Рабочая программа дисциплины Синергетика в науках о Земле Направление подготовки 020700 Геология icon

Рабочая программа дисциплины Синергетика в науках о Земле Направление подготовки 020700 Геология



Смотрите также:
Рабочая программа дисциплины Введение в специальность Направление подготовки 020700 Геология...
Список профилей по направлению подготовки 020700...
Список профилей по направлению подготовки 020700...
Рабочая программа дисциплины Геохимия окружающей среды Направление подготовки 020700 Геология...
Рабочая программа направление 020700 «История» Специальность 020700 «История» Статус дисциплины...
Рабочая программа дисциплины «радиоактивные элементы в окружающей среде и проблемы...
Рабочая программа дисциплины физика направление ооп...
Основная образовательная программа высшего профессионального образования Направление подготовки...
Рабочая программа направление 020701 «История» Специальность 020700 «История» Статус дисциплины...
Рабочая программа направление 020701 «История» Специальность 020700 «История» Статус дисциплины...
Рабочая программа направление 020701 «История» Специальность 020700 «История» Статус дисциплины...
Рабочая программа направление 020701 «История» Специальность 020700 «История» Статус дисциплины...



скачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского


Геологический факультет


УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебно-методической работе

профессор___________________ Елина Е.Г.


"__" __________________20__ г.


Рабочая программа дисциплины

Синергетика в науках о Земле


Направление подготовки

020700 Геология


Профиль подготовки

Экологическая геология


Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр


Форма обучения

очная


Саратов,

2011

1. ^ Цели освоения дисциплины


Целями освоения дисциплины «Синергетика в науках о Земле» являются:

1. Развитие профессиональных компетенций в области изучения и анализа геологических систем в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки «Геология» (профиль «экологическая геология»).

2. Первое знакомство с современной общенаучной картиной мира.

3. Уяснение обучающимися места и роли открытых нелинейных систем в природе, формирование у обучающихся представлений об основных феноменах в открытых линейных и нелинейных системах.

4. Формирование у обучающихся начальных навыков владения соответствующим математическим аппаратом синергетики.

5. Формирование навыков самостоятельного решения прикладных задач, в которых встречаются колебательные, волновые процессы, процессы структурообразования в сложных нелинейных открытых (в том числе геологических, географических, экологических) системах.


^ 2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата


Дисциплина «Синергетика в науках о Земле» относится к циклу дисциплин по выбору математического и естественнонаучного цикла. Преподавание дисциплины осуществляется в 8 заключительном семестре. Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц.

Для освоения курса требуются знания и компетенции на уровне школьной программы по физике и математике.

В курсе обучающиеся знакомятся с основными концепциями современной общенаучной картины мира. Изучаются элементы теории линейных процессов в открытых системах (модели гармонических и линейных осцилляторов различной природы; основные понятия теории линейных волн), а также простейшие модели нелинейных процессов. Большое внимание уделяется качественному описанию синергетических процессов. Отдельный раздел курса посвящен синергетическим процессам в геологии.

Курс закладывает у студентов основы междисциплинарного мышления, формирует представление о единстве явлений в открытых системах различной природы.


^ 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины


В результате освоения дисциплины «Синергетика в науках о Земле» происходит формирование у учащегося системы компетенций. Учащийся обладает следующим набором общекультурных и профессиональных компетенций:

- владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);

- готов к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3);

- способен использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);

- умеет критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков (ОК-7);

- владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации (ОК-12);

- имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-13);

- способен работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-14);

- способен критически переосмысливать накопленный опыт, изменять при необходимости вид и характер своей профессиональной деятельности (ОК-18);

- готов соблюдать нравственные обязательства по отношению к природе (ОК-19);

- имеет представление о современной научной картине мира на основе знаний основных положений философии, базовых законов и методов естественных наук (ПК-1);

- способен использовать в профессиональной деятельности базовые знания естественных наук, математики, информатики, геологических наук (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-2);

- способен использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания основ гуманитарных наук и экономики, приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ПК-3);

- способен использовать информацию из различных источников для решения профессиональных и социальных задач (ПК-6).


В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

- основные концепции современной синергетической картины мира;

- элементарные сведения об основных модельных уравнениях линейной и нелинейной теории для открытых систем различной природы;

- основные свойства колебаний, волн, процессов структурообразования;

- определение автоколебаний и общие свойства автоколебательных систем;

- как возникает случайность в динамической системе;

- классификация паттернов в открытых нелинейных системах и связь их образования с самоорганизацией; что такое автоволны;

- основные положения теории фракталов;

- примеры применения моделей синергетики в геологии, географии, экологии, медицине, социодинамике и т.п.

Уметь:

- определять характеристики колебательных и волновых процессов;

- определять основные параметры и переменные, характеризующие состояние системы;

- уметь качественно объяснить все основные феномены, наблюдающиеся в нелинейных системах, изложенных в курсе;

- определять фрактальную размерность модельных и геологических объектов.

Владеть:

- основами математического аппарата синергетики для решения конкретных задач;

- методами определения фрактальной размерности применительно к геологическим объектам

- методикой построения фазовых портретов.


^ 4. Структура и содержание дисциплины


Общая трудоемкость дисциплины составляется 6 зачетных единиц, 216 академических часов.



п/п

Раздел дисциплины

Семестр

Неделя семестра

^ Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Формы промежуточной аттестации (по семестрам)

Всего

Лекции

Практические занятия

Самостоятельная работа

КСР

1.

Что такое «синергетика»?

8

1

6

2

4










2.

Моделирование – универсальный инструмент синергетики.

8

2

20

4

4

10

2




3.

Математические понятия.

8

3

18

2

4

10

2

Контрольная работа

4.

Динамическая система

8

4

20

4

4

10

2




5.

Колебания

8

5

18

2

4

10

2




6.

Волновые процессы

8

6

20

4

4

10

2

Контрольная работа

7.

Бифуркации

8

7,8

26

6

8

10

2




8.

Фракталы в науках о Земле

8

9,10

26

6

8

10

2

Контрольная работа

9.

Клеточные автоматы и процессы образования структур.

8

11,12

26

6

8

10

2







Форма аттестации







36













экзамен




Итого:







216

36

48

80

16





Содержание учебной дисциплины

Раздел 1. Что такое «синергетика»? Смысл, вложенный в название. Дата «крещения» синергетики, как самостоятельного научного направления. Трудности признания синергетики. Дифференциация науки и синергетика. Как строится здание синергетики: фундамент (теория колебаний и волн, теория автоволн, теория бифуркаций и катастроф, теория динамического хаоса, термодинамика открытых систем и т.д.), каркас (математика), инструменты (вычислительная техника, эксперименты, обобщения). Обстановка вокруг синергетики.

^ Раздел 2. Моделирование – универсальный инструмент синергетики. Понятие модели и моделирования. Познавательная роль моделей. Какие бывают модели и как они рождаются. Особая роль математических моделей и чем это объясняется. Одинаковые модели явлений и процессов – общее, что находит синергетика в системах различной природы, в том числе в геологических, географических, экологических.

^ Раздел 3. Математические понятия. Почему в нашем курсе много физики и математики. Характерные масштабы и масштабы наблюдения (масштабы процессов в физических и социальных системах; почему для изучении синергетики удобна физика). Численные значения характеризующих систему величин. Переменные и параметры. Функция; табличное, графическое и аналитическое представление. Динамический и статистический подходы к описанию объектов и явлений (детерминизм, случайность, непредсказуемость).

^ Раздел 4. Динамическая система: задайте состояние и укажите оператор эволюции. Фазовая плоскость, фазовое пространство, изображающая точка, фазовая траектория. Динамические системы с дискретным временем: отображения, диаграмма Ламерея. Динамические системы с непрерывным временем: производная и скорость, обыкновенные дифференциальные уравнения, уравнения в частных производных. Динамические системы со сосредоточенными и распределенными параметрами. Линейность и нелинейность. Линейность и нелинейность функций и уравнений. Принцип суперпозиции. Линия, поверхность, фрактал. Примеры фракталов. Фрактальная размерность.

^ Раздел 5. Колебания. Основные определения и понятия. Колебания маятника. Модель гармонического осциллятора и модель линейного осциллятора с затуханием. Основные характеристики колебаний (частота, период, амплитуда, фаза). Фазовая плоскость, фазовая траектория, аттракторы, репеллеры, фазовый портрет. Колебания в экономике и истории. Колебания климата на Земле. Колебания в геологических, биологических и химических системах. Явление резонанса. Автоколебания: основные понятия, примеры автоколебательных систем различной природы. Хаотические колебания, динамический хаос.

^ Раздел 6. Волновые процессы. Различные определения понятия «волна». Основные характеристики волн (частота, амплитуда, длина волны, волновое число, фазовая и групповая скорость). Волны на воде. Спектр океанических волн. Дисперсия. Солитоны. Ударные волны. Автоволны. Волновые процессы в геологии. Волны в социальных системах (волны эпидемий). Волновые процессы в геосистемах.

^ Раздел 7. Бифуркации. Основные определения. Состояния равновесия. Устойчивость и неустойчивость. Мультистабильность. Что может происходить в динамической системе при малых изменениях управляющих параметров. Влияние малых флуктуаций в окрестности точки бифуркации. Бифуркации в геологических системах

^ Раздел 8. Фракталы в науках о Земле. Линия, поверхность, фрактал. Примеры фракталов. Основные понятия теории фракталов. Фрактальная размерность. Фрактальные объекты в геологических объектах. Фрактальная размерность трещин усыхания. Фрактальная размерность овражно-балочных сетей. Бассейны рек с точки зрения теории фракталов.

^ Раздел 9. Клеточные автоматы и процессы образования структур. Игра «жизнь» как простейшая модель для описания процессов структурообразования. Основные правила игры «Жизнь». Некоторые основные конфигурации игры «Жизнь». Искусственная жизнь (Artificial Life). Структуры в геологических объектах.


5. Образовательные технологии


При реализации различных видов учебной работы (лекции, лабораторные работы, самостоятельная работа) используются следующие современные образовательные технологии:

  • Лекционно-семинарско-зачетная система обучения;

  • Информационно-коммуникационные технологии

  • Проектные методы обучения

  • Исследовательские методы в обучении

  • Проблемное обучение


В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки «Геология» реализация компетентностного подхода предусматривает широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий (компьютерные симуляции, разбор конкретных ситуаций, работа над проектами) в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся. Эффективность применения интерактивных форм обучения обеспечивается реализацией следующих условий:

  • создание диалогического пространства в организации учебного процесса;

  • использование принципов социально-психологического обучения в учебной и внеучебной деятельности;

  • мониторинг личностных особенностей и профессиональной направленности студентов;

  • формирование психологической готовности преподавателей к использованию интерактивных форм обучения, направленных на развитие внутренней активности студентов.



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


Важную роль при освоении дисциплины «Синергетика в науках о Земле» играет самостоятельная 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 образовательной программы по направлению подготовки бакалавров «Геология».


К самостоятельной работе относятся:

  • самостоятельная работа на аудиторных занятиях (лекциях, семинарах, коллоквиумах, практических занятиях);

  • внеаудиторная самостоятельная работа.


В процессе обучения предусмотрены следующие виды самостоятельной работы обучающегося:

  • Работа с конспектами лекций.

  • Проработка пройденных лекционных материалов по конспекту лекций, учебникам и пособиям на основании вопросов, подготовленных преподавателем;

  • Написание рефератов по отдельным разделам дисциплины.

  • Подготовка научных докладов и творческих работ,

  • Проработка дополнительных тем, не вошедших в лекционный материал, но обязательных согласно учебной программе дисциплины;

  • Самостоятельное решение сформулированных задач по основным разделам курса.

  • Работа над проектами.

  • Подготовка к практическим и семинарским занятиям.

  • Изучение обязательной и дополнительной литературы..

  • Подготовка к текущему и промежуточному контролю знаний.

  • Выполнение контрольных работ.

  • Подготовка группового отчета или презентации.


В целях фиксации результатов самостоятельной работы студентов по дисциплине проводится аттестация самостоятельной работы студентов. Контроль результатов самостоятельной работы осуществляется преподавателем в течение всего семестра и завершается в период зачетно-экзаменационной сессии перед аттестацией учебной работы студентов по дисциплине.


При освоении дисциплины могут быть использованы следующие формы контроля самостоятельной работы:

  • устный опрос,

  • доклад,

  • реферат,

  • творческая работа,

  • коллоквиум,

  • тест,

  • контрольная работа,

  • другие по выбору преподавателя.


Студент должен выполнить объем самостоятельной работы, предусмотренный рабочим учебным планом, максимально используя возможности индивидуального, творческого и научного потенциала для освоения образовательной программы в целом. Самостоятельная работа студентов может носить репродуктивный, частично-поисковый и поисковый характер. Самостоятельная работа, носящая репродуктивный характер, предполагает, что в процессе работы студенты пользуются методическими материалами и методическими пособиями, в которых указывается, в какой последовательности следует изучать материал дисциплины, обращается внимание на особенности изучения отдельных тем и разделов. Самостоятельная работа, носящая частично-поисковый характер и поисковый характер, нацеливает студентов на самостоятельный выбор способов выполнения работы, на развитие у них навыков творческого мышления, инновационных методов решения поставленных задач.


Возможные темы рефератов:

  1. Модели и окружающий нас мир.

  2. Клеточные автоматы: бесполезная игрушка или научный инструмент?

  3. Фракталы.

  4. Биологические часы.

  5. Земля, как самоорганизуюшая климато – экологическая система.

  6. Что такое «открытая сиситема»?

  7. Математический аппарат синергетики: модели развития биологических популяций.

  8. Математический аппарат синергетики: модели динамики численности народонаселения.

  9. Математический аппарат синергетики: качественная теория и теория бифуркаций динамических систем.

  10. Математический аппарат синергетики: дифференциальные уравнения.

  11. Математический аппарат синергетики: теория катастроф.

  12. Математические модели и их роль в постижении мира.

  13. Турбулентность и динамический хаос.

  14. Отчего у леопарда пятна на шкуре.

  15. Открытые системы.

  16. Обратимость и стрела времени: между порядком и хаосом.

  17. Детерминированность и случайность.

  18. О колебаниях в истории.

  19. Динамический хаос.

  20. Солитоны.

  21. Линейность и нелинейность.

  22. Фазовая плоскость


Контрольные вопросы и задания:

  1. Что изучает синергетика? Дифференциация науки и синергетика.

  2. На каких науках базируется синергетика?.

  3. Понятие модели и моделирования. Познавательная роль моделей.

  4. Особая роль математических моделей и чем это объясняется. Одинаковые модели явлений и процессов – общее, что находит синергетика в системах различной природы.

  5. Основные математические понятия синергетики.

  6. Понятие динамической системы.

  7. Динамические системы с дискретным временем и непрерывным временем.

  8. Линейность и нелинейность функций и уравнений. Принцип суперпозиции.

  9. Понятие фрактала. Примеры фракталов. Фрактальная размерность.

  10. Колебания. Основные определения и понятия. Колебания маятника. Основные характеристики колебаний (частота, период, амплитуда, фаза).

  11. Колебания в экономике и истории. Колебания климата на Земле. Колебания в биологических и химических системах. Явление резонанса. Автоколебания: основные понятия, примеры автоколебательных систем различной природы.

  12. Различные определения понятия «волна». Основные характеристики волн (частота, амплитуда, длина волны, волновое число, фазовая и групповая скорость).

  13. Волны на воде. Спектр океанических волн. Солитоны.

  14. Что такое структура? Процессы структурообразования в физических (ячейки Бенара, рябь Фарадея, вихри Тейлора в течении Куэттэ, дорожка Кармана) и в социальных системах (установление цен на рынке, формирование общественного мнения, психология толпы, всемирная паутина Internet).

  15. Основные определения теории бифуркаций.

  16. Клеточные автоматы. Игра «жизнь» как простейшая модель для описания процессов структурообразования.



7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины


а) основная литература:

  1. Безручко Б.П., Короновский А.А., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Путь в синергетику: Экскурс в десяти лекциях. Москва: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. 304 с. (Синергетика: от прошлого к будущему). ISBN: 978-5-397-01016-0

  2. Безручко Б.П., Короновский А.А., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Путь в синергетику. Экскурс в десяти лекциях. Москва: КомКнига, 2005. 304 с.

б) дополнительная литература:

  1. Моделирование нелинейной динамики глобальных процессов / И.А.Алешковский, А.В.Иванов, И.В.Ильин, А.А.Короновский, Л.М.Страхова, А.Д.Трубецков, Д.И.Трубецков, А.Е.Храмов. – М.: Изд-во МГУ, 2010. 412 с.

  2. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир. 1980.

  3. Трубецков Д.И. Колебания и волны для гуманитариев. Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж». 1997.

  4. Короновский А.А., Трубецков Д.И. Нелинейная динамика в действии. Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж». 2002.

  5. Трубецков Д.И., Мчедлова Е.С., Красичков Л.В. Введение в теорию самоорганизации открытых систем. М.: Физматлит. 2002.

  6. Кузнецов А.П., Кузнецов С.П., Рыскин Н.М. Нелинейные колебания. М.: Физматлит. 2002.

  7. Кузнецов C.П. Динамический хаос. М.: Физматлит. 2001.

  8. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М.: Наука. 1997.

  9. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики. М.: Эдиториал УРСС. 2000.

  10. Мун Ф. Хаотические колебания. М.: Мир. 1990.

  11. Шустер Г. Детерминированный хаос. М.: Мир. 1988.

  12. Федер Е. Фракталы. М.: Мир. 1991.

  13. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Мир. 1990.

  14. Арнольд В.И. Введение в теорию катастроф.

  15. Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф. М.: Мир. 1980.

  16. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М.: Мир. 1987.

  17. Берже, Помо, Видаль. Порядок в хаосе. О детерминистическом подходе к турбулентности. М.: Мир. 1991.

  18. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. М.: Наука, М., 1981.

  19. Соросовский образовательный журнал (СОЖ). Может быть доступен через Internet по адресу http://www.issep.rssi.ru/cgi-bin/rubr.pl?



8. Материально-техническое обеспечение дисциплины


  1. Учебные пособия;

  2. Слайды с презентациями лекций;

  3. Компьютерные демонстрации;

  4. Компьютерное оборудование с лицензионным или свободно распространяемым программным обеспечением.



Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению «Геология».


Авторы:

Короновский А.А., д.ф.–м.н., профессор кафедры физики открытых систем; Иванов А.В., канд. геол.-мин. н.


Программа одобрена на заседании кафедры геоэкологии

от 14.02.2011 года, протокол № 1.


Подписи:


Зав кафедрой геоэкологии ____________ Иванов А.В.


Декан геологического факультета ____________ Волкова Е.Н.




Скачать 219,04 Kb.
оставить комментарий
Дата07.08.2012
Размер219,04 Kb.
ТипРабочая программа, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх