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 № 6 от «16» января 2015 г. | УТВЕРЖДАЮ Проректор ______________ «22» января 2015 г. |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Б3.В. ДВ.25.1 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Направление подготовки 050100 Педагогическое образование
Профиль подготовки Физика и Информатика
Квалификация (степень) выпускника Бакалавр
Форма обучения очная
Составитель: д. пед. н., доцент,
______________
Бийск 2015
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 050100.62 «Педагогическое образование» (утвержден 17 января 2011 г. № 46) и учебного плана по направлению подготовки 050100.62 «Педагогическое образование» (профили подготовки «Физика и Информатика»), утвержденного Ученым советом ФГБОУ ВПО «АГАО» (от 13 января 2015 г., протокол № 6).
Распределение по семестрам
Номер семестра | Учебные занятия | Число курсовых проектов (работ), расчетных заданий | Форма итоговой аттестации (зачет, экзамен) | |||||
Общий объем / З. Е. | В том числе | |||||||
Аудиторные | Самостоя-тельная работа | |||||||
Всего | Из них | |||||||
Лекции | Практ. | Лабор. работы | ||||||
10 | 108 /3 | 40 | 16 | 12 | 12 | 41 | - | экзамен |
Всего | 108 /3 | 40 /1,1 | 16 | 12 | 12 | 41 /1,2 | - | Экзамен 27 ч. /0,7 |
Программа обсуждена на заседании кафедры физики и информатики
Протокол № 5 от «15» января 2015 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 в практической и познавательной деятельности.
Задачи обучения дисциплине
· Углубление знаний студентов о методе моделирования, 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.
· 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» относится к вариативной части в блоке дисциплин по выбору (Б3.В. ДВ.25.1), изучается в 10 семестре, форма промежуточного контроля - экзамен.
Для освоения дисциплины «Компьютерное моделирование» используются знания и умения, сформированные в процессе изучения предметов «Алгебра», «Геометрия», «Математический анализ», «Дифференциальные уравнения».
Освоение данной дисциплины является необходимой основой для изучения дисциплины «Подготовка школьников к олимпиадам по информатике».
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих специальных компетенций:
- владеет современными формализованными математическими, информационно-логическими и логико-семантическими моделями и методами представления, сбора и обработки информации (СК-4);
- способен реализовывать аналитические и технологические решении в области программного обеспечения и компьютерной обработки информации (СК-5).
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 моделей.
В результате изучения дисциплины студент должен 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.
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр |
10 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 40 | 40 |
В том числе: | ||
Лекции (Л) | 16 | 12 |
Лабораторные работы (ЛР) | 12 | 12 |
Практические занятия | 12 | 12 |
Консультации | ||
Самостоятельная работа (всего) | 41 | 41 |
В том числе: | ||
Подготовка к защите лабораторных работ | 20 | 20 |
Изучение теоретического материала | 21 | 21 |
Вид итоговой аттестации: экзамен | 27 | 27 |
Общая трудоемкость часы зачетные единицы | 108 | 108 |
3 | 3 |
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
ЛЕКЦИИ | ||
1 | Понятие модели и моделирования. Виды моделей. | 1. Понятие модели и моделирования. Виды моделей. 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. | 2. Место методов моделирования и модельного эксперимента в системе методов науки. 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. |
3 | Значение (функции) модельного эксперимента. Обобщенный план действий по постановке модельного эксперимента. | 3. Значение (функции) модельного эксперимента. Обобщенный план действий по постановке модельного эксперимента. 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. |
4 | Модели, предполагающие составление и решение обыкновенных дифференциальных уравнений. | 4. Модели, предполагающие составление и решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Моделирование баллистических траекторий. Численное решение дифференциальных уравнений методом Эйлера. Модели одно - и двумерного движения тела в вязкой среде. Моделирование колебаний. |
5 | Натурно-вычислительный эксперимент и регрессионные модели. | 5. Натурно-вычислительный эксперимент и регрессионные модели. 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. Моделирование периодических процессов с разложением функций в ряд Фурье. Сущность метода гармонического анализа функций. Примеры моделирования сигналов с разложением в ряд Фурье. |
6 | Стохастическое моделирование. | 6. Стохастическое моделирование. Понятийный аппарат стохастического моделирования. Распределение Бернулли. Распределение Пуассона. 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. |
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 | Демонстрация (2 ч.) | 6 | ||
2 | Место методов моделирования и модельного эксперимента в системе методов науки. | 2 | 4 | 6 | |||
3 | Значение (функции) модельного эксперимента. Обобщенный план действий по постановке модельного эксперимента | 2 | 4 | Демонстрация (2 ч.) | 6 | ||
4 | Модели, предполагающие составление и решение обыкновенных дифференциальных уравнений. | 2 | 4 | 4 | 10 | Обсуждение плана построения и исследования моделей (12 ч.) | 20 |
5 | Натурно-вычислительный эксперимент и регрессионные модели | 4 | 4 | 4 | 10 | Обсуждение плана построения и исследования моделей (12 ч.) | 22 |
6 | Стохастическое моделирование | 4 | 4 | 4 | 9 | Обсуждение плана построения и исследования моделей (12 ч.) | 21 |
7 | Контроль (экзамен) | 27 | |||||
ВСЕГО: | 16 | 12 | 12 | 68 | 28 | 108 | |
В том числе в интерактивной форме | 10 | 12 | 28 | 28 |
6. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание лабораторных занятий |
4 | Модели, предполагающие составление и решение обыкновенных дифференциальных уравнений. | Моделирование одно - и двумерного движения тел в вязкой среде. Моделирование колебаний. |
5 | Натурно-вычислительный эксперимент и регрессионные модели. | Исследование движения стального шарика в жидкости. Моделирование пилообразного, прямоугольного и других сигналов с разложением в ряд Фурье. |
6 | Стохастическое моделирование. | Моделирование распределения молекул газа в сосуде. Моделирование распределения молекул газа по проекциям скоростей. Вычисление интегралов методом Монте-Карло. Моделирование явления радиоактивного распада. |
7. ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ (РАБОТ)
Курсовой проект (работа) учебным планом не предусмотрен.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
а) основная литература
1. Очков, В. Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров: русская версия [Текст] / . – СПб. : БХВ-Петербург, 2009, 512 с. (Электронная библиотечная система ibooks).
2. Могилев, [Текст] / , , . - 4-е изд., стреотип. – М.: Академия, 2007. – 848 c.
3. , , Хённер по информатике: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений; под ред. . – М.: Академия, 2005. – 608 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. 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.
7. , Севодина в системе MathCAD: Учебно-методическое пособие. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2002. – 63 с.
в) программное обеспечение:
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 лабораторных 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. , . – Бийск: ФГБОУ ВПО «АГАО», 2014 . – 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 | Установки для постановки учебного физического эксперимента | 20 |
4 | Компьютерные программы для постановки имитационного эксперимента | 10 |
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. | 10 |
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 и практическихзанятий (п. 5).
За основу при конструировании содержания теоретического материала выбраны литературные источники [1-4].
Для практических 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.
Итоговый 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 65 % 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 экзамену
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.
16. Стохастическое моделирование. Примеры.
Критерии оценки устного ответа
1. Соответствие ответа формулировке вопроса. Содержательность, глубина и полнота ответа. Достоверность излагаемого материала (0-30 баллов).
2. Аргументированность, логичность (0-10 баллов).
3. Достаточный научно-теоретический уровень ответа (0-10 балла).
Уровни сформированности компетенций рамках дисциплины
Уровень СК-8,9,10 | 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» 5 курс (10 семестр) | 050100.62. Педагогическое образование, профили «Физика и информатика», бакалавриат | Обязательная дисциплина в профессиональном блоке дисциплин, шифр Б3.В. ДВ.25.1 | 3 зачетных единицы (общая трудоемкость 108 часов; аудиторных 40 часов, из них лекций – 16, практических работ – 12; лабораторных работ – 12; самостоятельная работа студентов – 41 ч, экзамен-27 ч.) |
Смежные дисциплины по учебному плану | |||
Предшествующие: «Алгебра», «Геометрия», «Математический анализ», «Дифференциальные уравнения», «Физика». | |||
Последующие: «Подготовка школьников к олимпиадам по информатике». | |||
Вид промежуточной аттестации: зачет |
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА КУРСА
10 СЕМЕСТР
ОСНОВНОЙ МОДУЛЬ (3 з. е.= 108 ч: лекции – 16 ч., лаб. – 12 ч, пр.-12 ч.; самост. работа – 41 ч, экзамен-27 ч.) | 75% | ||
Проектируемый результат Формирование компетенций - способен использовать математический аппарат, методологию программирования и современные компьютерные технологии для решения практических задач получения, хранения, обработки и передачи информации (СК-4); - владеет современными формализованными математическими, информационно-логическими и логико-семантическими моделями и методами представления, сбора и обработки информации (СК-5). 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 моделей. В результате изучения дисциплины студент должен 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. | |||
Контрольная точка 1 ( до ____1. 11 ________) (1,14 з. е.= 41 ч: лекции – 8 ч., лаб. –6 ч, пр.-6 ч. самост. работа – 21 ч.) | Весовой коэффициент 50 % | ||
Формирование компетенций (СК-4, СК-5) и знаний, умений и навыков | Форма контроля | ||
1 | Знание теоретического матерала | Устный опрос | 30 % |
3 | Умение моделировать | Выполнение и сдача лабораторных работ | 70 % |
Контрольная точка 2 ( до ____28. 12 ________) (1,11 з. е.= 10 ч: лекции – 8 ч., лаб. –6 ч, пр.-6 ч., самост. работа – 20 ч.) | Весовой коэффициент 50 % | ||
Формирование компетенций (СК-4; СК-5 и знаний, умений и навыков | Форма контроля | ||
1 | Знание теоретического матерала | Устный опрос | 30 % |
3 | Умение моделировать | Выполнение и сдача практических работ | 70 % |
Итоговый % за 1 контрольную точку. На положительную оценку min 65%, max 100% | |||
Итоговый % за 2 контрольную точку На положительную оценку min 65%, max 100% | |||
Надбавка (активность на лекционных и лабораторных занятиях) | 10 % | ||
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ | |||
Экзамен | 25 % | ||
Итого | 100 % |
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 |
