Embed Size (px)
Citation preview
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Выпускная работа по«Основам информационных технологий»
Магистрантка
кафедры аналитической химии
Зеленковская Виктория Валерьевна
Руководители:
профессор Лещёв Сергей Михайлович
старший преподаватель Шешко Сергей Михайлович
Минск – 2010 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ...............................................................................................................2СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ КО ВСЕЙ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ................................................3РЕФЕРАТ НА ТЕМУ «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИТ В ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ»...............4
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................4ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................6ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................................10ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ............................................................................11
3.1. Использование ИТ при проведении литературного обзора.............................................113.2 Подготовка эксперимента....................................................................................123.3 Проведение эксперимента....................................................................................133.4 Применение распределенных технических и программных ресурсов для моделирования в химии. 143.5 Обработка результатов......................................................................................153.6. Представление результатов.................................................................................15
ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.......................................................................174.1. Использование информационных сетей....................................................................174.2. Программное обеспечение и средства подготовки специализированных научных текстов.......174.3 Технические средства..........................................................................................18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................20СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К РЕФЕРАТУ............................................................................21ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ.........................................................................................22ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................23ЛИЧНЫЙ САЙТ..........................................................................................................26ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ ПО «ОСНОВАМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»..................27ГРАФ НАУЧНЫХ ИНТЕРЕСОВ......................................................................................28ПРЕЗЕНТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ..........................................................29СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ...........................................................31
2
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ КО ВСЕЙ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ
ИТ информационные технологии
ИПС – информационные поисковые системы
АСУ – автоматизированные системы управления
ЭВМ – электронные вычислительные машины
ПЭВМ – персональные электронные вычислительные машины
3
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИТ В ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ»
ВВЕДЕНИЕ
Информационные технологии занимают уникальное положение в современном обществе. В отличие от других научно-технических достижений, средства вычислительной техники и информатики применяются практически во всех сферах интеллектуальной деятельности человека, способствуя прогрессу в технике и технологии. Являясь интеллектуальными компонентами технологий проектирования, производства и управления сложными процессами и структурами, ИТ имеют первостепенное значение в различных отраслях знания, а повсеместный доступ к мировой информационной сети и наличие элементарной бытовой и компьютерной техники в каждом доме уже давно считается не роскошью, а необходимым условием нормального существования человека [1].
Изначальная необходимость применять возможности, предоставляемые ИТ, переросла сначала в добровольный интерес, а на сегодняшний день для многих стала своего рода зависимостью. Так место письменного общения прочно заняла электронная почта, личные встречи заменила переписка в IСQ и социально-ориентированных сайтах, коллективные устные дискуссии – в чаты и теле-конференции; полиграфические формы учебников и справочников теряют свою ценность в пользу электронных версий, а библиотеки постепенно трансформируются в компьютерные залы.
При этом объемы обрушивающейся на человека информации на сегодняшний день настолько велики, что граничат с его биологическими ресурсами, вследствие чего более ценным для человека является способность управлять потоками информации, т.е. находить, отбирать, оценивать и применять лишь наиболее ценные сведения.
Результатом любой научной деятельности является получение той или иной первичной информации об исследуемом объекте, которая требует дальнейшей обработки. Происходящее в настоящее время ускорение темпов развития научных исследований, требует от современного ученого знаний ИТ, ввиду того, что их использование при обработке результатов эксперимента ускоряет получение конечного результата. Это позволяет ученому не отставать от современного темпа развития науки. В связи с усложнением объектов исследования сам процесс получения информации также требует применение ИТ.
4
Поэтому в данной работе был проведен анализ использования ИТ при проведении научных исследований в химической области.
5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Согласно определению, принятому ЮНЕСКО, ИТ – это комплекс взаимосвязанных, научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы [2].
В упрощенном варианте ИТ рассматриваются как процессы, использующие совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).
По мере изменения инструментов, с помощью которых проводилась обработка информации, развитие ИТ прошло через следующие этапы [3]:
1. «ручная» информационная технология (до второй половины XIXв.), инструментарий которой составляли: перо, чернильница, книга.
Основная цель заключалась в представление информации в нужной форме, а коммуникация с использованием ИТ – в переписке и переправке через почту писем, пакетов и депеш.
2. «механическая» технология (с конца XIX в.), характеризующаяся наличием более совершенного инструментария (пишущая машинка, телефон, диктофон) и средствами доставки почты.
Основную цель механической технологии составляло представление информации в нужной форме более удобными средствами.
3. «электрическая» технология (40 - 60-е гг. XX в.), связанная с изобретением ЭВМ с соответствующим программным обеспечением, электрических пишущих машинок, ксероксов, портативных диктофонов и т.д.
Основная цель ИТ начала перемещаться с формы представления информации на формирование ее содержания.
4. «электронная» технология (с начала 70-х гг.), для которой характерно создание и использование автоматизированных систем управления (АСУ) и информационно-поисковых систем, оснащенных широким спектром базовых и специализированных программных комплексов.
6
Центр тяжести ИТ еще более смещен на формирование содержательной стороны информации для управленческой среды различных сфер общественной жизни, особенно на организацию аналитической работы.
5. «компьютерная», или «новая» технология (с середины 80-х гг.), использующая в качестве основного инструментария персональный компьютер с широким спектром стандартных программных продуктов разного назначения.
На этом этапе происходит процесс персонализации АСУ, который проявляется в создании систем поддержки принятия решений определенными специалистами. Подобные системы имеют встроенные элементы анализа и искусственного интеллекта для разных уровней управления, реализуются на персональном компьютере и используют телекоммуникации. В связи с переходом на микропроцессорную базу существенным изменениям подвергаются и технические средства бытового, культурного и прочего назначений.
6. «сетевая технология» (иногда ее считают частью компьютерных технологий) широко используется в наше время, обусловленная наблюдающейся популярностью ее основателя – глобальной компьютерной сети Internet.
Одно из главных отличий Интернета от всего остального, что связано с компьютерами – это то, что для успешной работы с ним, не нужно никаких книг. Сама «Всемирная Паутина» может служить и справочником, и учебником, и энциклопедией самого себя. К настоящему моменту спектр возможностей Сети растет с каждым годом, и каждый пользователь может найти для себя полезную информацию.
В последние годы термин «информационные технологии» часто выступает синонимом термина «компьютерные технологии», так как все ИТ в настоящее время так или иначе связаны с применением компьютера. Однако, термин «информационные технологии» намного шире и включает в себя «компьютерные технологии» в качестве составляющей. При этом, ИТ, основанные на использовании современных компьютерных и сетевых средств, образуют термин современные информационные технологии [1,3].
Под средствами современных информационных и коммуникационных технологий понимается программные, программно-аппаратные и технические средства, а так же устройства, функционирующие на базе микропроцессорной, вычислительной техники, а также современных средств и систем транслирования информации, информационного обмена, обеспечивающие операции по сбору, продуцированию, накоплению, хранению, обработке, передаче информации и возможность доступа к
7
информационным ресурсам компьютерных сетей (в том числе глобальных) [3].
К средствам современных информационных и коммуникационных технологий относятся ЭВМ, ПЭВМ, комплекты терминального оборудования для ЭВМ всех классов, локальные вычислительные сети, устройства ввода-вывода информации, средства ввода и манипулирования текстовой и графической информацией, средства архивного хранения больших объемов информации и другое периферийное оборудование современных ЭВМ; устройства для преобразования данных из графической или звуковой формы представления данных в цифровую и обратно; средства и устройства манипулирования аудиовизуальной информацией (на базе технологий Мультимедиа и «Виртуальная реальность»); системы искусственного интеллекта; системы машинной графики, программные комплексы (языки программирования, трансляторы, компиляторы, операционные системы, пакеты прикладных программ и пр.) и др.; современные средства связи, обеспечивающие информационное взаимодействие пользователей как на локальном уровне (например, в рамках одной организации или нескольких организаций), так и глобальном (в рамках всемирной информационной среды) [4].
Ведущие педагоги считают, что новые формы предъявления знаний, умений, навыков: интерактивные «живые» тексты и гипертексты, аудиовизуальные средства (реальная цветовая палитра, трехмерная графика, мультимедийные компоненты), компьютеризованные практикумы (от управляемых установок до симуляторов и виртуальных лабораторий) – представляют собой новый способ усвоения информации, позволяющий, при желании извлечь из него неоценимую пользу.
В то же время проведение фундаментальных научных исследований, представляющих собой экспериментальную или теоретическую деятельность, направленную на получение новых знаний об основных закономерностях строения, функционирования и развития человека, общества, окружающей природной среды, на сегодняшний день вообще невозможно без использования ИТ. Поэтому для специалистов, в том числе и химиков, непосредственно занимающихся научными исследованиями, разработан целый ряд специализированных программных систем, некоторые из которых уже прошли проверку временем и широко используются в ведущих научных центрах, а другие до сих пор так и не нашли серьезного применения [5].
В целом же, изменение направления химических исследований, наблюдающееся в последнее время, в сторону прогнозирования и решения
8
комплексных промышленных задач в условиях всеобщей компьютеризации общества привело к интеграции ИТ с непосредственно проводимыми научными исследованиями. Эффективность использования ИТ в химии и была проанализирована в данной работе.
9
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для оценки эффективности применения ИТ при проведении научных исследований в химической области проводился анализ возможности решения определенных задач с помощью ИТ на каждом из этапов исследования, а также изучение популярности тех или иных программ и поиску в Интернете отзывов и комментариев о них от самих разработчиков и непосредственно пользователей.
Научные исследования представляют собой сложный, итерационный процесс, сочетающий теоретические, включая методы моделирования, и экспериментальные методы, поэтапно выполняющийся в течение, как правило, достаточно длительного времени, зависящего от сложности самого исследования. Таким образом, выполнение научных исследований, в частности, химических, предполагает осуществление следующих действий:
1. обзор литературы и оценка актуальности выполняемой работы;2. подготовка к эксперименту (планирование, составление методик,
закупка необходимых реактивов и оборудования);3. проведение эксперимента;4. обработка результатов и их обсуждение;5. презентация результатов работыВозможность применения ИТ на каждом из этих этапов определялась
при рассмотрении следующих аспектов ИТ: хранение, обработка, распространение, представление информации и использование для этих целей различных технических средств, использование Интернет и информационных сетей для образования и научных исследований, основные типы программного обеспечения и средства подготовки специализированных научных текстов.
10
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Использование ИТ при проведении литературного обзора
Плодотворное развитие науки в современном мире невозможно без интернационального общения и взаимодействия ученых; изоляция от мирового информационного сообщества может не только затормозить, но и привести к полному прекращению исследований. Поэтому первым этапом в любой научно-исследовательской работе является составление так называемого литературного обзора, который позволяет оценить актуальность выбранной проблемы, степень ее изученности и перспективы решения.
Важную роль на этапе поиска и анализа литературы играют электронные библиотеки, каталоги и базы данных в электронном варианте, автоматизированные системы поиска в которых позволяют проводить дифференцированный поиск по авторам, названиям статей и монографий с предоставлением в качестве результата рефератов или отдельных выдержек, позволяющие оценить их применимость и значимость к заданной теме исследования (рисунок 3.1). При этом также значительное упрощается сам процесс поиска и, наряду с сокращением времени, увеличивается эффективность его проведения [6].
Рисунок 3.1 – Электронный каталог ЦНБ НАН Беларуси
Глобальная информационная сеть Internet в дополнение к перечисленным функциям предоставляет доступ к зарубежным электронным библиотекам и базам данных на различных языках, что не только расширяет
11
область поиска, но и способствует более точной оценке актуальности, степени изученности заданной проблемы и практической значимости проводимых по этой теме исследований. Возможность проведения поиска в домашних условиях или непосредственно на рабочем месте в лаборатории экономит время и сокращает транспортные расходы по прибытию в стационарные традиционные книжные библиотеки. При этом такие универсальные информационно-поисковые системы (ИПС), как «Google», «Яндекс», «Рамблер», «Апорт» и др., позволяют химикам узнать о других специалистах, научно-исследовательских коллективах, лабораториях, университетах и компаниях, работающих в той же области в различных, иногда даже в самых отдаленных уголках планеты [7,8].
3.2 Подготовка эксперимента
Непосредственное проведение химических экспериментов довольно часто предполагает работу со сложными приборами и установками, токсичными, пожаро- и взрывоопасными веществами – всё это предпологает соблюдения максимальной осторожности, знания техники безопасности и тщательного планирования экспериментов. Новая постановка опыта допускается только после предварительного испытания в малом масштабе при соблюдении всех необходимых мер предосторожности [9].
Помощь на этом этапе исследований ИТ могут оказать при поиске необходимых методик анализа, оборудования и реактивов. Отсканированные или изначально электронные версии книг и журналов позволяют получить полное описание практически любой методики анализа веществ или проведения органического синтеза, быстро и просто решив проблему недоступности литературы по отдельным направлениям химии по причине единичности их экземпляров, высокой цены или слишком давнего издания.
Неоценимо важный вклад в планирование эксперимента дают специализированные химические или биологические Internet-форумы, например, на таких широко известных химических порталах, как www.anchem.ru или www.chemport.ru, на которых можно не только найти подробное описание необходимых методик с указанием нюансов их проведения или ссылок на оригинальные источники, ознакомиться с литературой в данной области, но и получить консультации специалистов по решению затруднительных вопросов в процессе исследования. Вся предлагаемая информация носит исключительно ознакомительно-рекомендательный характер, не предполагает абсолютно точного исполнения предоставленных инструкций, однако позволяет значительно сократить
12
время поиска и избежать ошибок, традиционно совершаемых на первых этапах исследований [10].
В свою очередь, использование ИПС помогает определить круг фирм-производителей химического оборудования или поставщиков химических реактивов, необходимых для проведения исследования, с указанием их официальных сайтов, на которых можно ознакомиться с каталогами предлагаемой продукции и заказать необходимые материалы.
Особую роль в планировании эксперимента играют виртуальные лаборатории и компьютерные программы, позволяющие а-приори спланировать эксперимент, исход экстракционного процесса, синтез органических соединений путем построения так называемого «дерева процесса». Это позволяет определить направление и условия протекания как основных, так и побочных реакций. Примером такого рода компьютерных программ являются широко известные специалистам SYNGEN (SYNthesis GENeration, Дж. Хендрикс, США), EROS (Erzeugung von Reaktionen für die organische Synthese, Й. Гастайгер, ФРГ), LHASA (Logic and Heuristic Applied to Synthetic Analysis, Ю. Кори, США) и др. [11]
3.3 Проведение эксперимента
Среди химических наук применение компьютеров особенно важно там, где целью исследований является получение численных значений каких-либо свойств: в аналитической, физической, квантовой химии, химической технологии, а также в смежных дисциплинах. Поэтому, несмотря на то, что определенная часть практических химических экспериментов предполагает исключительно ручную работу, на сегодняшний день уже существует целый ряд приборов – автоматические хроматографы, калориметры, титраторы, спектрофотометры, поляриметры, иономеры и т.д., которые могут быть изначально подключены к компьютеру, на который и выводят полученные результаты [121].
Полностью компьютеризованными являются квантово-механические расчеты для органической, неорганической, физической и химии высокомолекулярных соединений. На сегодняшний день в мире функционирует достаточно много современных вычислительных комплексов, реализующих методы неэмпирические (HONDO, GAUSSIAN, MICROMOL, GAMESS) и полуэмпирические (MOPAC, MNDO) квантовой химии и молекулярной динамики при проведении операций по оптимизации геометрии молекул, расчету колебательных спектров, определению конфигурации и конформации наиболее устойчивого состояния молекулы и др. При выполнении оценочных расчетов и обучении основам проведения
13
квантово-химических расчетов наиболее удобными являются программыHyperChem и Сhem3D (из пакета ChemOffice) [13].
3.4 Применение распределенных технических и программных ресурсов для моделирования в химии
Известно, что сейчас в мире более 500 млн. персональных компьютеров, однако, в среднем используется всего лишь 15% вычислительных ресурсов! Система Грид-вычислений (Grid Computing) позволит более эффективно использовать имеющуюся базу вычислительных ресурсов. По сути, Грид является "надстройкой" над Интернетом. Ее основное назначение - организация распределенных вычислений для решения серьезных задач науки и технологии, которые требуют больших вычислительных ресурсов, а именно, мощности компьютеров, ресурсов хранения данных, времени вычислений. В отличие от бесструктурной Паутины WWW, решетка Грид - строго упорядоченная система. До некоторой степени условно Грид можно назвать вычислительным Интернетом.
Пользователь, подключаясь к Гриду, получает доступ к мощи тысяч машин, на которых он может осуществлять вычисления и хранить как огромные массивы данных, так и информацию, полученную в результате их обработки. В этой сети уделяется первостепенное внимание проблемам безопасности – ведь анонимность, удобная при общении в Интернете, может стать чрезвычайно опасной при работе с научными или практическими данными. Запрашивая какую-либо информацию в глобальной базе данных Грида, пользователь получит исчерпывающий ответ на вопросы об ее достоверности, полноте и доступности [14].
В ЕC успешно осуществляется проект EGEE (Enabling Grids for E-sciencE,), в котором 90 участников из 32 стран. Его цель - создание в Европе круглосуточно работающей Грид-инфраструктуры, объединение и организация вычислительных ресурсов для решения исследовательских и практических задач.
В грид-инфраструктуре размещены и работают в постоянном режиме несколько приложений в области вычислительной химии:
GEMS (Grid Enabled Molecular Simulator – «Молекулярный симулятор на основе грид-технологий») используется для моделирования динамики реакций в сложных химических системах. Для его эксплуатации в инфраструктуре EGEE создана виртуальная организация CompChem.
14
DL_POLY моделирует молекулярную динамику сложных систем. Оно стало стандартом де-факто в сообществах вычислительной химии и вычислительной биологии.
RWAVEP выполняет квантово-механические расчёты вероятности разных химических реакций, применяя подход, основанный на понятии волнового пакета. Для разных наборов исходных состояний генерируются разные события.
3.5 Обработка результатов
Уровень развития прикладного программного обеспечения позволяет проводить всю необходимую математическую обработку результатов эксперимента с помощью программ общего назначения, среди которых можно выделить Excel из пакета Microsoft Office (MS Office), и специальных математических пакетов (Mathematica, MathCAD, Maple) без написания пользователем собственных программ. Среди основных возможностей электронных таблиц MS Excel являются проведение однотипных расчетов для решения термодинамических и задач аналитической химии, построение графиков и статистическая обработка результатов, а также решение линейных и нелинейных уравнений и их систем [15].
Для построения графических зависимостей на основе экспериментальных данных и их анализа существует также целый ряд использующихся графических редакторов. Наиболее известными из них являются Origin, SigmaPlot, Kaleidagraf, Statistika и др. Среди достоинств самой распространенной из них программы Origin наиболее важными являются возможность построения двух- и трехмерных графиков, их статистической обработки и выведения корреляционных зависимостей. Один из примеров применения данной программы при обработке результатов представлен на рисунке 3.2.
При работе с рисунками и изображениями наиболее распространенными и общепринятыми являются Adobe Photoshop, CorelDraw, Adobe Illustrator и др. [16].
3.6. Представление результатов
Предоставление результатов исследований являются самой последней, однако очень важным этапом в любых исследованиях, в том числе и химических. Полностью оформить результаты химических исследований позволяют два основных программных пакета – Microsoft Office (MS Office) с широко известным текстовым редактором MS Word и программой MS
15
PowerPoint для создания презентаций (пример подобной презентации представлен в заключительной части данной выпускной работы) – и ChemOffice и ISIS Draw, использующихся для написания химических формул и создания плоских и объемных 3D-изображений молекул химических соединений, представленных, например, на рисунке 3.3.
Рисунок 3.2 – Внешний вид программы Origin
Рисунок 3.3 – Внешний вид программы ISIS Draw
16
ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1. Использование информационных сетей
На современном этапе развития ИТ огромной популярностью во всем мире пользуются национальные и мировые компьютерные сети типа Internet, Bitnet, EUNet. Проведенные исследования показали, что среди огромного количества информации, предоставляемой этими сетями, специалисты в случае необходимости могут найти информацию, полезную на каждом из этапов научно-исследовательской деятельности.
Так, при составлении обзора литературы и подготовке эксперимента использование ресурсов информационных сетей, в частности Internet, позволит:
1. облегчить, ускорить и увеличить эффективность поиска литературных данных по теме исследования при использовании поисковых систем, банков данных и возможностями поиска на домашних страницах учебных заведений и государственных учреждений, занимающихся сбором, обработкой и хранением информации;
2. получить необходимые материалы или статьи, опубликованные в электронных журналах, или заказать электронный вариант статьи из печатной версии журналов, редакции которых имеют свои собственные сайты в сети Internet;
3. узнать программы, время проведения и тематику электронных и обычных конференций, ознакомиться с тезисами предполагаемых докладов, что может быть полезно при определении актуальности и степени изученности выбранной проблемы исследования;
4. получить дистанционное обучение, которое позволит не только расширить научный кругозор, но и поможет углубить знания по теме исследования;
5. обменяться опытом и ответить на возникающие в ходе исследования вопросы на специализированных химических форумах;
6. ознакомиться, заказать или купить любое лабораторное оборудование, реактивы и др., необходимые для проведения экспериментов.
4.2. Программное обеспечение и средства подготовки специализированных научных текстов
При обработке экспериментальных данных возможности расчетов в специальных пакетах превышают возможности MS Excel, однако для решения большинства задач нет необходимости обращаться к
17
математическому программному обеспечению. В настоящее время пакет MS Office установлен на большинстве персональных компьютеров и de facto является стандартом, поэтому Excel распространен значительно шире, чем любой из математических пакетов. Кроме того, каждый математический пакет использует свой язык, изучение которого требует дополнительного времени. Однако химикам-аналитикам не обойтись без пакета Mathematica, который позволяет решать любые математические задачи (от решения дифференциальных уравнений до графической иллюстрации и выборе метода решения уравнений).
Специализированный пакет ChemOffice, состоящий из ряда химических программ, успешно использующихся для квантово-механических и эмпирических расчетов (программа Chem3D) при проведении теоретических исследований, при обработке экспериментальных данных и создании химических формул и 3-хмерных изображений молекул при представлении результатов работы.
Графические редакторы и программы для создания и обработки графических зависимостей в свою очередь могут применяться также как на стадии обработки экспериментальных данных, так и при представлении результатов.
Отдельное место занимают различные квантово-химические комплексы, построенных на различных квантово-химических приближениях и отличающихся точностью конечных расчетов. Выбор определенной программы для проведения данного типа расчетов целиком определяется спецификой самих исследований.
4.3 Технические средства
Для проведения экспериментов применяются разнообразные технические средства, построенные на базе современных средств информационно-измерительной и вычислительной техники. Рассмотрение технических средств в разрезе применения их в химических исследованиях позволяет разделить их в зависимости от способов использования на две основные группы: лабораторное оборудование, приборы и установки для непосредственного проведения химических экспериментов, и технические средства для хранения, обработки и представления информации.
Использование автоматизированного оборудования позволяет проводить эксперимент без непосредственного участия самого исследователя и исключить таким образом вклад его субъективной составляющей.
Компьютер и подключенные к нему периферийные устройства позволяют не только на высоком уровне обрабатывать получаемую
18
информацию, но и представлять результаты исследования в виде мультимедийных презентаций, интерактивных «живых» текстов и гипертекстов, а также упрощенного схематичного повторения эксперимента в рамках компьютеризованных практикумов (от управляемых установок до симуляторов и виртуальных лабораторий).
19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе проведены исследования применения ИТ на всех этапах проведения научных работ в химии . Показано, что на стадии проведения литературного обзора используются Интернет-ресурсы в виде электронных журналов, сайтов научных организаций, электронных библиотек и электронных каталогов издательств научной литературы.
Предлагаемые на Интернет-форумах методики проведения экспериментов позволяют значительно сократить время поиска и избежать ошибок, традиционно совершаемых на первых этапах исследований.
Использование ИПС помогает определить круг фирм-производителей химического оборудования или поставщиков химических реактивов, необходимых для проведения исследования, с указанием их официальных сайтов, на которых можно ознакомиться с каталогами предлагаемой продукции и заказать необходимые материалы.
Огромную роль в настоящее время играют компьютерные технологии, позволяющие сократить количество экспериментальных исследований путем проведения квантово-механических расчетов, спланировать эксперимент, исход экстракционного процесса, синтез органических соединений путем построения так называемого «дерева процесса».
Без использования ИТ в настоящее время немыслимо проведение обработки результатов экспериментов, в частности построения графиков и таблиц в MS Excel, обработки результатов математическими методами с помощью специальных математических пакетов (Mathematica, MathCAD, Maple), построения трехмерных изображений полученных в процессе синтезах молекул с применением специализированных программных средств.
И, наконец, на сегодняшний день участники всех научных конференций и семинаров обязаны представлять свои доклады в электронном виде для публикации тезисов, а выступления сопровождаются демонстрацией слайдов с помощью электронных презентаций и специальных компьютерных проекторов.
Всё выше сказанное позволяет не только выработать у студентов навыки системного мышления, но и самостоятельно разрабатывать алгоритмы решения любых, даже самых сложных, химических задач.
20
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К РЕФЕРАТУ
1. Каймин В.А. Информатика: Учебн. для студ. вузов, обуч. по естественно-научн. напр. и спец. М.:ИНФРА-М, 2000, 232 с.
2. Универсальный словарь компьютерной терминологии М.:Дрофа, 2005, 362 с.
3. Коуров Л.В. Информационные технологии Мн.:Амалфея, 2000, 191 с.
4. Искусственный интеллект: применение в химии. Под ред. Пирса Т., Хонна Б. М.:Мир, 1988, 432 с.
5. Рагойша А.А. Интернет для начинающих и не только… Мн.:Красико-Принт, 2994, 96 с.
6. Рагойша А. А. Поиск химической информации в Интернете: научные публикации : учеб. пособие для студентов хим. фак. спец. Мн: БГУ, 2007, 71 с.
7. Игер Б. Работа в Internet. М.: «Бином», 1996, 320 с.8. Эберт К., Эдегер Х. Компьютеры. Применение в химии М.:Мир,
1988, 416 с.9. Блохин А.В. Теория эксперимента: Курс лекций в 2-х ч. Мн.:
БГУ, 2002, ч.2, 67 с.10. Зефиров Н.С. Компьютерный синтез //Соросовский
образовательный журнал, 1997, №7, с.52-5611. Куланчев А.П. Компьютерный контроль процессов и анализа
сигналов М.:НПО «Информатика и компьютеры», 1999, 330 с.12. Яшкин В.И., Керчик Н.В. Введение в программное обеспечение:
Учебно-метод. пособие для студ. хим. спец. Мн.:БГУ, 2003, 50 с.13. Дзегеленок И.И., Кузнецов А.Ю. Параллельные
мультикомпьютерные сети как направление развития распределенных супер-ЭВМ// Сб. «Системы управления и силовая электроника»/ Под общ ред. В.Д.Ковалёва.-М.:ВЭИ.-2001, с.62-67
14. Павлечко Е.В. Использование электронных таблиц в физической химии: Учеб. пособие для студентов хим. фак.– Мн.: БГУ, 2006, 72 с.
15. Компьютерный анализ структуры, функции и эволюции генетических макромолекул. Проблемы интеллектуализации. Под ред. Н.А.Колчанова, Новосибирск: АН СССР, 1999, 282 с.
21
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
ChemOffice, 14, 16, 18
Excel, 15, 17, 20
HyperChem, 14
Microsoft Office, 15, 32
Origin, 15, 16
Интернет, 2, 10, 20, 21, 23, 24, 31
Информационные технологии, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 17, 20, 21, 31
Программы, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 27
Эксперимент, 13, 18, 20
22
ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. http://www.nist.gov/srd/Американский портал NIST Data Gateway, созданный Национальным
Институтом Стандартизации и Технологии (НИСТ) - одним из крупнейших мировых центров метрологии, содержит более 80 утвержденных и всемирно одобренных бесплатных научных и технических баз данных по широкому кругу веществ и их свойств для различных областей научных дисциплин. Здесь же находятся и платные базы данных, необходимые для решения ряда технических проблем. Во всех этих данных собраны сведения о свойствах веществ, когда-либо опубликованных в мировой литературе, прошедшие проверку на достоверность и представляющие интерес для дальнейших научных исследований.
2. http://www.anchem.ruИнтернет портал химиков-аналитиков, незаменимый при
необходимости освоения новой методики анализа. Наличие проверенных, осуществимых, достоверных методик анализа различных систем, начиная от воды и заканчивая органическими средами, дополненные комментариями специалистов по их практическому применению позволяют сэкономить время на поиск и освоение данных методик, сберечь реактивы и повысить эффективность анализа.
3. http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/welcome.htmlЭлектронная библиотека учебных материалов по химии химического
факультета МГУ, содержащая книги, учебники, аналитические обзоры и статьи по различных областям химических наук, лекции, учебно-методические материалы для студентов, магистрантов, абитуриентов и учащихся средних школ. Тут же представлены и ссылки на учебные базы данных и учебные материалы региональных, но не менее значимых российских университетов.
4. http://www.abc.chemistry.bsu.byСайт создан Рагойшей А. А. - преподавателем химического факультета
БГУ и является отправной точкой при поиске химической информации в Интернете. К наиболее важным достоинствам данного проекта относятся постоянно обновляющиеся сведения о бесплатные полнотекстовые научные журналы по химии на русском, белорусском и английском языках, постоянно или временно доступных для скачивания из сети Internet. Интерес
23
представляет также информация о журналах, доступ к которым обеспечивается через сеть БГУ.
5. http://www.springerlink.comSpringerLink является еще одним авторитетным мировым издательств,
издающим порядка двух тысяч научных журналов и тысячи книжных наименований. Сайт данного издательства по своей сути представляет собой интерактивную базу данных для высококачественных STM журналы, книжных серий, справочных материалов и интерактивной коллекцией архивов. Отличительной чертой SpringerLink является возможность выбор национального языка оформления сайта (в том числе и русского), что делает его эффективной центральной точкой доступа для исследователей и ученых всего мира.
6. http://www.elsevier.comСайт издательства Elsevier, также выпускающего ежегодно более 2000
наименований только научных журналов в различных областях науки и техники. Кроме того, продукция данного издательства включает монографии, учебники, справочники по различным дисциплинам как в бумажном, так и электронном варианте. Вся информация представленная на данном сайте на английском языке и разбита на два главных блока: Science & Technology (наука и техника) и Health Sciences (медицинские науки и науки об окружающей среде). В качестве результатов поиска по автору, названию статьи, журнала или определенной тематике выдается реферат соответствующей статьи с возможностью платного скачивания полной версии.
7. http://www.chemport.ruОдин из наиболее важных русскоязычных химических порталов в сети
Интернет, представляющий вниманию химиков сводку новостей о последних достижениях в химических исследованиях, новости бизнеса, сведения о химических и нефтехимических компаниях и предприятиях, образовательных учреждениях в области химии, а также тендерах, выставках, конференциях и симпозиумах, организуемых ими.
8. http://www.epo.orgЕвропейское патентное ведомство предоставляет доступ к патентным
базам данных Европейского союза, законодательству в области охраны интеллектуальной собственности, перечню документов и условий для получения соответствующих патентов, а также сведения о предоставляемых грантах на соответствующие исследования, и новости о последних достижениях мировой науки.
9. http://www.scopus.com
24
Поисковая система по резюме статей, полнотекстовым статьям. Самая объективная информация по индексам цитирования.
10. http://www.vak.org.byСайт Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь.
Исчерпы-вающая информация о порядке присуждения ученых степеней, званий. Норма-тивные документы, объявления, анонсы.
11. http://chemicsoft.chat.ruОбильный источник бесплатных химических программ для решения
самых разнообразных задач. Возможность их прямого скачивания позволяет значительно сэкономить время и деньги посетителей данного сайта.
12. http://www.sigmaaldrich.com/Сайт крупнейшего в мире производителя химических реагентов,
посуды, оборудования и сопутствующих товаров. База термодинамических констант более чем для 2 миллионов химических соединений.
25
ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ ПО «ОСНОВАМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
<question type="close" id="091">
<text>Чему соответствует количество строк в таблице:</text>
<answers type="request">
<answer id="313759" right="0"> числу, указанному после
элемента tr </answer>
<answer id="313760" right="0"> количеству слэш после элемента
tr </answer>
<answer id="313761" right="1"> числу элементов tr </answer>
<answer id="313762" right="0"> нет правильных ответов</answer>
</answers>
</question>
<question type="close" id="591">
<text>Опция Hue[h] в программе Mathematica используется для:</text>
<answers type="request">
<answer id="313763" right="1">отображения графических
объектов в цвете h</answer>
<answer id="313764" right="0">создания трехмерных
графиков</answer>
<answer id="313765" right="0">смещения начала координат в
точку h</answer>
<answer id="313766" right="0">ограничения количества значащих
цифр h</answer>
</answers>
</question>
27
ГРАФ НАУЧНЫХ ИНТЕРЕСОВ
магистрантки химического факультета Зеленковской В.В.
Специальность химия.
Смежные специальности02.00.01 – неорганическая
химияУстановление
характера взаимосвязи между составом, строением и свойствами неорганических соединений.
02.00.03 – органическая химия
1. Изучение строения и свойств органических соединений с использованием химических, физико-химических и физических методов исследования.
2. Изучение реакционной способности и механизмов реакций органических соединений. Теоретическое описание зависимостей между строением, свойствами и реакционной способностью органических соединений.
Основная специальность02.00.02 – аналитическая
химия1. Выявление и
исследование химических и физических специфических свойств веществ и их смесей, используемых для качественного и количественного анализа материальных объектов.
2. Выявление и исследование химических и физических свойств веществ, используемых для их разделения и концентрирования.
3. Закономерности и количественные характеристики химических, физико-химических, физических, биохимических процессов, лежащих в основе обнаружения, идентификации и количественного определения веществ.
4. Разработка и усовершенствование методов и средств анализа конкретных объектов.
Сопутствующие специальности
02.00.04 – физическая химия
1. Химическая кинетика; изучение фундаментальных факторов, определяющих скорость химических реакций; механизмы сложных химических процессов, физико-химическая гидродинамика, процессы растворения и кристаллизации.
2. Исследование закономерностей процессов изменения структуры и состава химических систем в условиях внешних полей, экстремально высоких температур и давлений, комбинированных физических и физико-химических воздействий: гетерогенные и гомогенные фотокаталитические процессы, электрохимические и фотоэлектрохимические процессы на полупроводниках, гетерогенный катализ.
28
ПРЕЗЕНТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ
ЦелиЦели ии задачизадачи::1. Изучить распределение ряда классов органическихвеществ, содержащих как один, так и множествозаместителей в молекуле, в экстракционных системахн-октан – полярный органический растворитель.
2. Рассчитать инкременты функциональных групп иуглеводородных радикалов в данных системах, а такжевеличины ΔlgP для полифункциональных органическихнеэлектролитов.
3. На основании анализа величин ΔlgP провестисравнение степени влияния внутримолекулярныхэффектов на экстракцию в системах с участием воды, этиленгликоля и диметилсульфоксида.
МетодикаМетодика экспериментаэксперимента::РасчётРасчёт константыконстанты распределенияраспределения::
где Сисх ‒ исходная концентрация распределяемого
вещества в органической фазе;
Сорг – равновесная концентрация распределяемоговещества в органической фазе;
Спол - равновесная концентрация распределяемоговещества в полярной фазе.
орг
пол
пол
орг
орг
пол
оргисх
оргэксп V
VСC
VV
СCC
P
)(
КонстантыКонстанты распределенияраспределения длядля системсистемнн--октаноктан –– полярныйполярный растворительрастворитель
ВеществоВещество ВодаВода ЭГЭГ ДМСОДМСО
нафталин 3 100 12 0,51фтортолуол 1 000 21 2,0хлорбензол 380 9,1 1,1бромбензол 600 8,5 0,89йодбензол 1 700 10,6 1,6
хлористый метилен 16 1,6 0,21
хлороформ 75 2,1 0,24четырёххлористый углерод 1 500 17 2,8
1,3,5 - трибромбензол 16 500 24 0,71фенетол 290 12 0,97
ИнкрементыИнкременты функциональныхфункциональных группгрупп длядля системсистемнн--октаноктан –– полярныйполярный растворительрастворитель
ИнкрементИнкремент функциональнойфункциональной группыгруппы ВодаВода ЭГЭГ ДМСОДМСО
метиленовая 0,63 0,30 0,22
фенильная 1,98 0,65 -0,12
нафтильная 3,17 0,83 -0,40
сульфоксидная (алифат.) -6,6 -3,8 -2,7
гидроксильная (алифат.) -3,7 -3,3 -3,0
гидроксильная (аромат.) -3,1 -3,0 -2,8
аминогруппа (алифат.) -3,4 -2,5 -1,2
аминогруппа (аромат.) -2,1 -1,8 -0,72
йодидная (алифат.) 0,52 0,20 -0,30
йодидная (аромат.) 1,3 0,37 0,31
ОценкаОценка эффектовэффектов внутримолекулярныхвнутримолекулярныхвзаимодействийвзаимодействий
КритерийКритерий ––разность логарифмов
экспериментальной и расчетнойконстант распределения
расчэксп PPP lglglg
29
ВеличиныВеличины ΔΔlgPlgP полифункциональныхполифункциональныхсоединенийсоединений вв системесистеме
нн--октаноктан –– полярныйполярный растворительрастворительВеществоВещество ВодаВода ЭГЭГ ДМСОДМСО
метилсалицилат 4,7 3,0 3,1
бензоин 3,3 2,5 2,5
2,4,6-тринитроанизол 1,1 0,11 0,0
1,3,5 - трибромбензол 0,50 0,19 0,0
хлористый метилен 0,97 0,53 0,32
метилаль 1,7 0,50 0,16
ацетилацетон 2,6 1,0 1,3
диметилфталат -1,1 -0,23 -0,23
1,2-диметоксибензол -0,41 -0,29 -0,21
ПоложительныеПоложительные величинывеличиныΔΔlgPlgP::
ВеществоВещество ВодаВода ЭГЭГ ДМСОДМСОметилсалицилат 4,7 3,0 3,1
бензоин 3,3 2,5 2,5
наиболее типичны для о-изомеров, содержащих группы, способных к образованиювнутримолекулярных водородных связей.
смещение электронной плотности вмолекуле под влиянием заместителей безобразования H-связи (электронныйэффект).
ВеществоВещество ВодаВода ЭГЭГ ДМСОДМСО2,4,6-тринитроанизол 1,1 0,11 0,01,3,5 - трибромбензол 0,50 0,19 0,0
ПоложительныеПоложительные величинывеличиныΔΔlgPlgP::
сближение полярных функциональныхгрупп, сопровождающееся ихсопряжением.
ВеществоВещество ВодаВода ЭГЭГ ДМСОДМСОхлористый метилен 0,97 0,53 0,32
метилаль 1,7 0,50 0,16ацетилацетон 2,6 1,0 1,3
ПоложительныеПоложительные величинывеличиныΔΔlgPlgP::
ОтрицательныеОтрицательные величинывеличиныΔΔlgPlgP::
практически исчезают отрицательные орто-эффекты, характерные для некоторыхдизамещенных бензолов с полярнымигруппами одинаковой природы, неспособных образовывать водородныесвязи.
ВеществоВещество ВодаВода ЭГЭГ ДМСОДМСОдиметилфталат -1,1 -0,23 -0,23
1,2-диметоксибензол -0,41 -0,29 -0,21
ВыводыВыводы::1. Замена воды на полярные органические растворители приводит к
существенному уменьшению констант распределения изученных
органических неэлектролитов. 2. При переходе от воды к ЭГ и ДМСО имеет место нивелирование
величины инкрементов групп, а также ослабление влияния природыуглеводородного заместителя на инкременты функциональных групп
вплоть до инверсии этого влияния.3. Для систем н-октан – ЭГ и н-октан – ДМСО характерны существенно
меньшие величины ΔlgP полифункциональных органических веществпо сравнению с системой н-октан – вода. Это дает основание сменьшей долей осторожности пользоваться аддитивными расчетами
при прогнозировании экстракции веществ сложного строения.
30
СПАСИБОЗА
ВНИМАНИЕ!!!
Bye
31
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ
1. Каймин В.А. Информатика: Учебн. для студ. вузов, обуч. по естественно-научн. напр. и спец. М.:ИНФРА-М, 2000, 232 с.
2. Универсальный словарь компьютерной терминологии М.:Дрофа, 2005, 362 с.
3. Коуров Л.В. Информационные технологии Мн.:Амалфея, 2000, 191 с.
4. Искусственный интеллект: применение в химии. Под ред. Пирса Т., Хонна Б. М.:Мир, 1988, 432 с.
5. Рагойша А.А. Интернет для начинающих и не только… Мн.:Красико-Принт, 1994, 96 с.
6. Рагойша А. А. Поиск химической информации в Интернете: научные публикации : учеб. пособие для студентов хим. фак. спец. Мн: БГУ, 2007, 71 с.
7. Игер Б. Работа в Internet. М.: «Бином», 1996, 320 с.8. Эберт К., Эдегер Х. Компьютеры. Применение в химии М.:Мир,
1988, 416 с.9. Блохин А.В. Теория эксперимента: Курс лекций в 2-х ч. Мн.:
БГУ, 2002, ч.2, 67 с.10. Зефиров Н.С. Компьютерный синтез //Соросовский
образовательный журнал, 1997, №7, с.52-5611. Куланчев А.П. Компьютерный контроль процессов и анализа
сигналов М.:НПО «Информатика и компьютеры», 1999, 330 с.12. Яшкин В.И., Керчик Н.В. Введение в программное обеспечение:
Учебно-метод. пособие для студ. хим. спец. Мн.:БГУ, 2003, 50 с.13. Дзегеленок И.И., Кузнецов А.Ю. Параллельные
мультикомпьютерные сети как направление развития распределенных супер-ЭВМ// Сб. «Системы управления и силовая электроника»/ Под общ ред. В.Д.Ковалёва.-М.:ВЭИ.-2001, с.62-67
14. Павлечко Е.В. Использование электронных таблиц в физической химии: Учеб. пособие для студентов хим. фак.– Мн.: БГУ, 2006, 72 с.
15. Компьютерный анализ структуры, функции и эволюции генетических макромолекул. Проблемы интеллектуализации. Под ред. Н.А.Колчанова, Новосибирск: АН СССР, 1999, 282 с.
16. Учебники по HTML, CSS, дизайну и графике и созданию сайтов [Электрон. ресурс]. – 2009.
32
17. Болохонов А.П. Microsoft Office 2003: Краткие инструкции для новичков / А.П. Болохонов. – Москва: Аквариум, 2004. – 128 с.
18. Microsoft PowerPoint 2003: самоучитель / Спека М.В.. – Москва, Санкт-Петербург, Киев: Диалектика, 2004. – 363 с.
33
