Информационные технологии. Data Culture

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Химия)

Направление: 04.03.01. Химия

Кто читает: Факультет химии

Где читается: Факультет химии

Когда читается: 1-й курс, 1-4 модуль

Формат изучения: с онлайн-курсом

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Медведев Михаил Геннадьевич, Свитанько Игорь Валентинович, Широкова Лари Дмитриевна

Язык: русский

Кредиты: 7

Контактные часы: 110

Полная версия программы учебной дисциплины Задать вопрос

Аннотация

Дисциплина Информационные технологии. Data Culture состоит из двух частей. Первая часть (Информационные технологии в химии) направлена на ознакомление с современными информационными технологиями, их применением для практики проведения научного исследования и анализа данных; обучение студентов самостоятельной подготовке результатов своих исследований к публикации; расширение систематических знаний по информационным технологиям и их прикладное применение; освоение практических навыков эффективной работы с массовым и научным программным обеспечением. Особое внимание уделяется рассмотрению подготовки результатов к публикации. Вторая часть курса (Data Culture) направлена на формирование знаний и навыков по современным подходам к сбору больших объемов данных, их анализу статистическими методами в применении к практическим задачам, возникающим в различных предметных областях, а также развитие у студентов понимания текущих возможностей и ограничений методов машинного обучения и искусственного интеллекта.

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Информационные технологии в химии» являются: • ознакомление с современными информационными технологиями, их применением для практики проведения научного исследования и анализа данных; • обучение студентов самостоятельной подготовке результатов своих исследований к публикации; • расширение систематических знаний по информационным технологиям и их прикладное применение; • освоение практических навыков эффективной работы с массовым и научным программным обеспечением.

Планируемые результаты обучения

Умеет: • Применять базовые принципы молекулярной механики для расчетов геометрии и энергетических параметров молекул. • Показывает: наличие базовых навыков работы в физико-химических вычислительных системах, методах расчета энергии связывания лиганд-мишень.
Умеет: • подготавливать графические файлы в зависимости от их назначения; • оформлять химические тексты любой категории сложности на основе современных стандартов
Умеет: • использовать вспомогательные программы: утилиты, архиваторы, антивирусное ПО; • производить необходимые расчеты в электронных таблицах, строить диаграммы и графики; • создавать презентации в среде PowerPoint; • самостоятельно разрабатывать Web-страницы.
Демонстрирует знание базовых принципов применения вычислительной техники и программного обеспечения (ПО) в химии.
Демонстрирует знание текстовых редакторов, электронных таблиц и систем подготовки презентаций в химии.
Умеет: • использовать графический интерфейс, проводить настройку ОС Windows; • подбирать и конфигурировать аппаратное обеспечение современного компьютера в зависимости от поставленной задачи; • анализировать строение и назначение локальных сетей и Интернета.

Содержание учебной дисциплины

Аппаратное обеспечение и ОС, тенденции развития. Компьютерные сети, файлы. Возможности компьютерной сети: локальной и глобальной. Интернет и безопасность, защита данных. Операции с файлами. Использование графического интерфейса ОС.
1.1. История развития компьютеров. Назначение компьютеров. Компоненты компьютера (устройства ввода, вывода, системный блок). Основные компоненты системного блока (материнская плата, процессор, оперативная память, видеокарта, жесткий диск, охлаждение устройств; устройства ввода-вывода: модем, сетевой адаптер) и их разновидности. Носители информации. Понятия команды, программы, выполнение программы процессором. Представление данных в компьютере. Периферийное оборудование (принтеры, сканеры) и их разновидности. Способы подключения внешних устройств (LPT, COM, USB, FireWire, BlueTooth). Модернизация. 1.2. Операционные системы. Назначение ОС. Современные ОС и их краткая сравнительная характеристика (ОС семейства Windows, ОС семейства UNIX, MacOS). Установка и обслуживание Windows. Файловые системы (древовидные) на примере FAT/NTFS. Логические диски. Каталоги. Имя файла. Расширение. Путь к файлу. Файловые утилиты, программы обслуживания жесткого диска. 1.3. Введение в компьютерные сети. Глобальные, региональные и локальные сети. Адресация, настройки, проблемы, перспективы. Работа в локальной сети. Назначение компьютерных сетей. Одноранговые сети и сети с выделенным сервером. Протоколы. Стек протоколов TCP-IP, назначение IP в глобальной и локальной сети, DHCP. Конфигурация и настройка сети в ОС Windows. Сетевые диски. Работа в сети с помощью проводника Windows. Утилиты работы в сети: ping, tracert, ftp, telnet, ssh, nslookup, ipconfig - краткий обзор. Беспроводные сети, защита. 1.4. Глобальные сети, структура. Интернет. URL. Обзор основных сервисов, предоставляемых Интернетом и программ для работы с ними: e-mail (Microsoft Outlook, TheBat), WWW (Browser), Ftp (ftp-клиенты). Подключение к Интернету (DialUp, DSL, LAN). Поиск информации в Интернете: подходы, основные поисковые машины, порталы, расширенный научный поиск. 1.5. Компьютерная безопасность Вирусы, трояны и spyware — классификация и характеристика. Способы заражения. Возможные последствия. Меры предосторожности. Защита от вирусов. Антивирусы и брандмауэры, защита от спама. Резервное копирование данных. 1.6. Графический интерфейс MS Windows. Структура и настройка Windows. Особенности и основные элементы графического интерфейса пользователя MS Windows (окна, меню, панель задач, меню «Пуск», рабочий стол, пиктограммы и их свойства). Работа с использованием клавиатуры и мыши, основные клавиатурные комбинации. Проводник Windows – работа с файлами. Сторонние системы управления файлами, Total Commander. Установка и удаление шрифтов, принтеров, программ, устройств; клавиатура, настройка языков, локализации, даты/времени. Интерфейс командной строки (cmd.exe), его особенности. Пакетные файлы (без команд организации циклов). Консольные команды.
Основные возможности Windows, встроенное программное обеспечение. Прикладное программное обеспечение: текстовые, табличные, web-редакторы, презентационное ПО, работа с источниками информации в химии. Специальное программное обеспечение для работы в химии.
2.1. Пользовательский интерфейс ОС. Варианты загрузки Windows. Настройка и оптимизация системы. Оптимизация размещения пользовательских файлов. 2.2. Сжатие и архивация данных. Принципы работы архиваторов. Сжатие текста, графики и мультимедиа-информации, с потерей и без потери качества. 2.3. Прикладные программы: обзор ПО. Классификация и назначение прикладных программ. Встроенные Windows-приложения. MSOffice. Текстовые редакторы. Назначение текстовых редакторов. MSWord и альтернативы. Настройки. Создание/загрузка/сохранение документов в различных форматах. Перемещение по документу, виды отображения. Оформление текста без использования стилей (шрифты, абзацы). Поиск/замена текста. Оформление с использованием стилей. Создание/изме¬нение/удаление стилей. Специальное форматирование: страница, табуляция и табличный редактор, списки, колонтитулы, разбиение текста на колонки. Математические формулы. Иллюстрации: импорт и размещение. Средства автоматизации: автоматическая генерация содержаний, указателей, списков (иллюстраций, подписей, ссылок на подписи), поля (fields), сортировка. Шаблоны. Проверка правописания. Вывод на печать и в файл. 2.4. Синтаксис и структура HTML. Обзор визуальных HTML редакторов. Редактирование HTML напрямую и в визуальном HTML–редакторе. Простое оформление текста и гиперссылок. Принципы Web-дизайна. 2.5. Использование электронных таблиц MS Excel. Назначение электронных таблиц. Создание/загрузка/сохранение таблиц в различных форматах. Добавление и удаление листов из рабочей книги. Форматирование и автоформатирование таблиц. Построение диаграмм. Расчеты в таблицах. Фильтрование. Шаблоны. Построение графиков в Excel. Знакомство с Origin: построение графиков и их обработка. 2.6. Подготовка презентаций MS PowerPoint. Принципы построения лекционного материала, тайминг. Оформление слайда, текст, анимация. Онлайн-системы подготовки презентаций. Prezi.com. 2.7. Работа с источниками информации в химии. Первичные и вторичные источники научно-технической информации (НТИ). Журналы как первоисточники — печатные и электронные. Что такое импакт-фактор журнала (версии WebОfScience и Scopus), его расчет. Понятие и реализация DOI-индекса публикации. Научная электронная библиотека (www.elibrary.ru). Возможности полнотекстового поиска. Поиск по специальным полям — ISSN. DOI/Crossref. Поиск с использованием Google Scholar (http://scholar.google.com/). Поиск конкретных работ (статей из научных журналов) с использованием системы CrossRef (DOI), Web Of Science, Scopus. Синтаксис, фильтрация и сортировка полученной информации. База данных REAXYS. Функция анализа (по авторам, названиям организаций, наименованиям журналов, году публикации и т.д.) Функция анализа для результатов поиска по веществу или реакции. Сортировка ответов (по цитированию, по дате и др.) Вторичная научно-техническая информация. Производители НТИ и вендоры. Классификация баз данных — библиографические, структурно-химические, фактографические, полнотекстовые. Библиографические БД. STN International как крупнейший источник библиографических баз данных по научно-техническим дисциплинам (www.cas.org). Дополнительная возможность — поиск по цитированию — БД CA, CAPlus, SCOPUS. 2.8. Распознавание текста OCR. Принцип распознавания. Автораспознавание текстов на иностранном языке; распознавание документов с низким качеством изображения, приведение к виду, позволяющему облегчить распознавание; обучение программы. 2.9. PDF-файлы Особенности PDF-файлов. Создание PDF-файлов, постформатирование, включение дополнительных интерактивных элементов, редактирование имеющихся, в т.ч. с нестандартной кодировкой и шрифтами.
Графика. Растровая и векторная графика, особенности научной графики. Химическая графика. Расчеты геометрии структур.
3.1. Общие вопросы работы с графикой. Растровая и векторная графика. Форматы графических файлов и их особенности (TIFF, JPEG, BMP, GIF, PNG, PCX, EPS), программные форматы, язык PostScript, компрессия графических файлов. Совмещение графики и текста в различных редакторах. Источники компьютерных изображений (сканирование, цифровые снимки, библиотеки изображений, Интернет, рисование, специализированные программы, научные приборы). Зависимость параметров графических файлов от их назначения. Обзор основных графических программ. 3.2. Векторная графика Назначение. Недостатки и достоинства. Особенности рисования и редактирования, основные графические инструменты. Кривые Безье. Выделение, преобразование и упорядочивание объектов. Шрифт Windows как простейший пример векторной графики. Создание и редактирование шрифтов. 3.3. Растровая графика Назначение. Недостатки и достоинства. Классификация. Разрешение в зависимости от назначения, особенности масштабирования. Цифровая фотография, сканирование. Основные приемы редактирования растровых изображений. 3.4. Научная и деловая графика Основные виды диаграмм, значение в научном исследовании. Подготовка исходных данных, их дополнительная математическая обработка. Принципы оформления, наглядность, типовые ошибки. Оси, засечки, сетка, подписи, размерности, шкалы, легенда, объединение данных. 4.5. Химическая графика Основные химические графические примитивы и особенности их использования. Типовые ошибки при наборе. Рисование кривых, кривая Безье в химических структурах, карандаш. Группировка и упорядочивание объектов. Особенности набора формул для химической базы данных. Стилевое оформление. Способы оптимизации набора химических структур. Встроенные шаблоны и заготовки для форматирования химической графики в системе ChemDraw. Использование текста в химических уравнениях, набор специальных символов. Перенос в программы редактирования текста и презентаций.
Вычислительные методы и математическое моделирование в химии
4.1. Вычислительные методы в химии. История развития вычислительных методов. Теоретические основы полуэмпирических и неэмпирических расчётных методов. Понятие функционала плотности. Понятие базиса. Математическое моделирование в химии. Визуализация моделей химических объектов на молекулярном уровне. Трехмерная графика. Компьютерное моделирование геометрических и энергетических параметров молекул. 4.2. Молекулярная механика: теоретические основы, возможности метода и основные трудности. Принципы молекулярных расчетов. Расчетные программы на основе молекулярной механики. Молекулярная динамика. Общее представление о полуэмпирических и неэмпирических методах квантовой химии. 4.3. Оптимизация геометрии молекул полуэмпирическими и неэмпирическими методами. Границы области применение различных методов квантовохимических расчётов. Исследование механизмов химических реакций. Поиск переходного состояния методами квадратичного транзита. Использование процедуры сканирования (SCAN) поверхности потенциальной энергии при изучении механизмов химических реакций. 4.4. Соотношения «структура-свойство». Базовые понятия, моделирование структур для направленного синтеза биологически активных соединений. Моделирование каталитических процессов (включая биокатализ).
Цифровая грамотность
Переменные и арифметические действия. Логический тип данных и условный оператор. Цикл while. Введение в структурированные типы данных и цикл for. Методы. Неупорядоченные типы данных. Вложенные структуры данных. Сортировки. Функции.Текстовые файлы и таблицы. Скрейпинг: сбор ссылок с сайта
Основы баз данных
Виды архитектур. Нормализация и SQL

Элементы контроля

Домашние задания
8 домашних заданий в течение 1-2 модуля с равным весовым коэффициентом.
Письменные контрольные работы
Экзамен 2 модуль
Правила проведения экзамена в дистанционном формате: https://docs.google.com/document/d/1qKM-eHZ_xwQ_GGqejuV6CyVE4X4MwkcVnPDjuaUnQ5Y/edit?usp=sharing
Самостоятельная работа 1 (Data Culture)
Самостоятельная работа 2 (Data Culture)
1 вопрос проверяет умение выполнять готовые запросы к базе данных 2 вопрос проверяет умение составлять сложные вопросы для извлечения данных из 2 таблиц 3 вопрос проверяет понимание языка SQL 4 вопрос проверяет умение определять потенциальные ключи, опираясь на известный набор свойств 5 вопрос проверяет умение определять потенциальные ключи, опираясь на известный набор информации 6 вопрос проверяет навыки нормализации 7 вопрос проверяет умение использовать интерфейс phpMyAdmin
Самостоятельная работа 3 (Data Culture)
Индивидуальный проект (Data Culture)
Контрольная работа №1 и №2
Предусмотрено 2 контрольные работы в течение 1-2 модулей.
Контрольная работа №3

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.4 * Домашние задания + 0.2 * Контрольная работа №1 и №2 + 0.2 * Контрольная работа №3 + 0.2 * Экзамен 2 модуль
Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.075 * Индивидуальный проект (Data Culture) + 0.075 * Самостоятельная работа 1 (Data Culture) + 0.075 * Самостоятельная работа 2 (Data Culture) + 0.075 * Самостоятельная работа 3 (Data Culture)

Программа дисциплины