CC BY
75
УДК 530(091); 378.14
М. Ф. Каримов
Химическая информация в системе математического проектирования MathCAD
Бирская государственная социально-педагогическая академия 452453, Башкортостан, г Бирск, ул. Интернациональная 10; телефакс: (3414) 2-64-55
Выделены основные функциональные возможности системы математического проектирования MathCAD, необходимые для будущих и настоящих исследователей химической действительности. Определен спектр химической информации, включенной в систему MathCAD. Оценена дидактическая эффективность использования функциональных возможностей системы MathCAD при постановке и решении учебных и научных задач физики и химии.
Ключевые слова: система математического проектирования MathCAD, функциональные возможности и справочные данные системы MathCAD, сведения по химии, имеющиеся в системе MathCAD.
Конец XX и начало XXI веков ознаменовались широким внедрением компьютерных технологий во все сферы деятельности человека. Сфера учебного и научного познания и преобразования действительности, традиционно использующая языки программирования низкого и высокого уровней для разработки и исполнения алгоритмов решения задач математики, физики и химии, в настоящее время получила мощный инструмент интеллектуальной деятельности будущих и настоящих исследователей природы и технологий — систему математического проектирования MathCAD (Mathematical Computer Aided Design).
Среди компьютерных средств реализации информационного моделирования объектов, процессов и явлений природной и технической действительности, состоящего из таких этапов-элементов, как постановка задачи, построение модели, разработка и исполнение алгоритма, анализ результатов и формулирование выводов, возврат к предыдущим этапам при неудовлетворительном решении задачи 1, своей дидактической эффективностью выделяется система проектирования MathCAD в связи с наличием у нее следующих функциональных возможностей.
1. Автоматизированное и оперативное производство арифметических вычислений, преобразований алгебраических выражений,
поиска корней линейных и нелинейных уравнений аналитическим и численным способами, геометрических построений в виде двухмерных и трехмерных графиков, постановки и решения задач высшей алгебры, дифференциального и интегрального исчислений, теории дифференциальных уравнений в полных и частных производных, прямых и обратных интегральных преобразований, теории вероятностей и математической статистики 2.
2. Представление исходных данных, выполнения вычислений и оформления итоговых документов в виде классических математических записей, оформляемых посредством выбора кнопок на соответствующих панелях инструментов или нажатия определенных клавиш, что позволяет расширить контингент пользователей новой информационной технологии от первокурсника до аспиранта высшей профессиональной школы 3 без долгого и трудного освоения положений, конструкций и приемов языков программирования.
3. Установление и развитие вузовских междисциплинарных связей путем использования огромной базы данных, в которой можно найти описание каждого элемента новой информационной технологии, электронных книг по разделам математики и информатики, справочных систем по механике, молекулярной физике, электричеству и магнетизму, периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева с историческим материалом, написанных на английском языке.
Интегративная функция компьютерных систем проектирования типа Ма^САЭ в установлении и развитии междисциплинарных связей, ориентированных на успешное решение учебных и научных задач математики, физики и химии, нами была выделена в ходе дидактических исследований, проектируемых и реализуемых в системе непрерывного образования, в последнее десятилетие XX века 4.
Справочная система новой информационной технологии, написанная на английском языке, содержит руководство разработчиков
Дата поступления 02.03.07
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №№3
(Developers reference), предназначенное для программистов, и руководство для авторов (Authors reference), ориентированное на создателей электронных книг по естественно-математическим дисциплинам, учебники (Tutorials), пособия (Quicksheets), справочные таблицы (Reference Tables) и электронные книги (E-books) по стандартным и расширенным функциям системы проектирования MathCAD, ресурсы глобальной компьютерной сети Internet, посвященные ей.
Систематическое и регулярное использование учащимися высшей школы справочной системы компьютерного математического инструмента MathCAD, как свидетельствует педагогический опыт, способствует повышению уровня математической подготовленности студентов естественно-математических и общетехнических факультетов, изучающих химию как дисциплину предметной подготовки или как общеобразовательный предмет 5.
Междисциплинарный учебный и научный материал системы проектирования MathCAD сосредоточен в ее справочных таблицах и включает следующие элементы:
1. Площади, периметры, поверхности и объемы различных геометрических фигур.
2. Классификация и характеристики многогранников.
3. Перечень основных производных функций и их интегралов.
4. Фундаментальные физические и химические константы.
5. Основные формулы статики, кинематики и динамики.
6. Сведения о динамических системах.
7. Таблицы физических и химических свойств газов, жидкостей и твердых тел.
8. Характеристики систем с электромагнитным взаимодействием между их элементами.
9. Периодический закон Д. И. Менделеева о зависимости свойств химических элементов от их атомных масс, дополненный историческими данными.
Используя последовательность компьютерных действий Пуск ^ Программы ^ Mathsoft Apps ^ Mathcad 11 Enterprise Edition ^ Помощь ^ Таблица Ссылок ^ Periodic Table of Elements, можно получить определенную информацию о химических элементах, часть которой представлена в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики ряда химических элементов согласно системе MathCAD
Название элемента Автор открытия Дата открытия Место открытия Атомная масса Атомный радиус, м Температура плавления, К Обычное состояние
Водород Hydrogen Henry Cavendish 1766 Англия, Лондон 1.00784 37.3 • 10-12 14.01 Газообразное
Гелий Helium William Ramsay 1895 Англия, Лондон 4.002602 54 • 10-12 0.95 Газообразное
Литий Lithium Johann Arfvedson 1817 Швеция, Стокгольм 6.941 152 • 10-12 453.69 Твердое
Бор Boron Humphrey Davy 1808 Англия 10.811 79.5 • 10-12 2573 Твердое
Углерод Carbon Известен давно 12.011 77.2 • 10-12 3820 Твердое
Азот Nitrogen Daniel Rutherford 1772 Шотландия 14.00674 54.9 • 10-12 63.29 Газообразное
Кислород Oxygen Priestley 1774 Англия 15.9994 60.4 • 10-12 54.8 Газообразное
Фтор Fluorine Henri Moissan 1886 Франция 18.998403 70.9 • 10-12 53.53 Газообразное
Неон Neon Ramsay 1898 Англия, Лондон 20.1797 80 • 10-12 24.48 Газообразное
Кремний Silicon Jons Berzelius 1824 Швеция 28.0855 117 • 10-12 1683 Твердое
Фосфор Phosphorus Brand Hennig 1669 Германия 30.973762 110.5 • 10-12 317.3 Твердое
Сера Sulfur Известна давно 32.066 103.5 • 10-12 386 Твердое
Уран Uranium Martin Klaproth 1789 Германия 238.0289 138.5 • 10-12 1405.5 Твердое
Rutherfordium Dubnium Joint Nuclear Inst. 1964 СССР, Дубна 261.11 Атомарное
Приведенная в системе MathCAD химическая информация может быть уточнена и дополнена, например, химический элемент бор был открыт английским химиком Хэмфри Дэви (1778—1829) — профессором Королевского института в Лондоне, или английского химика и священника Пристли звали Джозефом (1733—1804). Он открыл кислород, работая домашним библиотекарем в загородной вилле государственного секретаря лорда Шелборна.
Химическая информация о некоторых неорганических веществах, содержащаяся в пунктах Basic Science: Periodic Table; Properties of Solids: Density, Specific Gravity, Specific Heat, Thermal Conductivity, Dielectric Constant; Properties of Metals: Thermal Conductivity, Specific Gravity, Linear Expansion Coefficient, Poisson's Ratio, Modulus of Elasticity, Melting Point, Temperature Coefficient of Resistivity Таблицы Ссылок системы математического проектирования MathCAD приведена в табл. 2.
Наличие ячеек табл. 2 с отсутствующими численными значениями физико-химических
величин указывает на необходимость дополнений в справочной системе математического инструментария MathCAD.
Студенты естественно-математических и технических факультетов высших учебных заведений, выполняющие курсовые работы по физике, химии или общетехническим дисциплинам, как показывает наш дидактический опыт, с повышенным познавательным интересом дополняют научно-технической информацией вышеуказанную таблицу, используя литературные источники традиционных библиотек и глобальной компьютерной сети Internet.
Сведения об основных органических соединениях из многомиллионного множества органических веществ, включенные в систему математического проектирования MathCAD, выделены с помощью пунктов Properties of Liquids: Density, Viscosity, Specific Gravity, Sound Velocity, Surface Tension, Dielectric Constant, Index of Refraction, Molecular Weight; Properties of Gases: Specific Gravity, Specific Heats, Sound Velocity, Molecular Weight Таблицы Ссылок
и представлены в табл. 3.
Название вещества Плотность г/см3 Теплоемкость кал/(г • К) Теплопроводность Вт/(м • К) Диэлектрическая постоянная Модуль Упругости, П Температура Плавления, К
Алюминий М 237 6.895 • 1010 933
Асбест Mg4(H2O)з 2.4 0.2 0.607 3.1
Железо Fe 80.3 1.965 • 1011 1809
Золото Au 315 7.446 • 1010 1336
Кирпич Ca(OH)2 1.8 0.22 0.71
Кобальт ^ 69 2.068 • 1011 1768
Кремнезем SiO, 2.07 0.2 0.02
Мел CaCO3 2.4 0.215 0.84
Мрамор CaO, ТО2 2.72 0.21 2.6
Слюда SiO2, Al2O3 2.9 0.12 0.71 5.4
Стекло SiO2, 2.6 0.2 0.96
Фарфор SiO2, ^ 2.4 0.22 1.5 5.08
Уран U 25 1.655 • 1011 1405
Таблица 2
Представление в системе MathCAD свойств ряда неорганических веществ
Таблица 3
Фрагментарное отражение в системе MathCAD свойств органических веществ
Наименование и формула соединения Плотность, кг/м3 Молекулярная масса Динамическая вязкость, (Н • с)/м Теплоемкость, кал/(г • К) Скорость звука, м/с Поверхностное натяжение, Н/м
Acetone H3C-CO-CH3 784.6 58.081 0.000316 1174 0.0231
Acetylene HC=CH 26.04 1674 343
Alcohol, ethyl H3C-CH2-OH 785.1 46.07 0.001095 1144 0.02233
Alcohol, methyl H3C-OH 786.5 32.043 0.00056 1103 0.0222
Alcohol, propyl H3C-CH2-CH2-OH 800.0 60.098 0.00192 1205 0.0235
Benzene C H C H C H 6 14' 12'"' 10 22 873.8 78.117 0.000601 1298 0.02818
Butadiene H2C=CH—CH=CH2 54.09 1427 226
Carbon tetrachloride CCl4 1584 153.824 0.00091 924 0.0263
Decane H3C- (CH2)8 CH3 726.3 142.29 0.000859 0.02343
Ethane H3C-CH3 30.07 1715 316
Ether H3C-CH2-O-CH2-CH3 713.5 74.125 0.000223 985 0.01642
Ethyl chloride H3C-CH2Cl 64.515 1130 204
Ethylene H2C=CH2 28.054 1548 331
Ethyleneglycol HO-H2C-CH2-OH 1097 62.07 0.0162 1644 0.0482
Glycerine HOH2C-CH(OH)-CH2OH 1259 92.096 0.950 1909 0.0630
Heptane H3C-(CH2)5-CH3 679.5 100.208 0.000376 1138 0.0199
Hexcane H3C-(CH2X-CH3 654.8 86.181 0.000297 1203 0.0180
Kerosene C11H24,C11H22,",C12H26 820.1 0.00164 1320
Methane CH4 16.044 2260 446
Octane H3C-(CH2)G-CH3 698.6 114.235 0.00051 1171 0.02114
Phenol C6H5-OH 1072 94.116 0.0080 1274 0.0404
Propane H3C—CH2—CH3 493.5 44.098 0.00011 1630 253 0.0066
Propylene H3C—CH=CH2 514.4 42.082 0.00009 1506 261 0.0070
Propyleneglycol H3C-CH(OH)-CH2-OH 965.3 76.097 0.042 0.0363
Toluene C6H5 CH3 862.3 92.144 0.00055 1275 0.0273
Как видно из табл. 3, в системе математического проектирования Ма1СЛЭ наиболее полно указаны сведения о химических свойствах органических соединениях, находящих широкое применение в научных исследованиях и народном хозяйстве.
Наши наблюдения за ходом научной деятельности будущих и настоящих исследователей и преобразователей природной и технической действительности, проведенные в ряде высших учебных заведений, отраслевых и академических институтах Урала в течение последних 15 лет, показывают, что большая часть студентов, аспирантов и ученых широко использует справочную информацию и функциональные возможности системы математического проектирования Ма^СЛБ при постановке и решении учебных и научных задач физико-математических, химических и технических дисциплин 3-5.
Организованное и внеаудиторное изучение всего спектра функциональных возможностей системы математического проектирования Ма^СЛЭ молодыми и опытными субъектами познания и преобразования реальности приведет к повышению качества информационного моделирования объектов, процессов и явлений химической действительности.
Анализируя и обобщая приведенный материал о химической информации, сосредоточенной в системе математического проектирования Ма^СЛЭ, можно сформулировать следующие выводы:
1. Компьютерная система математического проектирования Ма^СЛЭ, обладающая широкими функциональными возможностями в области постановки и решения задач естественно-математических и технических наук, является необходимым интеллектуальным средством будущих и настоящих исследователей и преобразователей химической действительности.
2. Справочные сведения о химических элементах, неорганических и органических веществах, имеющиеся в системе математического проектирования MathCAD, значительно сокращают длительность рутинной части учебного и научного информационного моделирования химических объектов, процессов и явлений и экономят время для осуществления творческой составляющей познавательной деятельности студентов, аспирантов и ученых.
3. Систематическое и регулярное организованное и внеаудиторное изучение всего спектра функциональных возможностей компьютерного математического инструментария MathCAD посредством постановки и решения учебных и научных задач химии способствует повышению уровня вузовской и послевузовской теоретической и методической подготовки исследователей природы и создателей новых технологий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каримов М. Ф. // Баш. хим. ж.- 2005.- Т. 12, №4.- С. 30.
2. Каримов М. Ф. // Наука и школа.- 2006.-№3.- С. 34.
3. Каримов М. Ф. Информатизация образования: детсад, общеобразовательная школа, вуз и институт повышения квалификации. // Материалы II Международной конференции «Развитие личности в системе непрерывного образования».- Новосибирск: Изд-во НГПУ, 1997.-Часть III.- С. 179.
4. Каримов М. Ф., Ханипова Л. Ю. MathCAD и AutoCAD как средства повышения качества математической и графической подготовок будущих учителей. // Сб. науч. тр. «Образование: от опыта прошлого к перспективам будущего».- Уфа: Изд-во БашГПИ, 1999.- С. 113.
5. Каримов М. Ф. Подготовка будущих учителей-исследователей в информационном обществе.-Челябинск: Изд-во ЧГПУ «Факел», 2002.- 612 с.
