Шпаргалка по дисциплине "Компьютерные технологии"

36 Моделирование  и обработка научных данных.

В информационном обществе в роли ведущих требований при оценке уровня подготовки специалистов выступают ключевые компетенции. Под этим понятием подразумеваются общая способность и готовность личности к деятельности, основанной на знаниях и опыте, которые приобретены благодаря обучению в вузе. Компетентностный подход к образованию ориентируется на самостоятельное участие личности в учебно-познавательном процессе. И с этой точки зрения естественнонаучные курсы, содержащие в качестве необходимого компонента лабораторный практикум, предоставляют широкое поле деятельности для внедрения инноваций, ведущих к формированию вышеуказанного взгляда на образовательный процесс. Формированию информационно-коммуникативных компетентностей способствует расширенное применение компьютерных технологий и электронных ресурсов. Очень важно использовать любознательность и познавательную активность студентов для целенаправленного развития их личности, овладения способами получения информации для решения учебных, а впоследствии и более широкого круга задач, приобретения навыков, обеспечивающих возможность продолжать образование в течение всей жизни. Использование информационных технологий дает возможность стимулировать поисковую деятельность студентов на современном, качественно ином уровне, а также формировать учебную мотивацию и ключевые компетенции обучающихся. Целевое включение новых информационных технологий в учебный процесс способствует постоянному динамичному обновлению содержания, форм и методов обучения, формированию мотивации и развитию способности студентов к самообразованию.

Сложившееся на сегодняшний день форма применения компьютерных технологий в образовательном процессе в общем виде состоит из трех направлений: компьютерное тестирование, информационное обеспечение и иллюстративная поддержка образовательного процесса, электронные обучающие системы. Особо следует отметить такое бурно развивающееся направление как виртуальный практикум (использование моделирующих программ).

В практике преподавания естественнонаучных дисциплин используются различные формы информационного сопровождения. Наиболее простым и эффективным приемом является использование готовых программных продуктов и баз данных, которые обладают большим потенциалом и позволяют варьировать способы их применения исходя из содержательных и организационных особенностей образовательного процесса. В частности, высокоэффективным является применение структурированных электронных химических ресурсов в самостоятельной, научной работе студентов, при подготовке к лабораторному практикуму и обработке результатов эксперимента.

Использование изобразительных средств (анимация, видеофрагмент, динамические рисунки, звук) значительно расширяют возможности обучения, делают содержание учебного материала более наглядным, понятным, занимательным. Это связано с тем, что многие представляемые материалы в химии, биологии и др. имеют динамический характер (например, механизмы химических реакций) и на классическом бумажном носителе могут быть отображены весьма приблизительно. В этом случае электронная версия учебных материалов предоставляет уникальную возможность представления учебного иллюстративного материала в виде движущихся объектов – технологии мультимедиа.

Компьютерное моделирование оказывается незаменимым при изучении химических, биологических процессов, непосредственное наблюдение за которыми нереально или затруднено. Существенный эффект в химии реализуется при использовании компьютерных моделей с визуализацией получаемых результатов. Это позволяет совмещать интерактивность применяемых учебных средств с поливариантностью их использования и множественностью получаемых результатов при высокой наглядности последних. В частности, полезно привлекать модельные представления при рассмотрении медленно протекающих процессов и для реакций идущих со скоростью взрыва. Визуализация модельных данных позволяет обучаемому сконцентрировать своё внимание на основных особенностях рассматриваемых процессов, отвлечься от несущественных и второстепенных признаков, заглянуть внутрь реакционной системы, сканировать происходящее в ней в любом желаемом темпе или ритме. В этом несомненное дидактическое преимущество имитационных моделей химических реакций перед их видеозаписями. Кроме того, модельные представления в химическом образовании позволяет раскрыть суть, механизм процесса, как на уровне всей химической системы, так и на уровне электронных представлений (например, для квантово-химических моделей).

Развитие компьютерного моделирования привело к созданию «виртуального» лабораторного практикума для целого ряда естественнонаучных дисциплин. Его возникновение связано с несколькими аргументами. Во-первых, технологический прогресс изменил обеспечение исследовательской, лабораторной деятельности. На сегодняшний день подавляющая часть приборов компьютеризованны. Т.е., ввод исходных данных и получение результатов, их обработка осуществляются через компьютер с помощью специализированного программного обеспечения. Эмулируя математическую модель того или иного процесса (например, форму кривой титрования в зависимости от реагентов и концентрации) мы получаем результаты, близкие к тем, которые могут быть получены в реальной химической системе. Немаловажным аргументом служит и то, что такой «виртуальный» практикум существенно дешевле реального и достаточно легко модернизируется. Кроме того, он способствует формированию информационно-коммуникативных компетентностей. Поэтому в ряде случаев подобный подход является вполне оправданным. Так, нами используется квантово-химическое моделирование с последующей визуализацией результатов. Это позволяет показать особенности пространственного и электронного строения химических объектов, наглядно и постадийно представить весь процесс химического превращения.

Однако, приобретение навыков практической работы с реальной аппаратурой, ставит вопросы лабораторного практикума, необходимость его использования в учебном процессе. Например, никакая компьютерная симуляция процесса титрования не заменит навыков проведения его с реальными приборами. Так же, вскрытие реального биологического объекта не может быть заменено набором картинок, так как не дает навыков обращения с соответствующим инструментом. Т.е., применение информационных технологий в процессе естественнонаучного обучения не может предоставить корректную замену тактильных навыков эксперимента, что весьма существенно для биологического и химического образования.

37 Компьютерные технологии в научном эксперименте, моделировании и обработке результатов научных исследований (НИ).

тот же ответ что и в 36

38. Задачи и  состав экспериментальных исследований. Содержание этапа обработки результатов  НИ. Табличный процессор EXCEL в НИ. Система MathCAD в НИ.

Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. Само слово эксперимент происходит от лат. experimentutn — проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предсказания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления и по возможности наиболее частого, т. е. не осложняемого другими явлениями. Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными и т. п. Они различаются по способу формирования условий (естественных и искусственных); по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие); по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.); по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные); по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные); по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный); по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный); по контролируемым величинам (пассивный и активный); по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный); по характеру изучаемых объектов или явлений (технологические, социометрические) и т. п. Конечно, для классификации могут быть использованы и другие признаки.

Из числа названных признаков естественный эксперимент предполагает проведение опытов в естественных условиях существования объекта исследования (чаще всего используется в биологических, социальных, педагогических и психологических науках). Искусственный эксперимент предполагает формирование искусственных условий (широко применяется в естественных и технических науках). Преобразующий (созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между, исследуемым объектом и другими объектами. Исследователь в соответствии со вскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно создает условия, которые должны способствовать формированию новых свойств и качеств объекта. Констатирующий эксперимент используется для проверки определенных предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется наличие определенных фактов. Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий на объект исследования с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта. Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых. Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Это согласие приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной.

Эксперименты могут быть открытыми и закрытыми, они широко распространены в психологии, социологии, педагогике. В открытом эксперименте его задачи открыто объясняются испытуемым, в закрытом - в целях получения объективных данных эти задачи скрываются от испытуемого. Любая форма открытого эксперимента влияет (часто активизирует) на субъективную сторону поведения испытуемых. В этой связи открытий эксперимент целесообразен только тогда, когда имеются возможность и достаточная уверенность в том, что удастся вызвать у испытуемого живое участие и субъективную поддержку намечаемой работе. Закрытый эксперимент характеризуется тем, что его тщательно маскируют; испытуемый не догадывается об эксперименте, и работа протекает внешне в естественных условиях. Такой эксперимент не вызывает у испытуемых повышенной настороженности и излишнего самоконтроля, стремления вести себя не так, как обычно.

Простой эксперимент используется для изучения объектов, не имеющих разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих простейшие функции.

Научные исследования - применение Excel

При проведении научного исследования или решении каких-то прикладных проблем выбор рабочего приложения, с помощью которого автоматизируется процесс, является далеко не последним моментом. Причем среди самих приложений прослеживается достаточно серьезная конкуренция. Среди них можно выделить базовые, лидирующие приложения на рынке программных услуг, к числу которых следует отнести и Excel.

Обычно выбор конкретного приложения основывается на его функциональных возможностях, способе взаимодействия пользователя с ним и, в перспективе, возможностями по представлению конечных результатов. В этом отношении хочется отметить сильные и слабые стороны Excel. В частности, данное приложение предоставляет к услугам пользователя достаточно широкий набор встроенных утилит и функций, которые позволяют решать самые разнообразные задачи, в том числе выполнять сложные вычисления и решать уравнения и системы. Исключительно широки возможности Excel в области статистического анализа. Если учесть, кроме этого, возможность подключения надстроек и создания программных модулей, то арсенал средств данного приложения выглядит более чем внушительно. К плюсам можно добавить и относительную простоту в обращении с этим приложением.

Высокая степень совместимости приложения с прочими программными продуктами, и, в первую очередь, из пакета Microsoft Office, — также не последний аргумент в пользу Excel. Безусловно, в этой радужной картине есть и серые тона. Например, в Excel практически нереально выполнять символьные преобразования. Однако и здесь есть выход из ситуации. В частности, в последней главе книги будет показано, как в рабочих листах Excel можно использовать команды Maple и с их помощью выполнять вычисления в аналитическом виде. Кроме того, ведь далеко не всегда в таких вычислениях есть необходимость. Большинство задач прикладного характера подразумевает использование численного анализа.

Система MathCAD

Система MathCAD по праву называется современной универсальной массовой математической системой для всех пользователей. Отличительной чертой интегрированных математических систем MathCAD, является подготовка документов, в которых объединяются задание исходных данных, математическое описание их обработки и результаты вычислений в виде числовых данных, таблиц и графиков.

В MathCAD удачно решена проблема передачи изменений числовых данных по всей цепочке вычислений. Текст документа MathCAD почти ничем не отличается от текста научных статей. Графическая среда программы позволяет записывать математические формулы в привычном виде.