Вычислительная практика - Саратовский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по УМР СГУ
_______________Е.Г. Елина
"__" __________________20__ г.
Программа учебной практики
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ПРАКТИКА
Направление подготовки
Физика живых систем
Профили подготовки
Биофизика
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели учебной вычислительной практики
Целью учебной вычислительной практики состоят в обеспечении
студентов в практических условиях знаниями и навыками в области
квалифицированного применения компьютерной техники при решении
биофизических задач, что соответствует основной цели бакалавриата по
направлению «Физика живых систем» в части получения высшего
профессионально-профилированного
образования,
позволяющего
выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности в РФ и за
рубежом, обладать универсальными и предметно специализированными
компетенциями,
способствующими
его
социальной
мобильности,
востребованности на рынке труда и успешной профессиональной карьере.
2. Задачи учебной вычислительной практики
Задачами учебной вычислительной практики является закрепление на
практике базовых знаний по информатике, приобретения практических
навыков в пользовании общеупотребительным программным обеспечением
компьютера, приобретение и закрепление навыков самостоятельного
решения вычислительных задач по направлению подготовки «Физика живых
систем».
3. Место учебной вычислительной практики в структуре ООП
бакалавриата по профилям «Биофизика» и «Медицинская фотоника»
Вычислительная практика в значительной степени дополняет
дисциплины
модуля
«Математика»
(«Математический
анализ»,
«Аналитическая геометрия и линейная алгебра»), дисциплины модуля
«Биоинформатика» («Информационные технологии в физике живых систем»,
«Основы разработки прикладных программ») и дисциплину модуля «Общая
физика и биофизика» («Общая физика и биофизика»).
Знания и навыки, полученные во время вычислительной практики,
необходимы при освоении большинства дисциплин профессиональных
циклов профилей «Биофизика» и «Медицинская фотоника».
4. Формы проведения учебной вычислительной практики
Форма проведения практики – лабораторная. Формы работы студентов
во время практики заключаются в ознакомлении под руководством
преподавателя с содержанием физической задачи, выборе метода решения
задачи, разработке алгоритма решения задачи, составлении программы
реализации алгоритма, проведения комплекса вычислений и обсуждении
результатов решения задачи.
5. Место и время проведения учебной вычислительной практики
Вычислительная учебная практика проводится на базе компьютерного
класса кафедры оптики и биофотоники, оснащенный 10 персональными
компьютерами на базе процессора Intel Celeron D 2.4, который обеспечивает
устойчивый выход в интернет.
Продолжительность учебной ознакомительной практики 2 недели (29
июня-12 июля).
6. Компетенции обучающегося, формируемые
прохождения учебной вычислительной практики
в
результате
В результате прохождения учебной вычислительной практики у
обучающегося частично формируются следующие компетенции:
а) общекультурные компетенции:
- способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных
наук (ОК-1);
- способность приобретать новые знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОК-3);
- способность владеть основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, иметь навыки
работы с компьютером как средством управления информацией
(ОК-12);
- способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности навыки работы с информацией из различных
источников (ОК-16);
- способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области информатики и
современных информационных технологий, навыки использования
программных средств и навыков работы в компьютерных сетях;
умение создавать базы данных и использовать ресурсы Интернет
(ОК-17);
б) профессиональные компетенции:
- способность использовать базовые теоретические знания для
решения профессиональных задач (ПК-1);
- способность применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);
- способностью пользоваться современными методами обработки,
анализа и синтеза биофизической информации (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-6);
- способностью понимать и излагать получаемую информацию и
представлять результаты физических исследований (ПК-13).
7. Структура и содержание учебной вычислительной практики
Общая трудоемкость учебной вычислительной практики составляет 2
зачетные единицы, 72 часа.
7.1. Структура дисциплины
№
п/п
Разделы (этапы) практики
1
Лабораторная работа №1.
«Кинетика обмена железа в
кровеносной системе»
Лабораторная работа №2.
«Применение метода Монте–
Карло для расчета пропускания
света биологическими тканями»
Лабораторная работа №3.
«Применение метода вектора
Стокса и матриц Мюллера для
описания распространения света
через деполяризующую
систему»
Лабораторная работа №4.
«Определение поляризационных
характеристик излучения»
Итого:
2
3
4
Виды учебной работы на
практике, включая
самостоятельную работу
студентов и
трудоемкость
(в часах)
Лаб.
18
Формы
текущего
контроля
УО-1, ПР-6
Лаб.
18
УО-1, ПР-6
Лаб.
18
УО-1, ПР-6
Лаб.
18
УО-1, ПР-6
72
УО-3
7.2. Содержание дисциплины
Учебная ознакомительная практика включает в себя следующее
содержание:
Лабораторная работа №1. В этой лабораторной работе обсуждаются
физические и математические модели кинетики обмена железа в крови
человека. В качестве основы выбраны системы дифференциальных
уравнений, которые предлагается решить методом Эйлера или Рунге – Кутта
с использованием стандартных алгоритмов, изложенных в литературе. На
основе этих алгоритмов студенты должны разработать программные
средства для решения поставленной задачи. Результаты решения должны
быть представлены в графическом и табличном виде.
Лабораторная работа № 2. Данная лабораторная работа посвящена
изучению распространения света в сильно рассеивающей среде на основе
использования модели переноса излучения частицами-фотонами. Для
решения поставленной задачи предлагается использовать алгоритм
стандартного метода Монте – Карло. На основе этого алгоритма студенты
должны разработать программные средства для решения поставленной
задачи. Результаты решения должны быть представлены в графическом и
табличном виде.
Лабораторная работа № 3. Эта лабораторная работа посвящена
использованию матричного формализма Мюллера – Стокса для описания
распространения света в деполяризующей оптической системе. В работе
рассмотрены основы матричной оптики и физический смысл элементов
вектора Стокса. Алгоритм решения поставленной перед студентами задачи
основан на простом матричном перемножении. На основе этого алгоритма
студенты должны разработать программные средства для решения
поставленной задачи. Результаты решения должны быть представлены в
графическом и табличном виде.
Лабораторная работа № 4. Лабораторная работа посвящена
исследованию различных состояний поляризации светового пучка. С этой
целью предлагается использовать матричный формализм Мюллера – Стокса.
В работе рассмотрены основы матричной оптики и физический смысл
элементов вектора Стокса. Алгоритм решения поставленной перед
студентами задачи основан на простом матричном перемножении. На основе
этого алгоритма студенты должны разработать программные средства для
решения поставленной задачи. Результаты решения должны быть
представлены в графическом и табличном виде.
8. Образовательные, научно-исследовательские и
производственные
технологии,
используемые
на
вычислительной практике
научноучебной
При реализации дисциплины «Вычислительная учебная практика»
используются следующие виды учебных занятий: лабораторные занятия,
консультации, самостоятельная работа.
9. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов на учебной вычислительной практике
Перечень вопросов для проведения текущей аттестации:
1. Перечислить схемы численного решения систем дифференциальных
уравнений.
2. Назвать схемы решения дифференциального уравнения,
обеспечивающие 4-ый порядок точности.
3. Схема Эйлера для дифференциального уравнения первого порядка.
4. Перечислить задачи, при решении которых используется метод
Монте-Карло.
5. Назвать причины, которые определяют точность метода МонтеКарло.
6. Назвать матричные методы описания характеристик оптических
систем.
7. Физический смысл элементов вектора Стокса.
8. Экспериментальные способы определения матриц Мюллера.
9. Матрицы Мюллера для основных оптических элементов
(поляризаторов, фазовых пластин, роторов).
10. Определение состояния поляризации световой волны с помощью
векторов Стокса.
11. Связь матричного формализма Мюллера с формализмами Джонса и
Берремана.
10. Формы промежуточной аттестации (по итогам практики)
Вычислительная практика состоит из четырех независимых этапов
(лабораторных работ), которые можно выполнять в любом порядке. Каждый
из этапов считается выполненным, если студент показывает на компьютере
исходный код вычислительной программы, отлаженный exe-модуль
программы и результаты исследований, выполненные с помощью
программы.
Форма письменной отчетности по итогам работы на конкретном этапе
устанавливается руководителем.
Формой аттестации по итогам практики является зачет. Время
аттестации – 12 июля текущего года.
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение учебной
вычислительной практики
а) основная литература:
1. Симоненко Г.В., Максимова И.Л., Татаркова С.А. Практикум по
компьютерному моделированию в оптике и биофизике. Учебное пособие.
Саратов: Изд-во гос. УНЦ «Колледж» 2004. – 68 с.
(http://www.optics.sgu.ru/~simonenko)
2. Турчак Л.И., Плотников П.В. Основы численных методов. М.:
ФИЗМАТЛИТ. 2003. – 304 с.
3. Зализняк В.Е. Основы научных вычислений. Введение в численные
методы для физиков. М.: Едиториал УРСС, 2002. – 296 с.
4. Исаков В.Б. Элементы численных методов. М.: Академия, 2003. – 192 с
б) дополнительная литература:
1. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир,
1983.- 584 с.
2. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на бейсике для
персональных ЭВМ. М.: Наука, 1987. - 240 с.
3. Плис А.И., Сливина Н.А. Лабораторный практикум по высшей
математике. М.: Высшая школа, 1994. - 416 с.
4. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987. - 616 с.
5. де Жен П. Жидкие кристаллы М.: Мир, 1981. - 312 с.
6. Гулд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. Часть 1. М:
Мир, 1990. - 349 с.
7. Зельднер Г. Quick BASIC 4.5. М.: АBF, 1994. - 480 с.
.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Операционная система Windows XP Professional SP 2.
2. Язык программирования Quick BASIC 4.5
12. Материально-техническое обеспечение практики
Вычислительная учебная практика проводится на базе компьютерного
класса кафедры оптики и биофотоники, оснащенного 10 персональными
компьютерами на базе процессора Intel Celeron D 2.4, обеспечивающего
устойчивый выход в интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению «Физика живых систем».
Автор: доцент кафедры оптики и биофотоники,
к.ф.-м.м.
Г.В. Симоненко
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники от 20 мая
2011 года, протокол № 6/11.
Подписи:
Зав. кафедрой оптики и биофотоники
Декан физического факультета
(факультет, где разрабатывалась программа)
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.В.Тучин
В.М. Аникин
В.М. Аникин