Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Филиппов Алексей Юрьевич. Алгоритмы формализации и автоматизации решения задач на основе среды компьютерного моделирования задач : диссертация... кандидата технических наук : 05.13.06 Томск, 2007 232 с. РГБ ОД, 61:07-5/2494

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 6

1, Глава. Анализ проблем и задач методологии обучения 14

1.1. Обзор и анализ существующего программного обеспечения по физике 14

1.1.1. Программы, реализующие численные методы 14

1.1.2. Математические пакеты 15

1.1.3. Специализированные программы по физике 16

1.1.4. Моделирующие среды 18

1.2. Основные элементы задачи и факторы, влияющие на решение 20

1.2.1. Объект - задача: условие, требование. Данные задачи 25

1.2.2. Предметная область - физика. Общая классификация физических задач. Группы задач 31

1.2.3. Субъект - учащийся. Анализ и синтез формулировки задачи субъектом: переформулирование, перекодирование. Сложность и трудность , 38

1.2.4. Система обучения решению: стратегии, общие и частные правила. Алгоритмические предписания 41

1.3. Требования к программе обучения решению задач 48

1.4. Выводы 49

2. Глава. Исследование и разработка алгоритма компьютерного моделирования задач 51

2.1. Основные понятия и цели моделирования. Математическое и компьютерное моделирование 51

2.2. Задача как объект моделирования 55

2.2.1. Классификация решаемости вычислительных задач в среде моделирования 55

2.2.2. Цели решения задач 57

2.3. Алгоритмы формализации задачи 59

2.3.1, Этапы создания формализованного представления задачи 62

2.3.2. Алгоритм реализации предметного представления 64

2.3.3. Алгоритм реализации модельного представления 68

2.3.4. Алгоритм реализации компьютерного представления 70

2.4. Предметное представление задачи 72

2.4.1. Пример анализа данных условия задачи об автомобилях 72

2.4.2. Алгоритм многоаспектного анализа задач 78

2.4.3. Недостаточность и переизбыточность данных 92

2.4.4. Формализация аспектов и субаспектов с помощью предикатов 93

2.5. Модельное представление задачи 94

2.5.1. Основные элементы алгоритма моделирования 95

2.5.2. Диаграмма процесса решения задачи 98

2.5.3. Классификация задач механики по типам 103

2.6. Компьютерное представление задачи 104

2.6.1. Формализм метода компонентных цепей и его преимущества 105

2.6.2. Необходимость расширения формализма компонентной цепи 107

2.6.3. Расширение базового формализма метода компонентных цепей.. 109

2.7. Выводы 123

3. Глава. Среда компьютерного моделирования задач 124

3.1. Функциональная схема среды компьютерного моделирования задач.. 125

3.1.1. Общие требования к среде компьютерного моделирования задач 125

3.1.2. Среда компьютерного моделирования как система 126

3.1.3. Функциональная схема среды 128

3.1.4. Назначение и описание работы программных модулей среды 130

3.2. Внешний интерфейс среды компьютерного моделирования задач 135

3.2.1. Пользователи среды 136

3.2.2. Режимы решения задач 137

3.3. Использование редакторов 138

3.3.1. Редактор данных 139

3.3.2. Редактор схем 142

3.3.3. Панель решения 150

3.4. Генератор и библиотека моделей компонентов 151

3.4.1. Библиотека моделей компонентов 151

3.4.2. Генератор моделей компонентов 152

3.5. Модуль контроля и анализа ошибок 153

3.5.1. Ошибки математические 153

3.5.2. Ошибки топологические 154

3.6. Модуль параметризации задач 155

3.7. Преимущества использования СКМЗ 156

3.7.1. Алгоритм выделения объектов из условия задач 156

3.7.2. Использование объектно-ориентированного подхода при моделировании структуры задачи 162

3.8. Выводы 166

4. Глава. Применение компьютерного моделирования в обучении решению задач 167

4.1. Компьютерное учебное пособие 167

4.1.1. Программная структура КУПа 173

4.1.2. Пример решения физической задачи 174

4.2. Использование формализованной задачи в КУПе 178

4.2.1. Формализованное представление задачи 178

4.2.2. Банки задач 180

4.2.3. К вопросу о сложности решения задач 181

4.3. Сравнение методик решения задач 182

4.3.1. Определение образовательного эффекта и успешности программы КУП по физике в учебном процессе 185

4.3.2. Оценка пользовательских интерфейсов КУПа 189

4.3.3. Экспериментальная проверка эффективности применения КУПа в обучении физике 192

4.4. Выводы 199

Заключение 201

Список использованных источников 203

Приложение 1, Сравнительный анализ обучающих программ по физике.,., 212 Приложение 2. Дидактический анализ компьютерных программ по физике 218

Приложение 3. Моделирование задачи в редакторе схем СКМЗ 220

Приложение 4. Внутренняя структура БМК 224

Приложение 5. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки, дипломы 227

Приложение 6. Акты о внедрении результатов 230 

Введение к работе:

Актуальность проблемы. С развитием компьютерной индустрии и IT-технологий, массовым оснащением компьютерами образовательных учреждений по общероссийской программе компьютеризации усилился интерес к использованию компьютеров в предметном обучении. Компьютер, как техническое средство, открывает большие возможности для совершенствования учебного процесса путем его автоматизации. Однако, использование компьютера в обучении предметам (в частности, физике) не получило широкого распространения и носит ограниченный характер. С одной стороны, проблема связана с методическим наполнением обучающих программ и программных средств, которое часто не соответствует содержанию учебного процесса по педагогическим причинам. С другой стороны, проблема имеет технический характер и связана непосредственно с разработкой самих программ. Предлагаемые разработчиками компьютерные программы по физике в основном являются закрытыми для пользователя: содержат закрытый банк задач, тестов, теорию и демонстрации без возможности добавления и решения задач обучающимся, что ограничивает выбор пользователя и ставит его в некоторые рамки предлагаемого материала. Программы же, позволяющие достичь открытости для пользователя, обычно не поддерживают решение задач по физике или достаточно трудны в использовании, требуют знания языков программирования (Pascal, С, Delphi, Excel) или знания численных методов. Поэтому остается актуальным поиск универсальных технологий автоматизации решения задач по естественно-научным дисциплинам, опирающихся на современные кибернетические подходы и открывающие новые возможности для эффективного овладения материалом. В том числе актуальна проблема создания такой открытой среды, в которой органично сочетаются традиционные и компьютерные методы обучения.

Для автоматизации процесса решения задач в открытых средах наиболее всего, на наш взгляд, подходит метод моделирования. Перевод некоторого исследуемого объекта в форму модели позволяет обнаружить в нем такие свойства, которые невыявляемы при непосредственном оперировании с ним, что ведет к конкретизации элементов условия задачи и более глубокому пониманию сути решения. Использование метода моделирования требует разработки метода формализации и алгоритмизации решения задач и создания программы, в данном случае - среды компьютерного моделирования задач (СКМЗ), которая сочетает традиционные и компьютерные методы, позволяющие решать учебные задачи, введенные пользователем.

Настоящая работа посвящена разработке алгоритмов формализации решения задач, созданию функциональной схемы СКМЗ и ее программной реализации, содержащей интерактивные редакторы для обработки входной и вы-

ходной информации, программные модули для обеспечения автоматизации процесса обучения компьютерному моделированию задач.

В рамках соответствия программы учебному процессу существует необходимость создания обучающего блока - компьютерного учебного пособия (КУП), наполнение которого может изменяться в зависимости от изучаемых образовательных предметов и методик. Так как программа в основном предназначена для предметного обучения, в качестве примера взяты задачи и материал по физике «КУП по физике». Обучающий блок - КУП и инструментальный блок - СКМЗ отделены друг от друга с целью обеспечения возможности раздельного изменения архитектуры и наполнения их пользователем.

Цель работы. Исследование и разработка алгоритмов формализации задач. Реализация на основе разработанных алгоритмов СКМЗ, предназначенной для автоматизации процесса решения вьгаислительных задач из различных предметных областей.

Объект исследования. Алгоритмы формализации и компьютерного моделирования вьгаислительных задач из разных предметных областей с использованием метода компонентных цепей (МКЦ).

Задачи исследования:

  1. Выявить особенности процесса решения и определить классы решаемых задач для компьютерного моделирования.

  2. Создать с учетом выявленных особенностей алгоритм формализации задач.

  3. Разработать и создать функциональную структуру программы, включающую в себя интерактивные редакторы для обработки входной и выходной информации, а также программные модули, необходимые для автоматизации решения задач.

  4. Создать программно-инструментальные средства, позволяющие ориентировать СМ МАРС (Среда Моделирования МАРС) на процесс компьютерного моделирования задач по естественно-научным дисциплинам.

  5. Разработать компьютерное учебное пособие и на его основе показать эффективность применения компьютерного моделирования в обучении решению задач по физике.

Методы исследования работы. Реализация поставленных задач осуществляется с использованием системного подхода на основе применяемых в настоящее время наиболее эффективных программных средств (CASE-технологий, средств визуального программирования и т.д.), объектно-ориентированных подходов, метода компонентных цепей, развиваемого школой под руководством Дмитриева В.М.

Научная новизна заключается в следующем: 1. Исследованы и предложены алгоритмы, позволяющие формализовать

процесс моделирования задач.

  1. Расширен формализм МКЦ для автоматизации компьютерного моделирования задач не только по техническим, но и по естественно-научным дисциплинам.

  2. На основе предложенных алгоритмов и требований впервые исследована и реализована открытая СКМЗ, позволяющая автоматизировать процесс решения вычислительных задач.

Практическая значимость. Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования, пополняют банк моделей компонентов. Разработанная СКМЗ позволяет практически использовать ее в учебном процессе. На основе разработанных алгоритмов и СКМЗ создано методическое и программное обеспечение в виде КУП по физике, позволяющего обучать решению вычислительных задач по физике.

К защищаемым положениям относятся:

  1. Алгоритмы формализации задачи, позволяющие правильно выделить основные этапы моделирования задач и их содержательную сторону. Диаграмма процесса решения задач, предназначенная для выделения элементов структуры задачи: объектов моделирования, состояний, условий переходов между состояниями.

  2. Алгоритм многоаспектного анализа задач, позволяющий преобразовывать слабо структурированные исходные данные к виду хорошо структурированных исходных данных для реализации компьютерного моделирования задач.

  3. Применение расширенного МКЦ для автоматизации компьютерного моделирования задач по естественно-научным дисциплинам за счет доопределения понятийно-определительного аппарата.

  4. Разработка функциональной структуры и алгоритмов работы СКМЗ с учетом программно-аппаратных и психо лого-педагогических требований, сформулированных в диссертации.

Реализация результатов работы. Создано компьютерное учебное пособие - КУП по физике, которое было внедрено в учебный процесс высшего колледжа информатики, электроники и менеджмента (ВКИЭМ) ТУСУРа, на кафедре Теоретических основ электротехники (ТОЭ) ТУСУРа и протестировано в Томском государственном педагогическом университете (ТГПУ) на кафедре общей физики.

Апробация работы и публикации. Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок докладывались и получили одобрение на международных, всероссийских и региональных конференциях, публиковались в сборниках трудов: 2 статьи в журнале «Вестник Томского Государственного Педагогического Университета», 2 статьи в журнале «Вестник Московского городского педагогического университета», 3 статьи в сборнике «Компьютерные технологии в образовании». Доклады на

научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР - 2004» и XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», проводимой в Томском Политехническом Университете, отмечены дипломами первой степени. На программные модули было получено свидетельство об отраслевой регистрации разработок № 4058 от 22 ноября 2004 года.

Общее число публикаций - 26. По теме диссертации - 23. Из них две работы находятся в печати.

Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований, апробацией результатов.

Личный вклад автора. Постановка задач исследования, проведение обзорных и теоретических исследований, разработка алгоритмов формализации задач, доведение разработок до программно-алгоритмических решений, конкретных алгоритмов, комплекса программ СКМЗ и КУП, теоретические и практические результаты и их интерпретация в основном получены соискателем.

Диссертация основана на теоретических идеях, предложенных научным руководителем, профессором Дмитриевым В.М, а также методических и экспериментальных исследованиях, выполненных соискателем совместно с сотрудниками кафедр ТОЭ ТУСУРа и кафедры общей физики ТГПУ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 211 страниц основного текста, 98 рисунков, 92 использованных источника и 6 приложений.

Подобные работы
Тютиков Владимир Валентинович
Развитие теории модального управления для решения задач автоматизации технологических объектов
Алексеев Михаил Александрович
Автоматизация принятия решений в задачах управляемого выбора моделей аппроксимации временных рядов
Михайлов Александр Александрович
Математическое и программное обеспечение решения задачи позиционирования мобильных средств в системах автоматизации внутрицехового транспорта и складского хозяйства химических производств
Лоцманова Елена Владимировна
Методическое обеспечение автоматизированного управления технологией обучения на основе решения мультидисциплинарных задач (На примере подготовки специалистов учётно-экономического профиля)
Панин Сергей Юрьевич
Синтез законов управления для многомерных автоматических систем на основе частотного подхода к решению обратных задач динамики
Блок Андрей Андреевич
Управление параллельными технологическими процессами на основе распределенной интегрированной среды моделирования
Олзоева Сэсэг Ивановна
Методы повышения эффективности имитационного моделирования в задачах разработки распределенных АСУ
Троицкий Евгений Николаевич
Математическое моделирование и алгоритмизация комплекса задач перспективного оптимального планирования производства продукции в условиях функционирования АСУ лесной и деревообрабатывающей промышленности
Раимов Фарит Фатрахманович
Разработка метода и алгоритмов решения задач составления расписаний в подсистемах АСУП
Зимин Игорь Николаевич
Алгоритмы обработки и хранения информации о сетевых динамических моделях в задачах планирования и управления дискретным производством

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net