Компьютерные средства обучения молекулярным вычислениям бакалавров информационных систем и технологий

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ МЕТОДИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫМ ВЫЧИСЛЕНИЯМ

§1.1. Парадигмы междисциплинарности

§1.2. NBIC-конвергенции как новая технологическая парадигма

§1.3. Молекулярные вычисления в NBIC-технологиях

§1.4. Понятие «природные вычисления»

§1.5. О понятии «методические связи»

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОБУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫМ

ВЫЧИСЛЕНИЯМ

§2.1. Отбор содержания обучения компьютерному моделированию структуры

цепочек ДНК

§2.2. Компьютерное моделирование классических алгоритмов над молекулами



§2.3. Отбор содержания обучения алгоритмам поиска подстроки в строке.

§2.4. Отбор содержания обучения алгоритмам на подпоследовательностях.

§2.5. Новая реализация алгоритма поиска наибольшей общей

подпоследовательности как фрагмент содержания обучения

Выводы но главе

ГЛАВА 3. СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫМ ВЫЧИСЛЕНИЯМ.

§3.1. Классификация средств обучения

§3.2. Платформа 1C как средство обучения программированию

§3.3. Интерпретатор языка пробирок для ДНК-вычислений на языке Haskell как

средство обучения

§3.4. Интерпретатор языка пробирок на языке 1C как средство обучения

§3.5. Компьютерная реализация опыта Эдлмана как средство обучения



§3.6. Компьютерная реализация решения задачи о выполнимости

пропозициональных формул

§3.7. Компьютерная реализация решения задачи о рюкзаке

§3.8. Фреймворк для анализа ДНК строк

§3.9. Организация и проведение педагогического эксперимента..

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ГРАФЫ СОДЕРЖАНИЯ ОБУЧЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЗНАНИЯМ И

УМЕНИЯМ СТУДЕНТОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ К РАЗРАБОТАННОМУ ИНТЕРПРЕТАТОРУ ДНК-ВЫЧИСЛЕНИЙ НА БАЗЕ ЯЗЫКА 1С



Актуальность проблемы исследования. Практика использования информационных технологий приводит к необходимости поиска эффективных средств для реализации вычислений. В результате исследований были обнаружены новые вычислительные модели, которые названы неклассическими. Такие модели существенно опираются на природные процессы, которые можно использовать для вычислений.

Актуальность исследования подтверждают следующие противоречия:

1) активное взаимопроникновение информационных технологий, биотехнологий, нанотехнологий и когнитивных технологий (ЫВ1С-технологий) предполагает возникновение нового содержания обучения и средств обучения, т.е. необходимость теоретической систематизации новых знаний, лежащих в основании ЫВ1С-технологий;

2) в настоящее время содержание обучения, относящееся к понятию «вычислимость», содержит класс моделей, которые мы называем «классическими вычислительными моделями» и источником которых является математика. Однако Природа обладает внутренними средствами, позволяющими реализовывать вычислительные процессы более эффективно. В учебном процессе подобные вычислительные модели пока не находят отражения в учебных и методических пособиях. Перечислим несколько существующих научных изданий, в которых затрагиваются вопросы молекулярных вычислений [12, 15, 33, 37, 38, 58, 56] и методичесские исследования Т.С. Стефановой [60, 61];

3) в современной информатике существуют алгоритмы, которые невозможно эффективно реализовать с помощью классического компьютера. Эти проблемы могут помочь решить неклассические вычислительные модели (в частности, молекулярные и квантовые вычисления);



образом: нуклеотид А комплементарен нуклеотиду Т, нуклеотид Г

комплементарен нуклеотиду Ц. Этот принцип соединения назывеься принципом комплементарности Уотсона-Крика.

Рассмотрим пример молекулы ДНК (двойной цепочки ДНК) с учётом принципа комплементарности (см Рис 3).



Верхняя цепочка обозначается 5' -АТЦГТАЦЦГГТ Нииняя цепочка обозначается 3'-ТАГЦАТГГЦЦА



Рис 3. Молекула ДНК с учетом принципа комплементарности

Важнейшую роль в процессе моделирования цепочек и молекул ДНК играет отображение, называемое морфизмом Уотсона-Крика.

Пусть Е, Е,, Е2 - алфавиты.

Морфизмом (языков) назовём отображение Ь: Е,*—>Е2% удовлетворяющее для всех цепочек х, уеЕ,* условию

Ь (х о у) =Ь (х) о Ь (у), где о - знак бинарной операции конкатенации цепочек.

Определим функцию И, отображающую каждое из оснований ДНК в его дополнение по Уотсону-Крику.

Морфизмом Уотсона-Крика называется функция, определяемая так:

1) И (А) <н>Т, Ь (Т) <->А, Ь (Ц) <н>Г, Ь (Г) <н>Ц;

2) отображение Ь является морфизмом, т. е. на цепочки ДНК Ь действует побуквенно: Ь (а,сс2) (а^ о Ь (а2);

3) функция И изменяет ориентацию аргумента в следующем смысле: если исходная цепочка а записана в направлении от 5' к 3', то цепочка Ь (а) будет записана в направлении от 3' к 5'.

АТЦГТАЦЦГГТ

ТАГЦАТГГЦЦА