Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Зам. директора ИК ТПУ
по учебной работе
___________
«___» ____________2014 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ Вычислительные системы
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 01.04.02 ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА и ИНФОРМАТИКА
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Математическое моделирование
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): магистр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2014 г.
КУРС 1 СЕМЕСТР 2
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 6 кредитов
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Математический анализ», «Геометрия и алгебра», «Концепции современного естествознания», «Дифференциальные уравнения», «Информатика»
КОРЕКВИЗИТЫ: «Компьютерное моделирование», «Дискретные математические модели»
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции | 24 | часа |
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ | 40 | часов |
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ | 64 | часов |
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА | 152 | часов |
ИТОГО | 216 | часов |
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ | очная |
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ЭКЗАМЕН
Обеспечивающая кафедра: кафедра прикладной математики ИК ТПУ
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: __________________ к. т. н., доцент
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП _______________ д. т.н.,профессор
ПРЕПОДАВАТЕЛИ: ________________ к. ф.-м. н., доцент ,
___________________ к. т.н., доцент
2014 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины в соответствии с ООП являются:
· получение студентами знаний о применении перспективных методов исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий;
· приобретение умения выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации для динамических систем с распределенными параметрами и описывающихся дифференциальными уравнениями в частных производных;
· овладение современными методами и технологиями математического моделирования с использованием программных комплексов (систем компьютерной математики), ориентированных на решение научных, проектных и технологических задач;
· формирование у студентов мотивации к самообразованию за счет активизации с помощью информационных технологий (например, систем компьютерной математики) самостоятельной познавательной деятельности и использование в практической деятельности новых знаний и умений, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Вычислительные системы» относится к вариативной части общенаучного цикла дисциплин. Для изучения дисциплины необходимо знание обязательного минимума содержания среднего (полного) образования по математике, информатике, утвержденного приказом Минобразования № 56 от 30.06.99. ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Математический анализ», «Геометрия и алгебра», «Информатика», «Концепции современного естествознания», «Дифференциальные уравнения».
3. Результаты освоения дисциплины
После изучения дисциплины в соответствии с ФГОС и ООП студент должен:
знать:
методы проектирования аппаратных и программных средств вычислительной техники, позволяющие решать поставленные задачи моделирования;
основные элементы языка программирования и визуализации расчетов в системе MATLAB−COMSOL, возможности COMSOL Multiphysics по 3D−моделированию динамических систем в физической формулировке и в математической, методы и программные средства реализации параллельных и распределённых вычислений в среде MATLAB−COMSOL.
уметь:
планировать, организовывать и проводить научные исследования, использовать типовые программные продукты, ориентированные на решение научных, проектных и технологических задач;
разрабатывать приложения, работающие в среде графических интерфейсов пользователя различных инструментальных систем, входящих в пакет MathWorks(MATLAB, Optimization Toolbox, Simulink, Wavelet Toolbox), ставить собственную задачу, анализируя наиболее близкий пример (модель) из библиотеки моделей MATLAB−COMSOL.
владеть:
навыками самостоятельной научно - исследовательской и научно - педагогической деятельности;
работой в среде MATLAB, COMSOL Multiphysics, решением конкретных задач на многоядерных и многопроцессорных ЭВМ.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
Универсальные (общекультурные) (ОК – 1,2,3,4,6,7):
способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК - 1);
способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК - 2);
способность свободно пользоваться русским и иностранным языками, как средством делового общения (ОК -3);
способность использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК - 4);
способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК - 6);
способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) (ОК - 7);
Профессиональные (ПК – 1,4,5):
научно-исследовательская деятельность:
применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);
проектно-конструкторская деятельность:
формировать технические задания и участвовать в разработке аппаратных и/или программных средств вычислительной техники (ПК-4);
выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5);
4. Структура и содержание дисциплины
Учебно-тематический план программы представлен в таблице 1.
Таблица 1
Учебно-тематический план программы
Наименование разделов, тем | Всего, час. | В том числе: | |
Лекции | Лабораторные работы | ||
2 | 3 | 4 | 5 |
«Высокопроизводительные вычислительные системы» | 48 | 16 | 32 |
Раздел 1 «Основные элементы языка программирования и визуализации расчетов в системе MATLAB и COMSOL Multiphysics» | 12 | 4 | 8 |
Тема 1 «Освоение основных элементов графического интерфейса пользователя(GUI)» | 3 | 1 | 2 |
Тема 2 «Решение задач линейной алгебры и математического программирования » | 3 | 1 | 2 |
Тема 3 «Основы 3D - графики, редактирование графиков.» | 3 | 1 | 2 |
Тема 4 «Моделирование динамических систем с сосредоточенными параметрами» | 3 | 1 | 2 |
Раздел 2 «Решение задач с использованием пакетов расширений MATLAB и COMSOL Multiphysics» | 24 | 8 | 16 |
Тема 1 «Символьные вычисления в пакете расширений Symbolic Math Toolbox» | 3 | 1 | 2 |
Тема 2 «Решение оптимизационных задач в пакете Optimization Toolbox MATLAB» | 3 | 1 | 2 |
Тема 3 «Физическое моделирование в системе COMSOL Multiphysics. Библиотека моделей. Навигатор моделей. 1D, 2D, 3D - модели. Графический интерфейс пользователя» | 6 | 2 | 4 |
Тема 4 «Анализ, выбор и выделение геометрических объектов при работе с одно - , двух - и трехмерными моделями. Ввод MATLAB-выражений в GUI COMSOL. Режимы решателя задач. Режимы показа решения» | 6 | 2 | 4 |
Тема 5 «Мультидисциплинарное моделирование динамических систем с обратной связью в COMSOL Multiphysic - Simulink» | 6 | 2 | 4 |
Раздел 3 «Применение программных средств Parallel Computing Toolbox и MATLAB Distributed Computing Server для подготовки решения задач на многопроцессорных ЭВМ-кластерах» | 12 | 4 | 8 |
Тема 1 «Рассмотрение примеров решённых задач: системы линейных алгебраических уравнений с плотной матрицей и разряженной» | 6 | 2 | 4 |
Тема 2 «Анализ сигналов на основе вейвлет-преобразований и быстрого преобразования Фурье» | 6 | 2 | 4 |
Итоговая аттестация | экзамен | ||
Итого | 48 часов |
5. Образовательные технологии
При освоении разделов дисциплины используется сочетание видов образовательной деятельности (ОД) – лекция, лабораторная работа, самостоятельная работа – с различными методами ее активизации (табл. 3).
Таблица 3. Сочетание видов ОД с различными методами ее активации
Метод акт. ОД/Вид ОД | Лекция | лабораторная работа | С. Р. |
IT-методы | + | + | + |
Работа в команде | + | + | |
Case-study | + | + | |
Игра | + | ||
Проблемное обучение | + | + | |
Контекстное обучение | + | + | |
Обучение на основе опыта | + | + | |
Индивидуальное обучение | + | ||
Междисциплинарное обучение | + | + | + |
Опережающее обучение | + |
От общего количества аудиторных занятий доля лекционных учебных занятий составляет 40%, доля интерактивных – 60%.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1. Самостоятельную работу студентов (СРС) можно разделить на текущую и творческую.
Текущая СРС – работа с лекционным материалом, подготовка к лабораторным работам с использованием сетевого образовательного ресурса (портал ТПУ); опережающая самостоятельная работа; изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку; подготовка к экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР) – поиск, анализ, структурирование информации по индивидуальному заданию с использованием других интернет-ресурсов (указано в п. 9.3).
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
В процессе изучения дисциплины студенты должны самостоятельно овладеть следующими темами:
1. Возможностями вычислительных систем компьютерной математики (СКМ) по активизации самостоятельной познавательной деятельности и использование в практической деятельности новых знаний и умений непосредственно не связанных со сферой деятельности (на примерах MATLAB, COMSOL Multiphysics, Wolfram Mathematica);
6.3. Контроль самостоятельной работы
Рубежный контроль в виде компьютерного тестирования по теоретической и практической части. По результатам рубежного контроля формируется допуск студента к экзамену.
6.4.Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Для самостоятельной работы студентов используются сетевые образовательные ресурсы, представленные на сайтах (указано в п. 9.3).
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Фонд оценочных средств дисциплины (ФОС) состоит из средств входного контроля знаний по дисциплинам-пререквизитам, текущего контроля выполнения заданий и средств для промежуточной аттестации. Эти средства содержат перечень вопросов, ответы на которые дают возможность студенту продемонстрировать, а преподавателю оценить степень усвоения теоретических и фактических знаний на уровне знакомства; заданий, позволяющих оценить приобретенные студентами практические умения на репродуктивном уровне; задач для оценки приобретенных студентами когнитивных умений на продуктивном уровне.
Входной и выходной контроль знаний осуществляется в форме компьютерного тестирования.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
В соответствии с рейтинговой системой текущий контроль производится дважды в течение семестра путем балльной оценки качества усвоения теоретического материала и результатов практической деятельности (ответы на контрольные вопросы, выполнение лабораторных работ).
Промежуточная аттестация (экзамен) производится в конце семестра также путем балльной оценки. Итоговый рейтинг определяется суммированием баллов текущей оценки в течение семестра (60 баллов максимум) и баллов промежуточной аттестации в конце семестра по результатам экзамена (40 баллов максимум). Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам (текущая оценка в семестре + промежуточная аттестация в конце семестра = 60 + 40). Рейтинг-план 1 семестра приведен в ПРИЛОЖЕНИИ.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
9.1. Основная литература
1. Ф., Ревизников методы. – Изд. 2-е, испр., доп. – М.: Физматлит. – 2006. – 400 с.
2. Егоров ЭВМ для решения задач теплопроводности. Учебное пособие. – СПб: СПб ГУ ИТМО. – 2006. – 77 с.
3. Поршнев моделирование физических процессов в пакете MATLAB. – М.: Телеком, 2007. – 592 с.
4. Потемкин в среде MATLAB. – М.: Диалог-МИФИ, 2004. –720 с.
9.2. Дополнительная литература
1. МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДЕ MATLAB – COMSOL 3.5a. Часть 1: учебное пособие/ . – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012.– 104 с.
2. Бирюлин расчеты в конечно-элементном пакете COMSOL/FEMLAB. Учебное пособие. – СПб: СПб ГУ ИТМО. – 2006. – 79 с.
9.3. Программное обеспечение и Internet-ресурсы
1. MATLAB Release 2010b, PDE Toolbox.
2. Comsol MultiPhysics, User’s GUIDE
3. http://matlab. exponenta. ru/
4. http://matlab. exponenta. ru/forum/viewforum. php? f=4
5. http://orloff. am. tpu. ru/matlab/index. htm
6. http://e-le. lcg. tpu. ru/public/FEM_0911/index. html
3. Материально - техническое обеспечение дисциплины
Для выполнения самостоятельной работы студентам кафедрой ПМ предоставляется 4 компьютерных класса (ауд. 102 – 105 корпуса ИК). В классах установлены:
· 18 ПК типа CPU Intel Quad Core i5-750 BOX, 2,8 GHz / Видеокарта PCI-E Palit GeForce GTX MB, мониторы LCD 24" BENQ, ОС – Windows 7;
· 11 ПК Intel Pentium D Dual Core 2,66 GHz, мониторы LCD 17" LG, ОС – Windows XP ;
· 8 ПК Intel Pentium 4 2,2 GHz, мониторы LCD 17" LG, ОС – Windows XP.
Все ПК с помощью cетевого коммутатора CNet 16 ports объединены в локальную сеть с автоматическим выходом в корпоративную сеть ТПУ и глобальную сеть Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС, с учетом рекомендаций примерной ООП по направлению и профилю подготовки.
Программа одобрена на заседании кафедры ПМ ИК ТПУ
(протокол от « 30» августа 2014 г.).
Автор – доцент кафедры прикладной математики .
Рецензент – профессор кафедры прикладной математики .
