства

на основе туннельных диодов

и диодов Ганна.




3. Линии задержки, фильтры,

аттенюаторы, фазовращатели

и резонаторы на

поверхностных акустических

волнах. Акустооптические

преобразователи изображения.




4. Основные принципы

магнитной записи

информации. Магнитная

запись видео- и

звукосигналов. Гигантское

магнетосопротивление.

Логические устройства на

цилиндрических магнитных

доменах. Магнитооптические:

запоминающие и логические

устройства, модуляторы и

дефлекторы.




5. Функциональные

устройства на основе



9

управления спинового

состояния электронов в

квантовых точках.


6. Логические и

запоминающие устройства на

криотронах. Элементы памяти

и логика на джозефсоновских

переходах. Системы памяти на

магнитных вихрях в

сверхпроводниках второго

рода.




7. Инжекционные лазеры.

Гетеролазеры. Модуляторы

оптического излучения.

Оптические дефлекторы.

Оптически и электрически

управляемые транспаранты.

Голографические

запоминающие устройства.

Цифровые и аналоговые

преобразователи в оптическом

тракте. Выполнение основных

логических операций

оптическим методом.

Оптическая бистабильность.




8. Принцип работы устройство

и типы элементарных

оптронов. Оптронные

преобразователи изображения.

Функциональные устройства

на оптронах в аналоговой и

дискретной технике.

Структурная схема и

классификация волоконно-

оптических линий связи.

Аналоговые и цифровые

волоконно-оптические линии

связи. Интегрально-

оптические модуляторы,

дефлекторы и направленные

ответвители.

Оптоэлектронные

интегральные схемы.




32 32

10

4. Самостоятельная работа бакалавров

Таблица 4.1

№ Виды самостоятельной работы

Ссылки на


обучения

Часы на

выполнени

е

Часы на

консультаци

и

Семестр: 7

1

изучение разделов дисциплины по учебной

литературе, в том числе вопросов, не

освещаемых на лекциях

1, 2, 3, 4 5

Изучение предлагаемых теоретических разделов в соответствии с настоящей

Программой. Учебно-методические материалы по дисциплине «Физические основы

информационных технологий» выложены на странице курса в сети Интернет

2

Подготовка к практическим занятиям, к текущему

контролю знаний 1, 2, 3, 4 15

Выполнение заданий, подготовка к контрольным работам

3 Подготовка к дифзачету 1, 2, 3, 4 2

Повторение теоретического материала по вопросам, совпадающим с темами лекций

5. Образовательные технологии

В ходе реализации учебного процесса по дисциплине применяются лекционные и

практические занятия, а также применяются следующие интерактивные формы обучения

(таблица 5.1).

Таблица 5.1

1 Лекция в форме дискуссии ПК-1, ПК-3, ПК-4

Формируемые умения:

Уметь самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать

в практической деятельности новые знания и умения

Уметь применять профессионально-профилированные знания в области информационных

технологий

Краткое описание применения: Представляется теория, проблематика вопросов, связанных

с физическими процессами и конструкциями функциональных устройств микро- и нано-

электроники позволяющих, описывать имеющиеся и прогнозировать возможные физические

явления в твердых телах, а также понимать принципы работы создающихся в настоящее

время новых видов твердотельных приборов и устройств.

2 Портфолио ПК-1, ПК-3, ПК-4

Формируемые умения: Уметь самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать

в практической деятельности новые знания и умения

Уметь применять профессионально-профилированные знания в области информационных

технологий

Краткое описание применения: бакалавры ведут портфолио (оценки за задания, доклады),

которое является основой для проведения аттестации по дисциплине

Для организации и контроля самостоятельной работы бакалавров, а также проведения

консультаций применяются информационно-коммуникационные технологии (таблица 5.2).

Таблица 5.2

11

Информирование Адрес почты – сообщается бакалаврам на первом занятии.

Консультирование Адрес почты – сообщается бакалаврам на первом занятии.

Контроль Адрес почты – сообщается бакалаврам на первом занятии.

Размещение учебных

материалов

Адрес почты – сообщается бакалаврам на первом занятии.

6. Правила аттестации бакалавров по учебной дисциплине

Оценивание обучающихся проводится в соответствии с действующим Положением "О

проведении текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации обучающихся в

Новосибирском государственном университете".

Текущая аттестация по дисциплине «Физические основы информационных технологий»

проводится в форме заданий, доклада. Промежуточная аттестация провидится в формате

дифзачета.

Примерные темы докладов

1. Модуляторы оптического излучения. Оптические дефлекторы.

2. Оптически и электрически управляемые транспаранты. Цифровые и аналоговые

преобразователи в оптическом тракте. Выполнение основных логических операций оптическим

методом, Оптоэлектронный процессор.

3. Оптическая память. Голографические запоминающие устройства.

4. Инжекционные лазеры и Гетеролазеры.

5. Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором.

6. Оптрон. Принцип работы устройство и типы элементарных оптронов.

7. Оптронные преобразователи изображения. Функциональные устройства на оптронах в

аналоговой и дискретной технике.

Примеры практических заданий:

Задание №1.

1. Определить предельную частоту переменного сигнала, при которой возможно

образование отрицательной дифференциальной проводимости в туннельном диоде на основе

германия (сопротивление утечки 1 Ом, ёмкость перехода 100 Пф, дифференциальное

сопротивление 10 Ом).

2. Какие функции преобразования информации можно реализовать на диодах Ганна при

использовании оптического воздействия на домены сильного поля? Оценить предельные

физические параметры.

3. Объяснить принцип работы оптоэлектронного процессора. Оценить физические

характеристики основных функциональных элементов процессора.

4. Толщина электрооптического слоя GaAs в оптически управляемом транспаранте на * =

10,6 *м составляет 100 *м. Определить величину электрического поля Е, при которой плоскость

поляризации в считывающем луче повернется на */8. В GaAs на длине волны 10,6 *м фактор

качества равен n3r =5,9·10-9 см/В.

5. Оценить передаточный коэффициент диодного оптрона, в котором излучателем является

светодиод на основе арсенида галлия, а фотоприёмником - кремниевый фотодиод. В качестве

оптической среды используется кварцевое волокно. Показатель преломления кварца 1,49,

арсенида галлия 3,7, кремния 3,5.

12

Сроки выполнения заданий

Задание №1 – 25 октября,

Задание №2 – 25 декабря

Оценка успеваемости магистрантов осуществляется по результатам:

- взаимного рецензирования магистрантами докладов друг друга,

- устного опроса во время доклада, при сдаче выполненных заданий, во время дифзачета (для

выявления знания и понимания теоретического материала дисциплины).

Пример вопросов для дифзачета.

Принцип физического моделирования в преобразовании информации. Функциональные

элементы, устройства и системы преобразования информации, основанные на принципе

физического моделирования.

Типы и свойства поверхностных акустических волн.

Основные принципы магнитной записи информации. Гигантское магнетосопротивление.

Туннельное магнетосопротивление.

Промежуточная аттестация по дисциплине производится: в 7 семестре в виде дифзачета.

По результатам аттестации выставляется оценка по шкале «неудовлетворительно»,

«удовлетворительно», «хорошо», «отлично». Оценки «отлично», «хорошо»,

«удовлетворительно» означают успешное прохождение промежуточной аттестации.

В таблице 6.1 представлено соответствие форм аттестации заявляемым требованиям к

результатам освоения дисциплины.

Таблица 6.1

Коды

компет

енций

ФГОС

Результаты обучения

Формы

аттестации

семестр 7

портф

оли

о

ди

фза

чет

ПК-1

ПК-1.6 Способен на основе знания первых принципов

информатики и широкой эрудиции в моделях и методах с ней

связанных проектировать программно-аппаратные средства для

решения практических задач на основе как неформального

технического задания, так и формальных спецификаций.

+ +

ПК-3 ПК-3.1 проводить эксперименты по заданной методике и

анализировать результаты + +

ПК-4

ПК-4.1 понимает природу и иерархическую сущности абстракций,

а также роль и знание математических моделей в разработке

программных и аппаратных технологий

+ +

Требования к структуре и содержанию портфолио, оценочные средства, а также критерии

оценки сформированности компетенций и освоения дисциплины в целом, представлены в

Фонде оценочных средств, являющемся приложением 1 к настоящей рабочей программе

дисциплины.

13

7. Литература

Основная литература

1. Шамирзаев Т.С. «Твердотельная электроника» Учеб. пособие / НГУ, Новосибирск, 2014,

92 c. http://www.phys.nsu.ru/department-files/kaf-


2. Кравченко А.Ф. 2Физические основы функциональной электроники», Новосибирск, НГУ,

2000.

3. Кравченко А.Ф. «Магнитная электроника» Новосибирск, Издательство СО РАН, 2002.

4. Шмидт В. В. «Введение в физику сверхпроводников» М.: Наука, 1982. (МЦНМО,

Москва, 2000)

5. Блэкмор Дж. «Физика твердого тела» М., Мир, 1988.

6. А. Роузинс, Е. Родерик. Введение в физику сверхпроводимости М: Мир 1972.

7. Верещагин И. К., Косяченко Л. А., Кокин С. М. Введение в оптоэлектронику. М.:

Высшая школа, 1991.

8. Щука, Александр Александрович. Электроника : учебное пособие для студентов вузов

по направлению «Электроника и микроэлектроника» / А. А. Щука ; под ред. А. С. Сигова

.— Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2005 .— 800 с. : ил.

Дополнительная литература:

1. Пихтин А. Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. М.:

Высшая школа, 1983.

2. Поверхностные акустические волны/Под ред. Л. Олинера, М.: Мир, 1981.

3. Вонсовский С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1984.

Интернет-ресурсы

Таблица 7.1

№

п/п Наименование Интернет-ресурса Краткое описание

1. http:// www.nsu.ru/xmlui/ Электронная библиотека НГУ

2. http://www.spsl.nsc.ru Портал ГПНТБ СО РАН

3. http://www.pereplet.ru/cgi/soros/readdb.cgi?f=TOM2

Статьи Соросовского

образовательного журнала.

4. http://wmw-magazine.ru/ сайт научно-образовательного

журнала Окно в микромир.

8. Учебно-методическое и программное обеспечение дисциплины

8.1. Учебно-методическое обеспечение

Шамирзаев Т.С. «Твердотельная электроника» Учеб. пособие / НГУ, Новосибирск, 2014, 92 c.

http://www.phys.nsu.ru/department-files/kaf-


8.2. Программное обеспечение

Для обеспечения реализации дисциплины используется стандартный комплект

программного обеспечения (ПО), включающий регулярно обновляемое лицензионное ПО

Windows и MS Office.



http://www.pereplet.ru/cgi/soros/readdb.cgi?f=TOM2

http://wmw-magazine.ru/



14

ПО для лиц с ограниченными возможностями здоровья Таблица 8.2

№ Наименование ПО Назначение Место размещения

1 Jaws for Windows Программа экранного доступа к системным и

офисным приложениям, включая интернет-

обозреватели. Информация с экрана

считывается вслух, обеспечивая возможность

речевого доступа к самому разнообразному

контенту. Jaws также позволяет выводить

информацию на обновляемый дисплей

Брайля. JAWS включает большой набор

клавиатурных команд, позволяющих

воспроизвести действия, которые обычно

выполняются только при помощи мыши.

Ресурсный центр,

читальные залы

библиотеки НГУ,

компьютерные

классы (сетевые

лицензии)

2 Duxbury Braille

Translator v11.3 для

Брайлевского

принтера

Программа перевода текста в текст Брайля, и

печати на Брайлевском принтере

Ресурсный центр

3 "MAGic Pro 13"

(увеличение+речь)

Программа для людей со слабым зрением и

для незрячих людей. Программа позволяет

увеличить изображение на экране до 36 крат,

есть функция речевого сопровождения



библиотеки НГУ

9. Профессиональные базы данных и информационные справочные системы

1. Полнотекстовые журналы Springer Journals за 1997-2015 г., электронные книги (2005-

2016 гг.), коллекция научных биомедицинских и биологических протоколов SpringerProtocols,

коллекция научных материалов в области физических наук и инжиниринга SpringerMaterials,

реферативная БД по чистой и прикладной математике zbMATH.

2. Электронная библиотека диссертаций Российской государственной библиотеки (ЭБД

РГБ)

3. Электронные ресурсы Web of Science Core Collection (Thomson Reuters Scientific LLC.),

Journal Citation Reports + ESI

4. БД Scopus (Elsevier)

10. Материально-техническое обеспечение

Таблица 10.1

№ Наименование Назначение

1 Презентационное оборудование

(мультимедиа-проектор, экран, компьютер

для управления)

Для проведения лекционных и

практических занятий

15

Оборудование, обеспечивающее адаптацию электронных и печатных образовательных ресурсов

для обучающиеся из числа лиц с ограниченными возможностями здоровья

Таблица 10.2

№ Наименование

оборудования Назначение Место размещения

1 Принтер Брайля Печать рельефно-точечным шрифтом

Брайля Ресурсный центр

2 Увеличитель Prodigi

Duo Tablet 24

Устройство для чтения и увеличения

плоскопечатного текста




Специализированное

мобильное рабочее

место «ЭлНот 311»

Мобильный компьютер с дисплеем

брайля Ресурсный центр

Портативный

тактильный дисплей

Брайля “Focus 40 Blue”

Навигация в операционных системах,

программах и интернете с помощью

отображения рельефно-точечным

шрифтом Брайля получаемой

информации




Устройство для печати

тактильной графики

«PIAF»

Печать тактильных графических

изображений Ресурсный центр

Портативный видео-

увеличитель RUBY XL

HD

Увеличение текста и подбор контрастных

схем изображения Ресурсный центр

Складной настольный

электронный видео-

увеличитель «TOPAZ

PHD 15»



Электронный ручной

видео-увеличитель

ONYX Deskset HD 22”



Смартфон EISmart G3 Смартфон клавишным управлением и

озвученным интерфейсом, обучение

спутниковой навигации.

Ресурсный центр

FM-система «Сонет-

РСМ» РМ-3-1

Звуковая FM-система для людей с

нарушением слуха, улучшающая

восприятие голосовой информации

Большая физическая

аудитория главного

корпуса НГУ

Documents

Аннотация к рабочей программе дисциплиныfit.nsu.ru/data_/docs/bak/OOP/4_RPD/09.03.01.1/_09.03.01.1_DV12.2_rpd.pdf5 1. Внешние требования