Компьютерные технологии в образовании и науке (стр. 4 )

Баллы	Полная запись	Сокращенная запись
88-100	Отлично	отл.
74-87	Хорошо	хор.
61-73	Удовлетворительно	удовл.
0-60	Неудовлетворительно	неуд.
61-100	зачтено

Примерные тестовые задания для домашнего выполнения (конкретные тексты задания выдаются магистрантам через систему ИИАС и на бумажном носителе):

Домашнее задание 1

Цель: используя метод молекулярной динамики смоделировать процесс фазового перехода при охлаждении и нагревании указанного вещества.

Основные инструменты для расчета и создания файлов: Gromacs (версия 4,3 и выше), Raswin, Pymol, VirtualDub. Использовать Силовое поле: OPLSAA

При выполнении задания:

1) удобно иметь по рукой

либо англоязычное руководство по пакету Gromacs: http://manual. gromacs. org/

либо русскоязычное руководство по пакету Gromacs: http://*****/2010/11/gromacs. html

2) можно посмотреть интернет ресурс:

http://www3.mpibpc. mpg. de/groups/de_groot/compbio1/p1/index. html

3) полезно использовать наработки (файлы), созданные Вами на практических занятиях.

При выполнении задания и при подготовке отчета придерживаться нижеприведенного плана.

1) Создание системы, содержащей одну частицу при температуре немного выше температуры кипения.

1.1) Описать процесс создания и привести содержание файла *.gro.

1.2) Описать процесс создания и привести содержание файла *.itp.

1.3) Описать процесс создания и привести содержание файла *.top.

1.4) Описать процесс создания и привести содержание файла *.pdb.

1.5) Привести изображение, иллюстрирующее расположение частиц на данном этапе.

2) Создание расчетной ячейки при температуре немного выше температуры кипения.

2.1) Используя справочные данные по плотности вещества в газообразном состоянии описать процесс расчета и привести сам расчёт моделируемой ячейки. Число молекул в расчетной ячейке не менее 343. Использовать периодические граничные условия. Молекулы располагаются в ячейке хаотически.

Рекомендации: параметры в файле *.mdp, отвечающие за радиус обрезания потенциала межмолекулярного взаимодействия (rlist, rcoulomb, rvdw) принять равными половине максимальной длины ребра расчётной ячейки.

3) Произвести предварительную оптимизацию расположения молекул в ячейке при температуре немного выше температуры кипения.

3.1) Привести содержимое файла предварительной оптимизации *.mdp.

3.2) Описать назначение команд, используемых в файле предварительной оптимизации *.mdp.

3.3) Описать процесс предварительной оптимизации расположения частиц в ячейке (какие команды использовали, объяснить их назначение и синтаксис).

3.4) Показать, что частицы в ячейке перешли в более энергетически выгодное состояние (построить график зависимости энергии системы от времени). Проанализировать построенный график.

3.5) Привести изображение, иллюстрирующее расположение молекул в ячейке на данном этапе и сравнить с первоначальным состоянием системы (п. 2,1).

4) Произвести процесс плавного охлаждения расчетной ячейки методом молекулярной динамики до температуры 1 К (T2). Начальная температура (T1) должна быть на 30-40 градусов выше температуры кипения. То есть у Вас всего две температурные точки.

4.1) Привести содержимое файла *.mdp для процесса охлаждения.

4.2) Описать назначение команд, используемых *.mdp для процесса охлаждения.

4.3) Описать процесс охлаждения частиц в ячейке (какие команды использовали, объяснить их назначение и синтаксис).

4.4) Показать, что происходит с температурой и энергией (потенциальной, кинетической, общей) в изучаемой ячейке в процессе охлаждения. Проанализировать построенные графики. Определить температуры фазовых переходов.

4.5) Получить файл формата *.pdb и привести изображение, иллюстрирующее расположение молекул в ячейке до фазового перехода и после него.

4,6) Создать «многотомный» файл *.pdb и осуществить процесс наблюдения средствами программы PyMol за системой в процессе изменения температуры.

4,7) Создать автономный видеоролик

Рекомендации: если в процессе моделирования не удается осуществить фазовый переход необходимо: либо увеличить время расчета, либо увеличить давление в расчетной системе. И повторить расчет, начиная с пункта 4,1 до получения нужного результата. То есть Вы должны выполнить основную цель – перевести вещество из газообразного состояния в жидкое и твердое и определить температуру фазового перехода.

5) Произвести процесс плавного нагревания (от температуры T2 до температуры T1) расчетной ячейки методом молекулярной динамики (использовать результаты моделирования, полученные в пункте 4).

5.1) Привести содержимое файла нагревания *.mdp.

5.2) Описать назначение команд, используемых в файле нагревания *.mdp.

5.3) Описать процесс нагревания расчетной ячейки.

5.4) Показать, что происходит с температурой и энергией (потенциальной, кинетической, общей) изучаемой ячейки в процессе нагревания. Проанализировать построенные графики. Определить температуры фазовых переходов.

5.5) Получить файл формата *.pdb и привести изображение, иллюстрирующее расположение молекул в ячейке до фазового перехода и после него.

5,6) Создать «многотомный» файл *.pdb и осуществить процесс наблюдения средствами программы PyMol за системой в процессе изменения температуры.

5,7) Создать автономный видеоролик

Рекомендации: если в процессе нагревания не удается перевести вещество в газообразное состояние, то можно повысить конечную температуру на 10-20 градусов и повторить расчет, начиная с пункта 5,1 до получения нужного результата. То есть Вы должны выполнить основную цель – перевести вещество из твердого (жидкого) состояния в газообразное и определить температуру фазового перехода.

6.0) Сравнить между собой температуры фазовых переходов, полученные в процессе охлаждения и нагревания. Одинаковы ли они?. Сопоставить полученные результаты с литературными данными по температурам фазовых переходов для данного вещества.

7.0) Написать индивидуальный подробный отчет (в электронной форме).

Отчет должен содержать ответы на каждый пункт вышеприведенного плана выполнения задания.

В тексте отчета все команды должны соответствовать файлам, прилагаемым к расчету.

Отчет о задании (письменный отчёт в формате pdf документа) и все необходимые файлы заархивировать (формат ZIP, имя файла – Ваша фамилия латинскими символами) и выложить ознакомления на файлообменнике: www. ***** (http://www. ).

Преподаватель должен суметь повторить расчет по Вашему отчету и с Вашими файлами.

После этого выслать ссылку на скачивание на электронный адрес преподавателя.

Персональные задания.

Вариант	Фамилия	Газ	Число атомов	P атм
1		He	343 (7*7*7)	3
2		Kr	343 (7*7*7)	4
3		Xe	343 (7*7*7)	3
4		Ne	343 (7*7*7)	4

При возникновении трудностей можно обращаться за консультацией (при себе иметь Ваш комплект файлов для выполнения задания) предварительно договорившись.

Домашнее задание 2

Используя пакеты AVOGAGRO, GROMACS, FIREFLY, RASMOL, GNUPLOT создать следующие молекулы в предположении, что для них неизвестны параметры (константы) необходимые для описания геометрии молекулы:

энергия связи (использовать гармонический потенциал),

энергия валентных углов (использовать гармонический угловой потенциал),

энергия торсионных углов (использовать гармонический тип).

Типы атомов взять из силового поля OPLSAA.

1) метиламин H2N–CH3

2) хлорметанол ClCH2–OH

3) хлораминометан H2N–CH2Cl

При написании отчета придерживаться следующего плана:

Привести название вещества и химическую формулу, отражающее его строение

1) Описание процесс создания одиночной молекулы и предварительной оптимизации ее геометрии (AVOGAGRO)

2) Описание окончательной оптимизация молекулы с использованием первопринципных методов квантовой химии (FIREFLY) – берем парциальные заряды.

3) Описание механизма нахождения констант для расчета

энергия связи (использовать гармонический потенциал)

энергия валентных углов (использовать гармонический угловой потенциал),

энергия торсионных углов (использовать гармонический тип).

4) Используя пакет GROMACS описать строение молекулы с учетом структуры молекулы из файла Z-матрицы (AVOGADRO).

Содержание файла. gro

Содержание файла. itp

Содержание файла. top

5) Выполнить расчет вашей малекулы с учетом именно ваших констант с использованием пакета GROMACS (параметры mdp файлов взять из предыдущего домашнего задания - № 4 )

6) Анализ полученных результатов (привести содержание итогового файла. gro, привести изображение полученной молекулы в виде шаростержневой модели, измерить все длины связей, измерить все углы – эти данные свести в таблицы – можно использовать визуализатор RASWIN (RASMOL)).

Данная контрольно-оценочная технология обеспечивает оценку уровня освоения профессиональных компетенций.

8 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

Основная литература

, В. Зиппль, Д. Роньян, Г. Фолькерс Молекулярное моделирование (теория и практика) Под редакцией и М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 201с: , Компьютерная химия. М. СОЛОН-Пресс, 2005 г. 536 с.

Дополнительная литература

Компьютерная химия : Практ. руководство по расчетам структуры и энергии молекулы. - М. : Мир, 1990 Журавлев, физика в примерах и задачах : Учеб. пособие / , , Удм. гос. ун-т. - Ижевск : Изд-во УдГУ, 19с. Симкин, Б. Я.,Шейхет и статистическая теория растворов : Вычислительные методы и их применение. - М. : Химия, 1989 Немухин, А. В.,Григоренко моделирование с программой РС GAMESS: от двухатомных молекул до ферментов // Вестник Московского университета. Сер. 2, ХимияТ. 45, № 2. - С. 75-102

Программное обеспечение (бесплатное) и пособия по использованию программных продуктов

Пакет GROMACS – http://www. gromacs. org Моделирование в GROMACS (практическое руководство) - http://*****/2010/11/gromacs. html GROMACS Tutorials - http://www. bevanlab. biochem. vt. edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/index. html Theoretische und computergestützte Biophysik - http://www3.mpibpc. mpg. de/groups/de_groot/compbio1 Сервис PRODRG (http://davapc1.bioch. dundee. ac. uk/prodrg/ Пакет Maxima – http://maxima. / Пакет GNUPlot – http://www. gnuplot. info/

Интернет-ресурсы

Наименование разработки в электронной форме	Ссылка на информационный ресурс	Технология	Доступность
Метод молекулярной динамики. © , , 1999	http://www. *****/library/md/default. htm	Электронный ресурс	Неогра-ниченный доступ
Личный сайт	http://kozlenkoa. *****	Мультимедийный сайт	Неогра-ниченный доступ
Молекулярная динамика белков и пептидов. Методическое пособие. , ёшкина	http://www. *****/library/manual/index. htm	Электронный ресурс	Неогра-ниченный доступ
Молекулярная подвижность: от простейших систем - до молекул белков. ©	http://www. moldyn. org/omega/moldyn/(7).pdf	Электронный ресурс	Неогра-ниченный доступ
GROMACS Tutorials	http://www. bevanlab. biochem. vt. edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/index. html	Электронный ресурс	Неогра-ниченный доступ
Сервис PRODRG	http://davapc1.bioch. dundee. ac. uk/prodrg	Электронный ресурс	Авторизоыванный доступ
Theoretische und computergestützte Biophysik	http://www3.mpibpc. mpg. de/groups/de_groot/compbio1	Электронный ресурс	Неогра-ниченный доступ
Серия статей в журнале Linux Format · Часть 1: Символьные вычисления – это просто · Часть 2: Операторы или функции? · Часть 3: Упрощение выражений · Часть 4: Алгебра и начала анализа · Часть 5: Графики и управляющие конструкции · Часть 6: Файлы и факты	http://wiki. *****/index. php/LXF81:Maxima	Мультимедийный сайт	Неогра-ниченный доступ

Электронно-библиотечные системы:

1.  Сайт химического факультета МГУ – http://www.chem.msu.su

2.  Издательство ЛАНЬ - http://www.lanbook.com/

3.  Научная электронная библиотека http://*****/defaultx. asp

4.  Библиотека УдГУ http://lib. *****

5.  Национальная библиотека Удмуртской Республики http://unatlib. *****/

Периодические научные издания

1)  Журнал Структурная химия

2)  Вестник Московского госуниверситета. Серия Химия

Методические рекомендации преподавателю

Лекции. Методика чтения лекций

Лекции являются одним из основных методов обучения по дисциплине, которые должны решать следующие задачи:

·  изложить важнейший материал программы курса, освещающий основные моменты;

·  развить у магистрантов потребность к самостоятельной работе над учебной и научной литературой.

Главной задачей каждой лекции является раскрытие сущности темы и анализ ее главных положений. Рекомендуется на первой лекции довести до внимания магистрантов структуру курса и его разделы, а в дальнейшем указывать начало каждого раздела, суть и его задачи, а, закончив изложение, подводить итог по этому разделу, чтобы связать его со следующим.

Содержание лекций

Содержание лекций определяется рабочей программой курса. Крайне желательно, чтобы каждая лекция охватывала и исчерпывала определенную тему курса и представляла собой логически вполне законченную работу. Лучше сократить тему, но не допускать перерыва ее в таком месте, когда основная идея еще полностью не раскрыта.

Методика проведения лабораторных занятий

Целями проведения лабораторных работ являются:

·  установление связей теории с практикой в форме экспериментального подтверждения положений теории;

·  обучение магистрантов умению анализировать полученные результаты;

·  контроль самостоятельной работы магистрантов по освоению курса;

·  обучение навыкам профессиональной деятельности

Цели лабораторного практикума достигаются наилучшим образом в том случае, если выполнению эксперимента предшествует определенная подготовительная внеаудиторная работа. Поэтому преподаватель обязан довести до всех магистрантов график выполнения лабораторных работ с тем, чтобы они могли заниматься целенаправленной домашней подготовкой.

Перед началом очередного занятия преподаватель должен удостовериться в готовности магистрантов к выполнению лабораторной работы путем короткого собеседования и проверки наличия у магистрантов заготовленных протоколов проведения работы.

Методические рекомендации для магистрантов

Успешное освоение дисциплины предполагает активное, творческое участие магистранта путем планомерной, повседневной работы.

Общие рекомендации

Изучение дисциплины следует начинать с проработки рабочей программы, особое внимание, уделяя целям и задачам, структуре и содержанию курса.

Работа с конспектом лекций

Просмотрите конспект сразу после занятий, отметьте материал конспекта лекций, который вызывает затруднения для понимания. Попытайтесь найти ответы на затруднительные вопросы, используя рекомендуемую литературу. Если самостоятельно не удалось разобраться в материале, сформулируйте вопросы и обратитесь за помощью к преподавателю на консультации или ближайшей лекции.

Регулярно отводите время для повторения пройденного материала, проверяя свои знания, умения и навыки по контрольным вопросам.

Выполнение лабораторных работ

На занятии получите у преподавателя график выполнения лабораторных работ. Обзаведитесь всем необходимым методическим обеспечением.

Перед посещением лаборатории изучите теорию вопроса, предполагаемого к исследованию, ознакомьтесь с руководством по соответствующей работе и подготовьте протокол проведения работы, в который занесите:

·  название работы;

·  заготовки таблиц для заполнения экспериментальными данными наблюдений;

·  уравнения химических реакций превращений, которые будут осуществлены при выполнении эксперимента;

·  расчетные формулы.

Оформление отчетов должно проводиться после окончания работы в лаборатории или в другом отведенном под занятия месте.

Для подготовки к защите отчета следует проанализировать экспериментальные результаты, сопоставить их с известными теоретическими положениями или справочными данными, обобщить результаты исследований в виде выводов по работе, подготовить ответы на вопросы, приводимые в методических указаниях к выполнению лабораторных работ.

9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для проведения компьютерного практикума необходим компьютерный класс, позволяющий предоставить отдельное рабочее место для каждого слушателя. Компьютеры должны иметь параметры, достаточные для функционирования изучаемых программ. В случае использования недостаточно мощных компьютеров, можно порекомендовать использовать более старые версии программ или заменить некоторые изучаемые программы на менее ресурсоемкие. Компьютеры должны иметь выход в сеть Интернет. На компьютерах должна быть установлена Windows XP (или старше), а также комплект изучаемых программ (см. соотвествующий раздел пункта 8 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ).

В компьютерном классе должна быть большая доска, мел, тряпка.

№ п/п	Наименование оборудования	Кол-во	Примечание (сведения о наличии, необходимости обновления, приобретения
1	Компьютерный класс с доступом в Интернет.	1	Есть
2	Мультимедийный комплект (ноутбук + проектор + экран), либо интерактивная доска	1	Необходимо, чтобы указанные технические средства находились стационарно в самом компьютерном классе.