МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе СГУ
профессор доктор филологических наук
_________________
"___" _______________ 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Численные методы и программирование в физикохимии полимеров
Направление подготовки
020100 (химия)
Профиль подготовки
Высокомолекулярные соединения
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов,
2011 год
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Численные методы и программирование в физикохимии полимеров» является выработка у обучающихся навыков применения ряда конкретных компьютерных технологий в области полимерной науки для продолжения подготовки, начатой курсом «Информатика», к активному использованию компьютеров в дальнейшем.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Численные методы и программирование в физикохимии полимеров» (Б2.В.2) относится к к вариативной части математического и естественнонаучного цикла (Б.2) и преподаётся в 6 семестре. Студенты должны обладать общими навыками работы на персональном компьютере (операционная система Windows) и накопить достаточный запас знаний в области основных разделов химии, на примерах которых будет происходить обучение численным методам. Предшествующими дисциплинами являются «Математика» (семестры 1–3), «Информатика» (1 семестр), «Высокомолекулярные соединения» (5 семестр).
Освоение дисциплины необходимо как предшествующее для освоения дисциплин «Математические методы в полимерной науке» (7 семестр), «Компьютерное моделирование макромолекул» (7 семестр), «Статистика и термодинамика полимерных систем» (7 семестр), вариативных дисциплин профессионального цикла Б.3 ООП ВПО «Высокомолекулярные соединения», читаемых в 7 и 8 семестрах, прохождения производственной химико-технологической практики, выполнения и оформления выпускной квалификационной (бакалаврской) работы.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения настоящей дисциплины формируются компетенции:
ОК-6: использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
ОК-7: умеет работать с компьютером на уровне пользователя и способен применять навыки работы с компьютерами, как в социальной сфере, так и в области познавательной и профессиональной деятельности;
ОК-8: способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны;
ОК-9: владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией;
ОК-12: владеет одним из иностранных языков (преимущественно английским) на уровне чтения научной литературы и навыков разговорной речи (в том числе на уровне использования программ и приложений Windows с англоязычным интерфейсом);
ПК-8: владеет методами регистрации и обработки результатов химических экспериментов.
В результате освоения дисциплины «Численные методы и программирование в физикохимии полимеров» студент должен
знать:
· основные численные методы и приёмы программирования в среде Maxima для решения полимерно-химических задач,
· типы задач, для которых необходимо применение численных методов и программирования;
· стандарты и приёмы оформления учебных и научных текстов по результатам расчётов (курсовых работ, рефератов, тезисов);
уметь:
· проводить математические расчёты (включая программирование) при решении полимерно-химических задач,
· оформлять учебные и научные тексты по специальности (курсовые работы, рефераты, тезисы) по результатам расчётов,
владеть:
· основами численных методов и программирования в среде Maxima,
· приемами применения численных методов и программирования для решения полимерно-химических задач,
· навыками письменного изложения выводов по результатам расчётов.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 6 зачётных единиц, 216 часов (36 часов лекций, 108 часов лабораторных работ, 26 часов самостоятельной работы).
№ п/п | Раздел дисциплины | Се-местр | Неде-ля семе-стра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоёмкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемост. Формы промежуточной аттестации | |||
Лек-ции | Лабо-ратор. заня-тия | Само-стоят. работа | Всего | |||||
1 | Приёмы оформления научных текстов | 6 | 1–5 | 10 | 30 | 10 | 50 | Проверка конспектов лекций и результатов работы на компьютере |
2 | Знакомство с пакетом Maxima. Программирование | 6 | 6–8 | 8 | 24 | 8 | 40 | Проверка конспектов лекций и результатов работы на компьютере |
3 | Численные методы и их реализация в пакете Maxima | 6 | 9–18 | 18 | 54 | 18 | 90 | Проверка конспектов лекций и результатов работы на компьютере |
4 | Экзамен | 6 | 36 | Сдача экзамена | ||||
Итого | 6 | 36 | 108 | 36 | 216 |
Содержание лекционного курса
1. Введение в курс.
2. Специальные возможности MS Word для оформления научных текстов. Создание предметного указателя и оглавления. Рецензирование (исправления, примечания, версии). Слияние документов.
3. Математические формулы в научном тексте. Работа с Microsoft Equation.
4. Химические формулы в научном тексте. Конструирование структурных формул в ISIS/Draw. Вставка объектов в документ Word.
5. Построение графиков с помощью Advanced Grapher и их вставка в документ Word. Оцифровка готовых графиков.
6. Универсальный математический пакет Maxima: введение, возможности. Числовые расчёты. Задание функций, матриц, переменных. Построение графиков.
7. Maxima: символьные преобразования (упрощение выражений, дифференцирование, интегрирование).
8. Maxima: программирование. Блоки, управляющие конструкции. Примеры программирования.
9. Решение нелинейных уравнений. Отделение корней. Методы половинного деления (дихотомии), хорд, касательных (Ньютона), итерации. Достижение требуемой точности. Программирование методов
10. Решение систем линейных уравнений. Прямые методы (Крамера, обращения матрицы, Гаусса—Жордана). Итерационные методы (метод Гаусса—Зейделя).
11. Решение систем дифференциальных уравнений (методы Эйлера, прогноза и коррекции, Рунге—Кутта). Построение графиков найденных функций.
12. Численное интегрирование. Квадратурные формулы с равноотстоящими узлами: прямоугольников, трапеций, парабол (Симпсона), общая формула Ньютона—Котеса. Квадратурные формулы с произвольными узлами. Программирование методов.
13. Численное интерполирование и дифференцирование. Линейное интерполирование, метод Ньютона, сплайны. Построение графиков интерполированных функций.
14. Линейное программирование. Задача линейного программирования, способы её постановки. Опорный план. Симплекс-метод. Примеры применения.
15. Статистические расчёты. Распределение вероятностей. Точечные и интервальные оценки параметров распределения (математическое ожидание, дисперсия, вероятность события).
16. Проверка статистических гипотез. Дисперсионный анализ.
17. Регрессия. Принцип максимального правдоподобия и метод наименьших квадратов. Линейная и нелинейная регрессия.
18. Применение численных методов и программирования для решения задач из физикохимии полимеров.
5. Образовательные технологии
Основной образовательной технологией будет являться выполнение студентами упражнений и заданий на компьютере под руководством преподавателя, сначала — примеров, иллюстрирующих, как реализуется та или иная функция или задача, затем — реальных примеров из различных разделов химии и полимерной науки, и наконец — самостоятельное решение такого рода задач. Будут использоваться также обучающие компьюкурсы и презентации по отдельным разделам.
Программа практических занятий полностью соответствует программе лекций.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Самостоятельная работа студентов заключается в знакомстве с основной и дополнительной литературой, изучении документации к используемым программам, планировании предстоящих занятий, разборе ошибок. Она может протекать в Дисплейном классе Института химии СГУ, библиотеке, а также в домашних условиях.
Вопросы к курсу
1. Оформление научных текстов
Текстовый редактор Word. Ввод, редактирование, шрифтовое оформление текста. Форматирование абзаца. Создание списков. Вставка специальных символов и графических объектов. Типы графических объектов и их создание. Графический редактор Paint.
Форматирование документа (колонки, колонтитулы, нумерация страниц). Создание и редактирование таблиц. Работа со ссылками, сносками, закладками. Создание предметного указателя и оглавления. Проверка орфографии. Рецензирование (исправления, примечания, версии). Слияние документов.
Математические формулы в научном тексте. Работа с Microsoft Equation.
Химические формулы в научном тексте. Конструирование структурных формул в ISIS/Draw. Вставка объектов в Word.
Построение графиков с помощью Advanced Grapher.
2. Математические расчёты в химии
Системы компьютерной математики. Решение задач в среде Maxima. Числовые расчёты. Задание функций, матриц, переменных. Построение графиков. Символические операции (упрощение выражений, дифференцирование, интегрирование).
Элементы программирования в Maxima.
Численные методы в среде Maxima. Решение нелинейных уравнений. Отделение корней. Методы половинного деления (дихотомии), хорд, касательных (Ньютона), итерации. Достижение требуемой точности.
Решение систем линейных уравнений. Задание систем. Прямые методы (Крамера, обращения матрицы, Гаусса—Жордана). Итерационные методы (метод Гаусса—Зейделя).
Численное интегрирование. Квадратурные формулы с равноотстоящими узлами: прямоугольников, трапеций, парабол (Симпсона), общая формула Ньютона—Котеса. Квадратурные формулы с произвольными узлами.
Численное интерполирование и дифференцирование. Линейное интерполирование, метод Ньютона, сплайны.
Решение систем дифференциальных уравнений. Методы Эйлера, прогноза и коррекции, Рунге—Кутта.
Линейное программирование. Постановка задачи. Методы решения. Симплекс-метод. Геометрическое представление.
Статистические расчёты в Maxima. Распределение вероятностей. Точечные и интервальные оценки параметров распределения (математическое ожидание, дисперсия, вероятность события). Проверка статистических гипотез. Дисперсионный анализ.
Регрессионный анализ. Принцип максимального правдоподобия и метод наименьших квадратов. Линейная и нелинейная регрессия.
Контрольная работа № 1
Создайте документ Word по заданной теме (из пройденных курсов химии), вставьте в него химические формулы, графики и, возможно, математические формулы. Отправьте преподавателю на рецензирование. После возвращения файла пройдитесь по сделанным исправлениям, примите или отклоните каждое.
Задание для самостоятельной работы
Скачайте из Интернета какую-либо научную статью из области химии (желательно, по полимерам), выделите из неё график (хотя бы один) и оцифруйте. Постройте по полученной таблице новый график, вставьте в документ Word и дайте необходимые пояснения (с возможным применением химических и математических формул).
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Численные методы: учеб. пособие / , , ; Моск. гос. ун-т им. . — 4-е изд. — М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2006. — 636 с. (Классический университетский учебник)
2. Калиткин методы. — СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 592 с.
б) дополнительная литература:
1. Численные методы в задачах и упражнениях: учеб. пособие / , , . — М.: Высш. шк., 2000. — 189 с.
2. Волков методы. — М.: Лань, 2004. — 256 с.
3. Компьютер для студента. — Самоучитель. СПб.: Питер, 20с.
4. Компьютер для студентов. Самоучитель: Учеб. пособ. — М.: ТРИУМФ, 20с.
5. Самарский в численные методы. — М.: Лань, 2009. — 288 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
· Построение стр. формул http://super-chemistry. *****/Structures. html
· Построение графиков http://www. /agrapher/
· Пакет Maxima http://maxima. /ru/
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Практические работы проводятся в Дисплейном классе Института химии СГУ, оснащённом 12-ю персональными компьютерами IBM, соединёнными в локальную сеть с выходом в глобальную (Интернет). Операционная система — Windows XP, лицензионное программное обеспечение Microsoft Office, бесплатное программное обеспечение OpenOffice, ISIS/Draw, Advanced Grapher, Graph2Digit, Maxima.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю подготовки 020100 — Химия.
Автор: канд. хим. наук доцент
Программа одобрена на заседании базовой кафедры полимеров 14 апреля 2011 года, протокол
Зав. базовой кафедрой полимеров, д. х.н.
Директор Института химии, д. х.н. профессор
