"ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"*
Введение

Цель курса - дать студентам химических специальностей базовые представления о современных способах применения компьютеров в обучении и научных исследованиях. По окончании курса студент должен быть готов воспользоваться компьютерными технологиями, применяемыми при преподавании других, в том числе химических, дисциплин.

Оптимальное время для данного курса - первый семестр. Учитывая, что преподавание предмета "Информатика" сильно варьируется в разных школах, курс "Информационные технологии" для студентов-химиков является в большей степени общеобразовательным, нацеленным на выравнивание уровня знаний студентов в данной области. Поэтому здесь не предполагается глубокой детализации. Например, несмотря на то, что теория реляционных баз данных представляет собой большой и хорошо разработанный раздел компьютерных технологий, в данном курсе достаточно дать общее представление об отношении, как таблице данных, и о предложении "SELECT" языка SQL, как средстве выражения операций над отношениями. Главное внимание, несомненно, должно быть уделено тем технологиям, с которыми студенты столкнутся на практике в ближайшие годы.

Основной формой проведения занятий должно быть выполнение студентами практических заданий на компьютере. Однако, программа не определяет применяемую для этого программно-аппаратную платформу, оставляя выбор за учебным заведением. В качестве варианта можно порекомендовать использование персональных компьютеров и операционной системы семейства Microsoft Windows либо семейства UNIX. Практикум может быть дополнен небольшим лекционным курсом, в котором излагаются основные теоретические концепции: раздел "Информация" и основы каждой из рассматриваемых компьютерных технологий.

Следует отметить, что в список литературы занесены лишь несколько базовых публикаций, описывающих технологии, а не продукты. При составлении учебного плана он должен быть дополнен руководствами по применяемым в практикуме операционным системам, текстовым редакторам и другим прикладным программам.

Теория информации как научная дисциплина. Получение, передача, хранение и обработка информации. Кодирование информации, двоичное кодирование. Количество информации и единицы измерения. Способы кодирования числовой, текстовой, графической информации. Роль информации в изучении химии и научных исследованиях.

Компьютер как универсальное устройство по преобразованию информации. Общая схема устройства компьютера: процессор, оперативная память, устройства ввода и вывода информации, их назначение и краткие технические характеристики.

Компьютерные программы, их место в процессе обработки информации при помощи компьютера. Программное обеспечение компьютера. Классификация программ на системные и прикладные.

Операционные системы как средства распределения ресурсов компьютерных систем между пользователями и программами. Классификация операционных систем. Основные концепции операционных систем: файлы и файловая система; задачи и управление их исполнением; организация взаимодействия компьютеров в сети; пользователь и система безопасности.

Управление работой компьютера на примере одной из операционных систем (типа UNIX, Windows или DOS). Пакетный и интерактивный режимы. Командный и графический интерфейсы пользователя. Основные концепции графического интерфейса: окна, меню, управляющие элементы диалоговых окон, буфер обмена.

Компьютерный текст как цепочка символов. Роль различных символов в тексте. Системы кодирования символов. Структурные элементы текста: слово, строка, абзац. Обработка текста: ввод и редактирование; отображение (печать); поиск информации в тексте. Текстовые редакторы и текстовые процессоры.

Гипертекст, его структура и использование в справочно-поисковых информационных системах и электронных учебниках.

Практикум работы с текстовым процессором. Шрифтовое оформление документа. Понятие гарнитуры и кегля. Оформление абзаца. Создание и оформление таблиц. Вставка объектов в текстовый документ (формула, диаграмма, рисунок).

Применение электронных таблиц для обработки экспериментальных данных и математического моделирования. Структурные элементы электронной таблицы: строки, столбцы, ячейки. Внесение в ячейку информации разных типов: текста, чисел, формул. Правила записи формул, относительный и абсолютный адрес ячейки.

Практикум работы с процессором электронных таблиц. Вычисление таблицы значений функции; построение диаграммы; вычисление коэффициентов линейной регрессии; моделирование системы, описываемой системой дифференциальных уравнений.

Реляционные базы данных. Модель данных: отношение, атрибут, кортеж. Преобразование отношений при помощи операций соединения, проекции и селекции. Роль систем управления базами данных (СУБД). Язык запросов SQL.

Библиографические базы данных, их содержание и использование для поиска научной информации. Основные источники электронной библиографической информации в области химии, практикум работы с ними.

Базы знаний и экспертные системы: их отличия от баз данных и область применения.

Изображение функций одной переменной в виде диаграмм и графиков различного типа. Изображение осей, маркеров, линий, границ. Способы отображения нескольких функций на одном графике. Изображение функций двух переменных в виде проекций трехмерных поверхностей и линий уровня. Проблема визуализации функций трех переменных и существующие подходы к ее решению (поверхности одинаковых значений, сечения и др.).

Моделирование молекулярных и кристаллических структур в виде проекций трехмерных структур типа шаро-стержневой модели и в виде трехмерных функций (электронной плотности и т.п.).

Передача информации между компьютерами. Сетевой протокол как средство создания разнородной сети. Локальные и глобальные сети. Internet.

Системы передачи электронных сообщений. Электронная почта, телеконференции, служба новостей: принципы функционирования и их место среди средств передачи информации.

Принципы функционирования систем, основанных на технологии клиент-сервер. Глобальная информационная система World Wide Web. Доступ к информации в WWW, поиск информации, публикация в WWW.

Бауэр Ф. Л., Гооз. Г. Информатика: Вводный курс. М.: Мир, 1976.

Дональд Кнут Е. Все про TEX / Пер. с англ.; Под ред. С.В. Клименко, С.Н. Соколова. Протвино: АО RDTEX, 1993.

Дейта К. Введение в системы баз данных. М: Наука, 1980.

Рассохин Д., Лебедев А. World Wide Web - всемирная информационная паутина в сети Internet. М.: МГУ, 1997.

Программу составили:

А.В.Абраменков, доц.;
А.А.Кубасов, доц.;
В.С.Люцарев, доц.
(Московский государственный университет)

В результате изучения данного курса студент должен получить основные навыки программирования, изучить наиболее распространенные методы приближенных вычислений и ознакомиться с несколькими прикладными программными комплексами. Здесь не ставится задача дать фундаментальную подготовку в области профессионального программирования, хотя для некоторых специализаций это может быть оправдано. В большинстве случаев для решения задач обработки эксперимента и математического моделирования процессов уже существуют готовые программные комплексы. Однако, студенты должны иметь ясное представление об основных методах приближенных вычислений и границах их применимости. Это позволит, во-первых, выбирать подходящую для решения конкретной задачи программу, а во-вторых, правильно интерпретировать получаемые результаты.

Теоретические основы курса студенты осваивают в рамках других дисциплин - математического анализа и информационных технологий. Поэтому основной формой проведения занятий должно быть выполнение студентами практических заданий на компьютере. Оптимальным представляется выполнение ими ряда задач, начиная от самостоятельного составления реализующих простейшие численные методы программ, через применение стандартных библиотек процедур (типа NAG или IMSL) в более сложных случаях, и заканчивая использования готовых прикладных программ. Однако, данная учебная программа не определяет применяемую программно-аппаратную платформу, оставляя выбор за учебным заведением. В качестве варианта платформы можно порекомендовать использование персональных компьютеров, операционной системы семейства Microsoft Windows или семейства UNIX и соответствующую систему программирования на языке Pascal.

Следует отметить многовариантность программы. Состав изучаемых численных методов и прикладных программ зависит от математической подготовки студентов и количества часов в учебном плане. Например, можно реализовать этот курс во втором семестре сразу после курса "Информационные технологии", оставив при этом лишь те численные методы, для которых не требуется серьезной подготовки по математическому анализу. Другим вариантом может быть перемещение курса на 5-7 семестры, когда у студентов уже будет прочная база в области математики, физики и химии.

Следует особо подчеркнуть, что перечисленные в конце учебной программы продукты приведены лишь в качестве примера. Этот список можно изменять в зависимости от их доступности и практической значимости. Более того, часть предлагаемого учебного материала целесообразно включить в состав программ химических дисциплин: физической химии, аналитической химии и других.

Алгоритм. Языки низкого и высокого уровня. Интерпретация и трансляция текста программы. Разница между исходным текстом и исполняемым модулем.

Практикум программирования на процедурном языке (Pascal, FORTRAN, C или BASIC). Типы величин. Константы и переменные. Массивы переменных. Арифметические выражения. Порядок выполнения арифметических операций. Использование стандартных математических функций.

Структура программы: раздел описания и раздел операторов. Логические выражения. Использование операций отношения и логических операций and, or, not.

Операторы: присвоения значения переменной, ввода и вывода значений, организации циклов и разветвлений.

Процедуры и функции, их организация и использование в программах. Формальные и фактические параметры. Параметры-значения и параметры-переменные. Локальные и глобальные переменные.

Организация взаимодействия программы с внешними файлами данных. Стандартные файлы ввода и вывода информации.

Математическая модель. Эмпирические, феноменологические и детальные модели. Параметры модели. Прямая и обратная задачи. Особенности численного (компьютерного) моделирования.

Виды и цели математического моделирования. Моделирование как способ проверки гипотез. Обработка данных эксперимента как решение обратной задачи математического моделирования. Имитационное моделирование (вычислительный эксперимент).

Особенности выполнения вычислений на ЭВМ. Диапазон и точность представления чисел. Машинный нуль. Ошибки округления. Абсолютная и относительная погрешности результатов основных арифметических операций. Потеря точности при операциях сложения и вычитания. Накопление ошибок. Устойчивость вычислительных алгоритмов.

Решение системы линейных алгебраических уравнений методом Гаусса с выбором главного (ведущего) элемента по столбцу и вычисление обратной матрицы. Условие устойчивости вычислений.

Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной матрицы с помощью преобразований подобия. Метод Якоби. Преобразования Хаусхолдера и QL-алгоритм. Решение частичной проблемы собственных значений. Нахождение собственного вектора методом обратной итерации.

Решение нелинейного алгебраического уравнения методом деления отрезка пополам. Условия применимости метода и скорость сходимости к решению.

Решение нелинейного алгебраического уравнения методом Ньютона. Условия применимости и сходимости. Скорость сходимости. Обобщение метода Ньютона на случай системы нелинейных уравнений.

Поиск минимума функции одной переменной. Методы золотого сечения и квадратичной интерполяции. Минимизация функции нескольких переменных: метод прямого поиска Хука - Дживса, метод скорейшего спуска, метод Ньютона. Общее представление о методах сопряженных направлений и переменной метрики. Частный случай минимизации суммы квадратов: метод Гаусса - Ньютона.

Обработка данных методом наименьших квадратов (МНК). Линейный МНК. Статистические характеристики оценок параметров модели. Нелинейный МНК.

Интерполяция таблично заданной функции. Интерполяционный многочлен Лагранжа. Факторы, определяющие точность интерполяции. Понятие сходимости интерполяционного процесса. Сплайны и их свойства. Построение кубического интерполяционного сплайна.

Приближенное вычисление определенных интегралов. Общая структура интерполяционной квадратурной формулы, способы выбора узлов и определение весов. Порядок точности. Формулы Ньютона - Котеса и Гаусса; их частные случаи: формулы прямоугольников, трапеций, Симпсона. Оценка погрешности результата. Алгоритм интегрирования с заданной степенью точности. Сплайн-квадратура, ее свойства, интегрирование таблично заданной функции.

Численное дифференцирование. Суммарная погрешность и ее составляющие: ошибка дискретизации (усечения) и ошибка округления. Порядок точности. Способы уменьшения погрешности дифференцирования.

Численное интегрирование обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ): решение задачи Коши. Локальная и глобальная ошибки. Понятие устойчивости решения. Явные и неявные схемы интегрирования (на примере метода Эйлера); их устойчивость. "Жесткие" уравнения. Количественный критерий жесткости. Общее представление о принципах построения методов для интегрирования жестких систем ОДУ.

Реализация принципов программирования и численных методов в прикладных программных комплексах. Неэмпирические и эмпирические методы расчета строения молекул (GAMESS, MOPAC). Моделирование кинетики химических реакций (KINET). Расчет равновесного состава по термодинамическим свойствам веществ (ИВТАНТЕРМО, CHET).

Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы. М.: Наука, 1989.

Банди Б. Методы оптимизации: Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988.

Джонсон К. Численные методы в химии. М.: Мир, 1983.

Кларк Т. Компьютерная химия. М.: Мир, 1990.

А.В. Абраменков, доц.;
А.А. Кубасов, доц.;
В.С. Люцарев, доц.
(Московский государственный университет)