Вычислительная биофизика - Саратовский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
____________________Е.Г. Елина
"____" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ БИОФИЗИКА
Направление подготовки
Физика живых систем
Профили подготовки
Биофизика, Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Цели освоения дисциплины «Вычислительная биофизика» состоят в
обеспечении студентов знаниями и навыками в области квалифицированного
применения компьютерной техники, как при решении общих
образовательных и научных задач в области физики живых систем, так и
специализированно, по профилям подготовки («Биофизика», «Медицинская
фотоника»), что соответствует основной цели бакалавриата в части
получения высшего профессионально-профилированного образования,
позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере
деятельности в РФ и за рубежом, обладать универсальными и предметно
специализированными компетенциями, способствующими его социальной
мобильности,
востребованности
на
рынке
труда
и
успешной
профессиональной карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Вычислительная биофизика» относится к базовой части
Математического и естественнонаучного цикла (Б2), и входит в модуль
«Биоинформатика» (Б2.Б.2.3).
Дисциплина «Вычислительная биофизика» в рамках учебного плана
читается в 4 семестре. Дисциплина «Вычислительная биофизика» призвана
формировать как профессиональные знания, так и общий уровень
образованности в области компьютерных технологий и их роли в
современной мире.
При освоении данной дисциплины необходимы базовые знания по
информатике, общие представления о логических операциях, начальное
умение пользоваться общеупотребительным программным обеспечением
компьютера. Базовыми для данного курса являются три предшествующие
дисциплины модуля «Биоинформатика»: «Информационные технологии в
физике живых систем» (1 семестр), «Основы разработки прикладных
программ» (2 семестр), «Численные методы и математическое
моделирование в физике живых систем (3 семестр).
Знания, полученные при освоении дисциплины «Вычислительная
биофизика» необходимы для расширения общенаучного кругозора
обучающихся в части применения компьютерной техники в целях сбора и
обработки данных.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Вычислительная биофизика»
В результате освоения дисциплины «Вычислительная биофизика»
должны формироваться в определенной части общекультурные (ОК) и
профессиональные (ПК) компетенции, характеризуемые:
 способностью использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных
наук (ОК-1);
 способностью приобретать новые знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОК-3);
 способностью владеть основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы
с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);
 способностью использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области информатики и современных
информационных технологий, навыки использования программных
средств и навыков работы в компьютерных сетях; умение создавать
базы данных и использовать ресурсы Интернет (ОК-17);
 способностью применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);
 способностью пользоваться современными методами обработки,
анализа и синтеза биофизической информации (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-6).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
• Знать: Принципы функционирования компьютерной техники, назначание,
общие свойства и различия наиболее распространенных операционных
систем
и
прикладных
программ
общего
назначения,
типы
специализированных программных продуктов по профилю обучения и
конкретные программные комплексы и среды разработки, обеспечивающие
эффективность решения задач, возникающих в ходе исследовательской и
инновационной деятельности в области физики живых систем.
• Уметь: Использовать компьютер в учебном процессе для поиска и
систематизации информации по профилю подготовки, выбрать программный
продукт в соответствии с решаемой учебной, научной или инновационной
задачей, использовать комбинацию высокоуровневого и самостоятельно
разработанного ПО для достижения наилучшего результата.
• Владеть: Практическими навыками
использования среды разработки
LabView, среды вычислений и визуализации Matlab, среды моделирования
нейросистем NEURON, ПО моделирования ANONS.
4. Структура и содержание дисциплины «Вычислительная биофизика»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц (всего к
изучению 216 часов, аудиторных - 96) и включает 32 часа лекционных
занятий, 64 часа практических занятий и 66 часов на самостоятельную работу
студентов. Форма промежуточной аттестации - экзамен.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины Семестр
п/п
1
2
3
4
5
Введение
Среда
графического
программирования
NI LABVIEW
Многофункционал
ьная среда
MATLAB в
задачах физики
живых систем
Пакет «NEURON»
в задачах
нейродинамики
ПО для работы с
моделями в виде
систем ОДУ
Виды учебной работы,
Неделя включая самостоятельную
семестра
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
4
4
1 Л(2)
с 2 по 6 Л(10)
Пр(4)
Пр(20)
СР(20)
УО-1
4
с 7 по 11 Л(10)
Пр(20)
СР(20)
УО-1
4
с 11 по 14 Л(8)
Пр(16)
СР(20)
УО-1
4
с 15 по 18 Л(4)
Пр(8)
СР(6)
Итоговый
экзамен
по
дисциплине
4.2. Содержание дисциплины
1.Введение. Роль специализированных программных пакетов в организации
научно-исследовательской деятельности. Классификация программных
средств. Правовые аспектты использования различных типов ПО.
2.Среда графического программирования NI LABVIEW
Программная среда LabVIEW и ее применение для целей сбора и обработки
данных. Виртуальные приборы (ВП). Последовательность обработки данных.
Организация программной среды LabVIEW. Встроенная Помощь среды
LabVIEW и руководство пользователя.
Создание ВП и подпрограмм ВП.
Компоненты ВП. Создание ВП. Типы и проводники данных. Редактирование
ВП. Отладка ВП. Подпрограммы ВП. Иконка ВП и соединительная панель.
Использование подпрограмм ВП. Преобразование экспресс-ВП в
подпрограмму ВП. Превращение выделенной секции блок-диаграммы ВП в
подпрограмму ВП.
Циклы и другие структуры в ВП.
Цикл While (по условию). Цикл For (с фиксированным числом итераций).
Организация доступа к значениям предыдущих итераций цикла. Функция
Select и принятие решений. Использование структуры Case. Использование
узла Формулы.
Массивы и кластеры.
Создание массивов с помощью цикла. Использование функций работы с
массивами. Полиморфизм. Что такое кластеры? Использование функций
работы с кластерами. Кластеры ошибок.
Графическое отображение данных.
Использование графика Диаграмм для отображения потока данных.
Использование графика Осциллограмм и двухкоординатного графика
Осциллограмм для отображения данных. График интенсивности.
Строки и файловый ввод/вывод.
Строки. Функции работы со строками. Функции файлового ввода/вывода.
Форматирование строк таблицы символов. Использование функций
файлового ввода/вывода высокого уровня.
Настройка ВП.
Настройка внешнего вида лицевой панели. Отображение лицевых панелей
подпрограмм ВП во время работы. Назначение и использование "горячих"
клавиш. Редактирование ВП с некоторыми свойствами
3.Многофункциональная среда MATLAB в задачах физики живых систем
Арифметические вычисления. Использование MATLAB 6 в качестве
научного калькулятора. Работа с операторами, математическими функциями.
Использование логических выражений. Вычисления специальных функций.
Дополнительные возможности калькулятора.
Работа с переменными. Создание переменных. Преобразования. Сохранение
и запись на диск. Зарезервированные имена переменных. Переменная ans.
Параметры функций.
Работа со средой MATLAB 6. Командное окно, окно предыстории, окно
переменных, окно помощи, окно файлов. Вызов предыдущих команд, их
редактирование. Получение дополнительной информации о функциях и их
параметрах.
Использование
справочной
системы.
Базовые операции для массивов. Создание массивов. Использование
MATLAB 6 в качестве калькулятора над массивами. Работа с
арифметическими
операторами,
математическими
функциями.
Работа с векторами. Векторизация. Оптимизация функций для работы с
векторами.
Передача
данных
в
виде
вектора.
Линейная алгебра. Использование стандартных функций для выполнения
базовых
операций
линейной
алгебры.
Анализ данных и статистика. Аппроксимация и линейная регрессия. Быстрое
преобразование
Фурье
и
элементы
гармонического
анализа.
Базовая 2D графика. Построение 2D графиков. Изменение их параметров.
Сохранение и загрузка рисунков. Другие способы отображения данных:
гистограммы, секторы.
3D графика и дескрипторная графика. Построение 3D графиков. Изменение
их параметров. Источники света. Цветовая палитра.
Работа с типами данных: cтруктура, массив ячеек, строки.
Программирование: написание сценариев. Создание сценариев. Вызов.
Редактирование.Области видимости переменных. Специальные сценарии
finish, startup. Программирование: написание функций. Области видимости
переменных. Операторы for, if, while, try, catch, end, switch, case.
Специальные переменные varargin, varargout, nargin, nargout. GUI- интерфейс.
Отладка. Использование отладчика. Установка контрольных точек.
Основные прриемы работы в режиме отладки.
4.Пакет «NEURON» в задачах нейродинамики
Назначение и функции среды моделирования NEURON. Характеристики
NEURON как проблемно-ориентированного программного обеспечения.
Методы формализованного описания структуры и параметров клетки.
Задание параметров и характеристик работы ионных каналов. Запуск
модели. Графический интерфейс NEURON.
Методы формализованного описания дендритов нервной клетки.
Позиционирование модельных нейронов в трехмерном пространстве.
Объединение нейронов в сеть.
Детальное моделирование ионных токов.
Методы считывания и записи результатов моделирования
5.ПО для работы с моделями в виде систем ОДУ
Общие требования к ПО на базе численного интегрирования систем
дифференциальных уравнений. Пример спеиализированного ПО —
программный комплекс ANONS. Способы задания модельной системы. Файл
правых частей уравнений, вайл параметров и начальных условий. Методы
численного инегрирования, адекватный выбор параметров численной схемы.
Приемы планирования и проведения вычислительного эксперимента.
Использование источника шума. Создание дочерних вычислительных
процессов. Создание пользовательских дочерних процессов.
5. Образовательные технологии
При
реализации
дисциплины
«Вычислительная
биофизика»
используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации,
лабораторные работы (практические занятия), самостоятельные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы
учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, компьютерные
демонстрации с использованием современных систем компьютерной
техники.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы студента
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
- изучение теоретического и технического материала по методическим
руководствам и документации.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная сверхкороткая самостоятельная работа
обучающихся по изучению теоретического лекционного материала и
итогам самостоятельной работы; контроль выполнения этой работы
предусмотрен в начале каждого лекционного занятия по данной
дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины и не рассмотренных на лекциях
предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых
выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль
выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках
промежуточного контроля по данной дисциплине;
- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического
характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины
предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на
лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной
работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением;
контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при
завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде
отчету по этому виду самостоятельной работы;
Контрольные вопросы и задания для проведения nромежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины :
1. Программная среда LabVIEW и ее применение.
2. Компоненты ВП.
3. Преобразование экспресс-ВП в подпрограмму ВП.
4. Циклы и другие структуры в ВП.
5. Кластеры ошибок.
6. Назначение MATLAB и решаемые с его помощью задачи.
7. MATLAB:Командное окно, окно предыстории, окно переменных, окно
помощи, окно файлов.
8. Использование стандартных функций MATLAB для выполнения
базовых операций линейной алгебры.
9. Программирование в MATLAB: написание сценариев.
10.Назначение и функции среды моделирования NEURON.
11.Методы формализованного
описания в NEURON структуры и
параметров клетки.
12.Методы формализованного описания в NEURON дендритов нервной
клетки.
13.Детальное моделирование ионных токов в NEURON.
14.Требования
к
ПО
для
численного
интегрирования
систем
дифференциальных уравнений.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Вычислительная биофизика»
а) основная литература:
1. Ануфриев И., Смирнов А., Смирнова Е. MATLAB 7.0. Изд-во БХВ
СПб, 1104 стр. 2005.
2. В.П. Дьяконов. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Работа с
изображениями и видеопотоками. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 400с.
б) дополнительная литература:
1. Дорот В., Новиков Ф. Толковый словарь современной компьютерной
лексики. – 2-е изд. – СПб.: BHV, 2001.
2. Сафронова И. Задачник-практикум по информатике. - BHV-CПб, 2002.
3. Михеева Е.В. Практикум по информатике. Учебное пособие для студентов
высших учебных заведений. - 3-е изд. уч. пособ. Академия, 2006.
5. Черняк А. Высшая математика на базе Matcad. Общий курс. - BHV-CПб,
2004.
6. Подбельский В.В. Программирование на языке СИ /2009/. - Финансы и
статистика, 2009.
7. Подбельский В.В. Стандартный СИ++. Учебное пособие. - Финансы и
статистика, 2008.
Старовойтов А. Сеть на Linux: проектирование, прокладка, эксплуатация.
БХВ-Петербург, 2006 288 с.
Фленов М.Е. Linux глазами хакера. Издательство: БХВ-Петербург, 2005.
544с.
Фленов, М. Web-сервер глазами хакера (CD). Учебное пособие, 2008.
Столлингс, В. Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета. Издво: БХВ-Петербург, 2005. 835с.
Балдин, Е. Компьютерная типография LATEX. Изд-во: БХВ-Петербург,
2008. 305с.
в) интернет-ресурсы
http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/images/
http://www.anc.ed.ac.uk/school/neuron/tutorial/tutA.html
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Вычислительная биофизика»
8.1. Лекционное материально-техническое обеспечение:
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет,
специализированное программное обеспечение для демонстрационных
вычислительных экспериментов.
Оборудование компьютерного класса для выполнения лабораторных работ
практикума.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению Физика живых систем и ООП по профилям подготовки
Биофизика и Медицинская фотоника.
Авторы:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
Д.Э. Постнов
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от _14 января_2011 года, протокол № __1/11__.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин