Разработка мультимедийного учебно-методического комплекта нового поколения (УМК НП) для подготовки магистров и аспирантов в области нанотехнологий по тематическому направлению «Функциональные наноматериалы для энергетики»

Номер контракта: 08-П1035
Дата: 08.12.2008 - 10.11.2009
Головной исполнитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

АННОТАЦИЯ ПРОЕКТА

Тема: «Разработка мультимедийного учебно-методического комплекта нового поколения (УМК НП) для подготовки магистров и аспирантов в области нанотехнологий по тематическому направлению «Функциональные наноматериалы для энергетики»»

Разработка и внедрение информационных технологий и объектов учебного и учебно-методического назначения в учебный процесс в настоящее время имеет первостепенное значение.

Применение интерактивных мультимедийных обучающих систем повышает динамику и содержательность учебных заданий, процесса их выполнения, а также самоконтроля, самооценки и оценки успешности обучения. На данном этапе интерактивные электронные учебники являются важным средством для индивидуальной работы обучающихся, однако можно ожидать больших результатов от использования мультимедийных обучающих систем как отдельно, так и в сочетании с традиционными формами обучения. 

Под интерактивным мультимедийным учебно-методическим комплектом (УМК НП) в настоящем проекте пониматся комплект, состоящий из:

- электронных обучающих модулей, для которых определены их содержание и наполнение, разработаны сценарии и определена методика работы с ними;

- графического интерфейса работы с  электронными обучающими модулями и их интерактивными элементами.

Обучение с помощью УМК НП основано на использовании электронных технологий (электронное обучение - дистанционное или же на локальном компьютере). На этапе проектирования подобного обучающего комплекса  необходимо определить:

- каковы основные цели использования всего комплекса в целом

- требования к курсу, взятому за основу УМК НП

- основные черты учебных модулей, создаваемых на основе учебных материалов этого курса.

УМК НП ориентирован не только на передачу знаний, которые постоянно обновляются, сколько на овладение базовыми компетенциями, позволяющими затем – по мере необходимости – приобретать знания самостоятельно. Поэтому  помимо освоения знаний планируется уделить большое внимание освоению техник, с помощью которых можно получать, перерабатывать и использовать новую информацию.
Основной результат, ожидаемый от использования УМК НП в подготовке магистров и аспирантов - это повышение качества подготовки специалистов посредством внедрения в учебный процесс новых информационных технологий, средствмультимедиа и телекоммуникаций. Проблема информатизации высшего образования состоит в том, что развитие и использование отдельных информационных технологий в вузе должно являться одним из составляющих частей поэтапного формирования и развития единой информационной среды высшего учебного заведения.

Разработанный учебно-методический комплекс нового поколения, ориентирован на различные способы организации образовательного процесса, в том числе на самостоятельную работу и использование дистанционных технологий будут способствовать системной подготовке молодых специалистов – магистров и аспирантов – в области нанотехнологий, могут быть использованы студентами, аспирантами и преподавателями вузов, научно - педагогическими работниками, молодыми учеными и специалистами.

Объем и содержание УМК НП должны быть сформированы с учетом государственных требований и образовательных стандартов высшего и послевузовского профессионального образования.

Выбор курса «Квантовомеханические методы расчета свойств наносистем и сверхпроводников»  обусловлен актуальностью компьютерного моделирования для подготовки магистров и аспирантов в области нанотехнологий в целом и для тематического направления  «Функциональные наноматериалы для энергетики» в частности. В рамках курса предполагается усвоение теоретических материалов, освоение как методов моделирования, так и знакомство с интерфейсами некоторых программных комплексов.

УМК НП курса содержит в общей сложности 70 электронных учебных модулей (ЭУМ),  в их числе 32 лекционных ЭУМ, 9 лабораторных работ, 25 тестов, 3 задачи и 1 вводный ЭУМ. Каждый ЭУМ будет представлять собой мультимедийную интерактивную программу. По своему функциональному назначению каждый ЭУМ будет соответствовать законченному элементу данного учебного курса: лекция, лабораторная работа, тест, задача, вводный материал. Предусматривается возможность использования всех ЭУМ, как на локальном компьютере, так и в сети Интернет.
ЭУМ сформированы так, чтобы охватывать все методически обоснованные темы и разделы, предусмотренные содержанием учебного курса. При этом, поскольку общая трудоемкость курса достаточно высокая (около 110 часов), то особое внимание уделяется обучению самостоятельно, с использованием различных мультимедийных материалов. При этом ЭУМ спроектированы таким образом, что глубина их проработки соответствует компетенциям, которые должны быть приобретены обучающимися: магистрами и аспирантами.

Сценарий ЭУМ отражает регламенты взаимодействия обучаемых (магистров и аспирантов) с электронными учебными модулями в процессе освоения содержания учебного курса. В сценарии каждого ЭУМ отображены алгоритмы взаимодействия обучающегося с материалами данного ЭУМ и с другими ЭУМ. Данные алгоритмы были разработаны с учетом методики работы с УМК НП. В сценариях учтены уровни компетенции обучающихся, магистров и аспирантов: предусмотрено наличие вводных материалов для магистров, а также наличие дополнительных материалов для аспирантов.

Разработаны материалы, представляющие методику использования мультимедийного УМК НП для различных форм обучения магистров и аспирантов, в том числе с использованием дистанционных технологий: самостоятельно и с преподавателем.

Для эффективного работы в электронной системе обучения нанотехнологиям, определяющим, по мнению специалистов, развитие в ХХI веке практически всех областей человеческой цивилизации: техники, медицины, освоения космоса и т.д., особое значение приобретают методы визуализации исходных данных, промежуточных результатов обработки, обеспечивающих единую форму представления текущей и конечной информации в виде отображений, адекватных зрительному восприятию человека и удобных для однозначного толкования полученных результатов.

В соответствии с пожеланиями рецензентов в составе УМК НП в качестве дополнительного представлен курс «Компьютерная геометрия и визуализация». Этот курс представлен 10-ю ЭУМ, в их числе 1 вводный ЭУМ, 3 лекционных ЭУМ, 3 ЭУМ типа «Тест», 2 ЭУМ типа «Иллюстративные материалы» и 1 ЭУМ типа «Практическое задание». В курсе рассматриваются различные аспекты компьютерной визуализации данных с целью их анализа. Включение этого курса в УМК НП объясняется тем, что рассмотрение вопросов программно-методических средств компьютерной визуализации наносистем является важным аспектом компьютерного моделирования наносистем в целом.

Перечень разработанных ЭУМ

• Модуль  «О содержании курса»
• 1-й модуль «Введение»
• 1-й модуль «Задача 1». Тема «Бесконечная потенциальная яма»
• 2-й модуль «Задача 2». Тема «Конечная потенциальная яма»
• 3-й модуль «Задача 3». Тема «Потенциальная яма в импульсном представлении»
• 1-й модуль «Лекция 1». Тема «Введение. Квантовая механика и моделирование»
• 2-й модуль «Лекция 2». Тема «Обзор основных методов моделирования»
• 1-й модуль «Тест 1» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 1-м и 2-м ЭУМ типа «Лекция»
• 3-й модуль «Лекция 3». Тема «Метод Хартри-Фока для многоатомных систеМ»
• 4-й модуль «Лекция 4». Тема «Требования к электронной волновой функции в методе Хартри-Фока»
• 2-й модуль «Тест 2» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 3-м и 4-м ЭУМ типа «Лекция»
• 5-й модуль «Лекция 5». Тема «Выход за приближение Хартри-Фока. Реализация приближений для простейших систем»
• 6-й модуль «Лекция 6». Тема «Ограничения метода Хартри-Фока и учет корреляций»
• 3-й модуль «Тест 3» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 5-м и 6-м ЭУМ типа «Лекция»
• 7-й модуль «Лекция 7». Тема «Метод конфигурационного взаимодействия»
• 8-й модуль «Лекция 8». Тема «Наборы молекулярных орбиталей для метода конфигурационного взаимодействия»
• 4-й модуль «Тест 4 » - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 7-м и 8-м ЭУМ типа «Лекция»
• 9-й модуль «Лекция 9». Тема «Исследование молекулы водорода методом молекулярных орбиталей и методом валентных связей»
• 10-й модуль «Лекция 10». Тема «Базисные функции для неэмпирических расчетов. Номенклатура Даннинга. Номенклатура Попла. Оценка точности квантово-механических вычислений»
• 5-й модуль «Тест 5» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 9-м и 10-м ЭУМ типа «Лекция»
• 11-й модуль «Лекция 11». Тема «Методы расчета электронно-возбужденных состояний»
• 12-й модуль «Лекция 12». Тема «Полуэмпирические методы»
• 6-й модуль «Тест 6» - тестирование по результатам изучения лекционного материал , изложенного в 11-м и 12-м ЭУМ типа «Лекция»
• 13-й модуль «Лекция 13». Тема «Введение в теорию функционала плотности»
• 14-й модуль «Лекция 14». Тема «Модель Томаса-Ферми-Дирака»
• 7-й модуль «Тест 7» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 13-м и 14-м ЭУМ типа «Лекция»
• 15-й модуль «Лекция 15». Тема «Уравнения Кона-Шэма»
• 16-й модуль «Лекция 16». Тема «Гибридные Функционалы»
• 8-й модуль «Тест 8» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 15-м и 16-м ЭУМ типа «Лекция», а также в 1-14 ЭУМ типа «Лекция»
• 17-й модуль «Лекция 17». Тема «Реализация теории функционала плотности и использование псевдопотенциала для периодических и непериодических систем»
• 18-й модуль «Лекция 18». Тема «Обмен и корреляция»
• 9-й модуль «Тест 9» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 17-м и 18-м ЭУМ типа «Лекция»
• 19-й модуль «Лекция 19». Тема «Приближение локальной плотности»
• 20-й модуль «Лекция 20». Тема «Электрон-ионные взаимодействия»
• 10-й модуль «Тест 10» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 19-м и 20-м ЭУМ типа «Лекция»
• 21-й модуль «Лекция 21». Тема «Учет спина в DFT»
• 22-й модуль «Лекция 22». Тема «Общая процедура реализации метода DFT»
• 11-й модуль «Тест 11» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 21-м и 22-м ЭУМ типа «Лекция»
• 23-й модуль  «Лекция 23». Тема «Особенности применения DFT»
• 24-й модуль  «Лекция 24». Тема «Особенности применения DFT»
• 12-й модуль «Тест 12» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 23-м и 24-м ЭУМ типа «Лекция»
• 25-й модуль «Лекция 25». Тема «Комплекс квантово-механических расчетов «Gamess»
• 26-й модуль «Лекция 26». Тема «Простые расчеты в рамках комплекса «Gamess», часть 1»
• 13-й модуль «Тест 13» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 25-м и 26-м ЭУМ типа «Лекция»
• 27-й модуль «Лекция 27». Тема «Визуализация результатов вычислений комплекса «Gamess» при помощи программы ChemCraft»
• 28-й модуль «Лекция 28». Тема «Простые вычисления комплекса «Gamess», часть 2»
• 14-й модуль «Тест 14» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 27-м и 28-м ЭУМ типа «Лекция»
• 29-й модуль «Лекция 29». Тема «Сложные расчеты в рамках комплекса «Gamess», часть 1»
• 30-й модуль «Лекция 30». Тема «Сложные расчеты в рамках комплекса «Gamess», часть 2»
• 15-й модуль «Тест 15» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 29-м и 30-м ЭУМ типа «Лекция»
• 31-й модуль «Лекция 31». Тема «Пример мезоскопическое моделирование нанообъектов»
• 32-й модуль «Лекция 32». Тема «Приближение уравнений Гинзбурга-Ландау, учет токового состояния»
• 16-й модуль «Тест 16» - тестирование по результатам изучения лекционного материала, изложенного в 31-м и 32-м ЭУМ типа «Лекция», а также 1- 32-м ЭУМ типа «Лекция»
• 17-й модуль «Тест 17» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 1.
• 1-й модуль «Лабораторная работа 1». Тема «Фуллерен С60 и его изомеры»
• 18-й модуль «Тест 18» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 2.
• 2-й модуль «Лабораторная работа 2 ». Тема «Моделирование взаимодействия фуллеренов С20 при столкновении».
• 19-й модуль «Тест 19» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 3.
• 3-й модуль «Лабораторная работа 3». Тема «Моделирование распада углеродно-водородного кубейна С8H8»
• 20-й модуль «Тест 20» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 4.
• 4-й модуль «Лабораторная работа 4». Тема «Моделирование распада метастабильного кластера азота кубейна N8» 
• 21-й модуль «Тест 21» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 5.
• 5-й модуль «Лабораторная работа 5». Тема «Моделирование процессов резонансного туннелирования в наноструктурах»
• 22-й модуль «Тест 22» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 6.
• 6-й модуль «Лабораторная работа 6». Тема «Структура метастабильной немолекулярной фазы азота NK, влияние температуры и внешнего гидростатического давления»
• 23-й модуль «Тест 23» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 7.
• 7-й модуль «Лабораторная работа 7». Тема «Электронные свойства сверхпроводников со структурой А15»
• 24-й модуль «Тест 24» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 8.
• 8-й модуль «Лабораторная работа 8». Тема «Оксидные сверхпроводники»
• 25-й модуль «Тест 25» - предварительное тестирование – допуск к выполнению Лабораторной работы 9.
• 9-й модуль «Лабораторная работа 9». Тема «Намагниченность сверхпроводников второго рода во внешнем магнитном поле, приближение уравнений Гинзбурга–Ландау».

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»