Математическая химия - Рабочая программа дисциплины - 04.04.01. Химия - Направления подготовки

Закреплена за кафедрой	Кафедра физической и неорганической химии
Направление подготовки	04.04.01. Химия
Профиль	Физическая химия
Форма обучения	Очная
Общая трудоемкость	3 ЗЕТ
Учебный план	04_04_01_ФХ-2-2019

Курс (семестр)	1 (2)	Итого
Недель	22,5
Вид занятий	УП	РПД	УП	РПД
Лекции	8	8	8	8
Практические	26	26	26	26
Сам. работа	74	74	74	74
Итого	108	108	108	108

1. Цели освоения дисциплины

1.1.	формирование у магистров представлений о теоретическом фундаменте стыка наук – химии и математики: основного математического аппарата, квантовой топологии химических частиц, типов межчастичных взаимодействий

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.04

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-1	способностью использовать и развивать теоретические основы традиционных и новых разделов химии при решении профессиональных задач
ПК-2	владением теорией и навыками практической работы в избранной области химии
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.	Знать:
3.1.1.	основы методов математической химии, используемых для изучения и моделирования атомно-молекулярных систем теоретические и методологические основы применения математических дисциплин в химии.
3.2.	Уметь:
3.2.1.	провести сравнение различных математических методов, используемых для изучения и моделирования химических систем умеет привлекать дополнительные знания из специальных разделов математики для решения профессиональных задач математической химии
3.3.	Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.	Приемами поиска, систематизации и использования математических методов, необходимых для исследования химических систем навыками поиска необходимой информации в литературе для решения профессиональных задач математической химии

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия	Наименование разделов и тем	Вид занятия	Семестр	Часов	Компетенции	Литература
Раздел 1. Введение. Атомы в химии
1.1.	Атомы и понятие молекулярной структуры. Роль электронной плотности.	Лекции	2	1	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
1.2.	Требования к теории атомов в молекулах.	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
1.3.	Матрицы плотности.	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 2. Атомы и топология электронной плотности
2.1.	Топологические свойства электронной плотности. Преобладающий тип распределения электронной плотности в молекулярной системе. Траектории в векторном поле градиента электронной плотности.	Лекции	2	1	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.2.	Гессиан электронной плотности.	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.3.	Циклы и клетки.	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.4.	Соотношение Пуанкаре – Хопфа.	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.5.	Критические точки и их классификация. Критические точки молекулярного распределения заряда.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.6.	Подготовка к семинару по теме "Критические точки и их классификация. Критические точки молекулярного распределения заряда."	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.7.	Векторное поле градиента электронной плотности.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.8.	Подготовка к семинару по теме "Векторное поле градиента электронной плотности."	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.9.	Локальные свойства электронной плотности.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.10.	Подготовка к семинару по теме "Локальные свойства электронной плотности."	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.11.	Фазовые портреты векторного поля градиента электронной плотности. Математические свойства электронной плотности в критической точке.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.12.	Подготовка к семинару по теме "Фазовые портреты векторного поля градиента электронной плотности. Математические свойства электронной плотности в критической точке."	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.13.	Элементы молекулярной структуры.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.14.	Подготовка к семинару по теме "Элементы молекулярной структуры."	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.15.	Эквивалентность топологического и квантового определений атомов.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.16.	Подготовка к семинару по теме "Эквивалентность топологического и квантового определений атомов."	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.17.	Химические связи и молекулярные графы.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.18.	Подготовка к семинару по теме "Химические связи и молекулярные графы."	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 3. Молекулярная структура и ее изменение.
3.1.	Понятие структуры в химии. Отношение эквивалентности. Теория молекулярной структуры. Структурный гомеоморфизм между электронной плотностью и ядерным потенциалом. Одноэлектронный случай.	Лекции	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
3.2.	Сравнение структурных диаграмм с другими разделениями в R^Q.	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
3.3.	Определение молекулярной структуры. Изменения в структуре.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
3.4.	Подготовка к семинару по теме "Определение молекулярной структуры. Изменения в структуре."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
3.5.	Пересечения линий и поверхностей в пространстве R^3.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
3.6.	Подготовка к семинару по теме "Пересечения линий и поверхностей в пространстве R^3."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 4. Математические модели структурных изменений.
4.1.	Теория катастроф. Изоляция непостоянной части критической точки.	Лекции	2	1	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.2.	Элементарные катастрофы.	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.3.	Катастрофы в молекулярных структурах.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
4.4.	Подготовка к семинару по теме "Катастрофы в молекулярных структурах."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 5. Квантовый атом.
5.1.	Наблюдаемые величины. Вариационный принцип для подсистемы.	Лекции	2	1	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
5.2.	Роль электронной плотности в определении структуры.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
5.3.	Подготовка к семинару по теме "Роль электронной плотности в определении структуры."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 6. Модели химической связи и лапласиан электронной плотности.
6.1.	Свойства лапласиана электронной плотности. Концентрация заряда валентной оболочки. Связывающие и несвязывающие концентрации заряда. Физическая основа модели ОЭПВО молекулярной геометрии.	Лекции	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
6.2.	Характеристика и классификация атомных взаимодействий.	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
6.3.	Атомные взаимодействия в связанном и несвязанном состояниях.	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
6.4.	Теорема вириала и химическая связь.	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
6.5.	Физическая основа модели электронных пар Льюиса. Лапласиан электронной плотности и химическая реакционная способность. Кислотно-основные реакции по Льюису.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
6.6.	Подготовка к семинару по теме "Физическая основа модели электронных пар Льюиса. Лапласиан электронной плотности и химическая реакционная способность. Кислотно-основные реакции по Льюису."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
6.7.	Водородные связи. Ван-дер-Ваальсовы молекулы. Взаимодействия промежуточного типа.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
6.8.	Подготовка к семинару по теме "Водородные связи. Ван-дер-Ваальсовы молекулы. Взаимодействия промежуточного типа."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
6.9.	Подготовка к зачету	Сам. работа	2	8	ОПК-1	Л1.1, Л2.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

приведены в ФОС в приложении

5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)

не предусмотрены

5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации

приведен в приложении

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л1.1	С. А. Безносюк, М. С. Жуковский, Ю. В. Терентьева	Математическая химия наноструктурных материалов: учеб. пособие	Изд-во АлтГУ, 2013	elibrary.asu.ru
6.1.2. Дополнительная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л2.1	С. А. Безносюк, М. С. Жуковский, Т. М. Жуковская	Квантовая механика наносистем: учеб. пособие	Изд-во АлтГУ, 2013	elibrary.asu.ru
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
	Название		Эл. адрес
Э1	Электронный ресурс научной школы «Фундаментальные основы нанонаук и прорывные нанотехнологии конденсированного состояния» [точка доступа http://compnano.1gb.ru/
Э2	Курс в Moodle «Математическая химия»		portal.edu.asu.ru
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Windows 7 № 60674416 от 19.07.2012 г. (бессрочная); Microsoft Office 2010 № 60674416 от 19.07.2012 г. (бессрочная); 7-Zip; AcrobatReader.
6.4. Перечень информационных справочных систем
http://www.lib.asu.ru электронные ресурсы научной библиотеки АлтГУ http://www.rsl.ru РГБ Российская государственная библиотека http://ben.irex.ru БЕН Библиотека естественных наук http://www.gpntb.ru Государственная публичная научно-техническая библиотека http://ban.pu.ru БАН Библиотека Академии наук http://www.nlr.ru РНБ Российская национальная библиотека http://www.elibrary.ru Научная электронная библиотека РФФИ http://www.lib.msu.su Библиотека МГУ

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория	Назначение	Оборудование
504К	учебно-исследовательская лаборатория компьютерного нанобиодизайна - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации	Доска маркерная; столы учебные на 10 посадочных мест; проектор короткофокусный мультимедийный ЕВ-420 1 ед.; экран; компьютеры: марка RAMEC модель G161 10G\03Y4 - 8 единиц; проектор: марка BENQ - 1 единица;

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Как работать над конспектом после лекции
Какими бы замечательными качествами в области методики ни обладал лектор, какое бы большое значение на занятиях ни уделял лекции слушатель, глубокое понимание материала достигается только путем самостоятельной работы над ним.
Самостоятельную работу следует начинать с доработки конспекта, желательно в тот же день, пока полученная информация еще хранится в памяти. Как правило, через 10 ч после лекции в памяти остается не более 30-40 % материала.
С целью доработки необходимо, в первую очередь, прочитать записи, восстановить текст в памяти, а также исправить описки, расшифровать не понятные сокращения, заполнить пропущенные места, понять текст, вникнуть в его смысл. Далее прочитать материал по рекомендуемой литературе, разрешая в ходе чтения, возникшие ранее затруднения, вопросы, а также дополнения и исправляя свои записи.
Записи должны быть наглядными, для чего следует применять различные способы выделений. В ходе доработки конспекта углубляются, расширяются и закрепляются знания, а также дополняется, исправляется и совершенствуется конспект.
Подготовленный конспект и рекомендуемая литература используется при подготовке к практическому занятию. Подготовка сводится к внимательному прочтению учебного материала, к выводу с карандашом в руках всех утверждений и формул, к решению примеров, задач, к ответам на вопросы, предложенные в конце лекции преподавателем или помещенные в рекомендуемой литературе. Примеры, задачи, вопросы по теме являются средством самоконтроля.
Непременным условием глубокого усвоения учебного материала является знание основ, на которых строится изложение материала. Обычно преподаватель напоминает, какой ранее изученный материал и в какой степени требуется подготовить к очередному занятию. Эта рекомендация, как и требование систематической и серьезной работы над всем лекционным курсом, подлежит безусловному выполнению. Потери логической связи как внутри темы, так и между ними приводит к негативным последствиям: материал учебной дисциплины перестает основательно восприниматься, а творческий труд подменяется утомленным переписыванием. Обращение к ранее изученному материалу не только помогает восстановить в памяти известные положения, выводы, но и приводит разрозненные знания в систему, углубляет и расширяет их. Каждый возврат к старому материалу позволяет найти в нем что-то новое, переосмыслить его с иных позиций, определить для него наиболее подходящее место в уже имеющейся системе знаний. Неоднократное обращение к пройденному материалу является наиболее рациональной формой приобретения и закрепления знаний. Очень полезным в практике самостоятельной работы, является предварительное ознакомление с учебным материалом. Даже краткое, беглое знакомство с материалом очередной лекции дает многое. Студенты получают общее представление о ее содержании и структуре, о главных и второстепенных вопросах, о терминах и определениях. Все это облегчает работу на лекции и делает ее целеустремленной.

Подготовка к практическому занятию
Студент должен четко уяснить, что именно с лекции начинается его подготовка к практическому занятию. Вместе с тем, лекция лишь организует мыслительную деятельность, но не обеспечивает глубину усвоения программного материала.
При подготовке к семинару можно выделить 2 этапа:
1-й – организационный,
2-й – закрепление и углубление теоретических знаний.
На первом этапе студент планирует свою самостоятельную работу, которая включает:
– уяснение задания на самостоятельную работу;
– подбор рекомендованной литературы;
– составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки.
Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.
Второй этап включает непосредственную подготовку студента к занятию. Начинать надо с изучения рекомендованной литературы. Необходимо помнить, что на лекции обычно рассматривается не весь материал, а только его часть. Остальная его часть восполняется в процессе самостоятельной работы. В связи с этим работа с рекомендованной литературой обязательна. Особое внимание при этом необходимо обратить на содержание основных положений и выводов, объяснение явлений и фактов, уяснение практического приложения рассматриваемых теоретических вопросов. В процессе этой работы студент должен стремиться понять и запомнить основные положения рассматриваемого материала, примеры, поясняющие его, а также разобраться в иллюстративном материале.
Заканчивать подготовку следует составлением плана (перечня основных пунктов) по изучаемому материалу (вопросу). Такой план позволяет составить концентрированное, сжатое представление по изучаемым вопросам.
В процессе подготовки к семинару рекомендуется взаимное обсуждение материала, во время которого закрепляются знания, а также приобретается практика в изложении и разъяснении полученных знаний, развивается речь.
При необходимости следует обращаться за консультацией к преподавателю. Идя на консультацию, необходимо хорошо продумать вопросы, которые требуют разъяснения.
В начале семинара студенты под руководством преподавателя более глубоко осмысливают теоретические положения по теме занятия, раскрывают и объясняют основные явления и факты. В процессе творческого обсуждения и дискуссии вырабатываются умения и навыки использовать приобретенные знания для решения практических задач.

Как работать с рекомендованной литературой
Успех в процессе самостоятельной работы, самостоятельного чтения литературы во многом зависит от умения правильно работать с книгой, работать над текстом.
Опыт показывает, что при работе с текстом целесообразно придерживаться такой последовательности. Сначала прочитать весь заданный текст в быстром темпе. Цель такого чтения заключается в том, чтобы создать общее представление об изучаемом (не запоминать, а понять общий смысл прочитанного) материале. Затем прочитать вторично, более медленно, чтобы в ходе чтения понять и запомнить смысл каждой фразы, каждого положения и вопроса в целом.
Чтение приносит пользу и становится продуктивным, когда сопровождается записями. Это может быть составление плана прочитанного текста, тезисы или выписки, конспектирование и др.
Выбор вида записи зависит от характера изучаемого материала и целей работы с ним.
Если содержание материала несложное, легко усваиваемое, можно ограничиться составлением плана. Если материал содержит новую и трудно усваиваемую информацию, целесообразно его законспектировать.
План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень вопросов, отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный план вполне заменяет конспект.
Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Различаются четыре типа конспектов.
План-конспект – это развернутый детализированный план, в котором достаточно подробные записи приводятся по тем пунктам плана, которые нуждаются в пояснении.
Текстуальный конспект – это воспроизведение наиболее важных положений и фактов источника.
Свободный конспект – это четко и кратко сформулированные (изложенные) основные положения в результате глубокого осмысливания материала. В нем могут присутствовать выписки, цитаты, тезисы; часть материала может быть представлена планом.
Тематический конспект – составляется на основе изучения ряда источников и дает более или менее исчерпывающий ответ по какой-то схеме (вопросу).
В процессе изучения материала источника, составления конспекта нужно обязательно применять различные выделения, подзаголовки, создавая блочную структуру конспекта. Это делает конспект легко воспринимаемым, удобным для работы.

Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов
Самостоятельная работа студентов (СРС) под руководством преподавателя является составной частью «самостоятельная работа студентов», принятого в высшей школе. СРС под руководством преподавателя представляет собой вид занятий, в ходе которых студент, руководствуясь методической и специальной литературой, а также указаниями преподавателя, самостоятельно выполняет учебное задание, приобретая и совершенствуя при этом знания, умения и навыки практической деятельности. При этом взаимодействие студента и преподавателя приобретает вид сотрудничества: студент получает непосредственные указания преподавателя об организации своей самостоятельной деятельности, а преподаватель выполняет функцию руководства через консультации и контроль.
Познавательная деятельность студентов при выполнении самостоятельных работ данного вида заключается в накоплении нового для них опыта деятельности на базе усвоенного ранее формализованного опыта (опыта действий по известному алгоритму) путем осуществления переноса знаний, умений и навыков. Суть заданий работ этого вида сводится к поиску, формулированию и реализации идей решения. Это выходит за пределы прошлого формализованного опыта и в реальном процессе мышления требует от обучаемых варьирования условий задания и усвоенной ранее учебной информации, рассмотрения ее под новым углом зрения. В связи с этим самостоятельная работа данного вида должна выдвигать требования анализа незнакомых студентом ситуаций и генерирования новой информации для выполнения задания. В практике обучения в качестве самостоятельной работы чаще всего используются домашние задание, отдельные этапы лабораторных и семинарско-практических занятий, написание рефератов, курсовых и дипломных работ, а также дипломное проектирование.

Методические указания для подготовки к зачету
Подготовка к зачету способствует закреплению, углублению и обобщению знаний, получаемых, в процессе обучения, а также применению их к решению практических задач. Готовясь к зачету, студент ликвидирует имеющиеся пробелы в знаниях, углубляет, систематизирует и упорядочивает свои знания. На зачете студент демонстрирует то, что он приобрел в процессе обучения по конкретной учебной дисциплине.
Требования к организации подготовки к зачету те же, что и при занятиях в течение семестра, но соблюдаться они должны более строго. Вначале следует просмотреть весь материал по сдаваемой дисциплине, отметить для себя трудные вопросы. Обязательно в них разобраться. В заключение еще раз целесообразно повторить основные положения, используя при этом листы опорных сигналов.
В период подготовки к зачету студенты могут получить у преподавателя индивидуальные и групповые консультации.
Подготовка к зачету – это завершающий, наиболее активный этап самостоятельной работы студента над учебным курсом.