МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Математическая химия
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра физической и неорганической химии
Направление подготовки04.05.01. Фундаментальная и прикладная химия (специальность)
Специализация"Органическая химия"; "Физическая химия твердых тел, коллоидных систем и наноматериалов". ФГОС 3++
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план04_05_01_ФиПХ-2-2020
Часов по учебному плану 82
в том числе:
аудиторные занятия 42
самостоятельная работа 40
Виды контроля по семестрам
зачеты: 3

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 2 (3) Итого
Недель 18
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Лабораторные 24 24 24 24
Сам. работа 40 40 40 40
Итого 82 82 82 82

Программу составил(и):
д.ф.-м.н., профессор, Безносюк Сергей Александрович

Рецензент(ы):
д.ф.-м.н., профессор, Плотников Владимир Александрович

Рабочая программа дисциплины
Математическая химия

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по специальности 04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия (приказ Минобрнауки России от 13.07.2017г. №652)

составлена на основании учебного плана:
04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра физической и неорганической химии

Протокол от 06.07.2020 г. № 10
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
Безносюк Сергей Александрович

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра физической и неорганической химии

Протокол от 06.07.2020 г. № 10
Заведующий кафедрой Безносюк Сергей Александрович

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель преподавания дисциплины состоит в изложении вопросов теоретического фундамента стыка наук – химии и математики: основного математического аппарата, квантовой топологии химических частиц, типов межчастичных взаимодействий.
Задачи изучения дисциплины: Знание основных принципов и методов математической химии (теория групп в химии, теория графов в химии, теория кодов в химии, элементы компьютерных методов); знание основ квантовой топологии химических частиц (атомная топология Бейдера, топологическая классификация химических частиц и реакций); умение рассматривать химическую частицу как ядерно-электронный рой в физическом пространстве; умение составлять и анализировать топологические графы молекул, умение решать задачи аналитически, рассчитывать матричные элементы операторов, анализировать свойства симметрии МО.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.О.05

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-3: Способен применять расчетно-теоретические методы для изучения свойств веществ и процессов с их участием, используя современное программное обеспечение и базы данных профессионального назначения
ОПК-4: Способен планировать работы химической направленности, обрабатывать и интерпретировать полученные результаты с использованием теоретических знаний и практических навыков решения математических и физических задач
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.теоретические основы разделов математики и физики необходимые для решения профессиональных задач в области математической химии
систему фундаментальных химических понятий и методологических аспектов математической химии и смежных с химией математических и естественнонаучных дисциплин.
3.2.Уметь:
3.2.1.решать типовые учебные задачи по основным разделам в области математической химии
привлекать знания из специальных разделов математики для решения профессиональных задач в области математической химии
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Навыками решения типовых задач по основным разделам в области математической химии
навыками поиска необходимой информации по математической химии в базах данных

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Введение
1.1. Предмет и методы математической химии. Лекции 3 2 ОПК-3 Л1.1
1.2. История развития математической химии. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1
Раздел 2. Математический и понятийный аппарат математической химии
2.1. Алгебра. Векторы и матрицы. Лекции 3 2 ОПК-3 Л1.1
2.2. Алгебраические дополнения бесконечномерных матриц. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1
2.3. Умножение, сложение, вычитание векторов. Контравариантные, ковариантные векторы. Скалярное, прямое и тензорное произведения векторов. Лабораторные 3 4 ОПК-3 Л1.1
2.4. Подготовка к семинару по теме "Умножение, сложение, вычитание векторов. Контравариантные, ковариантные векторы. Скалярное, прямое и тензорное произведения векторов." Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1
2.5. Умножение, сложение матриц. Транспонированная, симметрическая, антисиметрическая матрицы. Лабораторные 3 2 ОПК-3 Л1.1
2.6. Подготовка к семинару по теме "Умножение, сложение матриц. Транспонированная, симметрическая, антисиметрическая матрицы." Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1
2.7. Теория групп. Понятие группы. Точечные группы симметрии. Лекции 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.8. Примеры приложения теории групп в химии. Построение матриц произведений элементов группы для различных химических объектов. Сам. работа 3 4 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.9. Упорядоченные, неупорядоченные множества. Группы по умножению, по сложению, по возведению в степень. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.10. Способы генерации матрицы умножения точечной группы симметрии. Лекции 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.11. Прямое и полупрямое произведения. Правые, левые смежные классы. Примеры матричных представлений генераторов различных молекул. Промотирование и гибридизация атомных орбиталей. Рибдерговские атомы. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.12. Подгруппы, кольца и тела множеств. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.13. Произведение точечных групп. Смежные классы. Матричные представления генераторов. Трансляционная симметрия. Совместимость трансляций и поворотов. Лекции 3 4 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.14. Точечные группы симметрии. Матричные произведения точечных групп. Лабораторные 3 6 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.15. Подготовка к семинару по теме "Точечные группы симметрии. Матричные произведения точечных групп." Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.16. Кристаллические классы. Кристаллические системы. Центрирование. Структурные диаграммы. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
2.17. Произведение точечных групп. Коммутирующие, некоммутирующие группы. Инвариантные, неинвариантные элементы симметрии. Матричные представления генераторов. Трансляции. Повороты. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.1
Раздел 3. Элементы топологических методов, теория графов и решение задач по ней
3.1. Топология. Элементы топологии в химии. Теория графов. Лекции 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.2
3.2. Развитие теории топологии. Изоморфные графы. Деревья. Леса. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.2
3.3. Элементы топологии. Графы. Операции над множествами. Матрицы смежности вершин графов. Лабораторные 3 4 ОПК-3 Л1.1, Л2.2
3.4. Подготовка к семинару по теме "Элементы топологии. Графы. Операции над множествами. Матрицы смежности вершин графов." Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1, Л2.2
3.5. Множества и операции над ними. Атомная топология Бейдера. Лекции 3 2 ОПК-3 Л1.1
3.6. Структурные диаграммы. Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1
3.7. Атомная топология Бейдера. Топология электронной плотности. Векторное поле градиента электронной плотности. Фазовые портреты градиента. Химические связи и молекулярные графы. Лабораторные 3 4 ОПК-3 Л1.1
3.8. Подготовка к семинару по теме "Атомная топология Бейдера. Топология электронной плотности. Векторное поле градиента электронной плотности. Фазовые портреты градиента. Химические связи и молекулярные графы." Сам. работа 3 2 ОПК-3 Л1.1
Раздел 4. Квантовая теория информации
4.1. Информатика. Применение теории информации в химии. Лекции 3 2 ОПК-3 Л1.1
4.2. Информация Шеннона, Хартли, Фишера. Энергия – Энтропия – Информация. Лабораторные 3 4 ОПК-3 Л1.1
4.3. Подготовка к семинару по теме "Информация Шеннона, Хартли, Фишера. Энергия – Энтропия – Информация." Сам. работа 3 4 ОПК-3 Л1.1
4.4. Подготовка к зачету Сам. работа 3 4 ОПК-3 Л1.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
приведены в ФОС в приложении
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
не предусмотрены
5.3. Фонд оценочных средств
приведен в приложении
Приложения

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 http://elibrary.asu.ru/handle/asu/449
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Крашенинин В. И., Газенаур Е. Г., Кузьмина Л. В. Симметрия в химии: Учебники и учебные пособия для ВУЗов Кемеровский государственный университет, 2013 http://biblioclub.ru/index.php?page=book_red&id=232679
Л2.2 Гладких О. Б., Белых О. Н. Основные понятия теории графов: Учебники и учебные пособия для ВУЗов Елецкий государственный университет им. И. А. Бунина, 2011 http://biblioclub.ru/index.php?page=book_red&id=272065
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Курс в Moodle «Математическая химия» https://portal.edu.asu.ru/mod/chat/gui_ajax/index.php?id=1414
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
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)

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.