1 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Саратовский государственный аграрный университет
имени Н.И. Вавилова»
СОГЛАСОВАНО
Заведующий кафедрой
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
_____________ /Соловьев Д.А./
/Маштаков Д.А./
«30» августа 2013 г.
«30» августа 2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Дисциплина
ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ
Направление
250100.68 Лесное дело
подготовки
Профиль
Лесное хозяйство
подготовки
Квалификация
(степень)
Магистр
выпускника
Нормативный срок
2 года
обучения
Форма обучения
Очная
Всего
Общая трудоемкость
дисциплины, ЗЕТ
Общее количество часов
Аудиторная работа –
всего, в т.ч.:
лекции
лабораторные
практические
Самостоятельная работа
Количество рубежных
контролей
Форма итогового
контроля
Курсовой проект
(работа)
1
3
3
108
108
56
56
14
х
42
52
16
х
40
52
2
2
х
экз
х
х
2
Количество часов
в т.ч. по семестрам
3
4
5
6
7
8
Разработчик: доцент, Кабанов С.В.
(подпись)
Саратов 2013
1
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Математическое моделирование лесных экосистем»
является формирование у студентов навыков создания математических моделей,
позволяющих прогнозировать процессы и явления в лесном и лесопарковом хозяйстве.
2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
В соответствии с учебным планом по направлению подготовки 250100.68 «Лесное
дело» дисциплина «Математическое моделирование лесных экосистем» относится к
дисциплинам базовой части общенаучного цикла.
Дисциплина базируется на знаниях, имеющихся у студентов при получении высшего
профессионального образования (бакалавр).
Для качественного усвоения дисциплины студент должен:
- знать: общие принципы, элементы и этапы моделирования, математические методы
планирования экспериментов лесном деле.
- уметь: спланировать наблюдение и эксперимент для получения необходимых
данных, применять методы статистического анализа в исследованиях лесных и урбоэкосистем;
Дисциплина «Математическое моделирование лесных экосистем» является базовой
для изучения следующих дисциплин: Проблемы современного лесоводства, Управление
биологическими и технологическими системами в лесном и лесопарковом хозяйстве.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в процессе изучения
дисциплины
Дисциплина «Математическое моделирование лесных экосистем» направлена на
формирование у студентов профессиональной компетенции: «способность разрабатывать
программы и методики проведения исследований, выбирать методы экспериментальной
работы, разрабатывать теоретические модели, позволяющие прогнозировать процессы и
явления в лесном и лесопарковом хозяйстве (ПК-24)».
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать: современные представления о популяциях и популяционном подходе при
моделировании лесных экосистем; основные модели, применяющиеся для описания
динамики численности и взаимодействий популяций;
Уметь: работать и исследовать модели в среде пакета компьютерных программ
Populus 3.4;
Владеть: некоторыми моделями, описывающими рост и взаимодействие популяций.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов, из них
аудиторная работа – 56 ч., самостоятельная работа – 52 ч.
2
Таблица 1
2
3
4
5
6
7
Популяционный подход изучения
экосистем. Определение популяции.
Статистические показатели популяции:
общая численность, плотность
популяции.
Определение статистических
показателей популяций древесных
видов лесных экосистем. Общая
численность
Пространственное распределение
особей и популяций. Основные типы
пространственного распределения
особей. Механизмы, поддерживающие
определенное распределение
организмов. Размеры индивидуального
участка и средняя плотность
популяции как функция размера
животных. Факторы, ограничивающие
распространение особей и популяций.
Определение статистических
показателей популяций древесных
видов лесных экосистем. Плотность
популяции
Основные динамические
характеристики популяции.
Рождаемость, смертность, мгновенная
скорость. Продолжительность жизни,
таблицы и кривые выживания.
Работа с пакетом программ Populus
3.4. Ввод параметров модели.
Исследование модели. Специальные
функции, используемые при анализе
моделей.
Работа с пакетом программ Populus
3.4. Сохранение параметров и
результатов моделирования
5
6
max балл
1
3
4
1 семестр
Форма
2
Контроль
знаний
Вид
1
Самост
оятель
ная
работа
Количество
часов
Тема занятия.
Содержание
Аудиторная
работа
Вид
занятия
Форма
проведения
Количество
часов
№
п/п
Неделя семестра
Структура и содержание дисциплины
7
8
9
10
ПО
1
Л
В
2
ВК
1
ЛЗ
Т
2
ТК УО
2
Л
В
2
КЛ
2
ЛЗ
Т
2
ТК УО
3
Л
В
2
КЛ
3
ЛЗ
Т
2
ТК УО
4
ЛЗ
Т
2
ТК УО
5
3
8
9
10
11
12
13
14
Экспоненциальная модель роста
численности популяций.
Формулировка модели и ее основные
условия. Повозрастная рождаемость и
расчет скорости роста популяции
Неограниченный (независимы от
плотности) рост популяции.
Геометрический рост популяции с
дискретными поколениями.
Экспоненциальный рост популяции
при непрерывном размножении.
Сравнение дискретной и непрерывной
моделей независимого от плотности
роста.
Регуляция численности популяции.
Примеры экспоненциального роста.
Логистическая модель роста
популяции. Разные типы
экологических стратегий. Равновесная
плотность. Регуляционизм и
стохастизм.
Неограниченный (независимы от
плотности) рост популяции.
Практическая работа с моделями в
среде Populus 3.4. Исследование
моделей.
Регуляция численности популяции.
Концепция саморегуляции.
Циклические колебания численности.
Зависимость способа регуляции от
плотности популяции и положения
организмов в трофической цепи.
Взаимодействие факторов. Концепция
жизненной системы.
Ограниченный (зависимый от
плотности) рост популяции.
Логистическая модель. Рассмотрение
типового примера.
Различные типы межвидовых
взаимодействий и их
классификация. Пример сообщества
Вид
Форма
max балл
2
Количество
часов
1
Самост
оятель
ная
работа
Вид
занятия
Форма
проведения
Количество
часов
Тема занятия.
Содержание
Неделя семестра
№
п/п
Аудиторная
работа
7
8
9
10
3
4
5
6
4
Л
В
2
5
ЛЗ
М
5
Л
В
ЛЗ
М
Л
В
ЛЗ
М
Л
В
6
6
7
7
2
Контроль
знаний
КЛ
ТК УО
2
2
КЛ
ТК УО
2
2
КЛ
ТК УО
2
КЛ
4
Форма
max балл
3
Вид
2
Количество
часов
1
Самост
оятель
ная
работа
Вид
занятия
Форма
проведения
Количество
часов
Тема занятия.
Содержание
Неделя семестра
№
п/п
Аудиторная
работа
7
8
9
10
6
Контроль
знаний
4
5
8
ЛЗ
М
2
ТК УО
Рост популяции, обладающей
возрастной структурой. Рассмотрение 8
типового примера.
ЛЗ
М
2
ТК УО
литорали. Пример фрагмента
сообщества тропического леса.
Отношения хищник-жертва. Реакция
хищника на увеличение численности
жертв. Колебания системы хищник жертва. Коэволюция хищника и
жертвы.
15
16
17
18
19
20
21
22
Ограниченный (зависимый от
плотности) рост популяции.
Логистическая модель. Практическая
работа с моделями в среде Populus 3.4.
Исследование дискретной и
непрерывной модели.
Рост популяции, обладающей
возрастной структурой. Практическая
работа с моделями в среде Populus 3.4.
Исследование модели.
Значение демографической
стохастичности. Рассмотрение
типового примера.
Значение демографической
стохастичности. Практическая работа
с моделями в среде Populus 3.4.
Исследование модели.
Модель межвидовой конкуренции
Лотки-Вольтерры. Рассмотрение
типового примера.
Модель межвидовой конкуренции
Лотки-Вольтерры. Практическая
работа с моделями в среде Populus 3.4.
Исследование модели.
Модели конкуренции при
дифференциальном использовании
ресурсов. Конкуренция за
единственный необходимый ресурс.
Конкуренция за независимые ресурсы.
Конкуренция за взаимозаменяемые
9
ЛЗ
Т
2
ТК УО
9
ЛЗ
Т
2
10
ЛЗ
Т
2
ТК УО
10
ЛЗ
Т
2
ТК УО
11
ЛЗ
Т
2
ТК УО
11
ЛЗ
Т
2
ТК УО
14
РК
ПО
20
5
23
24
25
26
27
28
ресурсы, потребляемые в манере
переключения.
Модели конкуренции при
дифференциальном использовании
ресурсов. Практическая работа с
моделями в среде Populus 3.4.
Исследование модели за единственный
необходимый ресурс.
Модели конкуренции при
дифференциальном использовании
ресурсов. Практическая работа с
моделями в среде Populus 3.4.
Исследование модели за независимые
ресурсы.
Динамика численности популяций
хищника и жертвы. Модель ЛоткиВольтерры. Рассмотрение типового
примера.
Динамика численности популяций
хищника и жертвы. Модель ЛоткиВольтерры. Практическая работа с
моделями в среде Populus 3.4.
Исследование модели.
Заключительное занятие с
обсуждением рассмотренных моделей
Выходной контроль
Итого
Вид
Форма
max балл
2
Количество
часов
1
Самост
оятель
ная
работа
Вид
занятия
Форма
проведения
Количество
часов
Тема занятия.
Содержание
Неделя семестра
№
п/п
Аудиторная
работа
7
8
9
10
5
6
Контроль
знаний
3
4
12
ЛЗ
Т
4
ТК УО
13
ЛЗ
Т
2
ТК УО
14
ЛЗ
Т
2
ТК УО
15
ЛЗ
Т
2
ТК УО
16
ЛЗ
Т
2
56
14
4
РК
ТР
20
Вых
К
52
ПО
Р
20
15
Э
40
100
Примечание:
Условные обозначения:
Виды аудиторной работы: Л – лекция, ЛЗ – лабораторное занятие.
Формы проведения занятий: В – лекция-визуализация, П – проблемная лекция/занятие, Б –
бинарная лекция, Т – лекция/занятие, проводимое в традиционной форме, М – моделирование.
Виды контроля: ВК – входной контроль, ТК – текущий контроль, РК – рубежный контроль, ТР –
творческий рейтинг, ВыхК – выходной контроль.
Форма контроля: УО – устный опрос, ПО – письменный опрос, КЛ – конспект лекции, Р –
реферат, ЗР – защита курсовой работы, З – зачет.
6
5. Образовательные технологии
Для успешной реализации образовательного процесса по дисциплине
«Математическое моделирование лесных экосистем» и повышения его эффективности
используются как традиционные педагогические технологии, так и методы активного
обучения: лекция-визуализация, моделирование.
Удельный вес занятий, проводимых с использованием активных и интерактивных
методов обучения, в целом по дисциплине составляет 41 % аудиторных занятий (в ФГОС не
менее 40 %).
6. Оценочные средства для проведения входного, рубежного
и выходного контролей
Вопросы входного контроля
1. Элементы теории подобия, применяемые в моделировании
2. Статистические оценки параметров распределения случайных величин по
выборкам.
3. Показатели вариации признака.
4. Элементы моделирования.
5. Этапы построения математической модели.
6. Общие принципы построения моделей.
7. Общие сведения об регрессионном анализе.
8. Показатели, характеризующие качество регрессионной модели.
9. Дисперсия.
10. Общие сведения об регрессионном анализе.
Вопросы рубежного контроля № 1
Вопросы, рассматриваемые на аудиторных занятиях
1. Популяционный подход изучения экосистем.
2. Определение популяции.
3. Статистические показатели популяции: общая численность.
4. Статистические показатели популяции: плотность популяции.
5. Основные типы пространственного распределения особей.
6. Механизмы, поддерживающие определенное распределение организмов.
7. Размеры индивидуального участка и средняя плотность популяции как функция
размера животных.
8. Факторы, ограничивающие распространение особей и популяций.
9. Основные динамические характеристики популяции. Рождаемость, смертность,
мгновенная скорость.
10. Экспоненциальная модель роста численности популяций. Формулировка модели
и ее основные условия.
Вопросы для самостоятельного изучения
1. Продолжительность жизни, таблицы и кривые выживания.
2. Повозрастная рождаемость и расчет скорости роста популяции.
1.
2.
3.
4.
Вопросы рубежного контроля № 2
Вопросы, рассматриваемые на аудиторных занятиях
Регуляция численности популяции. Примеры экспоненциального роста.
Логистическая модель роста популяции.
Разные типы экологических стратегий.
Равновесная плотность. Регуляционизм и стохастизм.
7
5. Регуляция численности популяции. Концепция саморегуляции.
6. Циклические колебания численности.
7. Зависимость способа регуляции от плотности популяции и положения организмов
в трофической цепи.
8. Взаимодействие факторов.
9. Различные типы межвидовых взаимодействий и их классификация.
10. Пример сообщества литорали.
11. Пример фрагмента сообщества тропического леса.
12. Отношения хищник-жертва.
13. Реакция хищника на увеличение численности жертв.
14. Колебания системы хищник - жертва.
15. Экологическая ниша.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Вопросы для самостоятельного изучения
Концепция жизненной системы.
Коэволюция хищника и жертвы.
Межвидовая конкуренция в природе.
Сосуществование конкурирующих видов.
Конкуренция. Основные формы конкуренции.
Теоретический подход к изучению конкуренции.
Принцип конкурентного исключения.
Вопросы выходного контроля (экзамена)
1. Популяционный подход изучения экосистем.
2. Определение популяции.
3. Статистические показатели популяции: общая численность.
4. Статистические показатели популяции: плотность популяции.
5. Основные типы пространственного распределения особей.
6. Механизмы, поддерживающие определенное распределение организмов.
7. Размеры индивидуального участка и средняя плотность популяции как функция
размера животных.
8. Факторы, ограничивающие распространение особей и популяций.
9. Основные динамические характеристики популяции. Рождаемость, смертность,
мгновенная скорость.
10. Экспоненциальная модель роста численности популяций. Формулировка модели
и ее основные условия.
11. Продолжительность жизни, таблицы и кривые выживания.
12. Повозрастная рождаемость и расчет скорости роста популяции.
13. Регуляция численности популяции. Примеры экспоненциального роста.
14. Логистическая модель роста популяции.
15. Разные типы экологических стратегий.
16. Равновесная плотность. Регуляционизм и стохастизм.
17. Регуляция численности популяции. Концепция саморегуляции.
18. Циклические колебания численности.
19. Зависимость способа регуляции от плотности популяции и положения организмов
в трофической цепи.
20. Взаимодействие факторов.
21. Различные типы межвидовых взаимодействий и их классификация.
22. Пример сообщества литорали.
23. Пример фрагмента сообщества тропического леса.
24. Отношения хищник-жертва.
25. Реакция хищника на увеличение численности жертв.
8
26. Колебания системы хищник - жертва.
27. Конкуренция. Основные формы конкуренции.
28. Теоретический подход к изучению конкуренции.
29. Принцип конкурентного исключения.
30. Экологическая ниша.
31. Концепция жизненной системы.
32. Коэволюция хищника и жертвы.
33. Межвидовая конкуренция в природе.
34. Сосуществование конкурирующих видов.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература
1. Гиляров, А.М. Популяционная экология: учебное пособие / А.М. Гиляров. – М.: Издво МГУ, 1990.– 191 с. – ISBN 5-211-00913-4
2. Кипятков, В.Е. Практикум по математическому моделированию в популяционной
экологии (учебное пособие) / В.Е. Кипятков.– СПб.– Изд-во ЛГУ, 2002.– 62 с.
б) дополнительная литература
1. Ризниченко, Г.Ю. Математические модели в биофизике и экологии / Г.Ю.
Ризинченко.– Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.– 184 с. –
ISBN 5-93972-245-8
2. Бигон, М. Экология. Особи, популяции и сообщества: в 2-х т. / М. Бигон, Дж.
Харпер., Таунсенд.– Т.1. – М.: Мир, 1989.– 667 с.
3. Бигон, М. Экология. Особи, популяции и сообщества: в 2-х т. / М. Бигон, Дж.
Харпер., Таунсенд.– Т.2.– М.: Мир, 1989.– 477 с.
4. Одум, Ю. Экология: в 2-х т..– Т.1. – М.: Мир, 1986.– 328 с.
5. Одум, Ю. Экология: в 2-х т. /Ю. Одум.– Т.2. – М.: Мир, 1986.– 376 с.
в) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы Агропоиск,
полнотекстовая база данных иностранных журналов Doal, поисковые системы Rambler,
Yandex, Google:
 Электронная библиотека СГАУ - http://library.sgau.ru
 Ризниченко Г.Ю. Популяционная динамика http://www.library.biophys.msu.ru/MathMod/PD.HTML
 Экологический словарь - http://dic.academic.ru/contents.nsf/ecolog/
 Уральский федеральный университет. Популяционная динамика: моделирование и
анализ (курс лекций) -http://kmf.math.usu.ru/index.php/students/speckurs/120
 Ризниченко Г.Ю. Экология математическая http://www.library.biophys.msu.ru/MathMod/EM.HTML
г) требования к программному обеспечению учебного процесса:
№
п/п
1
1
Наименование раздела учебной
дисциплины (модуля)
2
Лабораторный практикум
Наименование
программы
3
Populus 3.4
Тип программы (расчетная,
обучающая, контролирующая)
4
расчетная
9
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
проведения занятия используется следующее материально-техническое
Для
обеспечение:
 Специализированный компьютерный класс с ПЭВМ, набором программного
обеспечения из расчета 1 ПК на 1 обучающегося, выходом в интернет;
 Комплект мультимедийного оборудования (ПК, мультимедийный проектор, экран,
акустические колонки)
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и ПрООп ВПО по направлению подготовки 250100.68 Лесное дело.
10