Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Pakiety obliczeniowe
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
JMNB-1-009-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Mikro- i nanotechnologie w biofizyce
Semestr:
0
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Prowadzący moduł:
dr hab. inż. Stęgowski Zdzisław (stegowski@fis.agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

Głównym celem przedmiotu jest zdobycie wiedzy i umiejętności pozwalających na dalsze samodzielne stosowanie oprogramowania MATLAB w szerokim zakresie obliczeń, analiz i symulacji numerycznych.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
M_W001 Student uzyskuje wiedzę pozwalającą na konstruowanie algorytmów służących do rozwiązywania zagadnień z szerokiego zakresu obliczeń inżynierskich i naukowych oraz symulacji komputerowych, poprzez zastosowanie pakietu MATLAB. MNB1A_W03, MNB1A_W01, MNB1A_W04 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji,
Wykonanie projektu,
Wykonanie ćwiczeń
Umiejętności: potrafi
M_U001 Student potrafi stworzyć własny skrypt oraz wykorzystać dostępne biblioteki do wykonania różnego typu obliczeń inżynierskich i symulacji komputerowych. MNB1A_U01, MNB1A_U10, MNB1A_U11, MNB1A_U05, MNB1A_U02 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U002 Student potrafi wykorzystać szerokie możliwości Matlaba w zakresie graficznej prezentacji wyników obliczeń oraz danych pomiarowych. MNB1A_U01, MNB1A_U10, MNB1A_U05, MNB1A_U02 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U003 Student potrafi stworzyć stosunkowo zaawansowany graficzny interfejs użytkownika. MNB1A_U01, MNB1A_U10, MNB1A_U05, MNB1A_U02 Wykonanie projektu,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 Student potrafi wykorzystać zdobytą wiedzę i dostępne formy pomocy do wykonania określonego projektu z zakresu obliczeń inżynierskich i naukowych oraz symulacji komputerowych MNB1A_K05, MNB1A_K01 Udział w dyskusji,
Wykonanie projektu
M_K002 Student umie ocenić skalę trudności podjętego się zadania, ustalić harmonogram prac oraz potrafi współpracować w zespole. MNB1A_K05, MNB1A_K01, MNB1A_K04 Udział w dyskusji,
Wykonanie projektu
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
45 15 0 30 0 0 0 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
M_W001 Student uzyskuje wiedzę pozwalającą na konstruowanie algorytmów służących do rozwiązywania zagadnień z szerokiego zakresu obliczeń inżynierskich i naukowych oraz symulacji komputerowych, poprzez zastosowanie pakietu MATLAB. + - + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student potrafi stworzyć własny skrypt oraz wykorzystać dostępne biblioteki do wykonania różnego typu obliczeń inżynierskich i symulacji komputerowych. + - + - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi wykorzystać szerokie możliwości Matlaba w zakresie graficznej prezentacji wyników obliczeń oraz danych pomiarowych. + - + - - - - - - - -
M_U003 Student potrafi stworzyć stosunkowo zaawansowany graficzny interfejs użytkownika. + - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi wykorzystać zdobytą wiedzę i dostępne formy pomocy do wykonania określonego projektu z zakresu obliczeń inżynierskich i naukowych oraz symulacji komputerowych + - + - - - - - - - -
M_K002 Student umie ocenić skalę trudności podjętego się zadania, ustalić harmonogram prac oraz potrafi współpracować w zespole. + - + - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 105 godz
Punkty ECTS za moduł 4 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 45 godz
Przygotowanie do zajęć 15 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 25 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 20 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (15h):
  1. Wprowadzenie do oprogramowania MATLAB (2 godz.)

    Omówienie podstawowych elementów i opcji okna aplikacji MATLAB oraz dostępnych form pomocy. Obliczanie wartości wyrażeń arytmetycznych z poziomu okna Command Window. Przedstawienie typów klas zmiennych:
    logiczne, znakowe, numeryczne, struktury, tablice komórek.

  2. Operacje matematyczne na wektorach i macierzach (2 godz.)

    Generowanie wektorów (ciągów), macierzy i tablic. Operacje na i pomiędzy wektorami, macierzami i tablicami. Numeryczna algebra liniowa. Tworzenie, uruchamianie i poprawianie skryptów. Tworzenie własnych funkcji, bibliotek oraz ustawianie ścieżek dostępu.

  3. Grafika dwuwymiarowa (2 godz.)

    Omówienie podstawowych procedur do prezentacji funkcji jednej zmiennej takich jak: plot, stairs, stem, bar, area, errorbar. Obsługa i ustawianie zmiennych obiektu okna figury oraz wykresu. Ustawianie tych zmiennych z poziomu skryptu. Tworzenie wykresów wielu funkcji (jednej zmiennej) w jednym lub wielu oknach figury. Graficzna prezentacja on-line wykonywanych obliczeń.

  4. Grafika trójwymiarowa (2 godz.)

    Formy danych do prezentacji funkcji wielu zmiennych (wektory, macierze, tablice trójwymiarowe). Omówienie podstawowych procedur do prezentacji funkcji dwóch zmiennej takich jak: plot3, contour, mesh,surf. Prezentacja skalarnych funkcji trzech zmiennych poprzez funkcje slice i isosurface. Prezentacja wektorowych funkcji wielu zmiennych poprzez funkcje streamslice, streamline i streamtube. Wybór mapy kolorów oraz projektowanie własnej mapy kolorów.

  5. Matlab-toolbox do obliczeń statystycznych (2 godz.)

    Przypomnienie podstawowych zagadnień z zakresu statystyki matematycznej takich jak: rozkłady prawdopodobieństwa zmiennych losowych dyskretnych, funkcje gęstości prawdopodobieństwa, dystrybuanta, funkcja odwrotna do dystrybuanty. Zastosowanie zawartych w Matlab-Statistics Toolbox funkcji do wyznaczania prawdopodobieństwa w zadanym przedziale zmiennych losowych, wyznaczania przedziałów ufności oraz testowania hipotez statystycznych. Wykorzystanie generatorów losowych, dla różnych rozkładów, do symulacji procesów stochastycznych.

  6. Matlab-toolbox do numerycznej obróbki i analizy zdjęć (2 godz.)

    Zapis obrazu (zdjęcia) w postaci tablicy RGB. Proste operacje numeryczne na tablicy obrazu. Podstawowe transformacje obrazu za pomocą funkcji zawartych w Matlab- Image Processing Toolbo. Cyfrowa filtracja obrazu. Regionalizacja obrazu. Analiza statystyczna obrazu.

  7. Tworzenie graficznego interfejsu użytkownika – GUI (3 godz.)

    Tworzenie okna figury GUI i omówienie podstawowych zmiennych do niego przypisanych. Omówienie podstawowych obiektów (kontrolek) takich jak: Edittext, Statictext, Pushbutton, Radiobutton, Slider, Axes. Omówienie funkcji do: obsługi zdarzeń, odczytu i zmiany parametrów oraz uchwytów do identyfikacji obiektów. Przedstawienie i dokładne omówienie tworzenia prostego kalkulatora. Przedstawienie i ogólne omówienie graficznych interfejsów do symulacji numerycznych oraz numerycznej analizy obrazów.

Ćwiczenia laboratoryjne (30h):
  1. wprowadzenie do oprogramowania MATLAB

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi obsługiwać okno aplikacji MATLABa w podstawowym zakresie,
    • student potrafi korzystać z dostępnych rodzajów pomocy w MATLABie.
    • student rozróżnia typy zmiennych i umie je tworzyć,
    • student potrafi konstruować dowolne wyrażenia matematyczne i wykonywać obliczenia.

  2. operacje matematyczne na wektorach i macierzach

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi stworzyć tablicę wielowymiarową, a w szczególności wektor (ciąg) oraz macierz,
    • student potrafi wykonywać działania matematyczne na wektorach i macierzach zgodnie z zasadami algebry,
    • student potrafi zdefiniować wybrany obszar w tablicy i wykonać na nim określoną operację,
    • student potrafi numerycznie rozwiązać układ równań algebraicznych.

  3. tworzenie skryptów oraz grafika dwuwymiarowa

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi stworzyć plik linii skryptów, uruchomić go oraz zidentyfikować i poprawić błędy,
    • student potrafi wykonać wykres funkcji jednej zmiennej za pomocą funkcji plot,
    • student potrafi ustawić zmienne obiektu okna figury oraz wykresu z poziomu skryptu,
    • student potrafi prezentować graficznie wyniki obliczeń w trakcie ich wykonywania .

  4. czytanie i zapisywanie danych w formacie ASCII (tekstowym)

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi wczytać dowolne dane z plików zapisanych w formacie tekstowym,
    • student zna i potrafi użyć podstawowe formaty do zapisu zmiennych liczbowych i ciągów znakowych,
    • student potrafi w sposób w pełni kontrolowany zapisywać dane w plikach tekstowych .

  5. grafika trójwymiarowa

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi wykonać wykres funkcji dwóch zmiennych za pomocą funkcji plot3, contour, mesh,surf.
    • student potrafi zmieniać mapę kolorów oraz zaprojektować własną mapę kolorów,
    • student potrafi wykonać wykres skalarnych funkcji trzech zmiennych poprzez funkcje slice i isosurface.

  6. obliczenia symboliczne

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi tworzyć obiekty symboliczne i rozumie ich istotę,
    • student potrafi wykonywać następujące operacje na obiektach symbolicznych: liczyć pochodne, całki, sumy, rozwiązywać równania algebraiczne, rozwiązywać równania różniczkowe zwyczajne.

  7. dopasowywanie funkcji do danych pomiarowych

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi dopasować jedno i dwuwymiarową funkcję liniową i nieliniową do danych pomiarowych,
    • student potrafi dokonać ilościowej analizy jakości dopasowania.

  8. numeryczna obróbka i analiza obrazów

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi wykonać proste operacje numeryczne na tablicy RGB obrazu,
    • student potrafi wykonać różne transformacje obrazu za pomocą funkcji zawartych w Matlab- Image Processing Toolbox,
    • student potrafi dokonać różnych analiz numerycznych ( w tym statystycznych) obrazu.

  9. tworzenie graficznego interfejsu użytkownika – GUI

    Efekty kształcenia:

    • student potrafi stworzyć prosty interfejs graficzny (np. kalkulator matematyczny, prezentacja zmiany kształtu funkcji poprzez zmianę jej parametrów.),
    • student potrafi zastosować odpowiedni obiekt GUI do realizacji określonego zadania.

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Ćwiczenia laboratoryjne: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki miały wysoką wartość merytoryczną.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Zasady zaliczania zajęć:
W ramach laboratorium komputerowego studenci wykonują w semestrze około czterech zadanych ćwiczeń, które są oceniane oraz projekt końcowy, którego ocena jest wynikiem złożoności wybranego tematu, jakości wykonanego graficznego interfejsu oraz oceny kreatywności i umiejętności pracy w zespole. W trakcie zajęć laboratoryjnych oceniana jest aktywność studentów i wiedza uzyskana na wykładach. Podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania. Student który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż dwa zajęcia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości poprawkowego zaliczania zajęć. Od takiej decyzji prowadzącego zajęcia student może się odwołać do prowadzącego przedmiot (moduł) lub Dziekana.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane kolokwium w formie ustnej lub pisemnej. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie zaprezentowania rozwiązania postawionego problemu. Zaliczenie modułu jest możliwe po zaliczeniu wszystkich zajęć laboratoryjnych.
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena końcowa z modułu obliczana jest, jako średnia ważona z: średniej oceny z ćwiczeń wykonywanych na laboratorium (35%), oceny aktywności na laboratorium i wiedzy uzyskanej na wykładach (15%) oraz oceny z projektu (50%).

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:
ćwiczenia laboratoryjne: usprawiedliwiona nieobecność na zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie i terminie wyznaczonym przez prowadzącego zajęcia obecność na wykładzie: zgodnie z Regulaminem Studiów AGH

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

• dobre przygotowanie z modułów matematyki i fizyki realizowanych na studiach inżynierskich,
• dobre przygotowanie z modułu postawy informatyki realizowanego na studiach inżynierskich.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:
  • Jerzy Brzózka, Lech Dorobczyński, „MATLAB : środowisko obliczeń naukowo-technicznych”, wyd. MIKOM, 2005.
  • Marek Czajka, „Ćwiczenia Matlab”, wyd. Helion, 2005.
  • Rudra Pratap, „MATLAB 7 dla naukowców i inżynierów”, wyd. PWN, 2009.
    MATLAB Documentation – http://www.mathworks.com/help
Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

Lista publikacji z stosowaniem oprogramowania MATLAB do obliczeń, analiz i symulacji numerycznych.

A synchrotron radiation micro-X-ray absorption near edge structure study of sulfur speciation in human brain tumors – a methodological approach / Magdalena SZCZERBOWSKA-BORUCHOWSKA, Zdzisław STĘGOWSKI, Marek LANKOSZ, Małgorzata Szpak, Dariusz Adamek // Journal of Analytical Atomic Spectrometry ; ISSN 0267-9477. — 2012 vol. 27 iss. 2, s. 239–247.

Badania znacznikowe i modelowanie komputerowe wybranych układów przepływowych : rozprawa habilitacyjna — Tracer investigations and computer modelling for selected flow systems / Zdzisław STĘGOWSKI. — Kraków : Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, 2010. — 143 s

Determination of flow patterns in industrial gold leaching tank by radiotracer residence time distribution measurement / Zdzisław STĘGOWSKI, Christian P. K. Dagadu, Leszek FURMAN, Edward H. K. Akaho, Kweku A. Danso, Ishmael I. Mumuni, Patience S. Adu, Charles Amoah // Nukleonika : the International Journal of Nuclear Research / Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Polish Nuclear Society, National Atomic Energy Agency ; ISSN 0029-5922. — 2010 vol. 55 no. 3, s. 339–344.

Dispersion determination in a turbulent pipe flow using radiotracer data and CFD analysis / Sugiharto, Zdzisław STĘGOWSKI, Leszek FURMAN, Zaki Su’ud, Rizal Kurniadi, Abdul Waris, Zainal Abidin // Computers & Fluids ; ISSN 0045-7930. — 2013 vol. 79, s. 77-81.

Emission of styrene from polystyrene foam and of cyclopentane from polyurethane foam – measurements and modelling — Emisja styrenu z pianki styropianowej i cyklopentanu z pianki poliuretanowej – pomiary i modelowanie / Maciej Choczyński, Barbara Krajewska, Zdzisław STĘGOWSKI, Jarosław NĘCKI // Polimery ; ISSN 0032-2725. — 2011 t. 56 nr 6, s. 461–470.

Preliminary PM2.5 and PM10 fractions source apportionment complemented by statistical accuracy determination / Lucyna SAMEK, Zdzisław STĘGOWSKI, Leszek FURMAN // Nukleonika : the International Journal of Nuclear Research / Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Polish Nuclear Society, National Atomic Energy Agency ; ISSN 0029-5922. — 2016 vol. 61 no. 1, s. 75–83.

Simultaneous measurement of {Cr, Mn} and {Fe} diffusion in chromium-manganese steels / Joanna DUDAŁA, Jolanta GILEWICZ-WOLTER, Zdzisław STĘGOWSKI // Nukleonika : The International Journal of Nuclear Research / Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Polish Nuclear Society, National Atomic Energy Agency ; ISSN 0029-5922. — 2005 vol. 50 s. 67–71.

Informacje dodatkowe:

Dlaczego warto poznać pakiet obliczeniowy MATLAB?
- jest powszechnie nauczany na uczelniach całego Świata,
- posiada przyjazne dla użytkownika, interakcyjne środowisko,
- programowanie odbywa się w języku wysokiego poziomu,
- pozwala poznawać metody matematyczne w praktyce,
- staje się najczęściej używanym narzędziem do wykonywanie: obliczeń naukowych i inżynierskich, modelowania i symulacji, analizy danych (w tym: sygnałów i obrazów), graficznej wizualizacji danych i wyników obliczeń,
- posiada bardzo obszerną i przystępnie napisaną dokumentację (w j. angielskim), wraz z przykładami
i systemami pomocy,
- specjalistyczne „toolbox’y” (ok.30 – zestawów procedur i funkcji) pozwalają na jego efektywne stosowanie
w wielu dziedzinach nauki i techniki,
- istnieje kilkadziesiąt pozycji książkowych (ok. 70) dotyczących MATLABa, w języku polskim jest ich kilkanaście,
- jest ciągle rozwijany i wzbogacany,
- znając Matlaba jest się przygotowanym do stosowania jego odpowiedników OCTAVE, SCILAB, FREEMAT.