2.2. Направления и походы к разработке компьютерных

моделей и программ моделирования

Цель математического моделирования заключается в замене реального объекта его математической (аналитической) или имитационной моделью в целях изучения закономерностей поведения объекта с помощью компьютерных технологий и моделей. На сегодняшний день математическое моделирование является одним из важнейших технологий исследования реальных объектов и процессов. Анализ и проведенный обзор разработанных компьютерных моделей и систем моделирования позволяет выделить основные направления разработки программного обеспечения в отрасли математического и компьютерного моделирования:

1. разработка интерактивных компьютерных моделей имитации реальных объектов для обучающих электронных систем, предназначенных для обучения учащихся (школьников, студентов и др.), в частности для изучения объектов, их свойств и закономерностей в различных отраслях знаний – физике, биологии, химии и т.д.;

2. создание инструментария и систем компьютерного моделирования для разработки математических и имитационных моделей;

3. разработка сетевых компьютерных систем и программ моделирования реальных объектов;

4. разработка программ моделирования и компьютерных комплексов для научных исследований в отраслях знаний – физике, химии, биологии, экологии и т.д.

Одним из важных модулей любого компьютерного комплекса для моделирования является разработка внешнего интерфейса для пользователя программного обеспечения, которая зависит от направлений и целей разработки компьютерных систем и программ компьютерного моделирования.

2.2.1. Разработка интерактивных компьютерных моделей для

электронных обучающих систем

Рассмотрим некоторые характерные особенности разработки интерфейса по направлению разработки обучающих компьютерных систем с интерактивными программами компьютерного моделирования реальных объектов, т.е. предназначенные для системы образования.

Разработками таких компьютерных систем на российском рынке занимаются компьютерные фирмы, в частности: фирмы «Физикон», «1С-предприятие», «Кирилл и Мефодий», которые на профессиональном уровне разрабатывают электронные обучающие системы по физике, математике, по естественно – научным и гуманитарным дисциплинам; ученые университетов России – разработчики уникальных компьютерных программ с интерактивными виртуальными моделями для моделирования реальных объектов. С программными продуктами этих фирм можно ознакомиться на сайтах:

http://www.physicon.ru/

http://obr.1c.ru/product.jsp?id=831

Интерфейс электронных обучающих систем и процессов моделирования реальных объектов разрабатывается чаще всего с помощью Web-технологий. Рассмотрим несколько примеров пользовательского интерфейса.

Пример 1. Рассмотрим электронный курс «Открытая Физика 2.5», разработанный для учащихся школ, лицеев, гимназий, колледжей, для абитуриентов, готовящихся к поступлению в ВУЗ, студентов первых курсов технических и педагогических ВУЗов и для самостоятельного изучения физики.

На рис. 2.4 приведены интерфейс и дизайн элемента обучающей системы «Открытая Физика 2.5» для раздела «Механика».

Рис.2.4. Интерфейс меню «Модели»

При разработке обучающих систем меню пользователя оформляется стандартно в виде вертикальной или горизонтальной линейки. В рассматриваемом электронном пособии приведена горизонтальная линейка меню пользователя, на котором отдельно выделены: справочная система, информация о программе, электронный учебник и меню работы с интерактивными компьютерными моделями выделены в отдельные меню; имеется также поисковая система по электронному пособию. Для раздела «Модели» приведен перечень интерактивных компьютерных моделей, к которым можно прейти по гиперссылке, и далее по данной компьютерной вычислительной установке провести исследования закономерностей реального объекта.

Дизайн экранного окна ввода исходных параметров модели и вывода результатов моделирования в данном пособии разработано по технологии совмещения (объединения) в одно экранное окно (рис.2.5). Эта совмещение позволяет наглядно и мгновенно видеть результаты моделирования

Рис. 2.5. Интерфейс экранного окна компьютерной вычислительной установки для изучения биений связанных маятников.

Пример 2. Мультимедийный курс «Виртуальная лаборатория по общей физике» разработан в Томском государственном университете под руководством М.Толстика и представляет собой сборник компьютерных лабораторных работ - тренажёров по физике. Курс предназначен для студентов первого и второго курсов различных специальностей и школьников старших классах (Рис.2.6)

Цели лабораторного практикума - углублённое изучение теоретического материала, знакомство с методиками измерения различных величин, привитие студентам навыков экспериментальной работы, изучение приборов, обучение сборке электрических схем и т.д.

Сборник содержит лабораторные работы по четырём разделам: механика, молекулярная физика, электричество и магнетизм, оптика.

Рис. 2.6. Внешний и внутренний интерфейс мультимедийного курса «Виртуальная лаборатория по общей физике»

Данный программный продукт имеет дружественный интерфейс, прост в использовании, снабжен подробным руководством пользователя и описанием программы. В данной учебной работе реализуется принципы наглядности, интерактивности.

Манипулятивный способ воздействия на компьютерные модели и задания данных делают уровень интерактивности весьма высоким, а виртуальные лабораторные эксперименты проходят максимально приближено к их реальным прототипам.

Программный продукт достаточно либерален по системным требованиям. После проведения виртуального лабораторного эксперимента пользователь получает выходные данные на экране компьютера без возможности сохранить или редактировать их.

Пример 3. Лабораторный практикум по физике с использованием виртуальных приборов.

Кафедрой экспериментальной физики СПбГТУ разработан программный комплекс виртуального лабораторного практикума по всем разделам вузовского курса физики. Автор разработки - доцент В.П. Маслов. Интерфейс пользователя и программы, входящие в комплекс, выполнены в среде графического программирования LabVIEW, которая является универсальной системой программирования, ориентированной на решение задач управления инструментальными средствами измерения, сбора, обработки и представления экспериментальных данных.

Рис. 2.7. Передняя панель виртуальной лабораторной работы

«Исследование теплового излучения»

Программы предусматривают наличие всех измерительных приборов, входящих в реальную экспериментальную установку. Все графики, необходимые при обработке результатов эксперимента, выводятся на экран монитора. Каждая программа содержит электронное описание теории исследуемого явления, реальной экспериментальной  установки, методики проведения эксперимента и обработки результатов. Такого рода лабораторные работы могут быть использованы и для предварительной подготовки студентов.

Один из примеров передней панели виртуальной лабораторной работы представлен на рис.2.7.