Часть дипломной работы на тему Использование среды компас в преподавании компьютерного моделирования в средней школе.

Содержание:

Введение 3
1. История возникновения компьютерного моделирования 6
2. Преподавание моделирования в условиях реализации ФГОС 12
3. Анализ учебников по информатике изучающие компьютерное моделирование 26
Список использованной литературы 36

Введение:

Модельность познания свойственна каждому человеку с самого раннего возраста. Человек всегда познает сущность окружающего мира с помощью разного рода моделирования. Модели могут быть разными и по уровню сложности, и по способу представления и передачи знаний о них. Тем не менее, существуют определенные принципы построения моделей, то есть моделирования, и изучения этих моделей с той или иной степенью правомочности для умозаключений о реальных предметах или явлениях, которые служили образцом для изученной модели.
Моделирование представляет собой процесс создания и применения модели. Ею считают любой абстрактный или материальный предмет, заменяющий в процессе изучения реальный объект моделирования. Важным моментом является сохранение свойств, необходимых для полноценного анализа предмета. Компьютерное моделирование представляет собой вариант познания, базирующийся на математической модели. Она подразумевает систему неравенств, уравнений, логических знаковых выражений, которые в полной мере отображают все характеристики явления или объекта.
Для компьютерного моделирования важным является наличие какого-либо программного инструментария. При этом программное обеспечение, средствами которого может осуществляться компьютерное моделирование, может быть, как достаточно универсальным (к примеру, простейшие текстовые и графические процессоры), так и достаточно специализированными, которые предназначены лишь для определенных видов моделирования.
Очень часто компьютеры применяются и для математического моделирования. В данном случае их роль является неоценимый в процессе выполнения численных операций, в то время как анализ задачи в большинстве случаев ложится на плечи человека.
Как правило, в компьютерном моделировании различные виды моделирования дополняют друг друга. К примеру, если математическая формула является слишком сложной, что не дает явного представления об описываемых ею процессах, то на помощь могут прийти графические и имитационные модели. Компьютерная визуализация может быть намного дешевле реального создания натуральных моделей. С изобретением мощных компьютеров получили распространение средства графического моделирование, основанные на инженерных системах для создания чертежей, схем, графиков.
Актуальность выбранной темы обуславливается тем, что изучение компьютерного моделирования является значимым аспектом подготовки школьников. Необходимо рассматривать моделирование как способ развития мышления школьника, и кроме того, как инструмент для решения различных задач. Моделирование – это важный метод научного познания. В различных предметах, помимо информатики изучается моделирование, например, в математике, физике, биологии, химии и т.д. Однако непосредственно на уроках информатики рассматриваются ступени построения модели, проверка модели, создание моделей в разнообразных компьютерных программах.
Практически все темы школьного курса информатики имеют отношение к моделированию, в том числе такие, как алгоритмизация и программирование. Авторы учебников информатики полагают, что важнейшей задачей при обучении моделированию является формирование умения анализировать и строить модели. Однако, данные умения нужны и в других разделах информатики, например, «Информационные процессы». Таким образом, моделирование присутствует во многих разделах курса информатики, являясь основополагающим при изучении школьного курса информатики.
Целью данной работы является изучение специфики использования среды компас в преподавание компьютерного моделирования в средней школе.
Задачи исследования:
• Изучить историю возникновения компьютерного моделирования,
• Рассмотреть Федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС) в области преподавания моделирования, а также, примерную программу по информатике, составленную по данному стандарту,
• Провести анализ учебников по информатике изучающие компьютерное моделирование.
• Разработать учебные материалы по курсу «Компьютерное моделирование в среде Компас»
Объектом исследования в данной работе является процесс преподавания компьютерного моделирования.
Предмет исследования – возможности среды КОМПАС как средство изучения курса компьютерного моделирования

Заключение:

Таким образом, можно сделать вывод о широком разнообразии программных средств моделирования, используемых в процессе преподавания моделирования в средней школе – от математических сред MathLab, MathCad и LabView до сложных графических инструментов ANSYS, Visual Solutions и КОМПАС 3D.

Фрагмент текста работы:

1. История возникновения компьютерного моделирования
Исторически первыми моделями как условными заменителями некоторых объектов были языковые знаки, которые возникли в процессе развития человечества и с течением времени превратившиеся в разговорный язык. Слово стало первой моделью реального объекта.
Следующим этапом развития моделирования принято считать создание знаковых числовых обозначений. Информация о результатах счета первоначально сохранились в виде зарубок. Постепенное совершенствование данного метода привело к появлению изображения чисел в виде цифр как системы знаков. Можно предположить, что именно зарубки стали истинным прототипом римских цифр. Значительное развитие моделирование получило в Древней Греции. Греческий врач Гиппократ при изучении анатомических особенностей человеческого глаза использовал его физическую модель — глаз быка . Стоит отметить, что в основе слова «модель» лежит латинское слово «мера, образец». Появление данного определения можно объяснить тем обстоятельством, что в процессе исследования сложных явлений, процессов, объектов, устройств или систем не всегда получается учесть полную совокупность факторов, которые определяют характеристики объекта системы.
Появление новых технологий, в том числе и персональных компьютеров, в значительной степени облегчило работу моделирования. Компьютеры применяются для управления работой химических реакторов на производственных предприятиях, ядерных реакторов на электростанциях, ускорителей элементарных частиц в физических лабораториях, полета автоматических космических станци. Управляя производственной или лабораторной установкой, компьютер обязан просчитывать ее характеристики для того, чтобы своевременно снимать показания с датчиков или оказать управляющее воздействие: включить реле, открыть клапан и пр. Все расчеты осуществляются по заложенным в программу управления математическим моделям. Важно, чтобы результаты данных расчетов получались в режиме реального времени управляемого процесса.
Начиная с 70-х годов прошлого века для исследования некоторых процессов на атомном уровне все активнее используется компьютерное моделирование. Одним из самых применяемых методов компьютерного моделирования, позволяющим исследовать структуры размером до нескольких миллионов атомов при повышенных температурах, является молекулярная динамика. В ней атомы представлены в виде шариков, а взаимодействие между ними задается математическими функциями, которые позволяют атомам в компьютере вести себя также, как и в реальности. Точность описания этого взаимодействия напрямую связана с точностью описания физических свойств данного вещества .
В настоящее время выделяют разные методы математического моделирования: имитационное и аналитическое. Аналитический вариант связан с изучением абстрактных моделей реального предмета в виде дифференциальных, алгебраических уравнений, которые предусматривают проведение четкой вычислительной техники, способной дать точное решение. Имитационное моделирование предполагает исследование математической модели в виде определенного алгоритма, который воспроизводит функционирование анализируемой системы с помощью последовательного выполнения системы несложных вычислений и операций.
На современном этапе одним из ключевых направлений развития компьютерного моделирования является внедрение графических сред моделирования в различные отрасли экономики и народного хозяйства, к примеру, в производственную отрасль. Любое изделие попадает на прилавок, он проходит долгий путь. От идеи, до выхода с конвейера предприятия. Производственный цикл состоит из множества этапов и задач. Главная, ключевая задача, как правильно, с учетом требований потребителя спроектировать и передать в производство конструкторскую документацию (рабочие чертежи, спецификации).
Сами по себе проектные работы, в зависимости от сложности изделия, могут занимать длительное время, в проектировании задействуются инженеры различных специальностей. Использование современных, мощных средств компьютерной техники и специального программного обеспечения приводит к значительному сокращению время затрачиваемого на проектные работы и как следствие снизить трудоемкость этих работ. Применение систем автоматизированного проектирования (САПР) дает возможность осуществлять виртуальные испытания разработанных объектов, что также способно снизить затраты на создание опытных образцов .
Можно выделить два варианта плоского моделирования в CAD системах. При чертежном способе описания геометрии изделия (наиболее распространённый представитель – AutoCAD) главными инструментами являются отрезки, дуги, кривые и полилинии. Базовыми операциями моделирования на их основе являются обрезка, продление и соединение. В твердотельном способе ключевыми инструментами являются замкнутые контуры, при этом остальные элементы выполняют оформительскую или вспомогательную роли. Главные операции в данном случае — это объединение, пересечение и дополнение. Современные системы, как правило, используют оба данных способа одновременно.
Среди ведущих компаний производителей программного продукта Autodesk давно и устойчиво занимает передовые позиции. САПР AutoCad был разработан еще в 80-х годах прошлого века, и до сих пор не потерял актуальности. Более того, фирма разработчик, с завидным постоянством разрабатывает и выпускает на рынок новые версии своего легендарного продукта.
Старшие версии AutoCAD, изначально разрабатывались для разработки исполнительной документации (рабочие чертежи, спецификации и ведомости деталей и материалов). Версия AutoCAD 14, сделана с упором на трехмерное моделирование изделий (деталей, СБ, комплексов), а сама конструкторская документация уже разрабатывается на основании готовых и утвержденных к производству трехмерных моделей. Именно поэтому разработчики уделяют возможностям моделированию особое внимание, впрочем, не оставляя без внимания и другие ресурсы этого пакета. Расширение инструментальных возможностей AutoCAD 14, по сравнению со старшими версиями требует и усиления аппаратных ресурсов вычислительной техники. Версия AutoCAD 2018 работает на компьютерах под управлением Windows. Для улучшения работы с графикой, предпочтительнее, чтобы аппаратная часть компьютера, на котором установлен AutoCAD была построена на основании нескольких процессоров.
Работа с поверхностями была применена в старших версиях AutоCAD, но в 14 версии, разработчики придали ей новую функциональность, появились новые инструменты, которые применяются для моделирования твердых тел, поверхностей, сеток. Вот несколько возможностей – сопряжение поверхностей с помощью кривых, создание поверхности по направляющим сплайнов, сглаживание кромок поверхности, точно также как и твердых тел.
Создание NURBS-поверхностей — отличительная черта, этого инструмента, это наличие так называемых управляемых вершин. Манипулируя этими вершинами можно получать весьма сложные поверхности. Эти плоскости моделируются точно также как твердые поверхности. Применение этого способа работы с поверхностями позволяет их моделировать точно так же как твердые поверхности. Весьма удобно будет проектировать сложные поверхности – катера, транспорт.
Поверхность, созданная с применением нескольких вспомогательных поверхностей, может быть преобразована за счет изменения данных «величина прогиба», «непрерывность». Такая возможность позволяет получить плавный переход от поверхности к поверхности.
Для проверки качества сопряжения поверхностей, предусмотрены контрольные инструменты, такие как контроль «целостности», «кривизны», «уклона». Проводимый анализ целостности объекта представляет данные о сопряжениях и результатом такой работы становиться более тщательное сглаживание.
В версии AutoCAD 14, проектировщик может изменять режим отображения объектов на чертежах, в частности, стало возможным скрывать или изолировать отдельные элементы. Например, при создании временного чертежа, для осмотра модели без какой-либо детали. Для объектов, которые подвергли изоляции возможно обратное действие, можно оставить только его видимым, спрятав все остальные. Эти операции проводятся через контекстное меню. Реализована возможность создания новых объектов, используя свойства объекта уже созданного на этом чертеже, с применением тех же инструментов, какими и создавался базовый объект.
С технической точки зрения, главной проблемой компьютерного моделирования на современном этапе является так называемая проблема «закругления», которая в большинстве случаев опускается на начальных стадиях проектирования, но она должна присутствовать для того, чтобы сделать детальный структурный анализ, и она, также необходима при механической обработке (форм, штампов и литейных моделей) .