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

Компьютерный инжининринг наносистем материалов
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра физической и неорганической химии
Направление подготовки04.04.01. Химия
ПрофильКвантовые технологии, компьютерный наноинжиниринг и физикохимия материалов. ФГОС 3++
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость6 ЗЕТ
Учебный план04_04_01_Химия-2-2020
Часов по учебному плану 216
в том числе:
аудиторные занятия 64
самостоятельная работа 125
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 4
зачеты: 3

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 2 (3) 2 (4) Итого
Недель 20 6
Вид занятий УПРПДУПРПДУПРПД
Лекции 12 12 12 12 24 24
Практические 20 20 20 20 40 40
Сам. работа 76 76 49 49 125 125
Часы на контроль 0 0 27 27 27 27
Итого 108 108 108 108 216 216

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

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

Рабочая программа дисциплины
Компьютерный инжининринг наносистем материалов

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 04.04.01 Химия (уровень магистратуры) (приказ Минобрнауки России от 13.07.2017г. №655)

составлена на основании учебного плана:
04.04.01 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, доктор физико-математических наук, профессор

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, доктор физико-математических наук, профессор

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель преподавания дисциплины. В курсе излагаются теоретические основы методов исследования наноматериалов, а так же методы компьютерного моделирования. Курс имеет ключевую роль в подготовке физико-химиков – нанотехнологов – специалистов в области компьютерного нанодизайна, наносинтеза и управления нанотехнологическими процессами создания адаптивных наноматериалов, использующихся в областях электроники, энергетики, вооружения, медицины.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.01.01

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-1: Способен выполнять комплексные экспериментальные и расчетно-теоретические исследования в избранной области химии или смежных наук с использованием современных приборов, программного обеспечения и баз данных профессионального назначения
ОПК-2: Способен анализировать, интерпретировать и обобщать результаты экспериментальных и расчетно-теоретических работ в избранной области химии или смежных наук
ПК-1: Способен проводить работы по обработке и анализу научно-технической информации и результатов исследований
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.теоретические основы дисциплины компьютерный инжиниринг функциональных наноматериалов, способен применить знания при проведении научных исследований
особенности применения методов компьютерного исследования при планировании исследований, получении и обработке результатов научных экспериментов в области инжиниринга функциональных наноматериалов
Теорию подходов компьютерного инжиниринга функциональных наноматериалов
3.2.Уметь:
3.2.1.выполнять действия, направленные на исследования в рамках компьютерного инжиниринга функциональных наноматериалов
Работать на компьютере со специальными пакетами программ для инжиниринга функциональных материалов на уровне пользователя
выполнять операционные действия в области
компьютерного инжиниринга функциональных наноматериалов
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.навыками работы с научной литературой по дисциплине Компьютерный инжиниринг функциональных наноматериалов
компьютерными технологиями при планировании исследований, получении и обработке результатов научных экспериментов в области инжиниринга функциональных материалов
навыками практической работы в области
компьютерного инжиниринга функциональных наноматериалов

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.Атомы и понятие молекулярной структуры. Роль электронной плотности. Лекции 3 2 ОПК-1 Л1.2, Л1.3
1.2. Требования к теории атомов в молекулах. Сам. работа 3 6 ОПК-1 Л1.2
1.3. Матрицы плотности. Сам. работа 3 6 Л1.2
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 3 4 Л1.2
2.2. Гессиан электронной плотности. Сам. работа 3 6 Л1.2
2.3. Циклы и клетки. Сам. работа 3 6 Л1.2
2.4. Соотношение Пуанкаре – Хопфа. Сам. работа 3 4 Л1.2
2.5. Критические точки и их классификация. Критические точки молекулярного распределения заряда. Практические 3 2 Л1.2
2.6. Подготовка к семинару по теме "Критические точки и их классификация. Критические точки молекулярного распределения заряда." Сам. работа 3 4 Л1.2
2.7. Векторное поле градиента электронной плотности Практические 3 2 Л1.2
2.8. Подготовка к семинару по теме "Векторное поле градиента электронной плотности." Сам. работа 3 4 Л1.2
2.9. Локальные свойства электронной плотности. Практические 3 2 Л1.2
2.10. Подготовка к семинару по теме "Локальные свойства электронной плотности." Сам. работа 3 4 Л1.2
2.11. Фазовые портреты векторного поля градиента электронной плотности. Математические свойства электронной плотности в критической точке. Практические 3 4 Л1.2
2.12. Подготовка к семинару по теме "Фазовые портреты векторного поля градиента электронной плотности. Математические свойства электронной плотности в критической точке." Сам. работа 3 4 Л1.2
2.13. Элементы молекулярной структуры. Практические 3 2 Л1.2
2.14. Подготовка к семинару по теме "Элементы молекулярной структуры." Сам. работа 3 4 Л1.2
2.15. Эквивалентность топологического и квантового определений атомов. Практические 3 2 Л1.2
2.16. Подготовка к семинару по теме "Эквивалентность топологического и квантового определений атомов." Сам. работа 3 4 Л1.2
2.17. Химические связи и молекулярные графы. Практические 3 2 Л1.2
2.18. Подготовка к семинару по теме "Химические связи и молекулярные графы." Сам. работа 3 4 Л1.2
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 3 6 Л1.2
3.2. Сравнение структурных диаграмм с другими разделениями в R^Q. Сам. работа 3 6 Л1.2
3.3. Определение молекулярной структуры. Изменения в структуре. Практические 3 2 Л1.2
3.4. Подготовка к семинару по теме "Определение молекулярной структуры. Изменения в структуре." Сам. работа 3 6 Л1.2
3.5. Пересечения линий и поверхностей в пространстве R^3. Практические 3 2 Л1.2
3.6. Подготовка к семинару по теме "Пересечения линий и поверхностей в пространстве R^3." Сам. работа 3 8 Л1.2
Раздел 4. Расчет двухчастичных потенциалов кластерных сил
4.1. Расчет двухчастичных потенциалов кластерных сил. Лекции 4 4 Л1.1, Л1.2, Л2.2
4.2. Расчет двухчастичных потенциалов кластерных сил. Практические 4 4 Л1.1, Л1.2, Л2.1, Л2.2
4.3. Расчет двухчастичных потенциалов кластерных сил. Сам. работа 4 19 Л1.1, Л1.2
Раздел 5. Построение структур наносистем
5.1. Построение геометрической модели на примере гетероперехода Ga(As,P)–(S, Se)–Me Лекции 4 4 ОПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.1, Л2.2
5.2. Построение геометрической модели на примере гетероперехода Ga(As,P)–(S, Se)–Me Практические 4 8 Л1.2
5.3. Построение наноструктур функциональных материалов Сам. работа 4 16 ОПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.1, Л2.2
Раздел 6. Методы исследования наносистем
6.1. Методы компьютерного моделирования квантовой релаксации наночастиц. Лекции 4 4 ОПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.1, Л2.2
6.2. Методы компьютерного моделирования квантовой релаксации наночастиц. Практические 4 8 Л1.2
6.3. Выбор метода исследования наноструктур функциональных материалов Сам. работа 4 14 ОПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.1, Л2.2

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 Безносюк, С.А.; Жуковский, М.С.; Маслова, О.А.; Терентьева, Ю.В. Компьютерное моделирование квантовых электромеханических систем материалов: Барнаул : АлтГУ, 2015 http://elibrary.asu.ru/handle/asu/2178
Л1.2 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
Л1.3 С. А. Безносюк [и др.] Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества: учеб. пособие для вузов Изд-во НТЛ, 2005
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 С. А. Безносюк [и др.] Основы компьютерного инжиниринга нанокомпозитных катализаторов: монография Изд-во АлтГУ, 2014 http://elibrary.asu.ru/handle/asu/3007
Л2.2 Колмаков А. Г. , Баринов С. М. , Алымов М. И. Основы технологий и применение наноматериалов: Физматлит, 2012 http://biblioclub.ru/index.php?page=book_red&id=457666
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 https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=6810
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 лабораторной работе
Теоретическая подготовка
Теоретическая подготовка необходима для проведения компьютерного эксперимента, должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства к данной лабораторной работе.
Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание сущности процесса. Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы. Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей:
1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Теоретическое введение.
4. Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин).
5. Расчеты – окончательная запись результатов работы.
6. Вывод.


При выполнении лабораторных работ измерение физических величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.
Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например, точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и в значительной степени – от своевременности включения и выключения часового механизма.
Лабораторные работы выполняются по письменным инструкциям. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, посуды, реактивов, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.
Внимательное изучение методических указаний поможет выполнить работу.
Небрежное оформление отчета, исправление уже написанного недопустимо.
Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов

1. К выполнению лабораторных работ необходимо приготовиться до начала занятия в лаборатории. Кроме описания работы, используйте рекомендованную литературу и конспект лекций. К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты.
2. При проведении эксперимента результаты измерений и расчетов записывайте четко и кратко в заранее подготовленные таблицы.
3. При обработке результатов измерений:
А) помните, что точность расчетов не может превышать точности прямых измерений;
Б) результаты измерений лучше записывать в виде доверительного интервала.
4. Отчеты по лабораторным работам должны включать в себя следующие пункты:
• название лабораторной работы и ее цель;
• краткое теоретическое обоснование;
• порядок выполнения лабораторной работы;
• далее пишется «Ход работы» и выполняются этапы лабораторной работы, согласно выше приведенному порядку записываются требуемые теоретические положения, результаты измерений, обработка результатов измерений, заполнение требуемых таблиц и графиков, по завершении работы делается вывод.
5. При подготовке к сдаче лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.


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.

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.