1 - НГУ

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«Новосибирский национальный исследовательский
государственный университет»
Факультет естественных наук
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФЕН НГУ, профессор
_____________ Резников В.А.
«____»______________ 2014 г.
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Курс 1-й, 2-й семестр
Учебный курс
М.2 — Математический и естественнонаучный цикл
(Вариативная часть, дисциплины по выбору)
Направление подготовки
020400.65 — Биология
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Новосибирск
2014
1
Учебный курс предназначен для магистрантов 1-го курса Факультета
естественных наук, обучающихся по направлению 020400 «Биология» и
специализирующихся в области экологии и биологического разнообразия.
В состав методических материалов включены: программа курса лекций,
перечень основных понятий предмета, структура курса, задания для
самостоятельной работы, список литературы. Приведены образцы
вопросов билетов для дифференцированного зачета.
Составитель:
Л. В. Недорезов, д.ф.-м.н., проф.
В. Л. Неклюдова, к.ф.-м.н.
М.Г. Сергеев, д.б.н., проф.
© Новосибирский государственный
университет, 2014
2
Содержание
Аннотация рабочей программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1. Цели освоения дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4. Структура и содержание дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Программа курса лекций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5. Образовательные технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
обучающегося . Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины . . . . . . . . . 12
Примерные задания и вопросы для самостоятельной работы . . . . . 12
Образцы вопросов, включенных в экзаменационные билеты . . . . . 12
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины . . 13
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . 16
3
Аннотация рабочей программы
Дисциплина «Экологическое моделирование» входит в состав
вариативной части (дисциплины по выбору) математического и
естественнонаучного цикла направления 020400 "Биология (магистры)".
Дисциплина реализуется на Факультете естественных наук Федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего
образования
«Новосибирский
национальный
исследовательский
государственный университет» кафедрой общей биологии и экологии.
Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с
проблемами моделирования в экологии и смежных областях, основными
подходами в моделировании, в том числе математическом,
картографическом
и
сетевом,
современными
компьютерными
технологиями.
Дисциплина нацелена на формирование общекультурных ОК-1, ОК5, ОК-6 и профессиональных компетенций ПК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-5, ПК-6
выпускника.
Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы
организации учебного процесса: лекции, самостоятельная работа студента.
Формы рубежного контроля определяются решениями Ученого
совета, действующими в течение текущего учебного года. Промежуточный
контроль – экзамен.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72
академических часа. Программой дисциплины предусмотрены 30 часов
лекций, 36 часов самостоятельной работы студентов.
УМК "Экологическое моделирование" составлен в соответствии с
требованиями действующих образовательных стандартов к обязательному
минимуму содержания и уровню подготовки магистров направления
«Биология», специализирующихся в области экологии и биологического
разнообразия. На основе отдельных блоков УМК могут быть
сформированы оригинальные курсы для решения конкретных задач
подготовки специалистов того или иного направления.
УМК также может быть использован для обучения студентов,
магистрантов и аспирантов и знакомит с основными аспектами
экологического моделирования. Основной целью освоения включенных в
состав УМК дисциплин является формирование у будущих исследователей
современных интегрированных представлений об возможностях
использования моделирования для познания биосферы и локальных
экологических систем. УМК также может быть использован в системе
дополнительного профессионального образования.
4
1. Цели освоения дисциплины
Основной целью освоения дисциплины является формирование
представлений об основных принципах и подходах моделирования и
возможностях его использования при исследовании экологических процессов
и явлений.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса
— ввести представление о моделировании и его роли в экологических
исследованиях,
— познакомить студентов с классическими экологическими моделями,
— сформировать современное представление об экологическом
моделировании, в том числе сетевом и картографическом.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Экологическое моделирование» входит в состав
вариативной часть (дисциплины по выбору математического и
естественнонаучного цикла направления подготовки 020400.65 —
Биология (магистры). Дисциплина реализуется на Факультете
естественных наук НГУ кафедрой общей биологии и экологии.
Дисциплина «Экология антропогенных ландшафтов» опирается на
следующие дисциплины ООП бакалавратуры:
 Экология
 География
 Ботаника
 Зоология
 Генетика
 Эволюционная теория
и ООП магистратуры:
Экология антропогенных ландшафтов.
Результаты освоения дисциплины «Экология насекомых» используются
в следующих дисциплинах данной ООП:
 Учение о популяциях
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины
Дисциплина нацелена на формирование компетенций выпускника
общекультурных:
5
— способен к творчеству (креативность) и системному мышлению
(ОК-1);
— проявляет инициативу, в том числе в ситуациях риска, способен
брать на себя всю полноту ответственности, способен к поиску решений в
нестандартных ситуациях (ОК-5);
— способен самостоятельно приобретать с помощью
информационных технологий и использовать в практической деятельности
новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний,
непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6);
профессиональных:
— понимает современные проблемы биологии и использует
фундаментальные биологические представления в сфере
профессиональной деятельности для постановки и решения новых задач
(ПК-1);
— знает и использует основные теории, концепции и принципы в
избранной области деятельности, способен к системному мышлению (ПК2);
— самостоятельно анализирует имеющуюся информацию, выявляет
фундаментальные проблемы, ставит задачу и выполняет полевые,
лабораторные биологические исследования при решении конкретных задач
по специализации с использованием современной аппаратуры и
вычислительных средств, демонстрирует ответственность за качество
работ и научную достоверность результатов (ПК-3);
— демонстрирует знание основ учения о биосфере, понимание
современных биосферных процессов, способность к их системной оценке,
способность прогнозировать последствия реализации социально значимых
проектов (ПК-5);
— творчески применяет современные компьютерные технологии при
сборе, хранении, обработке, анализе и передаче биологической
информации (ПК-6).
По окончании изучения указанной дисциплины студент должен
— иметь представление о принципах моделирования и о
разнообразии моделей в экологии;
— иметь представление об основных классах экологических
моделей, о возможности моделирования в аут-, дем- и синэкологии, о
моделях биосферных процессов;
— иметь представление о картографических моделях;
— знать классические экологические модели (Мальтуса, Ферхюльста
и др.), непараметрические модели и модели с непрерывно-дискретным
поведением тракетории, модели сложных экологических систем.
— уметь использовать экологические модели в своих исследованиях.
6
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72
академических часа.
2
3
4
5
6
7
Моделирование
в экологии
Общие свойства
и функции
моделей
История
экологического
моделирования
Модели в
аутэкологии
Разнообразие
моделей в
демэкологии.
Модели
динамики
численности
одновидовой
популяции
Одномерные
автономные
модели
2
2
2
2
2
3
2
2
4
2
2
5
2
2
6
2
2
7
2
Консультации
1
Контроль
самостоятельной
работы (КСР)
2
Лабораторные
занятия
Практические занятия
лекции
1
Раздел (тема)
дисциплины
Неделя семестра (из учебного плана)
№
п/
п
Семестр (из учебного плана)
Контактная работа
обучающихся с
преподавателем по видам
учебных занятий (из учебного
плана, в часах)
Самостоятельная работа обучающихся (из
учебного плана, в часах)
4.2. Структура дисциплины
Формы
текущего
контроля
успеваемо
сти
(по
неделям
семестра)
Форма
промежут
очной
аттестаци
и
(по
семестрам
, из
учебного
плана)
7
Модели с
дискретным
временем
Популяции с
возрастной
структурой
Популяции с
половой
структурой
Подходы к
моделированию
межвидовых
отношений
Модели
эксплуататор жертва
Оценки
стабильности,
разнообразия и
эластичности
экологической
системы
Катарстрофическ
ие процессы
2
8
2
2
9
2
2
10
2
2
11
2
1
2
12
2
1
2
13
2
1
2
14
2
1
15
Сетевые модели
2
15
2
1
16
Промежуточна
я аттестация
2
8
9
10
11
12
13
14
ИТОГО часов:
1
36
30
6
Дифферен
цированн
ый зачет
36
Программа курса лекций
1. Специфика экологического знания и возможности моделирования.
Сложности отношений объект – субъект – предмет познания в
экологических исследованиях. Общий характер объектов экологического
исследования:
(1) разнообразие и удивительная сложность, (2)
изменчивость, неоднозначность, но не хаотичность, (3) определенная
целостность и детерминированность, (4)
особый тип структурной
организованности, (5) самоорганизованность и самовоспроизведение, (6)
сложная динамика.
2. Моделирование как отражение интеграции современной наук и.
Общие свойства моделей: упрощение, условная адекватность, создание
«искусственного» заместителя реального объекта, обратный перенос
8
знаний с использованием определенных правил. Модели: материальные и
мысленные. Классы мысленных моделей: вербальные, графические,
матричные, математические (в том числе эмпирико-статистические,
аналитические: имитационные).
Функции
моделей:
(1)
представление
(концепция)
(квазинормативная), (2) программа наблюдения (в том числе
эксперимента), (организационная), (3) протокол (собирательная), (4)
программа синтеза (организационно-нормативная), (5) результат
(эталонные, систематизирующие, объяснительные, коммуникативные).
3. История экологического моделирования: от Фибоначчи до наших
дней. Демографические таблицы (Джон Грант и Эдмонд Галлей). Идея
круговорота у Леонардно да Винчи. Появление собственно
математических моделей: Роберт Мальтус , Бенджамин Гомперц и ПьерФрансуа Ферхюльст. Первая экологическая (эколого-медицинская) карта
Джон Сноу. Развитие математических моделей в первой половине XX в., в
том числе создание матриц Лесли. Генетико-популяционные модели.
Появление сетевых моделей, роль трофико-динамической концепции
Рэймонда Линдемана. Первые эффективно работающие эмпирикостатистические модели .
4. Аутэкология: вербальные и графические модели. Модели,
описывающие распределение абиотических факторов. Концепция
совокупного действия природных факторов: уравнение Митчерлиха—
Бауле. Модели потоков «особь—окружающая среда», в том числе
диффузионные. Оценки общего обмена и обмена веществом. Модели
оптимального использования ресурсов. Оптимальная фуражировка.
5. Демэкология: вербальные, графические, в том числе
картографические модели. Проблемы экологического картографирования:
картирование (в том числе картографическая основа, наличие хороших
базовых
карт),
точность
привязки,
ограничения,
приемлемость/устойчивость количественных оценок / скорость изменения,
разномасштабность и трёхмерность, принципы экстра- и интерполяции.
6. Модели динамики численности одновидовой популяции.
Экспоненциальный рост. Динамика популяций с учетом естественных
ограничений (внутривидовая конкуренция, ограниченность пищевых
ресурсов).
7. Баланс численности популяции. Анализ одномерных автономных
моделей. Критическая плотность. Условия устойчивости
8. Построение моделей с дискретным временем. Логистические
модели и дискретно-непрерывные модели изолированной популяции.
Процесс рождения-гибели. Простой ветвящийся процесс.
9. Анализ системных обыкновенных дифференциальных уравнений
на плоскости. Динамика популяций с возрастной структурой. Модель
Лесли.
9
10. Динамика популяций с половой структурой.
Динамика популяций с типовой структурой. Непараметрическая
модель. Модель с непрерывно-дискретным поведением.
11. Модели Лотки – Вольтера, Колмогорова, Ресциньо – Ричардсона.
12. Динамика систем фитофаг – энтомофаг, ресурс – потребитель.
Модели конкуренции.
13. Оценки стабильности, разнообразия и эластичности
экологической системы. Устойчивость в популяциях нескольких
взаимодействующих видов. Принцип Либиха и Л-системы Полетаева.
Некоторые вопросы представления результатов моделирования, фазовый и
параметрический портреты системы.
14. Моделирование катастрофических процессов в экологических
системах. Параметры экологических систем и физические методы их
измерения. Биомониторинг, биосферные станции, измерительные
комплексы. Оценка точности измерения параметров и влияние
погрешностей измерений на прогноз состояния экосистемы.
15. Сетевые модели: вербальное и графическое описание
трофических сетей и потоков вещества и энергии. Современные подходы с
использованием информационных технологий (теория графов и экосети).
5. Образовательные технологии
Обучение проводится по традиционной лекционно-семинарской системе в
сочетании с использованием мультимедийных технологий, технологий
элетронного обучения, интерактивных форм (проведение
микроисследований по самостоятельно поставленным проблемам в
области экологического моделирования, компьютерные симуляции,
интернет-ресурсы). Во время изучения тем 6-13 постоянно используется
симуляционный мультиплатформенный свободно распространяемый пакет
Populus (University of Minnesota).
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО при реализация
компетентностного подхода в учебном процессе используются следующие
формы образовательных технологий: технология развития критического
мышления, технология проблемного обучения, технология проведения
перекрестных дискуссий.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля
10
успеваемости,
дисциплины
промежуточной аттестации по итогам освоения
Фонд оценочных средств по курсу "Экология антропогенных ландшафтов"
включает вопросы для самостоятельной работы и вопросы для
дифференцированного зачета.
Примерные задания для самостоятельной работы
— Модель Мальтуса
— Статические демографические таблицы
— Модели пространственных отношений
— Матрицы Лесли
— Сравнительная характеристика моделей Николсона--Бэйли и Лесли
— Мотивы в экосетях
Образцы вопросов, включенных в билеты для сдачи
дифференцированного зачета
— Динамика популяции с половой структурой: модели
непрерывно-дискретным поведением траекторий.
— Модель Лотки – Вольтера без саморегуляции.
— Модель Ферхюльста.
— Непараметрическая модель системы хищник - жертва.
— Основные способы математической оценки биоразнообразия.
с
Оценивание обучающихся проводится в соответствии с критериями,
перечисленными в действующем Положении "О проведении текущего
контроля успеваемости и промежуточной аттестации обучающихся в
Новосибирском государственном университете".
Промежуточная аттестация по дисциплине в форме дифференцированного
зачета. Дифференцированный зачет проводится в устной форме. Каждый
билет включает по два вопроса.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература
Биоразнообразие и динамика экосистем: информационные технологии и
моделирование. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. 646 с.
Мэйнард Смит Дж. Математические идеи в биологии. М. : УРСС, 205. 179
с.
11
Суховольский В.Г., Исхаков Т. Р., Тарасова О. В. Оптимизационные
модели межпопуляционных взаимодействий. Новосибирск: Наука, 2008.
161 с.
б) дополнительная литература
Варли Дж. К., Градуэлл Дж. Р., Хасселл М. П. Экология популяций
насекомых. М.: Колос, 1978. 222 с.
Маргалеф Р. Облик биосферы. М.: Наука, 1992. 214 с.
Недорезов Л.В. Курс лекций по математической экологии. Новосибирск:
Сибирский хронограф, 1997.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Сервер "BIODAT"
http://biodat.ru/
Сервер Simulistics
http://www.simulistics.com/
Мультиплатформенный пакет Populus
http://www.cbs.umn.edu/research/resources/populus
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
 Ноутбук, медиа-проектор, экран.
 Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.
Авторы:
Недорезов Лев Владимирович, д.ф.-м.н.
Неклюдова Вера Леонидовна, к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры
химии окружающей среды ФЕН НГУ
Сергеев Михаил Георгиевич, д.б.н., профессор, заведующий кафедрой
общей биологии и экологии ФЕН НГУ
Программа одобрена на заседании кафедры общей биологии и экологии "
13 " мая 2014 г., протокол заседания № 2
Секретарь кафедры, к.б.н. _____________ А.М. Бывальцев
12