МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт химии
Кафедра органической и экологической химии
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов
направления 04.06.01 Химические науки (Аналитическая химия)
очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2014
Математические методы в аналитической химии. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов направления 04.06.01 Химические науки (Аналитическая химия) очная и заочная формы обучения. Тюмень, 2014, 11 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом рекомендаций и ОПОП ВО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа опубликована на сайте ТюмГУ: Математические методы в аналитической химии [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. umk3здгы. utmn. ru, свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой органической и экологической химии. Утверждено проректором по научной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: , д-р пед. наук, проф., и. о. зав. кафедрой органической и экологической химии.
© Тюменский государственный университет, 2014.
© , 2014.
1. Пояснительная записка
1.1. Цели и задачи дисциплины (модуля)
Цель дисциплины: освоение математических методов, применяющихся в аналитической химии и необходимых для эффективного освоения основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура) по направлению 04.06.01 Химические науки (Аналитическая химия) и подготовки кандидатской диссертации.
Задачи дисциплины: освоение аспирантами следующих вопросов:
• математические модели, их типы и структура;
• математическое моделирование в современной аналитической химии.
1.2. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Курс «Математические методы в аналитической химии» относятся к обязательным дисциплинам вариативной части блока Б1 учебного плана.
Освоение дисциплины «Математические методы в аналитической химии» необходимо для изучения основной дисциплины «Аналитическая химия» и выполнения диссертационного исследования.
Для успешного освоения данной дисциплины обучающиеся должны владеть теоретическими представлениями в области аналитической химии и математических методов(математический анализ, аналитическая геометрия, теория групп, линейная алгебра).
Таблица 1.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | |||
1 | 2 | 3 | 4 | ||
1. | Аналитическая химия | + | + | + | + |
2. | Итоговая аттестация (подготовка и защита кандидатской диссертации) | + | + | + | + |
1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной образовательной программы.
В результате освоения ОП выпускник должен обладать следующими компетенциями:
• способностью к самостоятельному проведению научно-исследовательской работы и получению научных результатов, удовлетворяющих установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по направленности (научной специальности) (ПК-1).
1.4. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю):
Знать: теоретические основы методов химического анализа, принципы математического моделирования, основы вычислительных методов в аналитической химии.
Уметь: собирать и анализировать научную, технологическую и статистическую информацию; планировать экспериментальные научные исследования в области аналитической химии, обрабатывать экспериментальные данные, подготавливать к публикации статьи и тезисы докладов.
Владеть: современными методами экспериментальных исследований в области аналитической химии, методами математической статистики и математического моделирования, информационными технологиями, в т. ч. методами работы с компьютером и электронными базами данных.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр — 4. Форма промежуточной аттестации — зачет. Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 академических часов, из них 126 часов, выделенных на самостоятельную работу.
3. Тематический план
Таблица 2.
№ | Тема | Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. | Итого часов по теме | Из них в интерак тивной форме, в часах | Формы контроля | ||
Лекции | Семинарские занятия | Самостоятельная работа | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
1 | Математическое моделирование. Математические структурные модели. | 12 | 6 | 36 | 54 | 8 | Опросы, к/р Доклад на семинаре |
2 | Вычислительные методы в аналитической химии | 12 | 6 | 36 | 54 | 8 | Опросы, к/р Доклад на семинаре |
3 | Компьютерные технологии в аналитической химии | 10 | 8 | 54 | 72 | 8 | Опросы, к/р Доклад на семинаре |
Итого (часов): | 34 | 20 | 126 | 180 | 24 | Зачет | |
Из них в интеракт. форме | 8 | 16 | 24 |
4. Содержание дисциплины.
Тема 1. Математическое моделирование. Математические структурные модели.
Математические модели, их основные типы и разновидности: числа, векторы, тензоры, массивы данных, функциональные зависимости, системы уравнений и др. Методы построения математических моделей, их связь с химическим экспериментом.
Математические структуры и структурные модели. Векторные пространства, их использование для представления химического состава сложных смесей и химических превращений. Группы и их неприводимые представления, их использование в спектроскопии для теоретического анализа спектров.
Тема 2. Вычислительные методы в аналитической химии
Основные типы вычислительных задач в аналитической химии. Устранение шумов и сглаживание данных, фильтры. Вычисление и устранение систематических погрешностей. Интер - и экстраполяция. Аппроксимация точечных данных гладкими кривыми. Линеаризация зависимостей. Определение координат особых точек (перегибы, экстремумы). Численное дифференцирование и интегрирование. Разделение сложной функции на сумму слагаемых известного вида (разделение перекрывающихся пиков в хроматограммах и спектрах). Фурье-спектроскопия.
Прямая (построение кривой титрования по значениям констант равновесия) и обратная (определение констант равновесия по кривой титрования) задачи в титриметрии. Вычисление состава сложных смесей по константам равновесия. Построение кинетических кривых по константам скоростей (численное интегрирование дифференциальных кинетических уравнений и их систем).
Вычисление статистических характеристик.
Задачи математического планирования для оптимизации методик анализа.
Тема 3. Компьютерные технологии в аналитической химии
Компьютерная идентификация химических соединений, использование электронных баз данных. Информационно-поисковые системы (ИПС).
Компьютерное управление аналитическими приборами. Автоматизированные системы управления в контроле окружающей среды.
Лабораторные информационно-управляющие системы (ЛИС) — программные комплексы, направленные на автоматизацию работы аналитической лаборатории. Основные задачи ЛИС: регистрация пробы, ввод результатов анализов, выполнение расчетов, утверждение и хранение результатов, формирование отчетной документации. Сравнительная характеристика ЛИС "Химик-аналитик" и LabWare-LIMS.
5. Планы семинарских занятий.
Тема 1. Математическое моделирование. Математические структурные модели (6 час.).
Математические модели, их основные типы и разновидности: числа, векторы, тензоры, массивы данных, функциональные зависимости, системы уравнений и др.
Математические структуры и структурные модели.
Векторные пространства, их использование для представления химического состава сложных смесей и химических превращений.
Группы и их неприводимые представления, их использование в спектроскопии для теоретического анализа спектров.
Примерные типы контрольных заданий для самостоятельного решения
1. Выбрать адекватную математическую модель для описания заданной ситуации или проблемы.
2. Построить пространство составов для заданной химической системы, выделить симплекс допустимых состояний.
3. Построить атомно-молекулярную матрицу для заданной химической системы.
4. Определить формы стехиометрических траекторий в реакционном подпространстве.
5. Определить правила отбора по симметрии в квантовых переходах для заданной молекулы.
Тема 2. Вычислительные методы в аналитической химии (6 час.).
Основные типы вычислительных задач в аналитической химии.
Интер - и экстраполяция. Аппроксимация точечных данных гладкими кривыми. Линеаризация зависимостей. Определение координат особых точек (перегибы, экстремумы).
Численное дифференцирование и интегрирование. Разделение сложной функции на сумму слагаемых известного вида (разделение перекрывающихся пиков в хроматограммах и спектрах). Фурье-спектроскопия.
Прямая (построение кривой титрования по значениям констант равновесия) и обратная (определение констант равновесия по кривой титрования) задачи в титриметрии.
Вычисление состава сложных смесей по константам равновесия.
Построение кинетических кривых по константам скоростей (численное интегрирование дифференциальных кинетических уравнений и их систем).
Примерные типы контрольных заданий для самостоятельного решения
1. Осуществить аппроксимацию заданного набора экспериментальных точек гладкой кривой.
2. Построить кривую титрования для заданной системы. Определить координаты точки перегиба.
3. Вычислить равновесный состав заданной смеси по значениям констант равновесия.
4. Построить кинетическую кривую по дифференциальному кинетическому уравнению.
Тема 3. Компьютерные технологии в аналитической химии (8 час.).
Компьютерная идентификация химических соединений, использование электронных баз данных. Информационно-поисковые системы (ИПС).
Компьютерное управление аналитическими приборами.
Лабораторные информационно-управляющие системы (ЛИС) — программные комплексы, направленные на автоматизацию работы аналитической лаборатории. Основные задачи ЛИС: регистрация пробы, ввод результатов анализов, выполнение расчетов, утверждение и хранение результатов, формирование отчетной документации. Сравнительная характеристика ЛИС "Химик-аналитик" и LabWare-LIMS.
Примерные типы контрольных заданий для самостоятельного решения
1. Идентифицировать химическое соединение по спектру или хроматограмме с использованием электронных библиотек (баз данных).
2. Охарактеризовать возможности компьютерной системы управления указанным спектрофотометром или хроматографом.
6. Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум).
Лабораторные занятия учебным планом не предусмотрены
7. Учебно-методическое обеспечение и планирование самостоятельной работы аспирантов.
Таблица 3 .
№ | Модули и темы | Виды СРС | Объем часов |
1 | Математическое моделирование. Математические структурные модели. | Работа с литературой, источниками | 36 |
2 | Вычислительные методы в аналитической химии | Работа с литературой, источниками | 36 |
3 | Компьютерные технологии в аналитической химии | Работа с литературой, источниками | 54 |
ИТОГО | 126 |
Виды СРС | Формы контроля СРС |
Работа с учебной и методической литературой, электронными источниками данных (списки рекомендованной литературы в разделе 10) | Проверка и анализ конспектов лекций и учебной литературы Письменные опросы (тесты) и контрольные работы Доклады в виде презентаций на семинарах и интерактивных лекциях |
Подготовка к семинарским занятиям | Обсуждение докладов на семинарах |
Критерии оценки СРС:
1) качество освоения учебного материала (умение студента использовать теоретические знания при выполнении практических задач);
2) проработанность всех аспектов задания, оформление материала в соответствии с требованиями, соблюдение установленных сроков представления работы на проверку;
3) степень самостоятельности, творческой активности, инициативности студентов, наличие элементов новизны в процессе выполнения заданий.
8. Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы.
Примерная тематика контрольных работ и опросов
1. Математические структурные модели, их использование в аналитической химии.
2. Математическая обработка экспериментальных данных в аналитической химии.
3. Вычисление статистических характеристик.
4. Управление режимами работы аналитических приборов.
5. Поиск информации в электронных базах данных.
Перечень контрольных вопросов для зачета
Математические модели, их основные типы и разновидности. Методы построения математических моделей, их связь с химическим экспериментом. Математические структуры и структурные модели. Векторные пространства, их использование для представления химического состава сложных смесей и химических превращений. Группы и их неприводимые представления, их использование в спектроскопии для теоретического анализа спектров. Основные типы вычислительных задач в аналитической химии. Устранение шумов и сглаживание данных, фильтры. Вычисление и устранение систематических погрешностей. Интер - и экстраполяция. Аппроксимация точечных данных гладкими кривыми. Линеаризация зависимостей. Определение координат особых точек (перегибы, экстремумы). Численное дифференцирование и интегрирование. Разделение сложной функции на сумму слагаемых известного вида (разделение перекрывающихся пиков в хроматограммах и спектрах). Фурье-спектроскопия. Вычисление состава сложных смесей по константам равновесия. Построение кинетических кривых по константам скоростей (численное интегрирование дифференциальных кинетических уравнений и их систем). Вычисление статистических характеристик. Компьютерная идентификация химических соединений, использование электронных баз данных. Информационно-поисковые системы (ИПС). Компьютерное управление аналитическими приборами. Автоматизированные системы управления в контроле окружающей среды. Лабораторные информационно-управляющие системы (ЛИС).9. Образовательные технологии.
Виды учебной работы | Образовательные технологии |
Аудиторные занятия | а) Чтение лекций (мультимедийные и видео-демонстрации, письменное тестирование по пройденному материалу (4 теста по 10 вопросов в каждом). б) Проведение семинарских занятий (подготовка сообщений и докладов, углубленное рассмотрение учебного материала, групповое обсуждение и анализ проблем, мультимедийные демонстрации, заслушивание и обсуждение устных докладов, сообщений, выступлений, встречи с преподавателями других дисциплин). в) Интерактивные технологии (групповые дискуссии, разбор конкретных ситуаций). г) Модульно-рейтинговая технология контроля успеваемости. |
Самостоятельная работа | а) Изучение учебной и методической литературы, т. ч. поиск информации в электронных сетях и базах данных, подготовка презентаций. б) Подготовка к контрольным работам в) Подготовка выступлений на интерактивных лекциях |
В лекционном курсе также используются:
• технологии развивающего обучения
• технология знаково-контекстного обучения
На семинарских занятиях используются:
• эвристические технологии обучения
• информационная технологии обучения
10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
10.1 Основная литература:
1. Терещенко, контроль качества результатов анализа с использованием лабораторной информационной системы [Электронный ресурс] / , , . - 2-е изд. (эл.). - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 317 с. - (Методы в химии). - Режим доступа: http://biblioclub. ru/index. php? page=book&id=222702 (дата обращения 01.09.2014)
2. Хохлов, А. Г.. Математические методы и компьютерные технологии в науке и образовании: учебное пособие / ; Тюм. гос. ун-т. - Тюмень : Изд-во ТюмГУ, 2013. - 436 с.
3. Проблемы аналитической химии / гл. ред. . - Москва: Наука. Т. 14: Химические сенсоры / ред. тома . - 2011. - 399 с.
10.2. Дополнительная литература:
1. Вершинин, В. И.. Компьютерная идентификация органических соединений / , , . - Москва : Академкнига, 2002. - 197 с.
2. Проблемы аналитической химии / ред. . - Москва: Наука. Т. 13: Внелабораторный химический анализ / сост. тома . - 2010. - 564 с.
3. Гармаш, А. В.. Метрологические основы аналитической химии. [Электронный ресурс]: учебное пособие / , . – М.: Московский государственный университет, 3 изд. 2012. - 48с. - Режим доступа: 1) www. chem. /rus/teaching/analyt/garmasch. pdf (дата обращения: 01.10.2014), 2) http://anchem. ru/literature/books/chemmetr. pdf
10.3. Интернет – ресурсы и периодические издания:
1. www. chemport. ru
2. www. anchem. ru
3. www. chemsoft. ru
4. www.
5. www. ftchemistry. dsmu. /ana_him/lek_13.html
11. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости).
Работа с Интернетом
Работа с информационным порталом ИБЦ ТюмГУ
12. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).
Лекции и семинары обеспечены мультимедийными презентациями и видеофильмами.
Для чтения лекций необходимо наличие аудиторий, оснащенных мультимедийной техникой (компьютер, проектор и др.).
Для самостоятельной работы аспирантов необходим доступ в компьютерный класс, имеющий выход в Интернет.
13. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины (модуля).
Регулярное чтение выпусков научных обзорных журналов по аналитической химии (Аналитическая химия, Вестник Омского университета, Вестник Томского университета, Вестник ТюмГУ, Известия ВУЗов. Химия и химическая технология, Известия РАН. Серия химическая, Экологическая химия).
Изучение методических материалов по основным курсам «Аналитическая химия» и «Физические методы исследования» по направлению «Химия» и спецпрактикумам по спектроскопии и хроматографии.
Самостоятельная разработка задач по математическому моделированию в аналитической химии.
