Рабочая программа дисциплины Компьютерные технологии в науке и производстве Направление подготовки 011200. 68 Физика Магистерская программа «Физика конденсированного состояния вещества»

Скачать 207.64 Kb.

Название	Рабочая программа дисциплины Компьютерные технологии в науке и производстве Направление подготовки 011200. 68 Физика Магистерская программа «Физика конденсированного состояния вещества»
Дата публикации	29.10.2014
Размер	207.64 Kb.
Тип	Рабочая программа

100-bal.ru > Информатика > Рабочая программа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»

Кафедра теоретической физики

УТВЕРЖДАЮ

Декан физического факультета

_________________Титов Ф.В.

"_____"__________20___ г.

Рабочая программа дисциплины

Компьютерные технологии в науке и производстве

Направление подготовки

011200.68 Физика
Магистерская программа

«Физика конденсированного состояния вещества»
Квалификация (степень) выпускника

Магистр
Форма обучения

очная

Кемерово

2011

2.1 Цели освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины Компьютерные технологии в науке и производстве являются ознакомление студентов с методами компьютерного моделирования, используемые в науке и производстве и обеспечивающих фундаментальные основы современных приложений в различных сферах деятельности.

Задачи дисциплины:

Изучение основных типов лицензий на программное обеспечение;
Изучение основных возможностей операционных систем семейства Windows и GNU Linux важных для компьютерного моделирования электронных свойств;
Изучение областей применения технологии виртуализации;
Изучение алгоритмов первопринципных расчетов реализованных в современных программных продуктах и принципов высокопроизводительных вычислений;
Изучение базовых принципов высокопроизводительных вычислений;
Уметь выполнять компьютерное моделирование электронных свойств твердых тел с использование пакета Quantum ESPRESSO;
Уметь выполнять компьютерное моделирование электронных свойств молекул с использование пакета Firefly;
Формирование представлений об использовании современных программных продуктов для прогнозирования свойств материалов.

2.2 Место дисциплины в структуре ООП магистратуры

Дисциплина Компьютерные технологии в науке и производстве представляет собой базовую часть общенаучного цикла. Магистранты, обучающиеся по данному курсу должны знать основы математического анализа, программирования, общего и теоретического курса физики и иметь практические навыки программирования.

2.3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Компьютерные технологии в науке и производстве»

(ОК-3)

Знать: 1. Типы лицензий на программное обеспечение. 2. Характеристики ОС Linux. 3. Основные приближения реализованные в программном обеспечении позволяющие прогнозировать свойства материалов.
Уметь: 1. Соотносить возможности программного обеспечения и поставленных задач.
Владеть: 1. Навыками работы с современным программным обеспечением позволяющие выполнять расчет свойств материалов. 2. Навыками работы с консолью операционных систем семейства Windows и Linux.

(ПК-5)

Знать: 1. Основы высокопроизводительных вычислений. 2. Преимущества и недостатки метода псевдопотенциала. 3. Интегральные характеристики электронного строения твердых тел. 4. Преимущества различных базисов.
Уметь: 1. Определять точность полученных характеристик. 2. Задавать необходимые параметры для моделирования электронных свойств. 3. Строить карты распределения электронной плотности на плоскости и в пространстве. 4. Вычислять механические свойства материалов. 5. Использовать кристаллографические базы данных представленных в сети Интернет для сопоставления вычисленных данных.
Владеть: 1. Методами обработки полученных данных, а также визуализации результатов работы с применением современного программного обеспечения. 2. Методами определения зарядовых состояний атомов.

2.4. Структура и содержание дисциплины «Компьютерные технологии в науке и производстве»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 11 зачетных единиц 360 часов.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 11 зачетные единиц 360 часов емкости по ГОС, из которых 90 часов – аудиторные занятия и 268 часов – самостоятельная работа; учебное время распределено по двум семестрам – 1-му и 2-му.
2.5. Объём дисциплины и виды учебной работы (в часах)
2.5.1. Объём и виды учебной работы (в часах) по дисциплине в целом

Вид учебной работы	Всего часов
Общая трудоемкость базового модуля дисциплины	360
Аудиторные занятия (всего)	90
В том числе:
Лекции	18
Семинары	72
Самостоятельная работа	268
В том числе:
реферат	10
Индивидуальные работы	258
Вид промежуточного контроля	Зачёт
Вид итогового контроля зачёт	Экзамен

2.5.2. Разделы базового обязательного модуля дисциплины и трудоемкость по видам занятий (в часах)

№ п/п	Раздел Дисциплины	Семестр	Неделя семестра	Общая трудоёмкость (часах)	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)				Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам)
№ п/п	Раздел Дисциплины	Семестр	Неделя семестра	Общая трудоёмкость (часах)	Учебная работа		В.т.ч. активных форм	Самостоятельная работа
				всего	лекции	Практ.	В.т.ч. активных форм	Самостоятельная работа
1	Введение	1	1	16	2	2	2	12	Доклад
2	Основные характеристики ОС Windows и Linux	1	4-11	48	4	10	6	34	Прием практических заданий Собеседование
3	Высокопроизводительные вычисления	1	2-3	22	4	4	4	14	Защита реферата
4	Первопринципные методы расчета	1	12-18	118	8	20	6	90	Прием практических заданий Собеседование
5	Интегральные характеристики электронного строения твердых тел	2	19-25	64	0	14	4	50	Прием практических заданий Собеседование
6	Моделирование свойств молекул	2	26-30	42	0	12	4	30	Прием практических заданий Собеседование
7	Визуализация и представление результатов	2	31-36	48	0	10	4	38	Прием практических заданий Собеседование
	Всего за семестр	2		358	18	72	30	268	зачёт

2.6 Содержание дисциплины
Содержание лекций базового обязательного модуля дисциплины

№	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела дисциплины	Результат обучения, формируемые компетенции
1	Введение	Общая характеристика современных компьютерных технологий. Коммерческие и научные технологии. Сравнительная характеристика. Типы лицензий на программное обеспечение.	ОК –3 Знать:1.
2	Основные характеристики ОС Windows и Linux	Основные характеристики и области применения операционных систем семейства Windows. Основные характеристики и области применения операционных систем семейства Linux.	ОК –3 Знать:2.
3	Высокопроизводительные вычисления	Основы параллельных вычислений. Высокопроизводительные вычисления. Виртуализация приложений. Настройка и работа виртуальной машины. Облачные вычисления. Кластер КемГУ.	ПК –5 Знать:1.
4	Первопринципные методы расчета	Применение численные методов в научных расчетах. Метод Хартри-Фока. Теория функционала плотности. Алгоритмы программной реализации.. Различные виды псевдопотенциалов. Приложения для проведения научных расчетов. Использование компьютерных технологий для создания материалов с заданными свойствами. Использование компьютерных технологий в наноиндустрии.	ОК –3 Знать:3. ПК –5 Знать:2, 3, 4.

Содержание практических занятий базового обязательного модуля дисциплины

№	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела дисциплины	Результат обучения, формируемые компетенции
1	Введение	Общая характеристика современных компьютерных технологий. Коммерческие и научные технологии. Сравнительная характеристика. Характеристика лицензий программного обеспечения установленного в компьютерном классе.	ОК –3 Знать:1. Уметь:1.
2	Высокопроизводительные вычисления	Общая характеристика ОС Linux. Основы параллельных вычислений. Высокопроизводительные вычисления. Виртуализация приложений. Настройка и работа виртуальной машины. Кластер КемГУ.	ОК –3 Знать:1. Уметь:1. Владеть:2. ПК –5 Знать:1.
3	Первопринципные методы расчета	Применение численные методов в научных расчетах. Метод Хартри-Фока. Теория функционала плотности. Алгоритмы программной реализации. Метод псевдопотенциала. Общая теория построения псевдопотенциала. Различные виды псевдопотенциалов. Приложения для проведения научных расчетов.	ОК –3 Уметь:1. Владеть:1, 2. ПК –5 Знать:2, 3, 4. Уметь:1, 2.
4	Интегральные характеристики электронного строения твердых тел	Плотность состояний. Зарядовые состояния атомов. Методы определения атома в кристалле. Электронная заселенность. Классификация критических точек. Гессиан. Практические реализации метода Бейдера. Энергия связи. Энтальпия парообразования. Ширина запрещенной зоны. Энергия Ферми. Модуль упругости.	ОК –3 Владеть:1. ПК –5 Знать:3. Уметь:1, 4, 5. Владеть:1,2.
5	Моделирование свойств молекул	Использование различных базисов. Поиск оптимальной геометрии молекулы. Вычисление зарядовых состояний атомов.	ОК –3 Владеть:1. ПК –5 Знать:3, 4. Уметь:1, 2.
6	Визуализация и представление результатов	Визуализация кристаллической структуры. Построение зонной структуры кристаллических тел. Визуализация распределения электронной плотности на плоскости и в пространстве. Визуализация молекулярных орбиталей. Создание презентации по результатам компьютерного моделирования.	ОК –3 Уметь:2. ПК –5 Знать:3. Уметь:3. Владеть:1.

2.7 Образовательные технологии:

Лекции, семинары, практические занятия, индивидуальные работы, самостоятельные работы, разбор конкретных ситуаций, зачет.

При реализации программы дисциплины Компьютерные технологии в науке и производстве используются различные образовательные технологии – во время аудиторных занятий (90 часа) занятия проводятся в виде лекций и практических занятий в образовательно-теоретическом модуле лаборатории прикладных исследований и разработок физического факультета КемГУ с использованием специальных и вычислительных программ. Часть занятий посвящена разбору конкретных ситуаций, а самостоятельная работа студентов подразумевает работу под руководством преподавателей (консультации и помощь в написании рефератов и при выполнении практических работ) и индивидуальную работу студента в образовательно-теоретическом модуле лаборатории прикладных исследований и разработок физического факультета КемГУ.
2.8 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

2.8.1. Примерные темы рефератов по разделам дисциплин
Высокопроизводительные вычисления

История появления проекта Beowulf.
Использование высокопроизводительных вычислений при создании наноматериалов.
Компьютерное моделирования в производстве высокотехнологичной и наукоемком производстве.
Высокопроизводительные вычисления в финансовом секторе.
Операционные системы используемые в высокопроизводительных вычислениях.
Облачные вычисления. Приложения для облачных вычислений.
Параллельные вычисления. Закон Амдала.

Рефераты должны содержать ответы на следующие вопросы:

История появления проекта Beowulf.

Содержание. Преимущества и недостатки ранних суперкомпьютеров. Причина появления проекта Beowulf. Создатели проекта. Влияние данного проекта на современные высокопроизводительные вычисления. Принцип работы. Преимущества и недостатки.

Использование высокопроизводительных вычислений при создании наноматериалов.

Содержание. Процесс создания наноматериалов. Проблема временного разрешения приборов. Решение уравнение Шредингера. Моделирование наноматериалов в современных пакетах. Индустриальный стандарт компьютерного моделирования.

Компьютерное моделирования в производстве высокотехнологичной и наукоемком производстве.

Содержание. Преимущества компьютерного моделирования. Моделирование потоков жидкости и газа. Использование компьютерного моделирование в автомобильной, авиационной и нефтегазовой промышленности.

Высокопроизводительные вычисления в финансовом секторе.

Содержание. Высокочастотный трейдинг. Использование суперкомпьютеров для анализа и прогнозирования рынка. Преимущества и недостатки.

Операционные системы используемые в высокопроизводительных вычислениях.

Содержание. Основные принципы параллельных вычислений. Операционные системы семейства Windows HPC. Преимущества и недостатки. Операционные системы семейства Unix и Linux. Преимущества и недостатки.

Облачные вычисления. Приложения для облачных вычислений.

Содержание. Определения облачных вычислений. Возможность разделения аппаратной и программной части. Вычисления, как сервис. Примеры облачных сервисов. Преимущества и недостатки.

Параллельные вычисления. Закон Амдала.

Содержание. Параллельное программирование. Закон Амдала. Сложности параллельного программирования. Преимущества. Принцип работы параллельной задачи.

2.8.2. Контрольные вопросы и задания для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
В течение преподавания курса Компьютерные технологии в науке и производстве в качестве форм текущей аттестации студентов используются такие формы, как заслушивание и оценка доклада по теме реферата, собеседование при приеме результатов практических работ с оценкой. По итогам обучения в 1-ом семестре проводится зачет, а во 2-ом семестре проводится экзамен.
Контрольные вопросы и задания:

Преимущества параллельных вычислений.
Применение высокопроизводительных вычислений.
Облачные вычисления.
Визуализация зонной структуры кристалла.
Возможности пакета Quantum ESPRESSO. Применение данного пакета при создании материалов с заданными свойствами.
Параметры влияющие на точность самосогласованного расчета.
Создание входного файла для оптимизации параметров кристаллической ячейки для программы Quantum ESPRESSO.
Визуализация кристаллической решетки.
Использование графической оболочки pwgui.
Определение зарядовых состояний атомов кристалла. Анализ полученных результатов.
Выбор энергии обрезки плоских волн.
Выбор числа точек в обратном пространстве для проведения самосогласованного расчета.
Энтальпия парообразования.
Расчет оптимизации геометрии простой молекулы с использование Firefly.
Преимущества пакета MiKTeX при создании научных работ по сравнению со стандартными офисными пакетами.

Вопросы и задания для индивидуальной и самостоятельной работы.

Изучение основ командной строки операционной системы Linux.
Изучение возможностей графического интерфейса пакета программ Quantum ESPRESSO.
Выполнение самосогласованного расчета.
Определение полной энергии кристаллической ячейки простейших кристаллов.
Проведение оптимизации геометрических параметров кристаллической ячейки из первых принципов.
Построить график плотности состояний с использованием разных методов.
Задать параметры кристаллической структуры в различных системах координат используемых в программе Quantum ESPRESSO.
Сопоставить зарядовые состояния атомов полученных различными схемами.
Установить природу энергетических уровней.
Визуализация молекулярных орбиталей.
Сопоставление вычисленных и экспериментальных значений молекул.
Определение влияния выбранного базиса на рассчитываемые параметры.

Вопросы к зачету.

Изучение основ командной строки операционной системы Linux.
Лицензия GNU GPL.
Различия между проприетарными и открытыми программными продуктами.
Преимущества параллельных вычислений.
Применение высокопроизводительных вычислений.
Облачные вычисления.
Изучение возможностей графического интерфейса пакета программ Quantum ESPRESSO.
Выполнение самосогласованного расчета.
Определение полной энергии кристаллической ячейки простейших кристаллов.
Проведение оптимизации геометрических параметров кристаллической ячейки из первых принципов.
Задать параметры кристаллической структуры в различных системах координат используемых в программе Quantum ESPRESSO.
Сопоставить зарядовые состояния атомов полученных различными схемами.

Пример экзаменационного билета.
1. Различия между проприетарными и открытыми программными продуктами.

2. Решить следующие задачи:

Визуализация решетки. Выбор оптимальной энергии обрезки. Визуализация электронной плотности. График зависимости полной энергии от базиса.

Кристалл: LiF (кубическая сингония).

Использовать следующие псевдопотенциалы:

Li.pbe-n-van.UPF; F.pbe-n-van.UPF

Координаты атомоы: Li (0,0,0), F (0.5; 0.5; 0.5)

3. Решить следующие задачи:

Визуализация молекулы. Выбор оптимального базиса. Визуализация электронной плотности. График зависимости полной энергии от базиса. График зависимости расстояния от базиса.

Молекула: антрацен (C₁₄H₁₀)

Группа симметрии: C₂_v

Координаты атомов:

C 3.630 0.715 0.000

C 2.470 1.398 0.000

C 1.210 0.712 0.000

C 0.000 1.391 0.000

H 4.567 1.235 0.000

H 2.464 2.471 0.000

H 0.000 2.464 0.000
2.9 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:

Ю. М. Басалаев, А. В. Кособуцкий, И. А. Федоров. Расчеты из первых принципов электронной структуры кристаллов с применением пакета Quantum ESPRESSO. Учебно-методическое пособие. Кемерово, 2010.
Бартеньев О. В. 1999. Фортран для студентов. – М.: ”ДИАЛОГ - МИ-ФИ”, - 400 с.
Кларк Т. Компьютерная химия. Практическое руководство по расчетам структуры и энергии молекул. Москва «Мир», 1990 г.
Колисниченко Д. Н. Самоучитель Linux openSUSE 11. БХВ - Петер-бург, 2009 г.
Моделирование электронных состояний в кристаллах / Ю.М. Басалаев [и др.]. – Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001. – 163 с.
Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул М.: Высш. школа, 1979. –407 с.
Абаренков И.В., Братцев В.Ф., Тулуб А.В. Начала квантовой химии. Учебное пособие. М.: Высш.шк., 1989. – 303 с.
Моделирование свойств, электронной структуры ряда углеродных и неуглеродных нанокластеров и их взаимодействия с легкими элементами [Электронный ресурс]/ А.С. Федоров [и др.]. г. Красноярск, http://www.kirensky.ru/master/articles/monogr/Book/book.htm.

б) дополнительная литература:

Ю П., Кардона М. Основы физики полупроводников. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 560 с.

в) электронные учебные пособия:

Ю. М. Басалаев, А. В. Кособуцкий, И. А. Федоров. Практическое руководство по применению пакетов Quantum ESPRESSO и XCrySDen к расчету электронного строения кристаллов . Электронное учебно-методическое пособие (мультимедийные учебные материалы) [Электронный ресурс] – Электрон. дан. – Кемерово: КемГУ, 2011. – 1 электрон. опт. диск (СD-ROM).
Азы программирования на ФОРТРАНе и СИ (Linux). Шнейвайс А. Б.
Ларин, А. В., Чернышев, В. А. Учебно-методический комплекс дисциплины "Моделирование наноструктур на основе применения программных пакетов GULP и GAMESS”. УрГУ. 2007.
Чернышев, В. А.; Можегоров, А. А. “Учебно-методический комплекс дисциплины Моделирование наноструктур на основе применения программных пакетов Crystal и ABINIT”. УрГУ. 2008.

г) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

Quantum ESPRESSO (http://www.pwscf.org).
OpenSuSE (http://www.open-suse.ru)
ABINIT (http://www.abinit.org)
Firefly (http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/tutorials.html)
XCrySDen ((http://xcrysden.org)

2.10 Материально-техническое обеспечение дисциплины «Компьютерные технологии в науке и производстве»

Для материально-технического обеспечения дисциплины Компьютерные технологии в науке и производстве используется: образовательно-теоретический модуль лаборатории прикладных исследований и разработок физического факультета КемГУ. В данной лаборатории иметься все необходимое программное обеспечение для проведения лабораторных работ: Sun VirtualBox, OpenSuSE, Quantum ESPRESSO, Firefly, XCrySDen.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки 011200 Физика – Современные проблемы физики и производства.

Автор: Федоров И.А. (старший преподаватель, к.ф.-м.н.)
Рецензент:

Рабочая программа дисциплины обсуждена на

заседании кафедры теоретической физики
Протокол № ______ от «______»_______________2011 г.
Зав. кафедрой ________________________Поплавной А.С.
Одобрено методической комиссией физического факультета
Протокол № ______ от «______»_______________2011 г.
Председатель _________________________Золотарев М. Л.

Сведения о переутверждении РП на текущий учебный год и регистрация изменений

№ измене- ния	Учебный год	Содержание изменений	Преподаватель – разработчик программы	Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры	Внесенные изменения утверждаю: Декан факультета
				Протокол № “ “ 20 г.	“ “ 20 г.
				Протокол № “ “ 20 г.	“ “ 20 г.
				Протокол № “ “ 20 г.	“ “ 20 г.

Добавить документ в свой блог или на сайт

	Рабочая программа учебной дисциплины Федерального Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (фгос впо) третьего поколения по направлению...		Основная образовательная программа магистратуры (далее магистерская... Общая характеристика магистерской программы «Физика конденсированного состояния» по направлению подготовки 03. 04. 02 «Физика»
	Программа вступительных экзаменов в аспирантуру Укрупненная группа... ...		Рабочая программа учебной дисциплины Направление подготовки 011200. 68 – Физика, оп – Теоретическая физика Форма подготовки очная
	Рабочая программа для студентов направления 011200. 68 Физика магистерская... Удовиченко Сергей Юрьевич. Конструкционные наноматералы. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления...		Программа учебной дисциплины «Компьютерные технологии в науке и производстве приборов» «Компьютерные технологии в науке и производстве приборов» является частью профессионального цикла дисциплин подготовки студентов...
	Рабочая программа для студентов направления 011200. 68 «Физика» Степанов Сергей Викторович Подземная гидродинамика и теплофизика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления...		Программа курса «Методологические основы единства физики» Направление подготовки — 011200. 68 Физика оп теоретическая физика Форма подготовки (очная)
	Основная образовательная программа высшего профессионального образования... Основная образовательная программа высшего профессионального образования, реализуемая вузом по направлению подготовки 011200 Физика...		Рабочая программа учебной дисциплины Направление подготовки 011200. 68 – Физика, оп – методология физики Форма подготовки очная
	Основная образовательная программа высшего профессионального образования... Требования к уровню подготовки абитуриента, необходимому для освоения ооп		Физика Магистерская программа 011200 07. 68 – "Физика наносистем и наноэлектроника" Области профессиональной деятельности: являются все виды наблюдающихся в природе физических явлений, процессов и структур, в том...
	Рабочая программа дисциплины «история и философия науки» Физика конденсированного состояния, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ №274 от 08. 10. 2007 г., и учебным...		Рабочая программа учебной дисциплины «аморфные и микрокристаллические материалы» «Основы научных исследований», «Физика и химия конденсированного состояния/Теория электронного строения твердых тел», «Материаловедение...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине «Компьютерные технологии в науке и образовании» Магистерская программа «Микро и нанотехнологии в производстве изделий электронной техники»		Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо... Физика. Магистерская программа «Техническая физика в нефтегазовых технологиях», «Физика наноструктур и наносистем»

Похожие: