Beräkningskemi, 7,5 hp

Innehåll

Kursen är indelad i fyra moduler:

Modul 1 (1.5 hp): Kvantkemi
Modulen består av teori och laboration. I teoridelen behandlas grunderna i elektronisk strukturteori för molekyler, inklusive Schrödingerekvationen och Hamiltonoperatorn, orbital- och MO-begrepp samt centrala approximationer och metoder (Hartree–Fock och DFT) och val av basuppsättningar. Laborationen kommer ge praktisk färdighet i att genomföra och tolka kvantkemiska beräkningar.

Modul 2 (2.0 hp): Molekylmekanik
Modulen behandlar grunderna i molekylmekanik (MM) och molekyldynamik (MD) som komplement till kvantkemiska metoder för studier av större molekylära system. Teoridelen introducerar kraftfält och potentialenergifunktioner, inklusive bundna och obundna växelväxlingar, partiella laddningar och atomtyper, samt metoder för energiminimering. MD-delen behandlar statistisk mekanik, termostater och barostater, periodiska randvillkor samt tidsintegreringsalgoritmer. Studenterna introduceras även till fri-energiberäkningar genom laborationen där studenterna sätter upp, genomför och analyserar MD-simuleringar, från energiminimering till jämvikts- samt produktionssimuleringar med följande dataanalys.

Modul 3 (2.0 hp): Bioinformatik
Modulen ger en introduktion till strukturbioinformatik, med fokus på uppbyggnad och användning av databaser med biologisk information samt på sekvens- och strukturjämförelser av proteiner, inklusive 3D-strukturjämförelser och introduktion till PDB-formatet. Teorin bakom metoderna, det praktiska utförandet och bedömningen av kvaliteten hos dessa jämförelser behandlas och diskuteras. Proteinveckningsteori behandlas översiktligt.

Modul 4 (2.0 hp): QSAR: struktur–aktivitetssamband och prediktiva modeller
Modulen behandlar kvantitativa struktur–aktivitetssamband (QSAR) som ett exempel på datadriven, kemometrisk modellering i kemi, där fysikaliska och kemiska egenskaper hos molekyler relateras till biologiska effekter. Studenterna beräknar molekylära deskriptorer och tillämpar multivariata statistiska metoder för att bygga och validera prediktiva modeller för biologisk aktivitet, med tyngdpunkt på val och tolkning av deskriptorer samt modellvalidering.

Förväntade studieresultat

Förväntade studieresultat

Kunskap och förståelse

Efter avslutad kurs ska studenten kunna:

• Redogöra för grundläggande begrepp i kvantkemi, molekylmekanik och molekyldynamik samt vad som skiljer centrala metoder och approximationer åt.
• Beskriva grundläggande metoder inom strukturbioinformatik, inklusive sekvensjämförelse, komparativ modellering och proteinvikning.
• Förklara hur datadrivna metoder såsom maskininlärda kraftfält och AI-baserad strukturprediktion förhåller sig till fysikaliskt baserade beräkningsmetoder med avseende på noggrannhet, beräkningskostnad och giltighetsområde.
• Beskriva teoretiska metoder samt planera och utföra datorbaserade beräkningar av fysikaliska och kemiska egenskaper hos molekyler och relatera dessa till biologiska/miljökemiska effekter med kemometriska beräkningsmodeller.

Färdigheter och förmåga
Efter avslutad kurs ska studenten kunna:

• Sätta upp, genomföra och tolka kvantkemiska beräkningar samt molekyldynamiksimuleringar via fjärranslutning till ett beräkningskluster.
• Bygga och validera prediktiva QSAR-modeller samt tolka resultaten i kemiska termer.
• Använda webbläsarbaserade verktyg för keminformatik och maskininlärning för att utforska kemiska dataset samt bygga och utvärdera prediktiva modeller, och kritiskt granska vetenskapliga publikationer inom AI och kemi.

Värderingsförmåga och förhållningssätt
Efter avslutad kurs ska studenten kunna:

• Kritiskt bedöma rimlighet, begränsningar och generaliserbarhet hos beräkningsresultat och prediktiva modeller, inklusive hur metodval, datakvalitet påverkar noggrannhet och giltighetsområde.
• Reflektera över forskningsetiska aspekter av artificiell intelligens i kemisk forskning, inklusive ansvarsfull och transparent användning av AI-verktyg i det egna arbetet.
• Analysera, kritiskt granska och presentera resultat från datorbaserad beräkningskemi.

Behörighetskrav

90 hp varav minst 45 hp inom huvudområdet kemi inklusive kursen Kemometri 7,5 hp (5KE053), eller motsvarande samt Engelska 6/nivå 2.

Undervisningens upplägg

Undervisningen består av:

• Föreläsningar och seminarier: Introduktion till teoretiska begrepp och principer samt kritisk granskning av vetenskaplig litteratur.
• Självstudier utifrån angivet kursmaterial och litteratur.
• Laborationsarbete och projektarbete: Praktiska beräkningar genomförs i webbläsarbaserade miljöer, med beräkningskluster för kvantkemiska beräkningar och molekyldynamiksimuleringar, samt webbläsarbaserade program för keminformatik och dataanalys.

Examination

Examination sker enligt följande:

Modul 1-3 examineras med avseende på teoretiska koncept via en individuell skriftlig tentamen som betygssätts med något av följande betyg: Underkänd (U), Godkänd (G) eller Väl Godkänd (VG).

Praktiska projekt från Modul 1-3 examineras individuellt via en skriftlig labbrapport per modul. Varje labbrapport betygssätts med något av följande betyg: Underkänd (U) eller Godkänd (G).

Modul 4 examineras genom en skriftlig projektrapport som betygssätts med något av följande betyg: Underkänd (U) eller Godkänd (G) samt en muntlig presentation som betygssätts med något av följande betyg: Underkänd (U) eller Godkänd (G).

För att bli godkänd på kursen krävs att samtliga moduler är godkända. Kursbetyget (U/G/VG) baseras på lika viktning av betygen från Modul 1-3.

Student med godkänt resultat får ej genomgå examination igen för att få ett högre betyg. En student som utan godkänt resultat har genomgått två prov för en kurs eller en del av en kurs, har rätt att skriftligen ansöka om att få en annan examinator utsedd, om inte särskilda skäl talar emot det (HF 6 kap. 22 §). Ansökan om ny examinator ställs till prefekten vid Kemiska institutionen.

Övriga föreskrifter

Anpassad examination: För student som har beslut om rekommenderat stöd på grund av funktionsnedsättning kan Examinator besluta om avsteg från kursplanens examinationsform. Individuell anpassning av examinationsformen ska övervägas utifrån studentens behov och kursens förväntade studieresultat. För mer information se Handläggningsordning för stöd till studenter med funktionsnedsättning samt Regel för betyg och examination.

Tillgodoräknande: Ansökningar om tillgodoräknande prövas individuellt. I en examen får denna kurs ej ingå tillsammans med annan kurs med likartat innehåll. Vid osäkerhet bör den studerande rådfråga studievägledare för den aktuella kursen. Ansökan om tillgodoräknande skickas in till Studentcentrum/Examina. Mer information om tillgodoräknande finns på Umeå universitets studentwebb och i högskoleförordningen (6 kap). Ett avslag på ansökan om tillgodoräknande kan överklagas (Högskoleförordningen 12 kap) till Överklagandenämnden för högskolan. Detta gäller såväl om hela som delar av ansökan om tillgodoräknande avslås.

Övergångsbestämmelser

I det fall att kursplan upphör att gälla eller genomgår större förändringar, garanteras studenter minst tre provtillfällen (inklusive ordinarie provtillfälle) enligt föreskrifterna i den kursplan som studenten ursprungligen varit kursregistrerad på under en tid av maximalt två år från det att tidigare kursplan upphört att gälla.

Regel för betyg och examination reglerar vad som gäller för omprov i de fall en kurs avvecklats eller en kursplan genomgått större förändringar.