Програмировуание в среде Матлаб › ... › programirovuanie_v_srede_matlab.pdf · 2017-03-14 · 4 7 Методы решений уравне-ний в

2

1. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины являются: 1. Обучение программированию в вычислительной среде высокого уровня Matlab. 2. Формирование навыков владения современными компьютерными технологиями и ме-тодами решения практических задач в области программирования. 3. Формирование навыков применения современных информационных технологий в научных исследованиях. 4. Освоение компьютерных методов обработки сигналов и математического моделирова-ния радиофизических систем. 3. Формирование системы компетенций, направленных на овладение базовыми знаниями в области математики и естественных наук, развитие умения самостоятельно приобретать новые знания с использованием современных информационных технологий, владение ме-тодами решения стандартных задач и использование этих методов в профессиональной деятельности. 2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры Дисциплина входит в вариативную часть Блока 1 «Дисциплины (модули)» учебного плана ООП по направлению подготовки 03.04.03 «Радиофизика», профиль «Моделирование ко-лебательных и волновых процессов в нелинейных системах». Индекс дисциплины -- Б1.В.ДВ.1. Дисциплина изучается в 1 семестре. Входные знания, умения и компетенции, необходимые для изучения данного курса, формируются в процессе освоения ряда дисциплин бакалавриата, таких как дисциплины модулей «Математика» и «Информатика», изучаемых в 1 – 5 семестрах. Данная дисциплина интегрирована в систему дисциплин, разработанных на кафедре радиофизики и нелинейной динамики, имеющих целью обучение студентов современным методам компьютерного исследований сложных нелинейных систем и процессов, методов цифровой обработки сигналов. Освоение дисциплины служит основой для изучения ряда дисциплин вариативной части учебного плана и курсов по выбору, таких как «Специаль-ные методы анализа сложных сигналов», «Методы численного моделирования хаотиче-ских систем», «Информационные технологии в разработке радиоэлектронных устройств». Освоение данной дисциплины необходимо для успешного прохождения научно-исследовательской и преддипломной практик, а также для написания выпускной квали-фикационной работы. Данная дисциплина также является необходимой для студентов, планирующих продолжение обучения в аспирантуре по направлению «Физика и астроно-мия» на кафедре радиофизики и нелинейной динамики СГУ. 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины Дисциплина «Программирование в среде Matlab» способствует приобретению следующих компетенций:

• способность к свободному владению профессионально-профилированными знани-ями в области информационных технологий, использованию современных компь-ютерных сетей, программный и ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ОПК-4).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать:

• основы программирования на языке высокого уровня;

3

• синтаксис языка программирования Matlab и основные функции этого языка; • методы численного исследования сигналов и динамических систем.

Уметь: • составлять и отлаживать программы в среде Matlab; • использовать средства Matlab для визуализации результатов научных и инженер-ных расчетов;

• использовать средства Matlab для статистической обработки данных, цифровой об-работки сигналов и моделирования систем.

Владеть: • методами программирования в среде Matlab; • методами цифровой обработки сигналов; • методами численного интегрирования решения алгебраических уравнений, систем обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производ-ных.

4. Структура и содержание дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы (144 часа), включая лекции (36 часов), практические занятия (36 часов) и самостоятельную работу (72 часа). № п/п

Раздел дисциплины

Се-местр

Неде-ля се-мест-ра

Виды учебной работы, вклю-чая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в

часах)

Формы текущего кон-троля успеваемости

(по неделям) Формы промежуточной

аттестации (по семестрам) Лек

ции Прак

тиче-ские

Семи-нары

КСР

1 Введение.

1 1 2 2 - 4 Опрос, проверка кон-спектов, проверка отче-тов по практическим ра-ботам. Компьютерное тестирование

2 Общие основы программи-рование в среде Matlab

1 2-4 6 6 - 12 Опрос, проверка кон-спектов, проверка отче-тов по практическим ра-ботам. Компьютерное тестирование

3 Использование средств Matlab для цифровой обра-ботки сигналов


4 Средства визуализации результатов научных и ин-женерных расчетов

1 8 2 2 - 4 Опрос, проверка кон-спектов, проведение ин-терактивных занятий. Компьютерное тестиро-вание

5 Численное решение алгеб-раических задач в Matlab

1 9 2 2 - 4 Опрос, проверка кон-спектов, проверка отче-тов по практическим ра-ботам. Компьютерное тестирование

6 Методы решение систем обыкновенных дифферен-циальных уравнений


4

7 Методы решений уравне-ний в частных производ-ных

1 12-13 4 4 - 8 Опрос, проверка кон-спектов, проверка отче-тов по практическим ра-ботам.

8 Аналитические вычисления в Matlab


9 Обзор дополнительных возможностей Matlab для решений научных и инже-нерных задач


Итого: 144 1 18 36 36 - 72 Зачет с оценкой

Содержание учебной дисциплины

Тема 1. Введение Вычислительная среда Matlab и ее возможности. Преимущества и недостатки интерпрети-руемых языков программирования. Сопоставление Matlab с программированием на дру-гих языках программирования. Практическая работа: Знакомство с интерфейсом программы Matlab, средствами написания и запуска программ, информационной средой Matlab

Тема 2. Общие основы программирования в среде Matlab Знакомство с базовыми конструкциями языка программирования Matlab – циклы, услов-ные операторы, ключевые слова. Ввод/вывод в Matlab. Операции с векторами и матрица-ми. Функции и скрипты. Переменные и их область видимости. Индексация массивов. Структурные переменные. Ячейки. Практическая работа: Создание программ численного счета. Написание программ работы с матрицами. Тема 3. Использование средств Matlab для цифровой обработки сигналов Пакет SPTool. Интерфейс пакета. Загрузка массива данных, базовые средства визуализа-ции данных, спектрального анализа. Синтез цифровых фильтров и фильтрация сигналов. Использование встроенных функций Matlab для расчета цифрового спектра сигнала, кор-реляционной и автокорреляционной функций. Функции для синтеза КИХ и БИХ филь-тров, фильтра Гильберта. Функции для фильтрации сигналов. Практическая работа: Спектральный анализ и фильтрация сигналов при помощи интерфейса программы sptool. Исследование свойств цифрового спектра шумового сигна-ла в зависимости от числа усреднений и выбора временного окна. Тема 4. Средства визуализации результатов научных и инженерных расчетов Функции Matlab для построения графиков различного типа. Построение двумерных и трехмерных графиков функций, диаграмм и гистограмм, специальных графиков. Оформ-ление графических объектов подписями, маркерами. Управление свойствами графических объектов. Создание под-рисунков. Создание нескольких графиков на одном рисунке. Практическая работа: Создание двумерных графиков, заданных функцией и задан-ных массивом данных. Создание трехмерных графиков функций двух переменных. Со-здание проекций (контуров) трехмерных графиков. Тема 5. Численное решение алгебраических задач в Matlab Решение систем алгебраических уравнений в Matlab. Нахождение собственных значений и собственных векторов квадратных матриц. Нахождение корней полиномов. Численное решение трансцендентных уравнений. Использование комплексных переменных. Нахож-дение комплексных решений.

5

Практическая работа: Расчет корней полиномов 2-го и третьего порядков. Сравне-ние с аналитаическими решениями. Нахождение собственных значений матрицы. Опреде-ление собственных значений состояний равновесия динамических систем.

Тема 6. Методы решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений Встроенные функции для численного решения обыкновенных дифференциальных реше-ний в Matlab. Функция, задающая правые части уравнений. Передача параметров в функ-цию. Решатели для разных видов динамических систем, выбор решателя в зависимости от жесткости системы. Точность разных методов решения. Контролирование точности реше-ния. Визуализация результатов для траекторий динамических систем.

Практическая работа: Расчет траектории системы Ван-дер-Поля. Расчет траектории систем Ресслера и Лоренца. Получение периодических и хаотических решений. Отсечение переходного процесса решения. Визуализация временных реализаций и фазовых портретов.

Тема 7. Методы решений уравнений в частных производных Решение гиперболических и параболических уравнений в частных производных в Matlab. Виды граничных условий. Анализ точности решения. Решение методом конечных разно-стей.

Практическая работа: Построение численного решения для уравнения длинной ли-нии и уравнения диффузии. Визуализация решения. Тема 8. Аналитические вычисления в Matlab Символьные переменные. Решение алгебраических уравнений в символьной фор-

ме. Аналитическое интегрирование и дифференцирование функций. Нахождение корней полинома в зависимости от параметров. Нахождение собственных значений матриц в ана-литической форме.

Практическая работа: Нахождение состояний равновесия динамических систем в аналитической форме. Определение собственных значений состояний равновесия и вида бифуркационных кривых.

Тема 9. Обзор дополнительных возможностей Matlab для решений научных и

инженерных задач Специализированные пакеты matlab, расширяющие еего возможности. Моделирование нейронных сетей в Matlab. Вейвлет-анализ сигналов. Адаптивные фильтры. Системы с не-четкой логикой. Обработка изображений. Методы оптимизации. 5. Образовательные технологии, применяемые при освоении дисциплины Программа дисциплины предусматривает чередование образовательного материала, ставящего проблему, с активной и интерактивной формами занятий посредством выпол-нения системы заданий по анализу лекционного материала. Удельный вес занятий, прово-димых в интерактивных формах, составляет 50% от общего числа аудиторных занятий по данному курсу. Занятия лекционного типа составляют 50% (Согласно ФОГС количество часов, отведенных на занятия лекционного типа, в целом по Блоку 1 должно составляют не более 60 процентов от общего количества часов аудиторных занятий).

Общая образовательная схема дисциплины строится по традиционной технологии обучения: сначала учебный материал сжато преподносится студентам лекционным мето-дом, а затем прорабатывается, усваивается и применяется на практических занятиях в компьютерном классе; результаты усвоения проверяются в форме зачета.

Освоение материала происходит в рамках технологии проблемного обучения, по-скольку проведение практических занятий с применением компьютерного моделирования имеет широкие возможности для создания проблемных ситуаций посредством активизи-

6

рующих действий преподавателя, который формулирует задания и ставит конкретные во-просы, направленные на обобщение, обоснование, конкретизацию, логику рассуждения; побуждает делать сравнения и выводы, сопоставлять результаты; ставит проблемные за-дачи.

Студенты на практике знакомятся с различными возможностями среды программи-рования Matlab, на примере исследования конкретных задач, возникающих в цифровой обработке сигналов, радиоэлектронике и теории колебаний и волн знакомятся с методами их численного анализа. В процессе усвоения теоретического материала и выполнения практических работ студенты приобретают навыки проведения самостоятельных научных исследований. Для самостоятельной работы также предлагаются задания, требующие чте-ния специальной литературы и использования возможностей сети интернет.

В рамках изучения данной дисциплины используются мультимедийные образова-тельные технологии: электронные лекции (презентации) с использованием программы Open Office, средства дистанционного образования “Moodle”, компьютерные тесты. Для практических занятий используется лицензионный программный пакет Matlab. Для студентов с ограниченными возможностями здоровья предусмотрены следующие формы организации педагогического процесса и контроля знаний: -для слабовидящих: обеспечивается индивидуальное равномерное освещение не менее 300 люкс; задания для выполнения, а также инструкция о порядке выполнения контрольных заданий оформляются увеличенным шрифтом (размер 16-20); - для глухих и слабослышащих: обеспечивается наличие звукоусиливающей аппаратуры коллективного пользования; - для лиц с тяжелыми нарушениями речи, глухих, слабослышащих все контрольные зада-ния по желанию обучающихся могут проводиться в письменной форме. Основной формой организации педагогического процесса является интегрированное обу-чение инвалидов, т.е. все студенты обучаются в смешанных группах, имеют возможность постоянно общаться со сверстниками, легче адаптируются в социуме.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по ито-гам освоения дисциплины

Важную роль при освоении дисциплины «Программирование в среде Matlab» играет са-мостоятельная работа студентов. Самостоятельная работа способствует:

• углублению и расширению знаний; • формированию интереса к познавательной деятельности; • овладению приёмами процесса познания; • развитию познавательных способностей. Самостоятельная работа студентов имеет основную цель – обеспечить качество

подготовки выпускаемых специалистов в соответствии с требованиями основной образо-вательной программы по направлению подготовки магистров 03.04.03 «Радиофизика».

К самостоятельной работе относятся: • самостоятельная работа на аудиторных занятиях (лекциях, практических занятиях); • внеаудиторная самостоятельная работа.

Самостоятельная подготовка к занятиям осуществляется регулярно по каждой теме дисциплины и определяется календарным графиком изучения дисциплины. В ходе освое-ния курса предполагается написание не менее 1 реферата c его последующим докладом в ходе публичного выступления.

7

Виды самостоятельной работы Раздел/Тема дисциплины Вид самостоятельной работы Литература Тема 1 Проработка конспектов лекций и вопросов, вынесенных на

самостоятельное изучение с помощью основной и допол-нительной литературы. Подготовка к практическим занятиям. Выполнение компь-ютерных тестов.

см. раздел 8 «Учеб-но-методическое и информационное обеспечение дисци-плины»

Тема 2 Проработка конспектов лекций и вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение с помощью основной и допол-нительной литературы. Подготовка к практическим занятиям. Подготовка к прак-тическим занятиям. Выполнение компьютерных тестов.


Тема 3 Проработка конспектов лекций и вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение с помощью основной и допол-нительной литературы. Подготовка к практическим занятиям. Выполнение компь-ютерных тестов. Работа над рефератом с привлечением информационных технологий


Тема 4 Проработка конспектов лекций и вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение с помощью основной и допол-нительной литературы. Выполнение компьютерных тестов. Работа над рефератом с привлечением информационных технологий


Тема 5 Проработка конспектов лекций и вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение с помощью основной и допол-нительной литературы. Подготовка к практическим заня-тиям. Выполнение компьютерных тестов. Работа над рефе-ратом с привлечением информационных технологий








Тема 9 Проработка конспектов лекций и вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение с помощью основной и допол-нительной литературы. Работа над рефератом с привлече-нием информационных технологий


Итого часов на самостоятельную работу: 72 часа

Формы текущего контроля работы студентов 1. Просмотр и анализ результатов компьютерного тестирования. 2. Проверка и оценивание выполнения практических заданий.

8

3. Вопросы, задаваемые студентам в ходе лекций и практических занятий. 4. Оценивание рефератов и сделанных по ними докладов.

Промежуточная аттестация студента осуществляется в соответствии с учебным планом в конце первого семестра. Итоги обучения оцениваются в форме зачета с оценкой Материалы для текущего контроля успеваемости и средства для промежуточной аттеста-ции по итогам освоения дисциплины приведены в Приложении «Фонд оценочных средств текущего контроля и промежуточной аттестации по дисциплине». 7. Данные для учета успеваемости студентов в БАРС Таблица 1. Таблица максимальных баллов по видам учебной деятельности.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Семестр Лекции Лабора-торные занятия

Практи-ческие занятия

Самостоя-тельная работа

Автомати-зированное тестирова-ние

Другие ви-ды учебной деятельно-

сти

Промежу-точная аттеста-ция

Итого

1 0 0 40 20 0 0 40 100 Программа оценивания учебной деятельности студента 6 семестр Лекции Не оцениваются Лабораторные занятия Не предусмотрены. Практические занятия от 0 до 40 баллов.!Критерии оценки: Выполнение практических заданий по программированию – 0-40 баллов. Оценивается правильность выполнения задания, оптимальность предложенного алгоритма Самостоятельная работа от 0 до 20 баллов.!Критерии оценки: Решение заданий для самоконтроля – 0-10 баллов. Оценивается правильность решения заданий, регулярность работы студента с материалами курса. Реферат – 0-10 баллов. Оценивается публичное выступление с докладом по реферату, вла-дение материалом в ходе ответов на вопросы по докладу. Автоматизированное тестирование Не предусмотрено Другие виды учебной деятельности!Не предусмотрены Промежуточная аттестация Компьютерное тестирование – от 0 до 25 баллов Критерии оценки: число правильных ответов из 25 тестовых вопросов; за каждый пра-вильный ответ присваивается 1 балл Письменный тест – от 0 до 15 баллов Критерии оценки: правильность решения задачи теста, работоспособность написанной программы, отсутствие ошибок в ней, оптимальность предложенного алгоритма.

Documents

Програмировуание в среде Матлаб › ... › programirovuanie_v_srede_matlab.pdf · 2017-03-14 · 4 7 Методы решений уравне-ний в