РПУД Вычислительные методы в химии_2013x (новое окно)

Правительство Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный университет
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
учебных занятий
Вычислительные методы в химии
Computational methods in chemistry
Язык(и) обучения
русский
_______________________________________________
Трудоёмкость (границы трудоёмкости) в зачетных единицах: _2______
Регистрационный номер рабочей программы: _025414_____
Санкт-Петербург
2013
Раздел 1.
Характеристики учебных занятий
Цели и задачи учебных занятий
1.1.
Цель курса – освоение студентами работы с современными пакетам квантово-химических
программ и программ прикладной математики.
Задачи курса - научить практически применять имеющиеся знания в области
квантовой химии и прикладной математики для решения конкретных химических
задач.
1.2. Требования к подготовленности обучающегося к освоению содержания
учебных занятий (пререквизиты)
Для успешного освоения курса студенты должны быть знакомы с основами квантовой
химии, физики, физической химии, требуются начальные знания по информатике,
линейной алгебре и математическому анализу.
Перечень результатов обучения (learning outcomes)
1.3.
В результате освоения дисциплины аспирант должен овладеть знаниями в области
квантовохимических методов исследования структуры и свойств химических соединений
и познакомиться с основными компьютерными программами квантовой химии.
Перечень активных и интерактивных форм учебных занятий
1.4.
Практические занятия (20 часов).
Раздел 2.
Организация, структура и содержание учебных занятий
Организация учебных занятий
2.1.
2.1.1. Основной курс (факультативные занятия)
Трудоёмкость
итоговая аттестация
(сам.раб.)
промежуточная аттестация
(сам.раб.)
текущий контроль (сам.раб.)
сам.раб. с использованием
методических материалов
Самостоятельная работа
итоговая аттестация
под руководством
преподавателя
в присутствии
преподавателя
промежуточная
аттестация
текущий контроль
коллоквиумы
контрольные работы
лабораторные работы
консультации
практические
занятия
семинары
лекции
Период обучения (модуль)
Контактная работа обучающихся с преподавателем
Объём активных и интерактивных
форм учебных занятий
Трудоёмкость, объёмы учебной работы и наполняемость групп обучающихся
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
2-й год
обучени
я
30
20
2
20
220
220
2-20
1-1
ИТОГО
30
20
2
20
20
2
2
Формы текущего контроля успеваемости, виды промежуточной и итоговой аттестации
Период обучения (модуль)
Формы текущего
контроля
успеваемости
Виды итоговой аттестации
Виды промежуточной
аттестации
(только для программ итоговой
аттестации и дополнительных
образовательных программ)
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
2 год обучения
Зачет
2.2. Структура и содержание учебных занятий
Основной курс
Основная траектория
Очная форма обучения
Период обучения (модуль): 2 год обучения
№ Наименование темы (раздела, части)
п/п
1
Вид учебных занятий
Основные пакеты программ для лекции
квантово-химических расчетов.
практические занятия
по методическим
материалам
2
Программа Gaussian’06. Структура и лекции
возможности программы.
практические занятия
по методическим
материалам
3
Программа Gamess. Структура и лекции
возможности программы.
практические занятия
по методическим
материалам
4
Программа NWChem. Структура и лекции
возможности программы.
практические занятия
по методическим
материалам
Количество
часов
6
4
2
6
4
4
6
4
6
4
4
4
5
6
Программы прикладной математики. лекции
Решение обыкновенных
дифференциальных уравнений;
решение задач линейной алгебры.
4
практические занятия
2
по методическим
материалам
2
лекции
4
практические занятия
2
по методическим
материалам
2
Содержание учебных занятий:
1. Наиболее известные пакеты программ для квантово- химических расчетов.
Программы GAUSSIAN , QChem, GAMESS, NWChem и Jaguar.
Структура input-файлов. Простейшие примеры входных файлов.
Графические программы подготовки входной информации для проведения расчетов.
Структура output-файлов. Графические программы визуализации.
2. Программа Gaussian’06. Структура и возможности программы.
Подготовка входной информации (.com-файлы и их структура). Способы задания
базисов и исходной геометрии. Использование графических средств подготовки
входной информации и мониторинга решаемой задачи.
Структура выходных (.log) файлов. Параллельный и последовательный режимы
запуска программы.
3. Программа Gamess. Структура и возможности программы.
Параллельный и последовательный режимы запуска программы. Подготовка входной
информации (.inp-файлы и их структура).
Способы задания базисов и исходной геометрии. Использование графических средств
мониторинга решаемой задачи.
Структура выходных (.out) файлов. Графические программы ChemCraft, Molden и Avogadro.
Визуализация оптимизации геометрии, мониторинг сходимости, визуализация нормальных
колебаний молекулы и фотоэлектронных спектров.
4. Программа NWChem. Структура и возможности программы. Параллельный и
последовательный режимы запуска программы.
Подготовка входной информации (input-файлы и их структура). Использование графических
средств для мониторинга решаемой задачи c помощью графической оболочки Ecce.
Структура выходных (output) файлов. Визуализация оптимизации
геометрии, мониторинг сходимости, визуализация нормальных колебаний молекулы.
5. Программы прикладной математики. Сравнительная характеристика и возможности
программ Mathematica, Maple, Пакет Mathematica.
Основные правила работы с программой. Интерфейс системы. Типы данных.
Подключение необходимых дополнительных пакетов.
Символическое и численное решение уравнений и систем уравнений и неравенств.
Операторы Reduce, Solve, FindRoot, FindInstance. Работа в различных числовых полях (Q, R, C).
MatLab. Пакет Mathematica. Основные правила работы с программой.
Интерфейс системы. Типы данных. Элементы программирования в среде пакета
Mathematica.
6. Способы задания функций. Встроенные функции и функции пользователя.
Функции с отложенным и немедленным заданием. Чистые (pure) функции.
Операции над функциями: композиции функций, вычисление производных. Минимизация
функций одной и нескольких переменных. Вычисление сумм, рядов, интегралов. Оператор N.
7. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений с частными
производными. Подключение пакета дискретной математики.
Генерация различных комбинаторных объектов.
Построение графов.
8. Решение задач линейной алгебры. Векторы и матрицы как списки с дополнительной
структурой. Вычисление определителей.
Обращение матриц. Решение задачи на собственные значения.
Решение систем линейных уравнений.
Решение систем полиномиальных уравнений над полем комплексных чисел.
9. Графические средства пакета. Двумерная и трехмерная графика. Построение
параметрических кривых и поверхностей. Использование инструкции RegionFunction.
Раздел 3.
3.1.
Обеспечение учебных занятий
Методическое обеспечение
3.1.1 Методические указания по освоению дисциплины
Посещение лекций и практических занятий в дисплейном классе, освоение инструкций по
применению компьютерных программ, пакетов математической обработки.
3.1.2 Методическое обеспечение самостоятельной работы
Foresman J.B., Frisch A. Exploring chemistry with electronic structure methods
(2ed., 1996)
GAUSSIAN User’s Guide - http://www.gaussian.com/g_tech/g09ur.htm
GAMESS User’s Guide - http://www.msg.ameslab.gov/gamess/
NWChem User's Guide - http://www.nwchem-sw.org/index.php/NWChem_Documentation
3.1.3 Методика проведения текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации и критерии оценивания
Промежуточная аттестация проводится в виде зачета по результатам освоения основных
пакетов
компьютерных
программ
(предлагаются
индивидуальные
задания
преподавателем).
3.1.4 Методические материалы для проведения текущего контроля успеваемости и
промежуточной аттестации (контрольно-измерительные материалы, оценочные средства)
Примеры индивидуальных заданий для обучающихся:
1. Расчет геометрической структуры химического соединения; оптимизация геометрии.
2. Вычисление интегралов.
3. Решение системы линейных (нелинейных) уравнений.
4. Нелинейное оценивание параметров.
5. Графическое построение объектов (изображение структуры молекул).
3.1.5 Методические материалы для оценки обучающимися содержания и качества
учебного процесса
Не предусмотрены.
3.2.
Кадровое обеспечение
3.2.1 Образование и (или) квалификация преподавателей и иных лиц, допущенных к
проведению учебных занятий
Профессор, д.х.н./д.ф.-м.н. или доцент, к.х.н./к.ф.-м.н., имеющий опыт преподавательской
работы.
3.2.2 Обеспечение учебно-вспомогательным и (или) иным персоналом
Не требуется.
3.3.
Материально-техническое обеспечение
3.3.1 Характеристики аудиторий (помещений, мест) для проведения занятий
Дисплейный класс на 20 рабочих мест
3.3.2 Характеристики аудиторного оборудования, в том числе неспециализированного
компьютерного оборудования и программного обеспечения общего пользования
Компьютер для показа иллюстративного материала в формате Power Point и
мультимедийный проектор.
3.3.3 Характеристики специализированного оборудования
Персональные компьютеры под Linux OC с выходом в Internet
3.3.4 Характеристики специализированного программного обеспечения
программы GAMESS, GAUSSIAN, NWChem, Mathematica, MatLab, Maple
3.3.5 Перечень и объёмы требуемых расходных материалов
Не предусмотрен.
3.4.
Информационное обеспечение
3.4.1 Список обязательной литературы
В. И. Барановский, Квантовая механика и квантовая химия,
Учебное пособие, изд. «Академия», 2008
О. В. Сизова, А. И. Панин , Неэмпирические расчеты молекул, Учебное пособие,
Химический ф-т СПбГУ (третье издание) 2004
Е. М. Воробьев, Введение в систему "Математика", Учеб. пособие."
М: Финансы и статистика, 1998.
3.4.2 Список дополнительной литературы
Не предусмотрен.
3.4.3 Перечень иных информационных источников
Интернет-ресурсы: Web of Science, www.elibrary.ru
Раздел 4.
Разработчики программы
К.х.н., доцент кафедры квантовой химии СПбГУ А.И. Панин