Вычислительные системы - Корпоративный портал ТПУ

УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
___________ М.А. Сонькин
«___» ____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП:230100 ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
ПРОФИЛИ ПОДГОТОВКИ Сети ЭВМ и телекоммуникации, Компьютерный анализ и
интерпретация данных, Микропроцессорные системы, Информационное и программное обеспечение автоматизированных систем, Технологии разработки программных систем, Распределенные автоматизированные системы, Информационное
и программное обеспечение систем управления
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): магистр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 1; СЕМЕСТР 1
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 6 кредитов ESTS
ПРЕРЕКВИЗИТЫ:
КОРЕКВИЗИТЫ:
М1.Б1, М2.Б3
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
ЛЕКЦИИ
27 часа (ауд.)
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
45
часов
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
72
144
часа
часа
ИТОГО
216
часов
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
очная
ЭКЗАМЕН – 1 семестр
ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА: «Прикладная математика»
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
д.ф.-м.н., профессор В.П. Григорьев
ПРЕПОДАВАТЕЛИ:
к.ф.-м.н., доцент А.С. Огородников,
к.т.н., доцент В.П. Зимин
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины в соответствии с ООП (Ц1 – Ц5) являются:
 получение студентами знаний о применении перспективных методов исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий;
 приобретение умения выбирать методы и разрабатывать алгоритмы
решения задач управления и проектирования объектов автоматизации для
динамических систем с распределенными параметрами и описывающихся
дифференциальными уравнениями в частных производных;
 овладение современными методами и технологиями математического моделирования с использованием программных комплексов (систем компьютерной математики), ориентированных на решение научных, проектных и
технологических задач;
 формирование у студентов мотивации к самообразованию за счет
активизации с помощью с помощью информационных технологий (например, систем компьютерной математики) самостоятельной познавательной деятельности и использование в практической деятельности новых знаний и
умений, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных
со сферой деятельности.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Вычислительные системы» (М2.Б1) является базовой дисциплиной профессионального цикла (М2).
Для её успешного усвоения необходимы базовые и специальные знания,
полученные при изучении ООП бакалаврской подготовки по направлениям
«Информатика и вычислительная техника», «Информационные системы и
технологии» и родственным им направлениям; умения применять вычислительную технику и программное обеспечение для решения практических задач; владения навыками профессиональной работы на персональном компьютере и использованием современного программного обеспечения.
В соответствии с учебным планом данная дисциплина читается в 1-ом
семестре и не имеет пререквизитов в рамках ООП магистерской подготовки.
Кореквизитами являются дисциплины «Интеллектуальные системы»
(М1.Б1), «Современные проблемы информатики и вычислительной техники»
(М2.Б3).
3. Результаты освоения дисциплины
После изучения дисциплины в соответствии с ФГОС и ООП студент
должен:
2











знать:
методы проектирования аппаратных и программных средств вычислительной техники, позволяющие решать поставленные задачи моделирования (З.2.1.1);
основные элементы языка программирования и визуализации расчетов
в системе MATLAB−COMSOL (З.2.1.2);
возможности COMSOL Multiphysics по 3D−моделированию динамических систем в физической формулировке и в математической (З.2.1.3);
методы и программные средства реализации параллельных и распределённых вычислений в среде MATLAB−COMSOL (З.5.1).
уметь:
планировать, организовывать и проводить научные исследования
(У.2.1.1);
использовать типовые программные продукты, ориентированные на
решение научных, проектных и технологических задач (У.2.1.2);
разрабатывать приложения, работающие в среде графических интерфейсов пользователя различных инструментальных систем, входящих в
пакет MathWorks(MATLAB, Optimization Toolbox, Simulink, Wavelet
Toolbox) (У.2.1.3);
ставить собственную задачу, анализируя наиболее близкий пример
(модель) из библиотеки моделей MATLAB−COMSOL (У.2.1.4);
применять методы параллельных вычислений для решения научных и
инженерных задач (У.5.1).
владеть:
навыками самостоятельной научно- исследовательской деятельности
(В.2.1.1);
работой в среде MATLAB, COMSOL Multiphysics, решением конкретных задач на многоядерных и многопроцессорных ЭВМ (В.5.1).
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие
компетенции:
Универсальные (общекультурные):
 способность использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК- 4
ФГОС);
 способность проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска,
брать на себя всю полноту ответственности (ОК-5 ФГОС);
 способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и
умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных
со сферой деятельности (ОК- 6 ФГОС).
3
Профессиональные:
 применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1 ФГОС);
 выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5 ФГОС);
 применять современные технологии разработки программных комплексов, контролировать качество разрабатываемых программных продуктов
(ПК-6 ФГОС).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Аннотированное содержание разделов дисциплины:
1. Основные элементы языка программирования и визуализации расчетов в системе MATLAB и COMSOL Multiphysics.
Освоение основных элементов языка программирования MATLAB и
графического интерфейса пользователя(GUI). Решение задач линейной алгебры: вычисление определителей, обращение матриц, системы линейных
уравнений. Решение нелинейных уравнений. Основы графической визуализации вычислений, создание массивов данных для 3D- графики, редактирование графиков. Интерполяция и аппроксимация функций. Моделирование
динамических систем с сосредоточенными параметрами.
2. Решение задач с использованием пакетов расширений MATLAB и
COMSOL Multiphysics.
Решение задач с использованием пакетов расширений MATLAB и
COMSOL Multiphysics. Символьные вычисления в пакете расширений
Symbolic Math Toolbox. Решение оптимизационных задач в пакете
Optimization Toolbox MATLAB. Физическое моделирование в системе
COMSOL Multiphysics. Библиотека моделей. Навигатор моделей. 1D, 2D, 3D
- модели. Графический интерфейс пользователя. Анализ, выбор и выделение
геометрических объектов при работе с одно- , двух- и трехмерными моделями. Ввод MATLAB-выражений в GUI COMSOL. Режимы решателя задач.
Режимы показа решения. Мультидисциплинарное моделирование динамических систем с обратной связью в COMSOL Multiphysic – Simulink.
3. Применение программных средств Parallel Computing Toolbox и
MATLAB Distributed Computing Server для подготовки решения задач на
многопроцессорных ЭВМ-кластерах.
Рассмотрение примеров решённых задач: системы линейных алгебраических уравнений с плотной матрицей и разряженной. Анализ сигналов на
основе вейвлет-преобразований и быстрого преобразования Фурье.
Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
представлена в таблице 1.
4
Таблица 1
Структура дисциплины
по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы
Аудиторная работа (час)
Лекции
Лаб. зан.
1
Раздел 1 «Основные элементы языка программирования
и визуализации расчетов в
системе MATLAB и COMSOL Multiphysics»
Раздел 2 «Решение задач с
использованием пакетов
расширений MATLAB и
COMSOL Multiphysics»
Раздел 3 «Применение программных средств Parallel
Computing Toolbox и MATLAB
Distributed Computing Server
для подготовки решения задач
на многопроцессорных
ЭВМ-кластерах»
Итого
СРС
(час)
Колл,
контр.р.
Итого
2
3
4
5
6
8
12
40
Тест
Индивидуальное задание
60
15
27
84
4
6
20
27
45
144
Контрольная
работа
Контрольная
работа
126
Тест
30
216
4.3. Распределение компетенций по разделам дисциплины приведено в табл. 2.
Таблица 2.
Распределение компетенций по разделам дисциплины
№ п\п
Формируемые
компетенции
Разделы дисциплины
1
2
3
+
+
1
З.2.1.1
+
2
З.2.1.2
+
3
З.2.1.3
+
4
З.5.1
6
У.2.1.1
+
+
+
7
У.2.1.2
+
+
+
8
У.2.1.3
+
9
У.2.1.4
+
10
У.5.1
11
В.2.1.1
12
В.5.1
+
+
+
+
+
5
5. Образовательные технологии
При освоении разделов дисциплины используется сочетание видов образовательной деятельности (ОД) – лекция, лабораторная работа, самостоятельная работа – с различными методами ее активизации (табл. 3).
Таблица 3
Сочетание видов ОД с различными методами ее активации
лабораторная
Метод акт. ОД/Вид ОД
Лекция
С.Р.
работа
IT-методы
+
+
+
Работа в команде
+
+
Case-study
+
+
Игра
+
Проблемное обучение
+
+
Контекстное обучение
+
+
Обучение на основе опыта
+
+
Индивидуальное обучение
+
Междисциплинарное обуче+
+
+
ние
Опережающее обучение
+
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1. Самостоятельную работу студентов (СРС) можно разделить на текущую и творческую.
Текущая СРС – работа с лекционным материалом, подготовка к лабораторным работам с использованием сетевого образовательного ресурса (портал ТПУ); опережающая самостоятельная работа; изучение тем, вынесенных
на самостоятельную проработку; подготовка к экзамену.
Творческая
проблемно-ориентированная
самостоятельная
работа (ТСР) – поиск, анализ, структурирование информации по индивидуальному заданию с использованием других интернет-ресурсов (указано в п.
9.3).
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
В процессе изучения дисциплины студенты должны самостоятельно
овладеть следующими темами:
1. Возможности вычислительных систем компьютерной математики
(СКМ) по активизации самостоятельной познавательной деятельности.
2. Использование в практической деятельности новых знаний и умений непосредственно не связанных со сферой деятельности (на
примерах MATLAB, COMSOL Multiphysics, Wolfram Mathematica);
6.3. Контроль самостоятельной работы
6
Рубежный контроль в виде компьютерного тестирования по теоретической и практической части. По результатам рубежного контроля формируется допуск студента к экзамену.
6.4.Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Для самостоятельной работы студентов используются сетевые образовательные ресурсы, представленные на сайтах (указано в п. 9.3).
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества
освоения дисциплины
Фонд оценочных средств дисциплины (ФОС) состоит из средств входного контроля знаний, текущего контроля выполнения заданий и средств для
промежуточной аттестации. Эти средства содержат перечень вопросов, ответы на которые дают возможность студенту продемонстрировать, а преподавателю оценить степень усвоения теоретических и фактических знаний на
уровне знакомства; заданий, позволяющих оценить приобретенные студентами практические умения на репродуктивном уровне; задач для оценки приобретенных студентами когнитивных умений на продуктивном уровне.
Входной и выходной контроль знаний осуществляется в форме компьютерного тестирования.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
8.1.
Основная литература
1. Формалёв В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. – Изд. 2-е, испр.,
доп. – М.: Физматлит. – 2006. – 400 с.
2. Егоров В.И. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности.
Учебное пособие. – СПб: СПб ГУ ИТМО. – 2006. – 77 с.
3. Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических процессов в
пакете MATLAB. – М.: Телеком, 2003. – 592 с.
4. Потемкин В.Г. Вычисления в среде MATLAB. – М.: Диалог-МИФИ,
2004. –720 с.
8.2.
Дополнительная литература
1. Бирюлин Г.В. Теплофизические расчеты в конечно-элементном пакете
COMSOL/FEMLAB. Учебное пособие. – СПб: СПб ГУ ИТМО. – 2006.
– 79 с.
8.3.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Программное обеспечение и Internet-ресурсы
MATLAB Release 2010b, PDE Toolbox.
Comsol MultiPhysics, User’s GUIDE
http://matlab.exponenta.ru/
http://matlab.exponenta.ru/forum/viewforum.php?f=4
http://orloff.am.tpu.ru/matlab/index.htm
http://e-le.lcg.tpu.ru/public/FEM_0911/index.html
7
9. Материально - техническое обеспечение дисциплины
Для выполнения самостоятельной работы студентам кафедрой ПМ
предоставляется 4 компьютерных класса (ауд. 102 – 105 корпуса ИК). В классах установлены:
 18 ПК типа CPU Intel Quad Core i5-750 BOX, 2,8 GHz / Видеокарта
PCI-E Palit GeForce GTX 460 1024MB, мониторы LCD 24" BENQ, ОС – Windows 7;
 11 ПК Intel Pentium D Dual Core 2,66 GHz, мониторы LCD 17" LG,
ОС – Windows XP ;
 8 ПК Intel Pentium 4 2,2 GHz, мониторы LCD 17" LG, ОС – Windows
XP.
Все ПК с помощью cетевого коммутатора CNet 16 ports объединены в
локальную сеть с автоматическим выходом в корпоративную сеть ТПУ и
глобальную сеть Интернет.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС по направлению «Информатика и вычислительная
техника».
Программа одобрена на заседании кафедры ПМ (протокол № от « »
06 2011 г.).
Автор – доцент кафедры прикладной математики Огородников Александр Сергеевич.
Рецензент – профессор кафедры прикладной математики Коваль Тамара Васильевна.
8