УДК 658.012.011.56.005:681.3
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО ИНЖЕНЕРА-МАТЕМАТИКА
В. З. АЛАДЬЕВ
Балтийское отделение Международной Академии
Ноосферы, Эстония
Т. А. ТРОХОВА, М. Л. ШИШАКОВ
Гомельский государственный технический университет
имени П. О. Сухого, Республика Беларусь
Одним из основных направлений использования персональных компьютеров (ПК) можно с полным основанием считать создание на их основе автоматизированных рабочих мест, ориентированных, в первую очередь, на профессионалов в некоторой прикладной области, не являющихся программистами-профессионалами. Автоматизированное рабочее место (АРМ) - совокупность аппаратных, программных, лингвистических и технологических средств, обеспечивающих работу пользователя ПК в некоторой прикладной области. Такие АРМы все шире используются во многих прикладных областях: разработке систем автоматизированного проектирования в электронике, электротехнике, машиностроении, связи, строительстве и др., а также в статистике, банковском деле, торговле, здравоохранении, образовании и т. д. Весьма естественным предполагается использование АРМов в научно-исследовательской деятельности, когда в интегрированную систему объединяются проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ, имеющие самое непосредственное отношение к конкретной предметной области.
Предметом нашего рассмотрения является автоматизированное рабочее место, ориентированное на решение задач математического характера, а также его использование в системах преподавания математически ориентированных дисциплин в рамках учебных программ университетов и колледжей. Разработка первой версии излагаемой ниже концепции АРМа инженера-математика выполнена в рамках научной тематики по информационной стратегии Международной Академии Ноосферы при участии ученых из Республики Беларусь и при научной поддержке фирм Waterloo Maple Inc. (Канада), CRC Press Inc. (США) и MathResources Inc. (Канада).
В качестве основы вычислительной среды и ядра математического АРМа выбран пакет Maple V. Поддерживаемая пакетом технология широко используется двумя другими компонентами АРМа - интерактивным математическим справочником фирмы CRC Press Inc. и интерактивным математическим словарем (MathResources Inc.), составляющими в совокупности единую интегрированную информационновычислительную среду, на которой базируется первая версия разработанной и апробированной концепции АРМа инженера-математика.
В процессе математической активности исследователь, прикладной пользователь, преподаватель либо обучающийся нуждается, как правило, в справочной информации по тому или иному разделу математики, с которым он в достаточной степени не знаком. Это относится как к основным понятиям, так и к более специфическим, не лежащим в сфере основной математической активности исследователя. При изучении математических курсов, как правило, возникает вопрос повышения эффек-
тивности преподносимого слушателям материала. В таких случаях исследователь обращается к специальной математической литературе справочного характера. Однако при использовании в своей работе компьютера такой подход представляется не совсем удобным. И в этом случае весьма эффективным представляется использование интерактивного математического справочника (Standard Math Interactive; SMI, в дальнейшем просто справочника), составляющего вторую компоненту математического АРМа, и интерактивного математического словаря (Interactive Math Dictionary, IMD, далее - словаря) - третьей компоненты АРМа.
Удачное комплексирование выбранных программных средств обеспечивает автоматизацию решения различного рода математических задач как в численном, так и в алгебраическом виде наряду с поддержкой широкого спектра других важных функций, в совокупности делающих АРМ весьма эффективным средством для многих приложений. Возможность концентрации внимания на собственно самой идеологии решаемых задач, а не на выполнении символьных преобразований или программировании численных вычислений, графическое представление результатов и математических объектов, доступность справочной информации математического характера, поддержка современных информационных технологий, включая подготовку данных и результатов решения в виде, готовом для публикации и передачи в Internet/Intranet, призваны сделать АРМ популярным средством не только при решении сугубо математических задач. Наряду с указанным АРМ может найти применение в образовательных целях, помогая упростить решение ряда вопросов модернизации современного физико-математического образования.
Возможности пакета Maple V позволяют не только изящно описывать вычислительный алгоритм задачи и выполнять его, но и оформлять полученные результаты на хорошем уровне. При этом пакет позволяет весьма удачно сочетать элегантность математического описания решаемой проблемы, а также вычислительные возможности и средства отображения информации ПК. При этом подготовленные в Maple-среде документы могут быть экспортированы в форматы, удобные для передачи Email-средствами, представления в Internet-сети (html-формат) с поддержкой режима анимации, а также в среде популярного текстового TeX-процессора (LaTeX-формат) для подготовки высококачественных изданий. Весьма важно то, что математические выражения и процедуры можно конвертировать в форматы популярных языков программирования - C и Fortran.
Представляя в среде пакета Maple V вычислительный алгоритм и поясняющее его описание, пользователь формирует так называемый Maple-документ, который можно затем сохранять для последующего использования, выполнять полностью либо его отдельные части. Возможности пакета и двух других компонент АРМа позволяют исследователю работать в его среде с проблемой аналогично тому, как он это делает за своим рабочим столом. В дальнейшем полученный документ можно модифицировать как в его вычислительной части, так и в части находящейся в нем текстовой, графической и иллюстративной информации. При этом допускается включать в документ чертежи и рисунки, полученные в среде ряда известных вычислительных и/или C^D-пакетов.
Таким образом, ядро АРМа составляет математический пакет Maple V R.5, обеспечивающий АРМ мощной вычислительной средой и интерактивным текстографическим интерфейсом с пользователем. Наряду с этим, Maple-компонента поддерживает единую технологию работы в среде АРМа, ориентированную как
на решение исследовательских и прикладных задач математического характера в различных областях, так и на задачи преподавания математически ориентированных дисциплин в ВУЗах и колледжах.
В качестве базы данных АРМа выступают две библиотеки: пользовательская и Share (разделяемая), стандартно поставляемая с пакетом и содержащая большое число программных средств как расширяющих базовые возможности Maple-пакета, так и представляющих примеры прикладного характера из различных областей. Пользовательская библиотека (либо набор библиотек) организуется средствами пакета, и работа с ней поддерживается этими же средствами согласно соглашениям пакета. Если первая библиотека предоставляет пользователю дополнительные средства, созданные весьма широким кругом пользователей пакета во всем мире, то вторая является местом хранения созданных конкретным пользователем Maple-приложений.
Математический справочник связан с ядром АРМа посредством специальных динамических объектов. Механизм такой связи состоит в активизации динамического объекта справочника с последующим вызовом Maple-компоненты и передачей ей данного объекта для последующей обработки. Интерфейс справочника с ядром АРМ в допустимых пределах обеспечивается и через системный Clipboard-буфер, однако, здесь имеется ряд ограничений.
Математический словарь имеет с ядром АРМа значительно менее слабый интерфейс, базирующийся на механизме передачи графических объектов, генерируемых в интерактивном режиме словарем, через bmp-файлы. Механизм такой связи состоит в активизации динамического элемента словаря с последующим запросом его ploi-функции и сохранением созданного в результате ее выполнения графического объекта в указанном bmp-файле. Вместе с тем, возможности интерфейса словаря с ядром АРМа весьма ограничены и данная компонента, в основном, служит для оперативного получения справочной информации математического характера и интерактивной апробации и/или иллюстрации ряда базовых математических понятий и конструкций.
Интерфейс с пользователем поддерживается на уровне интерфейсов составляющих АРМ компонент и носит тексто-графический характер, определяемый как интерактивным встроенным языком программирования его ядра, так и графическими интерфейсами всех трех основных компонент АРМа, удовлетворяющими соглашениям Windows-среды. Качество собственно АРМа можно оценивать по тому, насколько повышается эффективность труда использующего его специалиста, а также насколько полно используются при этом все его составляющие. Наш опыт апробации данного АРМа показывает в этом отношении вполне удовлетворительные характеристики как при решении в его среде различного типа математических задач, так и при использовании его для задач преподавания математически ориентированных дисциплин в ВУЗовских программах.
SMI может использоваться как в составе рассматриваемого математического АРМа, так и локально на уровне самостоятельного пакета. В любом качестве текущая версия SMI обеспечивает доступ к достаточно обширной справочной информации по целому ряду математических разделов (анализ, алгебра, дискретная математика, геометрия, непрерывная математика, специальные функции, теория вероятностей и математическая статистика, численный анализ и др.), а также финансовый анализ. Структурно SMI оформлен подобно традиционной книге с главами, разделами и подразделами. Наряду с сугубо справочной информацией ма-
тематического характера SMI включает целый ряд ссылок на соответствующую научную либо справочную литературу, существенно дополняющую основной текст, а также полезную информацию по AMS-классификации, математическим организациям, библиографическую, биографическую и др.
Интерактивные возможности SMI обеспечивает поддержка работы с динамическими математическими объектами, которые могут обрабатываться (вычисляться, графически отображаться и т.д.) специальной MathDoc-компонентой справочника, базирующейся на вычислительной среде, поддерживаемой ядром математического пакета Maple V. Результаты данной обработки могут разделяться другими Windows-приложениями на основе их экспорта в форматах языков C и Fortran, текстового Г£Х-процессора, математического пакета Maple V и HTML-формата, пригодного для непосредственного использования в среде Internet. Более того, используя стандартный графический Windows-интерфейс, пользователь имеет возможность копировать любые элементы из справочника в текстовый либо табличный процессор, что представляется весьма важной возможностью при подготовке различного рода материалов.
IMD также может использоваться как в составе рассматриваемого математического АРМа, так и локально на уровне самостоятельного пакета. В любом качестве IMD обеспечивает простой доступ к весьма широкому (свыше 4000) набору математических определений и понятий из широкого круга математических разделов (алгебра, анализ, геометрия, теория чисел, дифференциальные уравнения и др.), а также статистики и физики. Учитывая же все возрастающий уровень компьютеризации и роль математики как языка современных наук и технологий, данное средство представляется весьма полезным не только для пользователей ПК, широко использующих в своей профессиональной деятельности математические методы, но и при организации преподавания и изучения математически ориентированных дисциплин в колледжах и ВУЗах. Значительный эффект от применения IMD можно ожидать при работе со студентами в компьютерных классах.
Одним из перспективных направлений в области использования подобных интегрированных АРМ является применение их в автоматизации математического моделирования технических объектов. Возможность быстрого внесения изменений в модели и манипулирование различными методами решения задач, получения как численных, так, в ряде случаев, аналитических результатов, в том числе и не только в каноническом виде, позволяет без использования больших и дорогостоящих систем САПР выполнять исследования на достаточном для прикладных применений уровне, приблизив развитый математический аппарат к работе инженера-проектировщика.
Являясь развитой системой компьютерной математики, пакет Maple, вместе с тем испытывает определенные затруднения при численных решениях сложных вычислительных задач, требуя весьма существенных временных издержек. Реализация интерфейса с пакетом MatLAB лишь отчасти решает указанную проблему. К настоящему времени накоплен огромный опыт численного решения сложных вычислительных задач, реализованный, в первую очередь, в виде Fortran-программ, собранных в мощные библиотеки программ для научно-технических расчетов. Последующая работа по развитию АРМа ориентирована на разработку и включение в его состав компоненты, посредством которой эти библиотеки и, соответственно, многолетний опыт математиков и программистов стал бы доступен пользователям АРМа
Еще одним направлением развития АРМа является разработка компоненты, выполняющей функции математика-эксперта, которая должна давать рекомендации по выбору алгоритма и методов решения задачи, применяемых при этом функций и т.д.
Результаты этой работы нашли свое отражение в подготовленной соавторами настоящей работы книге «Автоматизированное рабочее место математика» [1]. Материал книги сопровождается CD-ROM, на котором записана подготовленная авторами библиотека Maple-документов, содержащая около пятисот примеров, иллюстрирующих применение описываемых средств. С материалом книги, а также с другими нашими работами по вычислительной технике и информатике можно ознакомиться в WWW сайте http://www.geocities.com/CapeCanaveral/ Ш/8713.
Литература
1. Аладьев В.З., Шишаков М. Л. Автоматизированное рабочее место математика. -М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. - 752 с.
Получено 30.10.2000 г.