МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайская государственная академия образования имени »
(ФГБОУ ВПО «АГАО»)
Физико-математический факультет
Кафедра физики и информатики
ПРИНЯТО Ученым советом Протокол № 1 от «_29_» августа 2014 г. | УТВЕРЖДАЮ Проректор ______________ «30» августа 2014 г. |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Б2.В. ДВ.2.2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование
Профиль подготовки Физика и Информатика
Квалификация (степень) выпускника Бакалавр
Форма обучения очная
Составитель: д. пед. н., доцент,
______________
Бийск 2014
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 44.03.05 «Педагогическое образование» (утвержден 17 января 2011 г. № 46) и учебного плана по направлению подготовки 44.03.05 «Педагогическое образование» (профиль «Физика и Информатика»), утвержденного Ученым советом ФГБОУ ВПО «АГАО» (от 15.04.2014 г., протокол № 10).
Распределение по семестрам
Номер семе-стра | Учебные занятия | Число курсовых проектов (работ), расчетных заданий | Форма итоговой аттестации (зачет, экзамен) | ||||||
Об-щий объем | В том числе | ||||||||
Аудиторные | Самостоя-тельная работа | ||||||||
Все-го | Из них | ||||||||
Лекции | Практи-ческие | Лабора-торые | Консуль-тации | ||||||
7 | 72 / 2 | 36 | 10 | 26 | - | - | 36 | - | зачет |
Программа обсуждена на заседании кафедры физики и информатики
Протокол № 1 от 29 августа 2014 г.
Заведующая кафедрой _____________________
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель обучения дисциплине состоит в овладении студентами понятийным аппаратом метода моделирования, в овладении умениями создавать и исследовать компьютерные модели различных видов, применять модели для изучения физических явлений.
Задачи обучения дисциплине
· Углубление знаний студентов о методе моделирования, полученных в средней школе, в том числе, о существенных признаках данного метода, о его месте в системе методов науки, о функциях (назначении), о видах моделей.
· Овладение умениями по проектированию, программной реализации компьютерных моделей, их последующему применению для решения познавательных и практических задач в предметной области физики.
· Овладение элементами исследовательской деятельности.
· Развитие познавательных интересов, интеллектуальных и познавательных способностей, коммуникативных качеств, рефлексии студентов на основе овладения методами моделирования, модельного эксперимента и связанными с ними научно-познавательными методами.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина «Компьютерное моделирование физических явлений» относится к курсам по выбору математического и естественнонаучного цикла (Б.2.В. ДВ.2.2), изучается в 7 семестре, форма итогового контроля знаний - зачет.
Для освоения дисциплины «Компьютерное моделирование физических явлений» используются знания и умения, сформированные в процессе изучения предметов «Введение в общую физику», «Общая и экспериментальная физика», «Основы теоретической физики», «Математический анализ и дифференциальные уравнения», «Алгебра и геометрия».
Освоение данной дисциплины является необходимой основой для формирования компетенций в ходе последующего изучения дисциплин по выбору профессионального цикла «Практикум по решению учебных физических задач на компьютере», «Практикум по моделированию электронных систем», «Компьютерное моделирование».
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- готов использовать основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, готовностью работать с компьютером как средством управления информацией (ОК-8);
- владеет навыками организации и постановки физического эксперимента (лабораторного, демонстрационного, компьютерного) (СК-2).
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
- понятие модели, моделирования, модельного эксперимента;
- виды моделей (материальные, материализованные, идеальные, математические, имитационные, стохастические и пр.);
- место и значение моделирования в системе методов науки;
- взаимосвязь моделирования с натурным экспериментом, системным подходом и другими общенаучными методами;
- инструментальные программные средства для моделирования, приемы моделирования, лежащие в их основе математические методы;
- состав и последовательность действий (обобщенный план деятельности) по постановке модельного эксперимента;
- примеры компьютерных физических моделей.
В результате изучения дисциплины студент должен знать уметь проектировать модели, реализовывать их в различных программных средах, применять для решения познавательных и практических задач, оценивать точность и достоверность получаемых на моделях количественных результатов.
В результате изучения дисциплины студент должен владеть методом компьютерного моделирования физических явлений.
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр |
5 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 36 | 36 |
В том числе: | ||
Лекции | 10 | 10 |
Практические занятия | 26 | 26 |
Самостоятельная работа (всего) | 36 | 36 |
В том числе: | ||
Подготовка к защите практических работ | 18 | 18 |
Изучение теоретического материала | 18 | 18 |
Вид итоговой аттестации: | зачет | |
Общая трудоемкость часы зачетные единицы | 72 | 72 |
2 | 2 |
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
ЛЕКЦИИ | ||
1 | Понятие модели и моделирования. Виды моделей. | 1. Сравнительный анализ содержания понятия «модель» по различным литературным источникам. Классификация моделей по различным основаниям (модели предметные и информационные, материальные, материализованные, идеальные, численные и имитационные, жестко детерминированные и стохастические, образные и знаковые, статические и динамические). Математические модели. Преобразование предмета задачи в ходе ее решения. Компьютерное моделирование. |
2 | Место методов моделирования и модельного эксперимента в системе методов науки. Значение (функции) модельного эксперимента. Обобщенный план действий по постановке модельного эксперимента. | 2. Понятие метода и методологии. Многоуровневая модель строения методологического знания. Характеристика методов философского, общенаучного и частнопредметного уровней методологии науки. Моделирование как общенаучный метод, его связь с однопорядковыми методами. Взаимосвязь моделирования с натурным экспериментом. Двухуровневая модель строения методов науки. Эвристическая и критериальная функции модельного эксперимента. Функция раскрытия сущности явлений. Структура деятельности по выполнению натурного и модельного эксперимента. |
3 | Модели, предполагающие составление и решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Моделирование баллистических траекторий. | 3. Численное решение дифференциальных уравнений методом Эйлера. Модели одно - и двумерного движения тела в вязкой среде. Моделирование колебаний. |
4 | Натурно-вычислительный эксперимент и регрессионные модели. Метод обезразмеривания в компьютерном моделировании | 4. Возможности и преимущества натурно-вычислительного эксперимента. Регрессионные модели. Сущность метода наименьших квадратов. Функциональные масштабы. Приведение функций к линейному виду. Проверка адекватности математической модели, используемой в натурном эксперименте. Сущность метода обезразмеривания. Исследование затухающих колебаний. |
5 | Моделирование периодических процессов с разложением функций в ряд Фурье Стохастическое моделирование. | 5. Сущность метода гармонического анализа функций. Примеры моделирования сигналов с разложением в ряд Фурье. Понятийный аппарат стохастического моделирования. Распределение Бернулли. Нормальное (гауссово) распределение. Вычисление интегралов методом Монте-Карло. Вычисление числа p методом Монте-Карло. Моделирование распределения молекул газа по проекциям скоростей. Моделирование явления радиоактивного распада. |
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ | ||
3 | Модели, предполагающие составление и решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Моделирование баллистических траекторий. | 1-3. Моделирование одно - и двумерного движения тел в вязкой среде. |
4 | Натурно-вычислительный эксперимент и регрессионные модели. Метод обезразмеривания в компьютерном моделировании | 4-7. Исследование движения стального шарика в жидкости. Построение и исследование регрессионной модели скатывания цилиндра по наклонной плоскости. Моделирование свободных и затухающих колебаний. |
5 | Моделирование периодических процессов с разложением функций в ряд Фурье Стохастическое моделирование. | 8-13. Моделирование пилообразного, прямоугольного и других сигналов с разложением в ряд Фурье. Вычисление интегралов методом Монте-Карло. Вычисление числа p методом Монте-Карло. Моделирование распределения молекул газа в сосуде. Моделирование распределения молекул газа по проекциям скоростей. Моделирование явления радиоактивного распада. |
5.2. Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц. | Практ. зан. | Лаб. зан. | СРС | ИФО (час.) | Всего |
1 | Понятие модели и моделирования. Виды моделей. | 2 | 4 | 6 | |||
2 | Место методов моделирования и модельного эксперимента в системе методов науки. Значение (функции) модельного эксперимента. Обобщенный план действий по постановке модельного эксперимента. | 2 | 4 | 6 | |||
3 | Модели, предполагающие составление и решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Моделирование баллистических траекторий. | 2 | 6 | 8 | Обсуждение плана выполнения эксперимента и результатов моделирования (2 ч.) | 16 | |
4 | Натурно-вычислительный эксперимент и регрессионные модели. Метод обезразмеривания в компьютерном моделировании | 2 | 8 | 10 | Обсуждение плана выполнения эксперимента и результатов моделирования (2 ч.) | 20 | |
5 | Моделирование периодических процессов с разложением функций в ряд Фурье Стохастическое моделирование. | 2 | 12 | 10 | Обсуждение плана выполнения эксперимента и результатов моделирования (4 ч.) | 24 | |
ВСЕГО: | 10 | 26 | 36 | 8 | 72 | ||
В том числе в интерактивной форме | 8 | 8 | 8 |
6. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
не предусмотрен
7. ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ (РАБОТ)
не предусмотрены
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
а) основная литература
1. Могилев, [Текст] / , , . - 4-е изд., стреотип. – М.: Академия, 2007. – 848 c.
2. , , Хённер по информатике: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений; под ред. . – М.: Академия, 2005. – 608 с.
3. Информатика. Базовый курс / Под ред. . 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 640 с.
4. Старовиков в экспериментальную физику: Учебное пособие. – СПб: Издательство «Лань», 2008. – 240с.
б) дополнительная литература
5. Бурсиан Э. В. Задачи по физике для компьютера. — М.: Просвещение, 1991. — 256 с.
6. Информатика. Задачник-практикум в 2-х ч. /Под. ред. , . - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
7. Кохановский В. П. Философия для аспирантов: Учебное пособие / В. П. Кохановский, Е. В. Золотухина, Т. Г. Лешкевич, Т. Б. Фатхи. —Ростов н/Д: Феникс, 2003. — 448 с.
1. Работа на компьютерах проводится с использованием лицензионных версий операционной системы Microsoft Windows XP Prof.
2. Для работы в библиотеке используется общевузовское лицензионное программное обеспечение – «Ирбис-64», в составе которого входят АРМ «Каталогизатор», АРМ «Читатель», АРМ «Администратор», АРМ «Комплектатор», Web-Ирбис (CZ39.50),
3. Результаты практических работ и другие документы оформляются студентами с использованием лицензионного программного обеспечения Microsoft Office 2010.
4. Для компьютерного контроля и диагностики студентов используются лицензионные программы АУП (Шахты): комплекс «Электронные ведомости», комплекс «Визуальная студия тестирования» (VisualTestingStudio). Программный комплекс «Анализатор» (результаты тестирования) «Камертон» при серверной поддержке SQL Server Developer Edition 2005 Win32.
5. Компьютерные сети и программы защищены лицензионным программным обеспечением Kaspersky Anti-Virus 6.0.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:
1. http://www. edu. ru/ – портал «Российское образование».
2. http://www. alleng. ru/edu – образовательные ресурсы Интернета – информатика.
д) перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине
1. Организация самостоятельной работы студентов в учреждении высшего образования [Текст]: методические рекомендации / Сост. , ; Алтайская гос. Академия обр-я им. . – Бийск: ФГБОУ ВПО «АГАО», 204 . – 84 с.
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
№ п/п | Наименование | Кол-во |
Лаборатория «2-1» | ||
1 | Видеопроектор, компьютер, экран | 1 |
2 | Персональные компьютеры | 7 |
3 | Сетевой сервер | 1 |
Аудитория «2-20» | ||
1 | Мультимедийный проектор, компьютер, экран | 1 |
Аудитория «2-4» | 1 | |
1 | Мультимедийный проектор, компьютер, экран, интерактивная доска | |
Аудитория «2-5» | ||
1 | Мультимедийный проектор, ноутбук, видеомагнитофон, телевизор, видеокамера, медиатека, видеотека. | 1 |
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
10.1. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
для преподавателей
В настоящей программе указана тематика и содержание лекционных занятий и список практических работ (см. п. 5).
За основу при конструировании содержания теоретического материала выбраны литературные источники [1-4].
Для лабораторных занятий отобрано несколько большее количество заданий, чем можно выполнить в пределах выделенного учебного времени (аудиторного и внеаудиторного). Это позволяет выбирать для работы те задания, которые в большей мере соответствуют уровню подготовки студентов.
При проведении практикума работы, как правило, выполняются фронтально. При этом способ построения модели демонстрируется с помощью мультимедийного проектора. Часть работы по построению и исследованию моделей студенты выполняют самостоятельно (в микрогруппах), в том числе, за пределами аудиторных занятий. Зачет по каждой работе выставляется после обсуждения результатов моделирования и ответов студентов на вопросы преподавателя.
Промежуточный контроль знаний осуществляется в соответствии с п.11. В течение семестра подсчитывается рейтинг каждого студента согласно критериям, приведенных в п.12.
Зачет проставляется на основании количества баллов, набранных по рейтингу, как описано в п.12.
10.2. Методические рекомендации для студентов
Стандарты высшего профессионального образования предписывают половину и более общей трудоемкости дисциплины отводить на самостоятельную (внеаудиторную) работу студента. В настоящей учебной программе предусмотрены следующие виды самостоятельной работы студентов.
1. Самостоятельная работа с лекционным материалом, подготовка докладов.
2. Выполнение групповых и индивидуальных домашних заданий, подготовка отчетов о их выполнении.
Самостоятельная работа с лекционным материалом должна осуществляться с использованием конспектов лекций, а также с использованием основной и дополнительной литературы, приведенной в п.8. Учебные пособия, приведенные в списке основной литературы, имеются в достаточном количестве в библиотеке АГАО. Кроме того, пособие «Введение в экспериментальную физику» в электронном виде выставлено на сайте АГАО www. fmf. bigpi. biysk. ru.
Рейтинговая система оценки знаний (п.12) стимулирует студента к систематической работе в течение всего семестра. В том случае, если студент набирает необходимое число баллов (не менее 60 % от максимально возможных), он может быть освобожден от сдачи зачета. В противном случае он сдает зачет по прилагаемому списку вопросов.
11. Оценочные средства для текущего контроля
Вопросы к зачету
1. Понятие модели (, Угринович, Н. Д., , ) и модельного эксперимента. Множественность моделей.
2. Дихотомическое деление понятия «модель» на материальные и идеальные. Модели образные (иконические) и знаковые (символические). Деление моделей на материальные, материализованные, идеальные.
3. Виды моделей: предметные и информационные, материальные и абстрактные.
4. Виды моделей, определяемые по цели моделирования, по принадлежности объектов моделирования той или иной предметной области, по характеру отражаемых моделью свойств оригинала, по наличию в составе модели параметра времени, по наличию в составе модели случайных величин.
5. Математические модели. Преобразование предмета задачи в ходе ее решения.
6. Особенности компьютерного моделирования.
7. Понятие метода и методологии. Многоуровневая модель строения методологического знания. Характеристика моделирования как общенаучного метода.
8. Существенные признаки модельного эксперимента (в сопоставлении с натурным).
9. Структура деятельности по выполнению модельного эксперимента (в сопоставлении с натурным).
10. Значение (функции) модельного эксперимента в научном познании (в сопоставлении с натурным).
11. Метод обезразмеривания в компьютерном моделировании, его достоинства и ограничения.
12. Модели линейного регрессионного анализа. Метод наименьших квадратов.
13. Функциональные масштабы. Приведение функций к линейному виду. Оценка статистической неопределенности параметров линейной аппроксимирующей функции.
14. Моделирование периодических функций с помощью ряда Фурье.
15. Моделирование двумерного движения тела в вязкой среде.
Критерии оценки устного ответа
1. Соответствие ответа формулировке вопроса. Содержательность, глубина и полнота ответа. Достоверность излагаемого материала (0-40 баллов).
2. Аргументированность, логичность (0-30 баллов).
3. Достаточный научно-теоретический уровень ответа (0-30 баллов).
Уровни сформированности компетенции в рамках дисциплины
Уровень сформированности компетенции СК-2. | Основные признаки уровня |
пороговый | ответ в основном правильный, но схематичный, обнаруживающий лишь умение поверхностно и с отклонениями от последовательности изложения раскрыть материал; научно-теоретический уровень ответа не достаточен; нет обобщений и выводов в полном объеме, имеются существенные ошибки в формулировке определений. |
базовый | ответ, обнаруживает хорошее знание и понимание материала, умение излагать свои мысли последовательно и грамотно. В ответе может быть недостаточно полно развернута аргументация, возможны отдельные затруднения в формулировке выводов, иллюстративный материал может быть представлен недостаточно, приводимые примеры не точные, отдельные ошибки в формулировке понятий |
повышенный | Ответ исчерпывающий, точный, проявлено умение пользоваться материалом текстов по предмету для аргументации и самостоятельных выводов, свободное владение соответствующей терминологией, навыками анализа, умение излагать свои мысли последовательно с необходимыми обобщениями и выводами, используя термины. |
12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ
Наименование дисциплины/курса | Уровень/ступень образования (бакалавриат, магистратура) | Статус дисциплины в рабочем учебном плане | Количество зачетных единиц/кредитов |
«Компьютерное моделирование физических явлений» 4 курс (7 семестр) | 44.03.05 Педагогическое образование, профиль «Физика и Информатика», бакалавриат | Курс по выбору математического и естественнонаучного цикла, шифр Б2.В. ДВ.2.2 | 2 зачетных единицы (общая трудоемкость: 72 часа; аудиторных 26 часов, из них лекций – 10, лабораторных работ – 26; самостоятельная работа студентов – 36) |
Смежные дисциплины по учебному плану | |||
Предшествующие: «Введение в общую физику», «Общая и экспериментальная физика», «Основы теоретической физики», «Алгебра и геометрия», «Математический анализ и дифференциальные уравнения». | |||
Последующие: «Практикум по решению учебных физических задач на компьютере», «Практикум по моделированию электронных систем», «Компьютерное моделирование». | |||
Вид промежуточной аттестации: зачет |
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА КУРСА
5 СЕМЕСТР
ОСНОВНОЙ МОДУЛЬ (2 з. е.= 72 ч: лекции – 10 ч., практ. – 26 ч, самост. работа – 36 ч.) | 80 % | ||
Проектируемый результат Формирование компетенций: - готов использовать основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, готовностью работать с компьютером как средством управления информацией (ОК-8); - владеет навыками организации и постановки физического эксперимента (лабораторного, демонстрационного, компьютерного) (СК-2). В результате изучения дисциплины студент должен знать: - понятие модели, моделирования, модельного эксперимента; - виды моделей (материальные, материализованные, идеальные, математические, имитационные, стохастические и пр.); - место и значение моделирования в системе методов науки; - взаимосвязь моделирования с натурным экспериментом, системным подходом и другими общенаучными методами; - инструментальные программные средства для моделирования, приемы моделирования, лежащие в их основе математические методы; - состав и последовательность действий (обобщенный план деятельности) по постановке модельного эксперимента; - примеры компьютерных физических моделей. В результате изучения дисциплины студент должен знать уметь проектировать модели, реализовывать их в различных программных средах, применять для решения познавательных и практических задач, оценивать точность и достоверность получаемых на моделях количественных результатов. В результате изучения дисциплины студент должен владеть методом компьютерного моделирования физических явлений. | |||
Контрольная точка 1 ( до ____5. 04 ________) (1 з. е.= 36 ч: лекции – 6 ч., практ. –12 ч, самост. работа – 18 ч.) | Весовой коэффициент 40 % | ||
Формирование компетенций ( СК-2) и знаний, умений и навыков | Форма контроля | ||
1 | Знание теоретического матерала | Устный опрос | 30 % |
3 | Умение моделировать | Выполнение и сдача практических работ | 70 % |
Контрольная точка 2 ( до ____25. 6 ________) (1 з. е.= 36 ч: лекции – 4 ч., лаб. – 14 ч, самост. работа – 18 ч.) | Весовой коэффициент 40 % | ||
Формирование компетенций (ОК-8, СК-2) и знаний, умений и навыков | Форма контроля | ||
1 | Знание теоретического матерала | Устный опрос | 30 % |
3 | Умение моделировать | Выполнение и сдача лабораторных работ | 70 % |
Итоговый % за 1 контрольную точку. На положительную оценку min 60%, max 100% | |||
Итоговый % за 2 контрольную точку На положительную оценку min 60%, max 100% | |||
Надбавка (активность на лекционных и лабораторных занятиях) | 10 % | ||
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ | |||
Зачет | 10 % | ||
Итого | 100 % | ||
Рейтинг | |||
Оценка по рейтингу |
Каждый вид работы (или контрольная точка) оценивается по 100-балльной шкале.
100-балльная система оценивания переводится в 5-ти балльную шкалу в соответствии с «Положением о рейтинговом оценивании студентов».
ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ В ПРОГРАММЕ
Дата, номер протокола заседания кафедры | Внесенные изменения | ФИО преподавателя и/или заведующего кафедрой | Подпись |
