Рабочая программа по дисциплине Компьютерные технологии в физике и производстве

Скачать 178.24 Kb.

Название	Рабочая программа по дисциплине Компьютерные технологии в физике и производстве
Тип	Рабочая программа

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Рабочая программа

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Кафедра теоретической физики
«Утверждаю»

Декан

физического факультета

______________________

«___» ___________ 200_ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине
Компьютерные технологии в физике и производстве
программы «Физика конденсированного состояния вещества»

направление 010700 (510400) ФИЗИКА

курс 1м

семестр 9, 10

лекции 18 час.

лабораторные занятия 74 час.

КСР 2 час.

самостоятельные занятия 266 час.

Всего часов 360

Итоговая аттестация Экзамен

Составитель: Старший преподаватель кафедры теоретической физики КемГУ к.ф.-н. Федоров И .А.

Кемерово, 2009

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры

Протокол № ___ от «___» ________ 200__ г.

Зав. кафедрой _________________/Поплавной А.С./

(подпись, Ф.И.О.)
Одобрено методической комиссией

Протокол № ___ от «___» ________ 200 __ г.

Председатель___________________/Золотарев М.Л./

(подпись, Ф.И.О.)

1. Пояснительная записка.

Актуальность и значимость курса. Значительное число физических и физико-химических явлений в твердых телах объясняется путем компьютерного моделирования. В настоящее время компьютерное моделирование является инструментом позволяющим ускорить создание новых материалов с заданными свойствами, что используется в разнообразных видах производства. Курс «Компьютерные технологии в науке и производстве» содержит как фундаментальную, так и прикладную составляющие подготовки по программе «Физика конденсированного состояния», благодаря чему его изучение необходимо будущим научным работникам, преподавателям, а также техническим специалистам.
Цели и задачи изучения курса. Формирование базовых знаний в науке и производстве, для которых используется компьютерное моделирование, обеспечивающих фундаментальные основы современных приложений в различных сферах деятельности.

Студент должен овладеть как универсальными (общенаучными), так и инструментальными компетенциями в названной области физики конденсированного состояния.

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.

Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов.

Дисциплина Компьютерные технологии в науке и производстве представляет собой дисциплину цикла ДНМ. Дисциплина Компьютерные технологии в науке и производстве базируется на курсах цикла дисциплин естественнонаучных и профессиональных дисциплин (Б2 и Б3), входящих в модули Математика, Физика, Теоретическая физика и на материалах дисциплин модуля Информатика Программирование, Численные методы и математическое моделирование. Студенты, обучающиеся по данному курсу должны знать основы математического анализа, программирования, общего и теоретического курса физики и иметь практические навыки программирования.
Структура учебной дисциплины. Учебная дисциплина включает в себя теоретический курс, практические занятия и самостоятельную работу. В теоретическом курсе излагаются четыре раздела: первопринципные методы расчета; полуэмпирические методы расчета; интегральные характеристики твердых тел; основные понятия высокопроизводительных вычислений.

На практических занятиях студенты получают навыки решения конкретных задач в рамках четырех тем: использование виртуальной машины; исследование электронного строения простейших кристаллов; исследование электронного строения простейших молекул; интегральные характеристики.

Самостоятельная работа ведется студентами по индивидуальным планам, составляемым на первых занятиях по рекомендации преподавателя.
Особенности изучения дисциплины. Междисциплинарные связи. Курс базируется на дисциплинах общей и теоретической физики университетской программы для физических факультетов, а также на дисциплинах раздела «Высшая математика» (математический анализ, высшая алгебра, дифференциальные уравнения и методы математической физики), «Информатика», «Новые информационные технологии». Из курсов специализации необходимо усвоение «Теории симметрии в физике твердого тела», «Электронных свойств твердых тел». Студенты также должны владеть компьютерными технологиями, умением пользоваться пакетами вычислительных программ, понимать особенности реализации математических выражений при помощи языков программирования высокого уровня.
Форма организации занятий по курсу. Занятия организуются в форме аудиторной и самостоятельной работы, консультаций по составлению индивидуальных планов и конкретным вопросам. Лекции, требующие сложного иллюстративного материала, проводятся с применением мультимедийных средств. Часть лабораторных занятий проводится в форме семинаров, на которых студенты докладывают результаты выполненных самостоятельно расчетов для конкретных объектов. Для информационного сопровождения данной дисциплины создан сайт (www.ctkemsu.narod.ru) на котором размещены информационные материалы (лекции, варианты заданий, методические материалы). Также имеется адрес электронной почты (ctkemsu@yandex.ru) на который можно высылать вопросы, результаты расчетов, рефераты. Таким образом, в случае пропущенного занятия имеется возможность изучить необходимые разделы самостоятельно.
Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов

Для усвоения материала между аудиторной и самостоятельной работой студентов установлена четкая связь. На аудиторных занятиях используется виртуальная машина благодаря которой каждый студент может перенести изучаемое программное обеспечение на свой домашний компьютер. Поэтому на занятиях даются задания, которые каждый студент может повторить для лучшего усвоения. Любое задание которое студент не успел выполнить во время аудиторных занятий может быть завершено на личном персональном компьютере или во время самостоятельной работы в компьютерном классе. Таким образом, сконфигурировав рабочее окружение для проведения компьютерного моделирования с использованием виртуальной машины студент может самостоятельную решать задачи, как в рамках данного курса, так и для научно-исследовательской работы.
Требования к уровню усвоения содержания курса. Изучившие курс должны овладеть следующими компетенциями:

способность активно и целенаправленно применять полученные знания, навыки и умения для выбора тематики индивидуальной научно-исследовательской работы;
активное владение пользовательскими навыками для применения специализированных программных пакетов (Quantum ESPRESSO, Firefly) в области электронного строения твердых тел и молекул;
готовность работать с информацией в названной области из различных источников: отечественной и зарубежной научной периодической литературы, монографий и учебников, электронных ресурсов Интернет.
готовность использовать знания о виртуализации и высокопроизводительных вычислениях в последующей профессиональной деятельности в качестве преподавателей вузов, научных сотрудников, инженеров;
готовность к творческому подходу в реализации научно-технических задач, основанному на систематическом обновлении полученных знаний, навыков и умений и использовании последних достижений в области физики твердого тела.

Виды контроля знаний и их отчетности. Контроль знаний осуществляется на практических занятиях в процессе решения поставленных задач, докладов по самостоятельным компьютерным вычислениям. В течение первого семестра проводится коллоквиум по теоретической части материала. Вид промежуточного контроля – зачет. Второй семестр содержит только лабораторные. Заключительная форма контроля – экзамен.
Критерии оценки знаний студентов по курсу. Для получения допуска студентов к зачету требуется посещение аудиторных занятий, выполнение контрольных мероприятий. По пропущенным занятиям студент в письменном виде представляет материалы, из которых следует, что он самостоятельно полно проработал соответствующую тему. Зачет проставляется при условии качественного усвоения всех разделов и тем курса. Для допуска к экзамену требуется выполнить все изучаемые лабораторные.
2.1. Объем и сроки изучения курса

Вид учебной работы	Всего часов
Общая трудоемкость базового модуля дисциплины	360
Аудиторные занятия (всего)	92
В том числе:
Лекции	18
Лабораторные	74
Самостоятельная работа	266
КСР	2
Вид промежуточного контроля	Зачёт
Вид итогового контроля зачёт	Экзамен

№	Семестр	Наименование темы	Часов			Форма контроля
№	Семестр	Наименование темы	всего	аудит.	самост.	Форма контроля
1	1	Введение	16	4	12	Доклад.
2	1	Основные характеристики ОС Windows и Linux	48	14	34	Прием практических заданий № 1. Собеседование.
3	1	Высокопроизводительные вычисления	22	8	14	Защита реферата.
4	1	Первопринципные методы расчета	118	28	90	Прием практических заданий № 2. Собеседование.
5	2	Интегральные характеристики электронного строения твердых тел	64	14	50	Прием практических заданий № 3. Собеседование.
6	2	Моделирование свойств молекул	42	12	30	Прием практических заданий № 4. Собеседование.
7	2	Визуализация и представление результатов	48	10	36	Прием практических заданий № 5. Собеседование.
Всего по курсу			358	92	266	Зачет

2.2. Содержание лекционных занятий

Содержание лекций базового обязательного модуля дисциплины

№	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела дисциплины
1	Введение	Общая характеристика современных компьютерных технологий. Коммерческие и научные технологии. Сравнительная характеристика. Типы лицензий на программное обеспечение.
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.
3	Высокопроизводительные вычисления	Основы параллельных вычислений. Высокопроизводительные вычисления. Виртуализация приложений. Настройка и работа виртуальной машины. Облачные вычисления. Кластер КемГУ.
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.

2.3. Содержание лабораторного практикума

№	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела дисциплины
1	Введение	Общая характеристика современных компьютерных технологий. Коммерческие и научные технологии. Сравнительная характеристика. Характеристика лицензий программного обеспечения установленного в компьютерном классе.
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.
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.
5	Моделирование свойств молекул	Использование различных базисов. Поиск оптимальной геометрии молекулы. Вычисление зарядовых состояний атомов.
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.

2.4. Задания для индивидуальной и самостоятельной работы.

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

2.5. Литература.
Электронный справочный материал

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)

Электронные учебные пособия

Азы программирования на ФОРТРАНе и СИ (Linux). Шнейвайс А. Б.

User’s Guide for Quantum ESPRESSO.
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 Ab inint”. УрГУ. 2008.

Методические пособия и книги.

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 - МИФИ”, - 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 - Петербург, 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.

3. Учебно-методические материалы
3.1. 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.

3.2. Требования и методические указания для магистрантов по написанию рефератов

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.
3.3. Вопросы к зачету.

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 PC GAMESS.
Преимущества пакета MiKTeX при создании научных работ по сравнению со стандартными офисными пакетами.

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

2. Выполнить 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. Выполнить 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

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 № “ “ 200 г.	“ “ 200 г.
				Протокол № “ “ 200 г.	“ “ 200 г.
				Протокол № “ “ 200 г.	“ “ 200 г.

	Отчет по лабораторной работе №1 по дисциплине: «Компьютерные технологии в науке и производстве» Целью лабораторной работы является изучение основ языка гипертекстовой разметки html		Рабочая программа учителя физики Хайруллина Р. Ф. по учебному предмету «Физика» Рабочая программа по физике составлена на основе Федерального компонента государственного стандарта и примерной программы среднего...
	Рабочая программа учителя физики Хайруллина Р. Ф. по учебному предмету «Физика» Рабочая программа по физике составлена на основе Федерального компонента государственного стандарта и примерной программы среднего...		Рабочая программа курса Код курса: сдм. 19 Тип курса Рабочая программа курса «Компьютерные технологии управления проектами (международный опыт)» в рамках учебной программы «Управление...
	Рабочая программа по дисциплине б 10 «Современные компьютерные сети и операционные системы» ОС) и современными компьютерными сетями (КС), что является неотъемлемой частью профессиональной деятельности инженера		Рабочая программа дисциплины Компьютерные технологии в геологии Специализации: Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений твердых полезных ископаемых; Геология нефти и газа
	Учебно-методический комплекс по дисциплине компьютерные технологии в образовании и науке		Рабочая программа по технологии для 7а, 7б класса Составитель: Гайфуллин... Рабочая программа по изучению технологии в 7 классах составлена на основе следующих документов
	Рабочая программа дисциплины Код и наименование дисциплины «Компьютерные... Уровень высшего образования – подготовка научно-педагогических кадров в аспирантуре		Рабочая программа по технологии на 2014 2015 учебный год Рабочая программа составлена в соответствии с Примерной основной образовательной программы образовательного учреждения по технологии...
	Рабочая программа по дисциплине “Лазерные системы и технологии ”... Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования подготовки...		Рабочая программа по технологии для базового уровня 1-4 классов Срок реализации: четыре года Рабочая программа составлена на основе Примерной государственной программы по технологии
	Пояснительная записка рабочая программа по технологии Рабочая программа по технологии составлена на основании следующих нормативно-правовых документов		Рабочая программа по технологии в 5 классе Составила Рабочая программа по технологии составлена на основе следующих нормативно-правовых документов
	Рабочая программа по технологии 1-4 классы Рабочая программа технологии 1-4 классов составлена на основе следующих нормативно-правовых документов		Рабочая программа по технологии 1-4 классы Рабочая программа технологии 1-4 классов составлена на основе следующих нормативно-правовых документов

Рабочая программа по дисциплине Компьютерные технологии в физике и производстве

Похожие: