Проблема качества графической подготовки студентов в техническом вуз
..pdf
Рис. 4. Фрагмент примера, иллюстрирующий вычисление определенного интеграла
передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное чутье.
Проследить процесс нахождения ответа можно после постановки задачи и задания начальных данных, когда студенту предлагается поэтапная технология обучения, шаг за шагом с подробными пояснениями. При этом существует связь элементов текста с помеченными данными и используемыми формулами. Применение таких технологий существенно активизирует учебную информацию, делает ее более доступной, наглядной для восприятия и удобной для усвоения. Рассматриваются основные виды матриц, а также основные определения элементов матрицы, правила операций с матрицами (рис. 5, 6). Использование динамики позволяет обучаемому более глубоко изучить данную тему. Это достигается путем приведения всегда нового примера и его конкретного решения.
Пользователю предоставляется возможность ознакомиться со способами вычисления определителей. Иллюстративные примеры помогают более быстро и эффективно усвоить материал. Для более глубокого изученияматериаладанногоразделаобучаемому предлагается проследить ход
41
Рис. 5. Графическаяиллюстрацияправилаумноженияматриц
Рис. 6. Фрагмент примера вычисления определителя третьего порядка
42
решения примеров каждый раз с новыми исходными данными. Для закрепления полученных знаний обучаемый выполняет упражнения различной сложности, чтопозволяетемуболеепрочнозакрепитьполученныйматериал.
Раздел «Элементы аналитической геометрии» базируется на следующих подразделах аналитической геометрии: «Уравнения прямой», «Векторы», «Вычисление площадей фигур», «Уравнение плоскости», «Вычисление объемов фигур», «Элементы линейной алгебры с точки зрения аналитической геометрии» (рис. 7–11).
Рис. 7. Фрагмент примера решения системы по правилу Крамера
Рис. 8. Фрагменты примеров общего уравнения прямой и уравнения прямой, проходящей через точку в данном направлении
43
Рис. 9. Фрагмент примера вычисления площади треугольника в пространстве
Рис. 10. Фрагмент апплета геометрической интерпретации матрицы
44
Рис. 11. Фрагментапплетагеометрическойинтерпретацииопределителя
Заключение
В статье представлено некое обобщение традиций и опыта преподавания математики в среде современных информационных технологий. Приведены результаты, полученные автором при разработке (2001–2006 гг.) электронных обучающих систем в Немецком центре искусственного интеллекта при университете Саарланда (Саарбрюкен,
Германия) в системе ActiveMath (http://www.activemath.org/Home/Team/viktor; http://www.activemath.org).
ActivеMath является веб-базирующейся, обучающей средой (по математике), которая разработана в рамках проекта LEACTIVEMATH программы FP6-IST Европейского Союза. В этой среде существует возможность динамически предоставляет интерактивный материал курса, необходимый обучаемому (на различных языках, в том числе русском и английском). К достоинствам ActiveMath относится возможность персонального подхода к предоставленному материалу с выбором характерных для определенного уровня интерактивных элементов, выбрать которые
45
можно согласно их сложности или специальности либо соответственно учебной программе. Начав обучение, можно продолжить его в той же системе ActiveMath, даже если студент сменил страну или специальность.
В систему включены курсы «Методы оптимизации» (http://www.activemath.org/Content/OptimizationMethods), «Исследование операций», эле-
ментыкурса«Математическаялогика» для нескольких специальностей. Параллельно разрабатывались автономные (вне системы ActiveMath)
варианты обучающих систем по различным математическим дисциплинам: элементы курсов «Математический анализ», «Математическая логика», «Теория графов», «Дифференциальные уравнения». При этом программно-методические комплексы по курсам «Теория игр и исследование операций» и «Методы оптимизации», построенные на основе компьютерного моделирования учебного процесса, в течение многих лет успешно используются в учебном процессе.
Практическое использование показывает, что компьютерное моделирование учебного процесса изучения математики с использованием информационных технологий является эффективным средством индивидуализацииобучения иактивизациисамостоятельнойдеятельностистудентов, атакжеоказывает существеннуюпомощь вработепреподавателю.
Список литературы
1.Горнов А.О., Шацилло Л.А. Междисциплинарные аспекты ГГП
иинженерной подготовки // Материалы Всерос. совещ. зав. кафедрами инженерно-графических дисциплин техн. вузов. – Ростов н/Д, 2015. –
С. 27–34.
2.Ижуткин В.С., Токтарова В.И. Комплекс обучающих программ по математическому программированию на основе компьютерного моделирования учебного процесса // Математическое программирование и приложения: сборник тр. XIII Всерос. конф. – Екатеринбург, 2007.
3.Ижуткин В.С., Токтарова В.И. Компьютерное моделирование учебного процесса изучения математики // Системный анализ и информационные технологии: тр. 1-й Междунар. конф. – Переславль-Залес-
ский, 2005. – С. 246–249.
4.Ижуткин В.С., Токтарова В.И. Принципы построения и реализации обучающих систем по численным методам // Educational Technology & Society. – 2006. – № 9 (1). – С. 397–410.
5.Поспелов Д.А. Фантазия или наука. На пути к искусственному интеллекту. – М.: Наука, 1982.
6.Зенкин. А.А. Когнитивная компьютерная графика / под ред. Д.А. Поспелова. – М.: Наука, 1991. – 192 с.
46
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА САПР, ИХ СОСТАВ, НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
В.А. Краюшкин, И.Е. Лешихина, М.А. Пирогова
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва
Рассмотрены вопросы организации, истории, современного состояния и перспектив развития аппаратного обеспечения современных систем автоматизированного проектирования (САПР), структура программного-аппаратного комплекса САПР, ведущие мировые производители технических средств и устройств CAD Workstation.
Ключевые слова: рабочая станция САПР, аппаратное обеспечение САПР, мультизадачные многопотоковые процессоры, графическая система, 3D-манипуляторы, периферийное оборудование, видеокарта, сетевой интерфейс.
HARDWARE FOR CAD/CAM/CAE:
MAIN COMPONENTS AND MODERN TRENDS
V.A. Krayushkin, I.E. Leshikhina,
M.A. Pirogova
Moscow Power Engineering Institute (MPEI), Moscow
The article is devoted to structures, actual state, history and trends of CAD/CAM/CAE systems hardware. The article gives an analysis of situation on global CAD Workstations market and architecture of modern CAD Workstation.
Keywords: CAD Workstation, CAD/CAM/CAE hardware, multi-core chips with multithreading, graphics processing unit (GPU), 3D space mouse, CAD peripheral units, graphics card, network interface.
Со времени выхода последней в русскоязычной IT-прессе статьи авторов, посвященной обзору состояния рынка рабочих станций САПР [1], прошло уже более 10 лет, многое в этой области существенно изменилось, и настало время вновь обратиться к теме аппаратного обеспечения САПР. Эта тема оказалась востребованной и при обсуждении проблем качества подготовки студентов технических вузов в области графики и геометрии, без которой невозможно подготовить полноценного инженера, специалиста-конструктора и проектировщика сложных изделий. Применение современных программнотехнических комплексов САПР в учебном процессе, на занятиях по графике и геометрии, стало повсеместным, термины «инженерная компьютерная графика» и «автоматизированное проектирование» не-
47
разделимы, а преподавание основ графики и геометрии в техническом вузе в наши дни уже трудно представить без использования автоматизированных средств создания чертежно-конструкторской документации и геометрического моделирования.
Типовая (классическая) структура аппаратных средств САПР
сложилась к середине 80-x гг. XX века, и с тех пор особых изменений собственно структура не претерпела (рис. 1). Изменения в отношении компонент структуры аппаратных средств САПР состоят в основном в улучшении характеристик функционирования.
Рис. 1. Типовое рабочее место САПР среднего уровня
Классическая структура аппаратного обеспечения рабочего места САПР – это архитектура CAD Workstation – рабочей станции САПР. Архитектура CAD Workstation включает в себя высокопроизводительный вычислительный блок для решения расчетных задач, быструю оперативную память, графический «акселератор» для решения задач визуализации CAD-моделей с выходом на высокоскоростной канал вывода графики, контроллер устройств ввода данных для работы с CAD-моде- лями, контроллер сетевых интерфейсов. Такая архитектура была принята уже для первых профессиональных CAD рабочих станций типа
Apollo Domain, HP 9000 Series 700, Sun Workstation, SGI, IBM IntelliStation, DECstation – еще в 90-е гг. XX в. Каждая модель из упомянутых семейств рабочих станций САПР имела в своем составе мощный процессорный модуль (один или несколько процессоров передовых для того времени архитектурных решений для высокопроизводительной потоковой обработки данных), оперативную память с возможностью поддержания рабочей области в гигабайтовом диапазоне, мощный отдельный модуль графического акселератора или – для более поздних
48
моделей – внутреннюю высокопроизводительную видеокарту, специализированные интерфейсы ввода графической информации. Каждая из упомянутых выше CAD Workstation обязательно комплектовалась одним или даже несколькими профессиональными ЭЛТ-дисплеями. Уже в то время сложности задач 3D-моделирования в САПР требовали отказа от слабых 32-разрядных операционных систем. Именно по этой причине в 90-х гг. XX в. все рабочие станции профессиональных САПР оснаща-
лись 64-разрядными ОС Unix: Sun Solaris, HP UX, AIX, IRIX, Tru64 UNIX. Для индустриального профессионального применения САПР необходимость использования всех преимуществ 64-разрядных ОС диктовала обязательность применения в качестве ЦПУ станции 64-разряд- ных многопотоковых процессоров. В конце 90-х гг. XX в. такие процессоры разрабатывались как проприетарные ЦПУ для САПР-станций самими же компаниями – производителями рабочих станций или тесно аффилированными с ними в этих проектах компаниями – производите-
лями ЦПУ: SPARC компании Sun Microsystems, MIPS, Motorola 6800 family, PA-RISC, Power, IA-64, Alpha AXP. Эти мультизадачные много-
потоковые процессоры, поддерживающие 64-разрядные операционные системы, были на рубеже XX–XXI вв. единственно возможными решениями организации работы с САПР-данными, САПР-прикладными задачами. Для высокопроизводительных конечных операций по подготовке изображения 3D-модели САПР остающейся мощности даже таких передовых ЦПУ уже не хватало, и практически с самого начала САПРстанции включали интегрированное решение – графический акселератор, который и брал на себя всю работу по визуализации результатов работы САПР-приложений в режиме реального времени. Для качественной визуализации результаты работы акселераторов выводились на экраны входящих в базовое оснащение САПР-станций ЭЛТ-дисплеев с повышенными эргономическими характеристиками. В качестве устройств ввода информации в САПР-станции комплектовались (базово) трехкнопочными манипуляторами типа мышь, а для профессиональных 3D-САПР рабочих мест (опционально) – многокоординатными 3D-пози- ционерами (Spaceball, Spatial Tracker). Для хранения программного обеспечения, сохранения результатов вычислений и архивирования моделей САПР рабочие станции оснащались HDD-структурами RAID, достигавшими в локальном исполнении емкости 0,2–0,5 Тб. Для промышленного применения САПР станций необходимо было реализовывать эти индивидуальные рабочие места в составе индустриальных се-
49
тевых сред совместного функционирования. К середине 90-х гг. XX в. стандартные промышленные сети реализовывались на основе стека протоколов TCP/IP, а в качестве стандарта использовались спецификации IEEE 802.3 – IEEE 802.3u, контроллеры которых были обязательными в составе рабочих станций САПР.
На рубеже веков произошли существенные изменения в области аппаратного обеспечения, которые привели к еще большей типизации состава рабочих станций САПР при практически уже неизменной архитектуре, о которой было сказано выше. Технологические достижения микроэлектроники позволили освоить массовый выпуск мультиядерных 64-разрядных процессоров, микросхем быстрой DDR-II, DDR-III памяти, разработать решения для внутренних высокоскоростных интерфейсов, стандартизованные внешние каналы передачи данных высокой производительности для PC-архитектур. Переход на мультиядерные 64-разрядные ЦПУ для массовых архитектур PC привел с неизбежностью к появлению и массовых 64-разрядных ОС: сначала Linux, а затем и 64-разрядных версий Microsoft Windows. Все это обеспечило возможность портировать высокопроизводительные индустриальные САПР рабочие места на массовые платформы. Эти технологические достижения и темпы их освоения для массового применения привели к тому, что разрядности и производительности, необходимые для САПР, которые ранее были реализуемы только на базе специализированных процессоров и в составе специально выпускаемых для САПР рабочих станций, стали доступны и в сегменте массовых решений на базе PC-архитектур.
Лидерами в разработке массовых процессоров для PC-архитектур, реализующих 2, 4 и более ядер на одном кристалле, являются Intel и AMD. Именно эти две компании доминируют сейчас на рынке процессорных платформ персональных ЭВМ. ЦП Intel и AMD даже в самых бюджетных исполнениях обеспечивают реализацию многопоточной обработки и параллельных вычислений с данными 64–128 бит в адресном пространстве 48–64 бита. Однако для профессиональных рабочих станций процессоры Intel считаются более приоритетными, чем AMD. Для платформ PC на базе ЦП Intel и/или AMD в 64-разряд- ном исполнении разработаны и активно используются в первом десятилетии XXI в. 64-разрядные ОС, причем как уже хорошо освоенные клоны Linux, так и варианты наиболее популярного семейства ОС для ПЭВМ Microsoft Windows. Таким образом, в первой декаде XXI в. вы-
50