Методика применения вычислительного пакета «MathCAD», обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

КОНТ тнпт

Егоров П. Н. Методика применения вычислительного пакета «MathCAD», обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза // 2013. - № 04 (апрель). - ART 13068.

щ^о-^сгинесшл ^рошыи копцег- ¿¿RTSS

ART 13068 УДК 378.14 Гос. per. Эл № ФС 77-49965. - ISSN 2304-120Х.

Егоров Петр Николаевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры теории корабля и гидромеханики ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет», г. Нижний Новгород egorov-50@inbox.ru

Методика применения вычислительного пакета «MathCAD»,

обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза

Аннотация. Статья посвящена вопросам автоматизации расчетов и оформления трудоемких вычислительных задач учащимися средствами математического пакета «MathCAD». Автор предлагает идею создания расчетно-обучающих программ, позволяющих использовать комбинацию старых (первоначальных) и современных версий этого пакета с целью продления использования устаревшей компьютерной техники.

Ключевые слова: теория корабля, информатика, маткад, программирование.

Одной из особенностей современного учебного процесса вуза является возможность широкого доступа обучающихся к Интернету с его безграничными информационными ресурсами. Не обсуждая все «плюсы» этого обстоятельства, отметим в качестве его явно отрицательной (с точки зрения организации учебного процесса) стороны - возможность бесконтрольного «скачивания» отчетной учебной документации. На практике это приводит к тому, что какой-нибудь «студент-умник» обязательно «скачает» из сети устаревшую, или просто ошибочную версию контрольного домашнего задания, отчета по лабораторной работе и т. п.

Далее, не проверив и не согласовав с преподавателем «скачанный» материал, он тут же «раздаст» его всем своим товарищам по академической группе. Последующая работа преподавателя по проверке сдаваемых студентами заданий сводится лишь к монотонному исправлению одних и тех же ошибок в студенческих работах. Одним из способов борьбы с этим негативным явлением представляется следование принципу «Природа не любит пустоты», т. е. заполнение образовавшегося вакуума опережающим предоставлением студентам наиболее простой и доступной возможности оформления своих работ. И здесь математический пакет «MathCAD» (далее Маткад), обладающий практически такими же редакторскими возможностями, как и Word (Microsoft Office), оказывается весьма полезным [1].

Второй особенностью современного учебного процесса вуза является постепенное, из года в год, падение общего образовательного уровня современных студентов, снижение их способности к выполнению тех учебных заданий, которые без труда выполнялись их предшественниками 10-15 лет тому назад. Не обсуждая причины этой тенденции, а просто констатируя существующий «тренд», отметим, что Маткад предоставляет широкие возможности в автоматизации многих трудоемких вычислительных задач, встречающихся в учебном процессе: курсовом и дипломном проектировании, выполнении контрольных домашних заданий и т. п., способствуя сохранению «преемственности» учебного процесса в условиях его непрерывного реформирования. Общая методология создания расчетно-информационнообучающих маткад-программ изложена в работе и в настоящей статье лишь развивается эта основная идея в плане ее практической реализации [2].

f\j ■Л f\j

http://e-koncept.ru/2013/13068.htm

КОНТ тнпт

Егоров П. Н. Методика применения вычислительного

пакета «MathCAD», обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза //

шишо-метоЭи^ гЛшромнИ щрны -

ART 13068 УДК 378.14 Гос. per. Эл № ФС 77-49965. - ISSN 2304-120Х.

Третьей особенностью современного учебного процесса вуза является обилие устаревшей компьютерной техники, которая с одной стороны все еще вполне работоспособна, но с другой - никак не стыкуется с постоянно модернизируемым «софтом» (т. е. программным обеспечением). Применительно к пакету Маткад это проявляется в том, что программы, написанные в устаревших (до 11-й) версиях, сохраняя свою общую вычислительную работоспособность при их прогоне в современных 14 и 15 версиях Маткада, не воспроизводят русскоязычный текст, написанный на кириллице. На экране монитора и при печати русские буквы заменяются какими-то странными значками, именуемыми в простонародье «кривозябами». Конечно, существуют определенные программные средства устранения этого системного несоответствия. Однако это требует изменения базовых настроек операционных систем Windows, что по силам лишь «продвинутым пользователям». Основное большинство студентов такими навыками не обладают и боятся «трогать» свое программное обеспечение, которое в современных условиях зачастую является лицензионным и дорогостоящим.

С другой стороны старое «железо» - т. е. устаревшие компьютеры в силу ограниченности своих ресурсов не могут «тащить» все более и более громоздкие современные версии пакета Маткад: «тормозят», «глючат» и т. п. К тому же известно, что старые версии Маткада не поддерживают программы, написанные в версиях современных.

В качестве решения возникшей проблемы несовместимости старого и нового поколений «софта» и «железа» можно предложить следующий «обходной» путь:

- первоначально на старых компьютерах в устаревших версиях Маткада создаются вспомогательные Маткад-программы, основная задача которых чисто математическая - задать исходные данные, предварительно обработать полученную информацию и т. п. Текстовые комментарии в таких программах обычно минимальны и, поэтому, их можно набирать латиницей, т. е. как это делается в наименованиях электронных адресов сайтов или практиковалось при написании самых первых СМС-ок;

- в конце в этих коротеньких предварительных «старых» программ предусмотреть оператор вывода полученной числовой информации в файл обмена типа: WRITEPRN (файл_обмена) = двумерный числовой массив . В результате срабатывания этого оператора создастся текстовый <файл_обмена^>, содержащий в себе указанный двумерный числовой массив в виде упорядоченных колонок цифр. Перенос какой-либо текстовой (символьной) информации в виде комментариев в этом операторе вывода WRITEPRN практически не предусмотрен (конечно, кое-что можно было бы перенести с помощью символьных переменных, но это и ни к чему);

- на новых компьютерах в современных версиях Маткад создается окончательная «новая» Маткад-программа, считывающая <файл_обмена^> с помощью оператора типа: двумерныйчисловоймассив = READPRN (файл_обмена^), после срабатывания которого в этой «новой» программе образуется указанный двумерный числовой массив. При дальнейшей разработке этой «новой» Маткад-программы содержащаяся в числовом массиве информация окончательно обрабатывается и дополняется уже русскоязычными текстовыми комментариями без боязни появления «кривозябов».

Разберем указанную процедуру подробнее на наглядном геометрическом примере лабораторной работы «Определение площади смоченной поверхности корпуса судна». Эта работа выполняется первой в общем цикле из нескольких других лабораторных работ в учебной дисциплине «теория корабля» (ТК).

На рисунке (рис. 1) показана фотография обмеряемой модели (перевернута вверх дном, вид с кормы). Ее искомая смоченная поверхность выделена зеленым

«VI О <Х»

http://e-koncept.ru/2013/13068.htm

КОНТ ТЕПТ

Егоров П. Н. Методика применения вычислительного пакета «MathCAD», обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза //

„¿»„»««а0Коз"пцелпт- -.¿г’З^кОП'аррел^Т^ЗОбт: :

ART 13068 УДК 378.14 Гос. per. Эл № ФС 77-49965. - ISSN 2304-120Х.

цветом. Площадь этой смоченной поверхности определяется приближенно по правилу трапеций. Для этого на модели отмечены 20 равноотстоящих поперечных сечений - шпангоутов (на фото показаны темным цветом). Поскольку корпус судна симметричен относительно продольной (диаметральной) плоскости, то любым способом измеряются длины полупериметров шпангоутов, которые, наряду с другими геометрическими данными судна, заносятся в «старую» Маткад-программу TK_protokol_Lab#1.mcd, экран которой показан на рисунке (рис. 2).

Рис. 1. Лабораторная модель корпуса судна

_|_

MAGISTRI

Protokol dannih Lab Rab #1

Zadaite dlini

poluperimetrov

po modeli

Sm :=

10

R

Zadaite dlini poluperimetrov po chertezhui

ita_ ab 0,0 := ° data_ ab 0,1 := 0 data_ аЫ

ita_ ab 1,0 := 1 data_ ab 1,1 := 0.110 data_ abl

ita_ ab 2,0 := 2 data_ ab 2,1 := 0.136 data_ abl

ita_ ab 3,0 := 3 data_ ab 3,1 := 0.156 data_ abl

ita_ ab 4,0 := 4 data_ ab 4,1 := 0.181 data_ abl

ita_ ab 5,0 := 5 data_ ab 5,1 := 0.200 data_ abl

ita_ ab 6,0 1=6 data_ ab 6,1 := 0.221 data_ abl

ita_ ab 7,0-7 data_ ab 7,1 := 0.231 data_ abl

ita_ ab 8,0 := 8 data_ ab 8,1 := 0.249 data_ abl

ita_ ab 9,0 := 9 data_ ab 9,1 := 0.252 data_ abl

ita_ ab 10,0 :=1D data_ ab 10 1 := 0.259 data_ abl

ita_ ab 11,0 := 11 data_ ab 11 1 := 0.257 data_ abl

ita_ ab 12,0 := 12 data_ ab 12 1 := 0.248 data_ abl

ita_ ab U,0:=13 data_ ab 13 1 := 0.238 data_ abl

ita_ ab 14,0 := 14 data_ ab 14 1 := 0.225 data_ abl

ita_ ab 15,0 :=lî data_ ab 15 1 := 0.211 data_ abl

ita_ ab 16,0 := 16 data_ ab 16 1 := 0.201 data_ abl

ita_ ab 17,0 17 data_ ab 17 j := 0.190 data_ abl

ita_ ab lî.O 18 data_ ab 18 j := 0.181 data_ abl

ita_ ab 15,0 19 data_ ab 19 j := 0.090 data_ abl

ita_ ab 20,0 20 data_ ab 20,1 := 00 data_ abl

data labl~.

'*20,3 := St-ch dataJ« WRITEPRN("d:\TK_MG\TK_Data_labfll.txt") := datajabl

Sm = 0.652

St ch = 0.638

0,2

1,2

2,2

3.2

4.2

5.2

6.2

7.2

8.2

9.2

10.2 11,2 12,2

13.2

14.2

15.2

16.2

17.2

18.2 19,2

:= 0

:= 0.052 := 0.071 := 0.079 := 0.090 := 0.099 := 0.105 := 0.115 := 0.120 := 0.124 := 0.125 := 0.123 := 0.119 := 0.115 := 0.110 := 0.106 := 0.102 = 0.095 = 0.085 = 0.042 = 0.0

Рис.2. «Старая» Маткад-программа TK_protokol_Lab#1.mcd (экран ввода исходных данных)

http://e-koncept.ru/2013/13068.htm

КОНТ тнпт

Егоров П. Н. Методика применения вычислительного пакета «MathCAD», обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза //

научно-методический электронный журнал К°нпцелпт:- 2013 - № 04 (апрель). - АКТ 13068 -

URL: http://e-koncept.ru/2013/13068.htm. УДК 378.14 Гос. рег. Эл № ФС 77-49965. - ISSN 2304-120X.

ART 13068

Видно, что все символьные комментарии набраны латиницей и в случае необходимости эта «старая» Маткад-программа может быть прочитана в новой версии Маткада. Однако надо помнить, что будучи сохраненной в новой версии Маткада, эта программа опять назад в старой версии читаться уже не будет.

На рис. 3 показан 2-й экран этой же «старой» Маткад-программы, с графиком зависимости введенных длин полупериметров шпангоутов от их места расположения (номера шпангоутов). Видно, что на 13-м шпангоуте произведен ошибочный замер, который тут же может быть откорректирован прямо в ходе занятия в лаборатории (где обычно стоят только старые компьютеры).

После окончательного срабатывания и закрытия «старая» Маткад-программа, содержащая оператор создания файла обмена

WRITEPRN(D:\TK_MG\ TK_Data_lab#1) = data_lab1 ,

создает текстовый файл обмена TK_Data_lab#1 .txt , содержание которого показано на рис.4. Видно, что этот файл не содержит какой-либо символьной информации. Порядок расположения столбцов цифр в нем определяется индексацией двумерного массива data_lab1.

Поскольку учебный курс состоит из нескольких лабораторных работ, то для каждой из них создаются аналогичные небольшие по объему «старые» Маткад-программы, каждая из которых после внесения в нее на соответствующем лабораторном занятии исходных данных, создает свой фал обмена.

data_labljg ^ := Sjyj data^abl^g ^ > Sf data_labl^ ^ := data_labl. ^ data_labl^ ^ := У

і і

WRITEPRN(" d:\TK_MG\TK_D ata_lab# 1 .txt" ) := data_labl

k := data_labl^ pemri_M := data_labl^

perim_T_ch:= data_labl

<2>

perim_M

----- t

penm_ I _cn

V

/ \

/ \

\\

ч

10 12 14 16 18 20

k

Рис.3. «Старая» Маткад-программа TK_protokol_Lab#1.mcd (график, иллюстрирующий ошибку во вводе исходных данных)

После того, как все занятия проведены, запускается окончательная «новая» Мат-кад-программа - большая по объему и формирующая общий отчет по лабораторным работам. Составленная в новой версии Маткада, она может быть реализована в каком-то более современном компьютерном классе, или просто на домашних ноутбуках студентов. В этой «новой» программе уже не возникает проблем с «кривозябами», ее текст может быть составлен так, чтобы при печати полученный отчет соответствовал бы всем нормативным требованиям. Она может иметь интерактивно - обучающий характер (см. работу [2]). Однако в нужных местах эта новая Маткад-программа должна

гм yj nj

http://e-koncept.ru/2013/13068.htm

КОНТ тнпт

научно-методический электронный журнал ART 13068 УДК 378.14

содержать операторы чтения созданных выше примере это оператор

Егоров П. Н. Методика применения вычислительного пакета «MathCAD», обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза // Концепт. - 2013. - № 04 (апрель). - ART 13068. -0,3 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2013/13068.htm. -Гос. рег. Эл № ФС 77-49965. - ISSN 2304-120X.

ранее файлов обмена. В

рассмотренном

data_lab1 = READPRN(D:\TK_MG\ TK_Data_lab#1),

по которому содержащаяся в текстовом файле ТК_йа1а_!аЬ#1Лх1 числовая информация будет передана в двумерный числовой массив Ьа1а_!аЬ1, образованный уже в «новой» Маткад-программе. В ней эти данные окончательно численно обрабатываются, сопровождаются подробной текстовой информацией, графиками, рисунками и т.п. Она может содержать полный или частичный расчет индивидуального расчетнографического задания студента. Например, в рассматриваемом числовом примере это пересчет величины полученной площади смоченной поверхности модели на натурное судно заданного масштаба.

TK_Data_lah01 - Блокнот

айл Правка Формат Вид Справка

0

1 2

3

4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

О

0.11 0.136 0.156 0.181 О. 2 О. 221 О. 231 О. 249 О. 252 О. 259 О. 257 О. 248 О. 208 О. 22 5 О. 211 О. 201 0.19 0.181 О. 09 О

О

О. 052 О. 071 О. 079 О. 09 О. 099 0.105 0.115 0.12 0.124 0.125 0.123 0.119 0.115 0.11 0.106 0.102 О. 095 О. 085 О. 04 2 О

1.7 О. 39 0.1 О. 56 О. 85 О. 812 2 О О

3 . 806

0. 647

О

О

О

О

О

О

О

О

1. 877 О.6382

Рис.4. Текстовый файл обмена, созданный «старой» Маткад-программой

ТК_рго(око!_ ¡-эЬ#1. тсб

При печати первого вертикального ряда экранов этой «новой» Маткад-программы в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе [2], получается общий отчет по лабораторному курсу.

Для упомянутого выше лабораторного учебного курса по теории корабля для магистров (MG), состоящего из 5 лабораторных работ, составлен небольшой пакет мат-кад-программ, структура которого показана на рис. 5. Для сокращения длины имен создаваемых файлов обмена и укорочения путей к ним пакет размещается в директории й:\ТК_МО\ , т. е. в корневом директории жесткого диска D:\, который, как правило, имеется на всех компьютерах и обычно не занят системными папками. К тому же замечено, что Маткад плохо и медленно сохраняет свои вновь отредактированные программы на флешках. Последние можно лишь использовать для передачи папки \ТК_МО\ студентам. Само же формирование окончательной версии «новой» маткад-программы, требующее неоднократного сохранения последовательно вводимой в нее информации, рекомендуется выполнять на жестком диске компьютера. Упомянутый пакет \ТК_МО\ последовательно сверху вниз содержит следующие файлы:

- TK_A_Instruction.doc - Word-файл с инструкцией для студентов по пользованию программами;

- TK_Data_lab#1.txt ... TK_Data_lab#6.txt - текстовые файла обмена, создаваемые «старыми» Маткад-программами для 5 лабораторных работ (работа № 4 выполняется без использования Маткада);

http://e-koncept.ru/2013/13068.htm

КОНТ тнпт

Егоров П. Н. Методика применения вычислительного пакета «MathCAD», обеспечивающая расширение возможностей использования устаревшей вычислительной техники в учебном процессе вуза // Концепт. - 2013. - № 04 (апрель). - ART 13068. -0,3 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2013/13068.htm. -Гос. рег. Эл № ФС 77-49965. - ISSN 2304-120X.

научно-методический электронный журнал ART 13068 УДК 378.14

- TK_Otchet_Labi(Mcad_14).xmcd - «новая» Маткад-программа, формирующая общий отчет по всем лабораторным работам (составлена в современной версии Маткад-14 и реализуется на новых компьютерах);

- TK_protokol_Lab#1.mcd ... TK_protokol_Lab#6.mcd - «старые» Маткад-программы, сопровождающие выполнение лабораторных работ (оставлены в «старых» версиях Маткада и реализуются на устаревших компьютерах в лаборатории).

Важной особенностью работы пакета программ является необходимость:

следить за тем, чтобы «старые» программы (с расширением .mcd) будучи прочитанными в новых версия Маткада, не сохранять заново (с современным расширением .xmcd). Иначе они уже в случае необходимости не будут повторно читаться в старых версиях Маткада.

і D:\TK_MG

OK_LAB_txt PcSetup temp

Высоцкий

ДМ_Маткад_( 17_06_09)

Избранное КС-2 (четные)

Курсовой проект по ТММ (преподавате; Мои видеозаписи Мон рисунки Моя музыка

(I] TK_Data_lab#l lg] TK_Data_lab#2 ||] TK_Data_lab#3 ||] TK_Data_lab#5 I] TK_Data_lab#6

TK_Otchet_Labi (Mcad_14).xmcd ОІТК protokol Lab#l TK_protokjol_Lab#2 s| TK_protokDl_Lab#3 jft] TK_protokjol_Lab#5 ¿1 TK_protokjol_Lab#6

Рис. 5. Структура пакета из «старых» и «новой» Маткад-программ

Предлагаемая процедура совместной реализации математического пакета Маткад в старых и новых версиях позволяет существенно расширить практические возможности его применения в учебном процессе вуза, а также удлинить срок эксплуатации устаревшей компьютерной техники.

Ссылки на источники

1. Математическая лаборатория MathCAD. - URL: http://www.ptc.com/go/mathsoft/support.

2. Егоров П. Н. Использование вычислительного пакета «Mathcad» в учебном процессе вуза // Концепт: научно-методический электронный журнал официального сайта эвристических олимпиад «Совёнок» и «Прорыв». - Май 2012, ART 1259. - Киров, 2012 г. - URL: http://www.covenok.ru/koncept/2012/1259.htm.

Egorov Petr,

Candidate of Technical Sciences, associate professor at the chair of ship’s theory and hydromechanics of

the Nizhny Novgorod State Technical University (NGTU), Nizhny Novgorod

egorov-50@inbox.ru

On the Method of MathCAD using, that provides the extending of the obsolete computers’ possibilities for teaching in university

Abstract. Paper is devoted to the improvement of the teaching process in a technical university by using of the MathCAD software. The author offers a structure of a combination from the obsolete and the modern versions of the MathCAD programs in order to improve and to prolong old hardware usage.

Keywords: the ship’s theory, informatics, MathCAD, programs.

Рекомендовано к публикации:

Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»

977230412013504

http://e-koncept.ru/2013/13068.htm