» E-mentor nr 2 (9) / 2005

Od wielu lat obserwujemy dynamiczny rozwój w zakresie układów cyfrowych. Zainteresowanie tym działem techniki wykazują nie tylko projektanci, ale również użytkownicy i hobbyści. Świadczy o tym m.in. coraz większa ilość witryn internetowych dotyczących szeroko rozumianej techniki cyfrowej, które zostały stworzone przez zawodowców i hobbystów. Dlatego też w artykule zostaną omówione elementy witryny internetowej http://www.am.gdynia..., która została powstała w Katedrze Automatyki Okrętowej Akademii Morskiej w Gdyni na potrzeby zajęć z techniki cyfrowej¹.

Witryna ta zawiera wiele ciekawych projektów przygotowanych między innymi przez studentów w czasie zajęć laboratoryjnych. Poprzez te projekty możliwa jest wymiana doświadczeń pomiędzy studentami oraz dobrze pojęta rywalizacja, co pozwala na stosowanie aktywizujących metod nauczania. Projekty zostały przygotowane z wykorzystaniem pakietów symulacyjnych Electronics Workbench 5.12 oraz Multisim 2001 (EWB) firmy Interactive Image Technologies.

W artykule zostanie również omówiony program umożliwiający sprawdzenie wiedzy z zakresu techniki cyfrowej oraz zostanie zaprezentowana witryna http://rafa.am.gdynia.pl/~czarny, która powstała w Akademii Morskiej w Gdyni w ramach pracy dyplomowej. Zawiera ona wiadomości teoretyczne z zakresu wybranych zagadnień z techniki cyfrowej oraz przykładowe symulacje.

Witryna www.am.gdynia.pl/~jagat

W nauczaniu podstaw techniki cyfrowej celowe jest wykorzystanie oprogramowania umożliwiającego symulacje wybranych układów. Dlatego też na omawianej stronie internetowej zostały umieszczone wirtualne projekty, przygotowane z wykorzystaniem pakietów Electronics Workbench 5.12 oraz Multisim 2001. Technika cyfrowa jest dziedziną wiedzy, która wymaga odpowiednich wiadomości teoretycznych oraz praktycznych. Materiały dostępne w internecie ułatwiają zrozumienie nie tylko teorii, ale również zasad projektowania i budowania układów cyfrowych. Studenci swoje wiadomości teoretyczne muszą sprawdzić w warunkach rzeczywistych, dlatego też w tym przypadku niezbędne są zajęcia laboratoryjne. Studenci w czasie tych zajęć samodzielnie budują układy w środowisku rzeczywistym lub wirtualnym. Projekty układów muszą przygotować również w ramach pracy domowej przed przystąpieniem do zajęć. Bardzo często są to projekty, które można wykorzystać w praktyce, np. zegar sportowy, cyfrowy generator fali trójkątnej, układ sterowania światłami awaryjnymi w samochodzie, układ sterowania windą, reklama świetlna, układ generatora losowego, regulator prędkości obrotowej silnika, układ do transmisji danych, stoper, licznik rewersyjny czy różne przykłady rozwiązań sumatorów. Również często w czasie zajęć studenci budują symulatory określonych urządzeń, np. pralki automatycznej czy kuchenki mikrofalowej. Materiały dydaktyczne oraz projekty dostępne na stronie http://www.am.gdynia...doskonale ułatwiają studentom przygotowanie własnych projektów.

Rysunek 1. Nagłówek strony głównej witryny internetowej z zakresu techniki cyfrowej



Do najważniejszych elementów witryny interentowej z zakresu techniki cyfrowej można zaliczyć:

• dział projektów, gdzie znajduje się duża (aktualnie ponad 400) baza projektów utworzonych z wykorzystaniem Electronics Workbench 5.12, Multisim 2001, języka programowania sprzętu Cupl;
• dział downloads, gdzie znajdują się bezpośrednie odnośniki do wszystkich materiałów dostępnych dla studentów;
• dział Technika Cyfrowa, podzielony na strony wykład, laboratorium i ćwiczenia, gdzie znajdują się informacje i materiały przydatne do poszczególnych typów zajęć, w tym projekty liczników pracujących w różnych kodach (synteza oraz symulacje);
• aktualnie rozwijany dział Układy PLD, poświęcony jest układom programowalnym PLD;
• zakładkę z informacjami o błędach występujących w pakietach EWB 5.12 oraz Multisim 2001;
• pełną wersję Egzaminu z TC wraz z opisem jego działania;
• zakładkę o nowościach na stronie;
• mapę witryny, zawierającą bezpośrednie linki do wszystkich stron i działów serwisu;
• stronę z informacjami dotyczącymi zasad korzystania z laboratoryjnego serwera plików.

Projekty dostępne na stronie zostały bardzo często samodzielnie przygotowane przez studentów oraz przetestowane przez nich. Często bodźcem do kolejnych projektów lub ich modyfikacji są właśnie materiały dostępne na stronie internetowej. Ułatwiają one zrozumienie poszczególnych zagadnień, inspirują do realizacji własnych pomysłów. Równie często inspiracją do tworzenia projektów są przykłady z życia codziennego, np. projekt układu latarki z diodami LED, który może zostać wykorzystany jako awaryjne źródło światła (rysunek 2). Projekt ten został zaczerpnięty z książki², w której autor przedstawił ponad 100 aplikacji praktycznych urządzeń zbudowanych z wykorzystaniem timera 555. Układ ten, mimo że został zaprojektowany i wyprodukowany około 30 lat temu, jest nadal bardzo często stosowany w wielu urządzeniach. W najbliższym czasie liczba projektów zbudowanych w oparciu o układ 555, dostępnych na omawianej witrynie, znacznie wzrośnie. Autorzy artykułu mają zamiar przetestować w środowisku wirtualnym większość projektów omówionych ww. pracy.

Rysunek 2. Projekt latarki z diodami LED

Rysunek 3. Widok przykładowej podstrony witryny

Na rysunku 3 przedstawiono widok wybranej podstrony. Serwis ten cieszy się sporym zainteresowaniem, jest często odwiedzany przez internautów, o czym świadczą statystyki przedstawione na rysunku 4. W statystykach tych nie są uwzględniane wejścia z komputerów będących na wyposażeniu laboratorium techniki cyfrowej w Akademii. Należy nadmienić, że w czasie zajęć studenci również chętnie i często korzystają z materiałów dostępnych na omawianej stronie. Z rysunku 4 wynika, że w listopadzie nastąpił znaczny wzrost zainteresowania tą stroną. Wynika to m.in. z konieczności przygotowania się przez studentów do kolokwium, które najczęściej ma miejsce na przełomie listopada i grudnia. Powodem tego wzrostu mogła być również znaczna modyfikacja witryny, a przede wszystkim zwiększenie ilości dostępnych projektów. Ze statystyk wynika, że z witryny korzystają nie tylko studenci uczelni, ale również internauci z całej Polski oraz innych krajów europejskich. Według autorów artykułu jest to jedyna strona, na której są dostępne symulacje układów cyfrowych.

Rysunek 4. Statystyki odwiedzin strony http://www.am.gdynia...


Źródło: opracowanie własne.

Na omawianej stronie jest również informacja o zasadach korzystania z serwera TC, na który studenci wysyłają projekty, zadania, sprawozdania niezbędne do zaliczenia przedmiotu. Materiały te są oceniane przez prowadzącego zajęcia, przy czym najciekawsze z nich są umieszczane na stronie internetowej. Studenci z prowadzącym zajęcia kontaktują się również za pomocą poczty elektronicznej.

Do ciekawych elementów dostępnych na stronie należy także zakładka Pytania i odpowiedzi, gdzie student może uzyskać odpowiedź na najczęściej zadawane pytania. Znajdują się tam informacje dotyczące działania witryny (głównie konfiguracji przeglądarki internetowej), uruchamiania pakietów EWB 5.12 i Multisim 2001 oraz konfiguracji systemu Windows do obsługi plików wygenerowanych przez te pakiety (np. uruchamiania projektów EWB bezpośrednio, klikając na odnośnik na stronie WWW).

Witryna rafa.am.gdynia.pl/~czarny

Omawiana w poprzedniej części witryna powstała z inicjatywy autorów artykułu. Własne pomysły posiadają również studenci. Na zajęciach laboratoryjnych z przedmiotu technika cyfrowa powstała inicjatywa stworzenia multimedialnej pomocy zawierającej podstawowe materiały edukacyjne. Głównym celem było umieszczenie w jednym, łatwo dostępnym miejscu informacji i symulacji, a nie tylko projektów, które ułatwią studentom zrozumienie wybranych zagadnień z techniki cyfrowej. Po przeanalizowaniu różnych rozwiązań techniczno-informatycznych okazało się, że najlepszą formą prezentacji jest witryna internetowa. Łatwość dostępu, możliwości rozbudowy, kontakt ze studentami i łatwe zarządzanie danymi to tylko niektóre z zalet, jakie posiada ta strona. Połączenie teorii i symulacji omawianych układów znakomicie wspomaga naukę, co jest szczególnie istotne w przypadku nauk technicznych, wymagających odpowiedniego zaplecza laboratoryjnego. Odpowiednio opracowane materiały są przede wszystkim przydatne w nauczaniu na odległość. W ramach inżynierskiej pracy dyplomowej³ zaprojektowano i wykonano witrynę internetową, której głównym celem było zapoznanie internautów z wybranymi zagadnieniami z zakresu techniki cyfrowej, przedstawienie symulacji obrazujących działanie opisywanych układów, a także ułatwienie dalszego poszukiwania informacji na ten temat. Materiał teoretyczno-praktyczny, prezentowany na łamach opracowanej witryny, obejmuje zagadnienia związane z następującymi działami techniki cyfrowej: układy uzależnień czasowych, rejestry scalone, liczniki scalone, wybrane praktyczne projekty. Przedstawione zagadnienia nie wyczerpują całego materiału z techniki cyfrowej. Pozostałe problemy zostaną omówione w ramach kolejnej pracy dyplomowej, realizowanej również w Katedrze Automatyki Okrętowej.

Nowa witryna internetowa wykonana w ramach pracy dyplomowej⁴ dostępna jest pod adresem http://rafa.am.gdynia.pl/~czarny, jej strona tytułowa została przedstawiona na rysunku 5.

Rysunek 5. Strona tytułowa nowej witryny

Składa się ona z następujących, głównych działów:

• Admin - dział administracji i zarządzania treścią niektórych stron serwisu;
• Download - dział, z którego można pobierać różne pliki;
• Forum - umożliwia komunikację między użytkownikami witryny;
• Inne projekty - zawiera symulacje pochodzące z różnych programów;
• Książki - omawia przykładowe, najbardziej wartościowe książki;
• Linki - baza połączeń do stron o tematyce związanej z techniką cyfrową;
• Mapa serwisu - przedstawia listę wszystkich podstron serwisu;
• Multisim - zawiera symulacje wykonane w programie Multisim 2001;
• Nowości - przedstawia ostatnie zmiany dokonane w treści witryny;
• Teoria - zawiera opracowane przez dyplomanta materiały dydaktyczne z wybranych zagadnień techniki cyfrowej.

Przykładowe tematy projektów omówione i zasymulowane w środowisku Multisim 2001 zostały przedstawione na rysunku 6.

Rysunek 6. Przykładowe tematy projektów - symulacji w środowisku Multisim 2001

Witryna http://rafa.am.gdynia.pl/~czarny posiada ponad 30 podstron. Każda, która omawia określony układ, składa się z następujących elementów: oznaczenia wejść i wyjść układu, przykładowych przebiegów czasowych, opisu budowy i zasady działania, tabeli prawdy, symulacji wykonanych w programie Multisim 2001, danych katalogowych w postaci pliku pdf.

Na stronie dostępna jest ponadto duża ilość aktualnych linków powiązanych tematycznie z zawartością serwisu, stanowią one cenny element witryny. Odnośniki do innych stron internetowych zostały podzielone na następujące grupy: uczelnie polskie, uczelnie zagraniczne, firmy elektroniczne, czasopisma elektroniczne, inne. Również i ta witryna cieszy się znacznym zainteresowaniem. Dowodem na to mogą być wpisy internautów na forum dyskusyjnym założonym przez dyplomanta (przykładowe wpisy zostały przedstawione na rysunku 7). Forum dyskusyjne jest aplikacją umożliwiającą przeprowadzanie dyskusji pomiędzy użytkownikami. Forum, założone przez dyplomanta, ma na celu ułatwić studentom wymianę wiedzy. Dodatkowo wykorzystane zostało do zgłaszania dostrzeżonych na stronach błędów. Na jego łamach rozwiązywane są również problemy, z jakimi spotkali się goście witryny.

Rysunek 7. Forum dyskusyjne witryny Podstawy Techniki Cyfrowej

Program Egzamin TC

W 2002 roku, w ramach pracy dyplomowej inżynierskiej⁵, stworzono program Egzamin TC, którego główną funkcją jest możliwość przeprowadzenia egzaminu (w formie testu) z przedmiotu technika cyfrowa za pomocą komputerów. Program został napisany z wykorzystaniem środowiska Borland Delphi 5 oraz programu EWB 5.12. Ponadto do wykonania stron pomocy wykorzystano język HTML. Program umożliwia działanie w komputerowej sieci lokalnej Microsoft Network oraz wykorzystanie drukarki (także udostępnionej w sieci lokalnej). Daje to możliwość przeprowadzenia egzaminu w formie elektronicznej dla większej grupy studentów w tym samym czasie.

Zasada działania programu jest następująca: po uruchomieniu programu i wprowadzeniu nie-zbędnych danych wejściowych następuje wyświetlanie kolejnych okien wylosowanych pytań oraz oceny odpowiedzi według zasady: dobra odpowiedź - 1 punkt, zła odpowiedź _ 0 punktów. Program umożliwia wybór ilości generowanych pytań, czasu trwania egzaminu, dołączenia dodatkowych pytań z zakresu układów programowalnych PLD. Po wstępnym testowaniu programu, zebraniu uwag na temat jego funkcjonowania w 2004 roku dokonano jego przebudowy (por. rysunek 8).

Rysunek 8. Widok okna głównego programu Egzamin TC

Baza pytań programu dotyczy takich zagadnień, jak: układy kombinacyjne, arytmetyczne, komutacyjne, sekwencyjne oraz układy uzależnień czasowych. Kolejność wyświetlanych pytań jest generowana losowo. Widok przykładowego pytania wygenerowanego przez program został przedstawiony na rysunku 9.

Rysunek 9. Widok przykładowego pytania programu Egzamin TC

Program w czasie trwania egzaminu generuje plik protokołu, w którym zawarte są wszystkie informacje dotyczące zarówno studenta (imię, nazwisko, rok i rodzaj studiów), jak i egzaminu (data i czas rozpoczęcia egzaminu, numery wylosowanych pytań, uzyskana punktacja za poszczególne pytania, uzyskana ocena końcowa). Program został tak skonstruowany, że plik protokołu jest generowany cyklicznie już od początku trwania egzaminu oraz po każdym pytaniu, co uniemożliwia jego utratę, np. w sytuacji zaniku napięcia w sieci energetycznej lub zawieszenia się komputera. Plik protokołu może zostać utworzony bezpośrednio na komputerze prowadzącego zajęcia, co uniemożliwia dostęp do niego studentom. Po zakończonym egzaminie program wyświetla liczbę zdobytych punktów (także procentową) oraz uzyskaną ocenę. Omawiany program w aktualnej wersji jest rozbudowaną i ulepszoną wersją programu bazowego, opisanego w książce M. Janowskiego⁶. W stosunku do pierwotnej wersji różni się m.in.:

• rozbudowaną bazą pytań,
• możliwością ręcznego wyboru pytań (funkcja chroniona hasłem),
• nową opcją "ustawienia zaawansowane", umożliwia ona szybkie uruchomienie wszystkich chronionych hasłem opcji,
• możliwością ustawienia progów procentowych dla ocen oraz zapamiętywaniem ustawień (funkcja chroniona hasłem),
• ochroną hasłem opcji ustawiania folderu docelowego dla pliku protokołu,
• dodaniem możliwości zmiany hasła dostępu do zaawansowanych ustawień programu,
• domyślnym zapamiętywaniem i odczytem ustawionego poprzednio foldera dla pliku protokołu,
• szyfrowaniem zawartości plików konfiguracyjnych,
• dokładniejszym, procentowym paskiem postępu w oknie zegara z krokiem co 1 sek. (poprzednio 1 min),
• sygnalizacją zdarzeń za pomocą dźwięków,
• przeprojektowaniem i rozbudową strony pomocy,
• przeprojektowaniem okna powitalnego i głównego programu,
• ujednoliceniem szaty graficznej, czcionek i kolorów.

Program w nowej wersji zyskał niewątpliwie na funkcjonalności i bezpieczeństwie. Ustawienia zaawansowane, takie jak: folder dla pliku protokołu, ręczny wybór wyświetlanych pytań oraz progi procentowe dla ocen są chronione hasłem ustawionym i znanym tylko przez prowadzącego zajęcia. Hasło oraz ustawione poprzednio parametry są zapamiętywane przez program w odpowiednich plikach konfiguracyjnych, których treść jest dodatkowo zaszyfrowana, aby uniemożliwić ich edycję przez osoby niepowołane. Proces szyfracji i deszyfracji jest realizowany automatycznie i nie wymaga żadnej obsługi przez użytkownika. W wypadku usunięcia lub uszkodzenia plików konfiguracyjnych program informuje o tym, po czym przywraca ustawienia domyślne. W wypadku, gdy użytkownik zapomni hasło dostępu do dyspozycji jest procedura awaryjna, opisana w dokumentacji programu, ze zrozumiałych względów niedostępna dla studentów. Rozbudowane strony pomocy, napisane w języku HTML, ułatwiają poznanie i obsługę nowych funkcji programu. Wszystkie wprowadzone zmiany powodują, że program Egzamin TC w nowej wersji jest bardzo przydatnym narzędziem sprawdzania wiedzy studentów. Przejrzysta budowa programu, jego modułowa struktura oraz uniwersalność zastosowanych procedur powoduje, że w stosunkowo prosty sposób można go dostosować do potrzeb innego przedmiotu, np. podstaw elektroniki, elektrotechniki, automatyki, teorii obwodów.

Podsumowanie

W Akademii Morskiej w Gdyni staramy się wzbogacać proces edukacyjny studentów z zakresu techniki cyfrowej nowymi elementami. W tym celu zostały umieszczone w internecie liczne materiały dydaktyczne, które ułatwiają poznanie i zrozumienie określonych zagadnień. Pozwala to studentom bardziej obiektywnie spojrzeć na stawiane im zagadnienia i problemy, inspiruje do przygotowania kolejnych ulepszeń określonych projektów, umożliwia lepsze przygotowanie się do rozwiązywania dalszych zadań. Umieszczenie projektów w sieci jest ponadto formą promocji uczelni, pokazaniem zadań realizowanych w ramach techniki cyfrowej. Jest także formą pokazania umiejętności studentów. Statystyki dołączone do witryny świadczą o tym, że opracowane materiały cieszą się sporym zainteresowaniem nie tylko ze strony studentów, ale również innych internautów. Materiały na omawianych witrynach zostały tak przedstawione, by mogły być wykorzystywane samodzielnie, również w systemie kształcenia na odległość, które w Akademii Morskiej w Gdyni jest na etapie raczej organizacyjnym. Ponadto można je również wykorzystać na studiach dziennych, zaocznych oraz na kursach dokształcających. Po zapoznaniu się z zaprezentowanymi wiadomościami teoretycznymi oraz symulacjami, student bez problemów powinien rozwiązać własne zadanie projektowe.

Opracowane materiały pozwalają zdobywać cenne doświadczenie dydaktyczne. Na bieżąco są uwzględniane uwagi studentów, które ułatwiają korektę opracowanych zagadnień oraz pozwalają poszerzać ofertę dydaktyczną. Internet stanowi więc cenne narzędzie współczesnej dydaktyki. Omawiane witryny internetowe oraz program Egzamin TC są efektem wieloletnich doświadczeń autorów artykułu. Metodyka nauczania wyrażona w opracowanych materiałach nie jest instrukcją obsługi, jest efektem praktycznych doświadczeń oraz wielu przemyśleń.

Doświadczenia zdobyte w czasie projektowania omawianych witryn można wykorzystać do budowy stron internetowych z zakresu zagadnień pokrewnych, np. elektrotechniki, elektroniki, teorii obwodów. Należy również zaznaczyć, że oprogramowanie EWB 5.12 oraz Multisim 2001 zawiera mnóstwo elementów nie tylko z zakresu techniki cyfrowej. Jednak środowisko wirtualne jest sprawą raczej drugorzędną, można wykorzystać np. pakiet Circuit Maker 2000, Spice. Omawiane zagadnienia z pewnością są istotne dla osób zainteresowanych szeroko rozumianą techniką, nie są to więc tylko sprawy lokalne. Współpraca osób zaintere-sowanych podobnymi zagadnieniami byłaby celowa. Na przeszkodzie stoją m.in. uregulowania prawne, a w zasadzie ich brak.

Materiały umieszczane w internecie nie są objęte prawem autorskim, to w zasadzie dobra wola, np. pracowników naukowych, chociaż ostatnio pojawia się coraz więcej stron z kodowanym dostępem, ale czy jest to właściwe rozwiązanie? Jak już wspomnieliśmy, współpraca osób zainteresowanych podobną tematyką byłaby celowa. Nie należy jednak tworzyć wszystkich serwerów internetowych za pomocą tych samych narzędzi, lektura takich stron byłaby po prostu nudna. Strony internetowe powinny posiadać indywidualne cechy, nadawane im przez autorów. A użytkownik zawsze może wyrazić swoją opinię. Miarą popularności danego serwisu internetowego jest między innymi liczba osób odwiedzających. Zaprezentowany artykuł należy traktować jako propozycję przedstawienia określonych zagadnień z zakresu techniki cyfrowej, które można wykorzystać jako pomoc dydaktyczną online.

Bibliografia

• R. Czarny, Opracowanie witryny internetowej prezentującej wybrane zagadnienia z techniki cyfrowej, inżynierska praca dyplomowa, Akademia Morska w Gdyni, lipiec 2004.
• K. Górski, Timer 555 w przykładach, Wydawnictwo BTC, Warszawa 2004. M. Janowski, Oprogramowanie do wspomagania egzaminu z Techniki Cyfrowej z wy-korzystaniem pakietu Borland Delphi, inżynierska praca dyplomowa, Akademia Morska, Gdynia 2002.
• K. Noga, M. Janowski, Nauczanie techniki cyfrowej poprzez Internet, sympozjum Narzędzia wspomagające nauczanie na odległość, Akademia Morska, Gdynia 2003, wersja elektroniczna.
• M. Janowski, Oprogramowanie do wspomagania egzaminu z Techniki Cyfrowej z wy-korzystaniem pakietu Borland Delphi, inżynierska praca dyplomowa, Akademia Morska, Gdynia 2002.
• K. Noga, M. Janowski, Technika cyfrowa w edukacji na odległość, II Sympozjum Narzędzia wspomagające nauczanie na odległość, Akademia Morska, Gdynia 2004, wersja elektroniczna.
• K. Noga, M. Janowski, M. Radwański, Wspomaganie nauczania techniki cyfrowej poprzez Internet, I Międzynarodowa Konferencja Akademia On-line, Bronisławów k. Łodzi, 13-15 maja 2004, wersja elektroniczna.