Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Уральский государственный педагогический университет»
Институт математики, информатики и информационных технологий
Кафедра информатики, информационных технологий
и методики обучения информатике
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Компьютерное моделирование»
для ОПОП «44.03.01 Педагогическое образование»
(профиль «Информатика»)
Екатеринбург 2016
Рабочая программа по дисциплине «Компьютерное моделирование»
Составитель: , профессор, канд. физ.-мат. наук, УрГПУ
______________________________________(подпись)
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
Рабочая учебная программа обсуждена на заседании кафедры Информатики, информационных технологий и методики обучения информатике УрГПУ
Протокол от 14 января 2016 г. № 6
Зав. кафедрой ИИТ и МОИ _______________
(подпись)
Директор ИМИ и ИТ ________________
(подпись)
1. Пояснительная записка
1.1. Наименование дисциплины
«Компьютерное моделирование»
1.2. Цели и задачи дисциплины
В настоящее время моделирование составляет неотъемлемую часть современной фундаментальной и прикладной науки, причем по важности оно приближается к традиционным экспериментальным и теоретическим методам.
Цель курса – расширить представления студентов о моделировании как методе научного познания, ознакомить с использованием компьютера как средства познания и научно-исследовательской деятельности.
Задачей курса является формирование представлений о типах моделей, о видах моделирования в естественных и технических науках. От студентов требуется не только знание определений тех или иных типов моделей, но и умение приводить соответствующие примеры из разных областей научных исследований. Студент должен уметь формулировать математическую модель, ставить численный эксперимент.
Необходимо отметить, что процесс моделирования требует проведения математических вычислений, которые в подавляющем большинстве случаев являются весьма сложными. Для разработки программ, позволяющих моделировать тот или иной процесс, от обучающихся потребуется не только знание конкретных языков программирования, но и владение методами вычислительной математики. При изучении данного курса представляется целесообразным использовать пакеты прикладных программ для математических и научных расчетов, ориентированных на широкие круги пользователей.
Излагаемый на лекциях теоретический материал закрепляется и отрабатывается в ходе выполнения практических работ, которые должны развить у студента умение:
- строить физическую модель, отражающую наиболее существенные стороны реального объекта или процесса;
- формулировать математическую модель для решения поставленной задачи;
- разрабатывать алгоритм функционирования модели и программу реализации алгоритма на одном из языков программирования;
- анализировать результаты вычислительного эксперимента и влияние параметров модели на эти результаты.
1.3. Место дисциплины в структуре ОПОП
Курс “Компьютерное моделирование” входит в вариативную часть профессионального цикла (Б1.В. ОД.8) и изучается на 3 курсе в 5 семестре.
При реализации данной дисциплины учитываются ее роль и место в общей системе дисциплин предметной подготовки будущего специалиста в области информационных технологий. Так, содержательная линия курса тесно связана с курсом «Языки и технология программирования» в части анализа и проектирования. В этом случае детально рассматривается один из продуктивных, с технологической точки зрения, аспектов моделирования.
Логика построения содержания учебного материала курса, логика его изложения и методика проведения лекционных и лабораторных занятий предусматривает освоение студентами основ математического моделирования с использованием компьютера в предположении, что студенты в достаточной степени владеют математическим аппаратом и основами программирования.
1.4. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоениями образовательной программы
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
способность к моделированию, проектированию и разработке информационных систем педагогического назначения, обеспечению их безопасности, созданию информационной образовательной среды учебного заведения (ПрК-2).
В результате изучения дисциплины студент должен
знать:
· основные характеристики естественнонаучной картины мира, место и роль человека в природе;
· основные способы математической обработки информации;
· основы современных технологий сбора, обработки и представления информации;
· содержание преподаваемого предмета;
· способы совершенствования профессиональных знаний и умений путем использования возможностей информационной среды образовательного учреждения, региона, области, страны.
уметь:
· применять естественнонаучные знания в учебной и профессиональной деятельности;
· использовать современные информационно-коммуникационные технологии (включая пакеты прикладных программ, локальные и глобальные компьютерные сети) для сбора, обработки и анализа информации;
· оценивать программное обеспечение и перспективы его использования с учетом решаемых профессиональных задач;
· создавать модель реального объекта или процесса;
· формулировать математическую модель задачи;
· выбирать оптимальный алгоритм решения;
· анализировать результаты компьютерного эксперимента и корректировать (в случае необходимости) исходные посылки;
владеть:
· основными методами математической обработки информации;
· навыками работы с программными средствами общего и профессионального назначения;
· базовыми программными методами защиты информации при работе с компьютерными системами и организационными мерами и приемами антивирусной защиты;
· основными математическими пакетами и языками программирования.
1.5. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц.
Количество часов на дисциплину — 180, при этом количество аудиторных часов — 92, из них лекций — 46, лабораторных — 46, самостоятельной работы — 88.
Отчетность по окончании курса – экзамен.
1.6. Особенности реализации дисциплины
Дисциплина реализуется на русском языке
2. Учебно-тематическое планирование
1.1. Учебно-тематический план
№ п/п | Наименование темы, раздела | Всего трудоёмкость | Аудиторные часы | Са- мостоятельная | |||
Всего | Лекции | Практика | Лабараторные | мостоятельная раб. | |||
1 | Моделирование как метод познания | 12 | 6 | 6 | - | - | 4 |
2. | Информационные модели | 20 | 12 | 6 | - | 6 | 12 |
3. | Математические модели | 20 | 12 | 6 | - | 6 | 14 |
4. | Технология математического моделирования и ее этапы | 20 | 14 | 6 | - | 8 | 8 |
5. | Моделирование стохастических систем | 30 | 16 | 6 | - | 10 | 14 |
6. | Примеры математических моделей в физике, химии, биологии, экономике, социологии | 24 | 14 | 6 | - | 8 | 12 |
7 | Моделирование сложных объектов | 54 | 16 | 8 | - | 8 | 28 |
ИТОГО: | 180 | 72 | 46 | 46 | 88 |
3. Содержание дисциплины
ТЕМА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ПОЗНАНИЯ
Понятие «модель». Натурные и абстрактные модели. Виды моделирования в естественных и технических науках. Компьютерная модель. Абстрактные модели и их классификация. Вербальные модели.
ТЕМА 2. ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ
Информационные модели. Объекты и их связи. Основные структуры в информационном моделировании. Примеры информационных моделей.
ТЕМА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Понятие «математическая модель». Имитационное моделирование. Модели динамических систем. Инструментальные программные средства для моделирования динамических систем. Модель популяции. Геометрическое моделирование и компьютерная графика. Различные подходы к классификации математических моделей.
ТЕМА 4. ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕЕ ЭТАПЫ.
Определение целей моделирования: определение стуктуры, свойств, законов развития и взаимодействия исследуемого объекта с окружающим миром (понимание); определение оптимальных способов управления объектом при заданных целях и критериях; прогнозирование последствий реализации заданных способов и форм воздействия на объект. Формирование вербальной модели объекта с помощью выделения основных характеристик и воздействий на объект. переход от вербальной формулировки к математической модели. Выбор метода исследования. Разработка алгоритма и отладка программы для ЭВМ. Численный эксперимент, анализ результатов, верификация и эксплуатация модели.
ТЕМА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОХАСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Метод статистических испытаний. Моделирование последовательностей независимых и зависимых случайных испытаний. Общий алгоритм моделирования дискретной случайной величины. Моделирование систем массового обслуживания. Переход детерминированных систем к хаотическому поведению.
ТЕМА 6. ПРИМЕРЫ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ В ХИМИИ, БИОЛОГИИ, ЭКОЛОГИИ, ЭКОНОМИКЕ.
Моделирование экономических процессов. Задачи биологии и экологи. Модели движения механических систем, модели движения электрических зарядов.
ТЕМА 7. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
Нелинейные задачи. Аттракторы. Трудноформализуемые объекты. Взаимодействие власти и общества. Модели массового обслуживания. Задачи теории катастроф.
4. перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по
дисциплине (модулю)
Литература:
1. ,, Хеннер , Учебник для ВУЗов — М.: Издательский центр «Академия», 2007.- 848с.
2. , , Хеннер по информатике. — М.: Издательский центр «Академия», 2005.- 608с
3.Компьютерное моделирование физических систем с использованием пакета MathCAD [Текст] : учеб. пособие для студентов вузов по спец. «Информатика» / . — М. : Горячая-линия - Телеком, 2011. — 320 с. ( 30 экз.)
Примерная тематика лабораторных работ
Построить:
- модель движения материальной точки Аристотеля и Ньютона;
- модель Солнечной системы Птолемея, Коперника, Кеплера;
- простейшую демографическая модель;
- модель многоотраслевой экономики Леонтьева;
- простейшую модель боевого взаимодействия Ланчестера;
- модель процесса распространения эпидемий;
- модель динамики численности биологических популяций;
- модель поведения динамической системы, описываемой разностным логистическим уравнением;
- модель относительных движений в классической механике;
- модель остывания нагретых тел в атмосфере;
- математическую модель процесса загрязнения воды;
- модель колебательных процессов в физике.
Провести моделирование:
- динамики биологической системы «хищник-жертва»;
- динамики биологической системы конкурирующих популяций;
- поведения динамики многочастичной системы;
- процесса исследование статистических свойств генератора случайных чисел пакета Mathcad;
- марковских случайных процессов;
- поведения динамической системы, описываемой уравнениями Колмогорова.
Темы, вынесенные для самостоятельного изучения
1. Вычислить методом Монте-Карло: число 
, площадь круга, значение определенного интеграла функции.
2. С помощью инструментальной системы моделирования построить несложную модель типа «Ахиллес – черепаха» или «пешеходы – муха».
3. Провести имитационную игра типа «взаимоотношения в системе государств».
5. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по дисциплине
«Компьютерное моделирование»
Оценочные средства представляются в виде фонда оценочных средств для промежуточной аттестации обучающихся и для итоговой аттестации.
Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации обучающихся по дисциплине включает в себя:
· перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения образовательной программы;
· описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания;
В результате обучения по дисциплине должны быть сформированы следующие компетенции:
· способность к самоорганизации самообразованию – (ОК-7);
· способность использовать базовые знания естественных наук, математики и информатики, основные факты, концепции, принципы теорий, связанных с фундаментальной информатикой и информационными технологиями – (OПK-1);
· способность к разработке алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программирования, математических, информационных и имитационных моделей, созданию информационных ресурсов глобальных сетей, образовательного контента, прикладных баз данных, тестов и средств тестирования систем и средств на соответствие стандартам и исходным требованиям – (ОПК-3);
Шкала оценивания:
Качество освоения дисциплины | Уровневая шкала | Отметка в 5-балльной шкале | Процентная шкала | Средняя итоговая оценка |
100 - 90% | высокий | «отлично» / «5» | 81-100 % | 4,6-5 |
89 - 66% | повышенный | «хорошо» /«4» | 61-80 % | 3,6-4,5 |
65 - 50% | средний | «удовлетворительно» / «3» | 41-60 % | 2,6-3,5 |
меньше 50% | ниже среднего | «неудовлетворительно» /«2» | 0-40 % | 2-2,5 |
Компетенция | Форма контроля | семестр |
способность к моделированию, проектированию и разработке информационных систем педагогического назначения, обеспечению их безопасности, созданию информационной образовательной среды учебного заведения (ПрК-2). | Экзамен: Лабораторные работы Решение задачи | 5 |
Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующих формирование компетенций представлены в виде тестов, экзаменационных билетов, заданий для выполнения лабораторных работ.
6. Учебно-методическое и ИНФОРМАЦИОННОЕ
обеспечение ДИСЦИПЛИНЫ
6.1. Рекомендуемая литература
Основная
1. Дьяконов, математика [Текст] / –
М.: Нолидж, 201. – 362 с.
2. Введение в математическое моделирование [Текст]: учеб. пособие/ Под. ред. – М.: Интермет Инженеринг, 2000. – 335 с.
3. ,, Хеннер , Учебник для ВУЗов — М.: Издательский центр «Академия», 2007.- 848с.
4. , , Хеннер по информатике. — М.: Издательский центр «Академия», 2005.- 608с.
5. Самарский, А. А., Михайлов, моделирование. Идеи. Методы. Примеры [Текст] / , – М.: Высшая школа, 1990. – 178 с.
6. Лапчик, М. П., Рагулина, М. И., Стукалов, методы [Текст]: учеб. пособие для пед. вузов / , , . – М.: Физматлит, 2001. – 422 с.
7. Экономико-математические методы и прикладные модели [Текст]: учеб. пособие для вузов / Под ред. – М.: ЮНИТИ, 2001. – 379 с.
8. Трушков, процессов движения материальных тел [Текст]: учеб. пособие / . – Коломна: Изд-во ГОУ ВПО МО "КГПИ", 2008. – 67 с.
9. Трушков, решение задач математической физики [Текст]: учеб. пособие / . – Коломна: Изд-во ГОУ ВПО МО "КГПИ", 2008. – 97 с.
10. Трушков, моделирование [Текст]: учеб. пособие / . – Коломна: Изд-во ГОУ ВПО МО "КГПИ", 2008. – 242 с.
Дополнительная
1. омпьютерное моделирование в физике. - М.: Мир, 1990.
2. , Батраков компьютерная графика. - М.: Радио и связь, 1994.
3. , Петров построения моделей. - М.: Фазис, 2000.
4. Котов рисует машина. - М.: Наука, 1988.
5. Моисеев ставит эксперимент. - М.: Наука,1979.
6. Николис Дж. Динамика иерархических систем: эволюционное представление. - М.: Мир, 1989.
7. Павловский модели и системы. - М.: Фазис,2000.
8. Адамс Дж. Математические основы машинной графики. - М.: Машиностроение, 1980.
9. Савин моделирование сложных процессов. - М.: Фазис, 2000.
10. Хеерман компьютерного эксперимента в теоретической физике. - М.: Наука, 1990.
11. митационное моделирование систем – искусство и наука. - М.: Мир, 1978.
12. Форрестер Дж. Мировая динамика. - М.: Наука, 1978.
13. Акулич программирование в примерах и задачах. - М.: Высшая школа,1993.
14. Л. Аммерал. Принципы программирования в машинной графике. - М.: "Сол систем", 1992.
15. Л. Аммерал. Машинная графика на персональных компьютерах. - М.: "Сол систем", 1992.
16. Л. Аммерал. Интерактивная трехмерная машинная графика. - М.: "Сол систем", 1992.
17. атематические методы в медицине. - М.:Мир, 1987.
18. Харпер Дж., кология. Особи, популяции и сообщества.-М.:Мир, 1989.
19. В. Вольтерра. Математическая теория борьбы за существования. - М.: " Наука", 1976.
20. нтерактивная машинная графика. - М.: Мир, 1982.
21. В поисках правильного решения. - М.: Знание, 1970.
22. Гостко с математическим моделированием. - М.: Знание, 1991.
6.2. Информационное обеспечение дисциплины
1. Газета «Информатика http://inf.1september. ru
2. Журнал «e-LearningWorld — Мир электронного обучения» http://www. elw. ru
3. Журнал «Вопросы интернет-образования» http://vio. fio. ru
4. Журнал «Компьютерные инструменты в образовании» http://www. ipo. spb. ru/journal/
5. Информационные технологии в управлении школой: электронный журнал http://inform. direktor. ru
6. Портал ВСЕОБУЧ — все об образовании http://www. edu-all. ru
7. Коллекция «История образования» Российского общеобразовательного портала http://museum. edu. ru
8. Огромная коллекция обучающих видеоуроков по компьютерной графике и программированию. http://www. videoyroki. info/
9. Информатика и информационные технологии: cайт лаборатории информатики МИОО http://iit. metodist. ru/
10. Журнал Компьютер пресс http://press. ru
11. Библиотека учебных курсов Microsoft http://www. /Rus/Msdnaa/Curricula/
12. Виртуальный компьютерный музей http://puter-museum. ru
13. Газета «Информатика» Издательского дома «Первое сентября» http://inf.1september. ru
14. Дидактические материалы по информатике и математике http://comp-science. narod. ru
15. Интернет-университет информационных технологий (ИНТУИТ. ру) http://www. intuit. ru
16. Информатика в школе: сайт http://marklv. narod. ru/inf/
17. Информатика в школе: сайт http://infoschool. narod. ru
18. Информатика для учителей: сайт http://www. syrtsovasv. narod. ru
19. Информатика и информация: сайт для учителей информатики и учеников http://www. phis. org. ru/informatika/
20. Информатор: учебно-познавательный сайт по информационным технологиям http://school87.kubannet. ru/info/
21. История Интернета в России http://history. ru
22. Компьютерные телекоммуникации: курс учителя информатики http://distant.463.jscc. ru
23. Теоретический минимум по информатике http://teormin. ifmo. ru
24. Энциклопедия персонального компьютера http://mega. km. ru/pc/
25. Изучаем алгоритмизацию http://inform-school. narod. ru
26. HTML-справочник http://html. manual. ru
27. VisualBasic для детей http://www. vbkids. narod. ru
6.3. Печатные и (или) электронные ресурсы для лиц с ОВЗ
В процессе освоения дисциплины обучающимися с ограниченными возможностями здоровья используется специальное техническое и программное обеспечение, а также электронные образовательные ресурсы.
Оборудование:
· два компьютера с тактильным дисплеем Брайля PAC Mate 20, большой программируемой клавиатурой IntelliKeys USB
· универсальный мобильный лестничный подъемник «ПУМА-УНИ-130»
Программное обеспечение:
· программа экранного доступа JAWS for Windows версия 16.0. Pro;
· программа синтеза речи “Infovox 4”.
Электронные ресурсы:
· лекции в виде презентаций по всем темам курса (входят в состав электронного УМК по дисциплине).
7. Материально-техническое и дидактическое
обеспечение дисциплины
При изучении данной дисциплины используется специализированный класс персональных компьютеров (Pentium), оснащенный специализированным программным обеспечением, включая математические пакеты. Видиопроектор. Доступ к интернетресурсам.
8. СВЕДЕНИЯ ОБ авторЕ программы
Фамилия Имя Отчество – ПОДЧИНЕНОВ ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ
учёная степень – кандидат физико-математических наук
учёное звание – нет
должность и место работы – профессор кафедры информатики, вычислительной техники и методики обучения информатике УрГПУ
рабочий и домашний телефон – рабочий 371-10-95
