Среда компьютерного моделирования задач

Среда компьютерного моделирования задач
Среда компьютерного моделирования задач
Тип	система компьютерного моделирования
Автор	Дмитриев Вячеслав Михайлович
Разработчик	научная группа «РЕВИКОМ» (каф. КСУП ТУСУР)
Разработчики	Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Филиппов А.Ю., Панов С.А., Кочергин М.И.
Написана на	Microsoft Visual C++
Интерфейс	графический
Операционная система	Microsoft Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10, Windows 11
Языки интерфейса	русский
Первый выпуск	2000 год
Аппаратная платформа	x86
Последняя версия	1.0 (01.01.2023)
Читаемые форматы файлов	.mrscir,
Создаваемые форматы файлов	.mrscir
Состояние	в активной разработке
Лицензия	проприетарное программное обеспечение
Сайт	Группа «РЕВИКОМ» во «ВКонтакте»

Среда компьютерного моделирования задач (СКМЗ) — система компьютерного моделирования, основанная на среде моделирования МАРС, используемая для решения физических задач, введённых пользователем. Решение задач в СКМЗ основано на использовании метода компонентных цепей (МКЦ).

Цель создания системы

Программы для решения задач по физике в основном являются закрытыми для пользователя, то есть содержат ограниченное количество задач, заданных авторами системы. Это ограничивает пользователя в возможностях, не даёт ему выходить за рамки предложенного материала. Те же программы, которые позволяют это достичь, обычно не поддерживают открытого решения, трудны в использовании и требуют определённых навыков, знания различных языков программирования.

Следовательно, остаётся актуальным поиск универсальных программ, которые позволят пополнять банк задач и в более лёгкой форме показывать ход решения задачи. Самым подходящим для этого методом является использование моделирования. Благодаря переводу исследуемого объекта в форму модели обнаруживаются различные свойства этого объекта. Это ведёт к конкретизации условия задачи, нахождения всех её параметров и более глубокому пониманию сути решения. Использование метода моделирования требует изучения формализации и алгоритмизации задач. Для этого очень хорошо подходит среда компьютерного моделирования задач (СКМЗ), которая позволяет решать задачи, введённые пользователем.

Определение задачи

Задача — это объект мыслительной деятельности, содержащий требование некоторого практического преобразования или ответа на теоретический вопрос посредством поиска условий, позволяющих раскрыть связи (отношения) между известными и неизвестными её элементами.

Поиск условия и решения задачи зависит от целей, накладываемых на задачу, а именно:

Учебная задача: её цель и результат состоят в изменении самого действующего субъекта, заключающемся в овладении определёнными способами действия, а не в изменении предметов, с которыми субъект действует. В основном это моделирование задачи (составление плана решения) и овладение приёмами и методами алгоритмических предписаний.
Физическая задача: в практике обучения обычно называют небольшую проблему, которая решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе методов и законов физики.

С логической точки зрения решение задачи заключается в отыскании отношений, причин, следствий и оснований, о которых ничего не говорится в задаче. В связи с этим, психологи вводят понятие искомого, нахождение которого составляет решение задачи. При решении физических задач в качестве искомого также выступают физические законы, правила, принципы и т. п.

Поиск решения заключается в поиске отношений (связей, зависимостей) в данных между условием и требованием с помощью инструментария физики. Решение является найденным, если определена структура задачи (физические законы, правила, принципы, определены ограничения, установлены отношения между параметрами и переменными). Далее, уже на основе определённых правил (эксперимента, подстановки или проверки на частных случаях, решением другим способом) определяется, является ли найденное решение правильным или нет.

Формулировка задачи

Формулировка задачи состоит из условия и требования. У каждой задачи может быть своя уникальная формулировка. Это определяется следующим:

По способу предъявления: формулировка может быть вербальная, текстовая, в виде графика, в виде схемы, таблицы и их комбинации.
По содержанию: могут быть сформулированы на разговорном или научном языке, быть абстрактными и конкретными, практическими, бытовыми, парадоксами, рассказами, и т. д.

Текст задачи может содержать сведения, важность которых для решения задачи не очевидна. Поэтому для решения задачи из всех её данных надо выбрать только существенные. Это реализовывается в процессе решения задачи и заставляет решающего целенаправленно перерабатывать информацию, содержащуюся в условии задачи.

Параметры данных

B литературе физическую задачу представляют в виде системы, состояние которой характеризуется определёнными параметрами.

При анализе условия и при решении задач выделяют следующие типы параметров: заданные и открытые, постоянные и переменные, поясняющие и ограничивающие. В СКМЗ все эти параметры обозначаются в виде ромбиков с различными подписями. Например, константы обозначаются ромбиком с подписью constT для табличных констант, просто const для не табличных констант, а исходные — ромбиком с подписью «исх. дан.». Это делается для того, чтобы более наглядно показать различие переменных, и для более облегчённого понимания учащимся задачи.

Использование метода компонентных цепей для решения задач

При решении задач важным элементом выступает редактор схем, который служит для представления формализации задачи на языке компонентных цепей.

Компонентная цепь — составные части (компоненты) задачи, объединённые с помощью связей в общую схему.

Построение компонентной цепи в редакторе схем осуществляется за счёт соединения посредством связей отдельных компонентов. Такой процесс моделирования как средство осмысления помогает выявить взаимозависимость всех элементов — параметров и переменных, характер их изменения во времени и пространстве, найти существующие закономерности в задаче.

Компоненты, использующие математические модели могут быть трёх типов: объектные модели, системные модели отношений и частные модели отношений.

Объектные модели — логически выделенные из условий задачи сущности, предметы, совокупность предметов, состояния, переменные которых определяют характер самой задачи, и поведение которых требуется оценить в предлагаемых ситуациях. Данные модели отражают законы физики, а также задают характер (функцию) поведения объекта в моделируемой среде в зависимости от условий задачи. Объектная модель имеет заданное количество узлов (статические связи) объекта с заданной математической структурой. Она задает отношение между различными свойствами (разной размерности) одного объекта, например: силой натяжения, жесткостью, длиной F=k*x. Имеет устойчивый характер и может быть отнесена к классу предопределенных моделей. Это означает, что она находится в составе библиотеки моделей компонентов (БМК).

В качестве математических моделей используются формулы физики или математические выражения, параметры и переменные которых полностью принадлежат выделенному из условия задачи объекту.

Объектные модели могут описывать:

Объект — сущность в задаче, осуществляющая какую-то деятельность или исполнительный процесс. Объект может не иметь функцию поведения, но может обладать каким-то параметром. Противоположная ситуация, когда объект может иметь не одну, а несколько математических моделей, образующих подсистему. В этом случае наличие параметров и переменных обязательно.
Составной объект характеризует объект системы, который сочетает в себе несколько объектов. В зависимости от ситуации может использовать отношение агрегации (списковая структура) или композиции (эмерджентность).

Частные модели отношений — формулы физики или математические выражения, параметры и переменные которых описывают взаимосвязь между объектными моделями задачи.

Частная модель отношений — модель, накладывающая определённые ограничения на переменные полусвязей двух и более компонентов, вступающих в данную связь. Имеет неустойчивый характер и может быть отнесена к классу определённых только в задачном пространстве моделей. Она задает отношение между одинаковыми свойствами (одной размерности) нескольких объектов (актов объекта). Отношения могут представлять собой цепочку вложенных формул, записываемых относительно формальных параметров, а затем они параметризуются с помощью генерации (подстановки) фактических параметров. Модели отношения не имеют предопределенного выраженного закона (уравнения), модель определяется (вводится) через математический редактор. Данная модель характеризует локальные связи, определяемые условиями задачи в виде совокупности уравнений, связывающих переменные нескольких (не всех) объектов в конкретной задаче.

Если системные и объектные модели рассматриваются также на уровне локальных связей, то записанные отношения и представляют собой обычную процедуру решения задачи (в традиционной форме).

Отличительная особенность частных моделей отношений заключается в том, что их модельные связи иногда могут замыкаться на одном объекте. Такая ситуация появляется в том случае, если неправильно определён объект или выделены не все объектные модели.

Системные модели отношений — формулы физики или математические выражения, параметры и переменные которых суммируются по правилу, характеризующему все объекты задачи.

Системными моделями являются фундаментальные законы физики, такие, как закон сохранения энергии и т. д., в том числе принцип суперпозиции и аддитивности.

Компонент системной модели отношений — модель, накладывающая определённые ограничения на переменные полусвязей всех или совокупности компонентов, участвующих в задачном пространстве и вступающих в данную связь. Системные модели характеризуют глобальные связи. Часто компоненты, отображающие системные модели, имеют переменное количество узлов (динамические связи) для подключения нескольких объектов. Заранее количество таких объектов неизвестно и диктуется условиями задачи. Системные модели появляются благодаря наличию условий перехода вида L — качественное изменение системы (вертикальное/логическое или горизонтальное/физическое взаимодействие между объектами). Системная модель отношений задает отношение между одинаковыми свойствами (одной размерности), как правило, всех объектов, например: период колебаний первого объекта, период колебаний второго объекта, период колебаний третьего объекта: T1+T2=T3.

В алгоритме решения задачи данным компонентам соответствуют «модели отношений». Они накладывают на переменные объектов локальные связи.

Преимущества решения задач в СКМЗ по сравнению со стандартным методом

В СКМЗ большее количество шагов решения. Это позволяет разбивать решение на меньшие шаги, что помогает в процессе решения задачи и упрощает её решение.

Компьютерное моделирование на основе объектно-ориентированного подхода позволяет экспериментировать с задачей: варьировать параметрами, изменять структуру задачи и, тем самым, производить исследование свойств задачи.

См. также

Примечания

Литература

Филиппов А. Ю. Алгоритмы формализации и алгоритмизации решения задач на основе СКМЗ: Диссертация на соискание учёной степени к.т. н. — Томск: 2007. — 230 с.
Дмитриев В. М., Арайс Е. А. Автоматизация моделирования многосвязных механических систем. — М.: Машиностроение, 1987. — 240 с.
Трофимова Т. И. Краткий курс физики: Учебное пособие для ВУЗов. — М.: Высш. шк., 2000. — 352 с.
Иродов И. Е. Задачи по общей физике: Учебное пособие. — М.: 1988. — 446 с.
Сахаров Д. И. Сборник задач по физике. — М.: Просвещение, 1967. — 288 с.
Трофимова Т. И., Павлова З. Г. Сборник задач по курсу физики с решениями: Учебное пособие для ВУЗов. — М.: Высш. шк., 1999—591 с.
Бутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. Физика в задачах. — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1974. — 160 с.
Кабардин О. Ф. Физика: Учебное пособие для учащихся. — М.: Просвещение, 1991. — 368 с.

Ссылки

Группа в социальной сети «ВКонтакте», посвящённая разработчикам среды компьютерного моделирования задач