Программные компьютерные средства поддержки математической и специальной подготовки инженера технолога тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Стяжин, Владимир Николаевич

• Стяжин, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стяжин, Владимир Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. КОМПЬЮТЕРНАЯ ПОДДЕРЖКА РЕШЕНИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1.1 О стратегии инженерного образования

1.2 Профессиональные пакеты в задачах инженерного моделирования

1.3 Задача моделирования пневмовихревого захватного устройства с вращающейся вихревой камерой

1.4 Задача компьютерного моделирования металлургического дегазатора

Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРА ТЕХНОЛОГА ПО МАТЕМАТИКЕ, ИНФОРМАТИКЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ

2.1 Информатика в инженерном вузе

2.2 Проблема непрерывности математического образования инженера

2.3 Многофизичные ситуации и математические модели (многокомпонентность, многофазность, сохранение количеств)

Глава 3. ПРОГРАММНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СРЕДСТВА В ОБРАЗОВАНИИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ»

3.1 Современные компьютерные системы для химика-технолога

3.2 Пакет Comsol Multiphysics как средство организации учебного процесса

3.3 Технологии обучения, пользования и поверки достоверности

Глава 4. ОЦЕНИВАНИЕ КАЧЕСТВА КОМПЬЮТЕРНЫХ

ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ В ОБРАЗОВАТЕЛЬ- 82 НЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

4.1 Определённые, случайные и оценочные величины

4.2 Шкалы измерений, частные и единое качества

4.3 Экспертиза ранжирования свойств и оценка каче- ^ ства программных пакетов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программные компьютерные средства поддержки математической и специальной подготовки инженера технолога»

Исследования в области теории сплошной среды и математической физики, разработка эффективных моделей поведения многофазных и многокомпонентных сред [32, 49, 51, 57, 66-70, 89-91, 94] привели к созданию мощного математического аппарата проектирования сложных технологических процессов химической, металлургической и других отраслей промышленности [5-19, 36-40, 58-61]. Поддержанный возможностями современной вычислительной техники, этот аппарат стал важнейшим средством оперативной разработки новых промышленных технологий и оборудования. Сочетание экспериментальных, теоретических и вычислительных методов позволяет уменьшать затраты на проектирование новых устройств, агрегатов и технологий, существенно ускорять их практическое внедрение, повышать гибкость организационно-производственных систем в изменчивых условиях нестабильного рынка.

Эти обстоятельства налагают новые требования на профессиональные качества современного инженера-технолога: системное владение способами постановки и компьютерного решения математических задач с учётом их адекватности прикладной ситуации, умение выбирать наиболее походящие компьютерные программные и технические средства, оценивая их доступность для восприятия учащимися и эффективность в получении расчётных решений.

Типичные технологические процессы включают в себя многие взаимосвязанные физические явления, в которых рабочие параметры реактора нелинейным образом зависят от характеристик массопереноса и распределения температуры, а движение различных компонент определяется разными механизмами, такими как диффузия и конвекция. Создание связанной модели, описывающей многофазный и многокомпонентный процесс, сочетающий различные физико-химические механизмы, требует серьезных временных и интеллектуальных затрат. При не вполне удачной постановке задач, расчеты даже на современном компьютере могут оказаться неэффективными.

Использование программных пакетов, основанных на развитых математических моделях, исследование их прикладных возможностей, проведение виртуальных испытаний (численные эксперименты) позволяют существенно понизить затраты на создание моделей, способных точно и достоверно описывать поведение сложных сред в реальных производственных условиях.

Современные инженеры-технологи должны быть способны строить, исследовать и использовать на практике достаточно реалистичные и эффективные модели технологических систем и процессов, умело подбирать соответствующее программное обеспечение. Подготовка таких инженеров в условиях технического университета связана с решением ряда методологических, организационных, экономических, психологических и, естественно, педагогических задач [3, 21,23, 28, 35, 47, 52, 66, 88, 89, 93, 98].

Отмеченный в своё время профессором П.О. Пашковым [75] разрыв между сложностью инженерных задач и недостаточной математической подготовкой выпускника технического университета за прошедшие десятилетия не сократился. Более того, он усугубился проблемами освоения прикладной информатики и вычислительных средств. Разумное сочетание математического и компьютерного образования является важным этапом в процессе подготовки специалистов, способным сократить этот разрыв. Овладев мощным вычислительным аппаратом, специально приспособленным для использования не математиком, а инженером, обученным ставить и решать такие задачи, будущие специалисты окажутся востребованными на современных предприятиях.

Системное исследование возможностей компьютерных средств, в частности, расчетных моделирующих пакетов, в профессиональной работе и образовании, предназначено способствовать подготовке грамотных специалистов, конкурентоспособных на современном рынке труда, способных эффективно применять полученные знания в реальных производственных условиях.

Роль математической кафедры в образовательном процессе технического вуза состоит в своевременном формировании понятийного аппарата студента и выработке необходимых практических навыков владения средствами математики, информатики и компьютерной техники, для полноценного восприятия материала, преподаваемого как общетехническими, так и выпускающими кафедрами.

Чтобы это сопровождение было эффективным, оно должно быть непрерывным в течение всего процесса обучения в школе и вузе. Разумеется, это требование не может быть выполнено силами одной кафедры, речь идёт именно о системном требовании к организации инженерного образования. Многолетний опыт кафедры прикладной математики ВолгГТУ в форме организации чтения общего курса лекций силами нескольких профессоров вуза, компьютерной и математической подготовки старшеклассников (Строгановские классы), сотрудничества с преподавателями разных кафедр и факультетов показал многообразие возможностей и плодотворность сотрудничества в нестандартных целевых коллективах. Этот опыт, в частности показывает целесообразность поиска путей согласованного или даже объединённого преподавания математики и информатики.

Несмотря на то, что информатика как наука не сводится к комплексному понятию «компьютерная математика плюс информационные технологии», в курсе технического вуза именно такое толкование предмета учебной дисциплины, как части общего курса математики вполне может быть принято за основу. Преимущества такого подхода особенно очевидным образом проявляются в разделе математической физики, который для химиков технологов имеет смысл понимать как курс, объединяющий материал теории скалярных и векторных полей, криволинейных и поверхностных интегралов, уравнений математической физики и элементов механики сплошной среды.

Существенным подспорьем в создании такого курса служит методология современных математических компьютерных программных пакетов, выдвигающая новые, менее трудозатратные подходы к изложению основных соотношений математической физики.

Цель диссертационного исследования: разработка стратегии использования профессиональных программных компьютерных систем в математическом образовании инженера технолога высшей квалификации.

Достижение этой цели связывается с решением следующих задач.

1. Анализ и демонстрация возможностей эффективной компьютерной поддержки решений реально востребованных инженерных задач посредством использования профессиональных программных пакетов в математическом моделировании, вычислительных экспериментах, экстраполяциях физического эксперимента.

2. Анализ проблем математического образования инженера технолога, касающихся взаимосвязей математики, информатики и специальных дисциплин. Определение роли и путей использования компьютерной техники в подготовке современного инженера технолога.

3. Количественное оценивание качества программных пакетов применительно к образовательным ситуациям каждого курса академического обучения.

4. Разработка и реализация учебных программ математического образования инженера-технолога с использованием современных компьютерных средств.

Подбор этих задач обусловлен основным требованием системного подхода: наряду с объектом исследования вводить в рассмотрение его надсисте-му, т.е. совокупность связанных с ним более сложных охватывающих его систем. Естественно принять, что инженерное дело, производство, исследовательские либо проектные разработки и представляют собой главную внешнюю систему, для которой готовится сегодняшний студент вместе со всеми знаниями и навыками, воспринятыми в вузе. Другая внешняя система - это совокупность профессиональных программных и технических компьютерных средств, работе с которыми следует подготовить студента, имея в виду требования его будущей работы по своей специальности. Соответственно этому и поставлена первая задача диссертационной работы.

Вторая задача связана со сложившейся на данное время системой математической и специальной подготовки на соответствующих факультетах и кафедре математики с учётом современных тенденций, проблем и путей её развития. Третья задача принадлежит к одной из актуальных проблем системного анализа, вызванных необходимостью разработки математического аппарата количественного оценивания качеств, опирающегося на эвристические процедуры проведения экспертиз и операции с оценочными величинами. В данном случае речь идёт об оценке пригодности и приемлемости программных пакетов для поддержки математической подготовки инженера. Итогом проделанной работы должны быть определённые предложения по изменению учебного процесса.

В первой главе диссертации описываются полученные соискателем решения, представляющие собой средства поддержки некоторых прикладных инженерных задач, исследуемых на выпускающих кафедрах (разумеется, в тесном сотрудничестве со специалистами этих кафедр). Обобщение накопленного при этом опыта позволило сравнивать и анализировать возможности современных учебных и профессиональных пакетов в совершенствовании преподавания математики.

Во второй главе рассматриваются основные особенности математической подготовки инженеров технологов технического вуза с ориентацией на учебные планы ВолгГТУ. Как общая методология инженерного образования, так и сугубо практические ограничения в количестве учебных часов, отводимых на математические дисциплины, обусловили необходимость разработки нового подхода к преподаванию математической физики. Особый акцент требуется делать на изложение основных понятий векторного анализа и механики сплошных сред, универсальные приёмы вывода основных уравнений и выработку безошибочной инженерной интуиции в формулировках краевых условий. Аналитическим методам решения задач математической физики приходится уделять ограниченное учебное время, и в связи с этим использование стандартных математических программных компьютерных пакетов оказывается незаменимым подспорьем. «Зашитые» в программном обеспечении математические методы вычислений освобождают на первых порах учащихся от многих технических трудностей, сохраняя учебное время для отработки навыков постановки задач и сравнения решений, получаемых при варьировании граничных и начальных условий, свойств рабочей среды и управляемых параметров технологического процесса.

Разумеется, при этом особое внимание следует уделять анализу смысла получаемых решений, оценкам их достоверности. Выработку критического отношения к результатам математических вычислений и операций необходимо начинать ещё на первом курсе, когда изучаются классические основы высшей алгебры и математического анализа. В преподавании векторного и тензорного анализа, уравнений математической физики отдаётся предпочтение универсальным понятиям и подходам, подчёркивая родственность основных соотношений, как законов сохранения тех или иных количеств, а также разъяснению инвариантности, независимости от выбора систем координат таких величин как скаляр, вектор и тензор.

Третья глава диссертации посвящена описанию свойств современных программных систем как средствам совершенствования учебного образовательного процесса по направлению «Химическая технология». Особое внимание уделено пакету Comsol Multiphysics. Сотрудничество с преподавателями кафедры прикладной математики и других подразделений университета, позволило разработать программы математической компьютерной подготовки химика-технолога.

Заключительная четвёртая глава посвящена разработке метода оценки качества программных компьютерных пакетов по критериям доступности для изучения и эффективности в решении соответствующих задач. Описан метод и построены критериальные средние функции с учётом накопленного опыта преподавания и работы с программными пакетами, на основе чего проведено их ранжированию по единому критерию качества. В итоге составлена таблица оценок, ориентируясь на которую можно планировать последовательность использования компьютерных средств на шестилетний период обучения в техническом университете.

Работа выполнена на кафедре прикладной математики Волгоградского государственного технического университета, коллектив которой свыше 25 лет ведет теоретические и прикладные исследования по количественным методам моделирования сложных сред и технических объектов, а также систем предпочтений ответственного лица (исчислению качеств). Основные приложения относились к задачам машиностроения, технологии, экономики и образования. В настоящее время ведущие педагоги кафедры активно работают по утвержденному приказом по ВолгГТУ от 17.04.2006 №130 приоритетному направлению «Задачи оптимизации управления учебным процессом на кафедре». Представленное диссертационное исследование посвящено одному из самых сложных вопросов в этом направлении -определению возможностей и места современных компьютерных средств в учебном процессе, практической отработке новых образовательных технологий.

Научная новизна:

• решена краевая задача динамики вязкого газа в поле центробежных сил, моделирующая захват плоской детали (предмета манипулирования) за счет перепада давления на ее поверхности. Получено распределение давления в расчетной области и величина подъемной силы, как функция управляющих параметров задачи;

• решена пространственная осесимметричная задача движения двухфазной среды с учетом гидростатического давления, моделирующая процесс дегазации жидкого металла. Определёно оптимальное значение параметра, обеспечивающего минимизацию потерь рабочего газа;

• на основе неформального анализа множества факторов, предложена процедура ранжирования программных пакетов по двум отобранным признакам: «доступность для начального освоения» и «эффективность решения учебных задач»;

• разработаны новые формулы для частных и единого критериев качества, алгоритм расчёта и коррекции критериальных функций с гибким учётом требований и предпочтений педагога на каждом этапе обучения. Практическая ценность. Результаты решения поставленных в рамках исследований кафедр «машины и технология литейного производства», «процессы и аппараты химических производств», «автоматизация производственных процессов» краевых задач гидро- и газодинамики, теплопроводности, диффузии, а также полученные при этом соотношения, используются в научной работе этих кафедр ВолгГТУ. Предложенная система оценивания качества программных пакетов использована кафедрой прикладной математики ВолгГТУ при разработке проекта программы сквозной математической подготовки инженера-технолога на пятилетний период обучения. Программы поддержки учебного процесса профессиональными и учебными математическими пакетами в течение 4-х лет реализуются в дополнительном обучении на кафедре прикладной математики ВолгГТУ по специальностям «химическая технология», «технология продуктов питания», «технологические машины и оборудование».

На защиту выносится:

1. Решения прикладных задач математического моделирования технологических процессов с использованием современных компьютерных программных систем.

2. Анализ методологии и возможностей профессиональных компьютерных средств в образовании инженера технолога. Организационные предложения и методические наработки, нацеленные на продвижение стратегии сквозного математического образования в техническом университете.

3. Метод оценки качества программных пакетов по доступности и эффективности на каждом этапе педагогического процесса.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Стяжин, Владимир Николаевич

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Создание в последние годы множества интеллектуальных компьютерных пакетов нового поколения {MathCad, Maple, ChemOffice, ChemRef, ChemMath, ChemLab, Hyper Chem, DataFit, Undo SS, Corns о I Multiphysics, Flow Vision, Gas Dynamics Tool, CISP, HYSYS, Pro II, ChemCad, C-Mold, An-sys-CFX, Fluent, Moldflow Plastics Advisers, Aspen HTFS и др.) принципиально меняет ситуацию в области высшего технического образования. Прагматичная методология профессиональных программных систем и соответствующие ей изменения акцентов в преподавании математики будущим инженерам способны в значительной мере определить пути совершенствования учебного процесса за счёт использования мощных вычислительных и изобразительных возможностей.

2. Разработана и апробирована на группе пакетов (MathCad, Flow Vision, Ansys-CFX, HYSYS, Comsol Multiphysics Femlab и др.) процедура экспертного оценивания, а также формулы и алгоритм расчёта критерия качества программных пакетов по наиболее практически значимым показателям «доступность для начального освоения» и «эффективность в решении учебных задач» в соответствии с этапами образовательного процесса.

3. Метод оценивания качества программных продуктов по набору (или иерархии) показателей и экспертным данным о предпочтительности их значений предоставляет гибкое интеллектуальное средство для подбора пакетов с учётом уровней доступности и эффективности применительно к конкретным образовательным ситуациям. Накопление системно организованной предметной и оценочной экспертной информации позволит создать банк знаний о свойствах и качествах программных компьютерных пакетов для оперативного планирования компьютерной поддержки на кафедрах и подразделениях ВолГТУ и других организаций.

4. Широкое применение современных программных средств в математической подготовке инженеров технологов способно послужить реальным инструментом обеспечения принципа сквозного математического образования (непрерывно охватывающего весь период обучения, программно согласованного для математических и специальных дисциплин).

5. В настоящее время ведутся занятия со студентами I и II курсов по дисциплинам «математика» и «информатика», VI курса по дисциплине «Дополнительные главы математики» для направления «Химическая технология». Кроме того, по ряду специальностей ведутся дополнительные компьютерные курсы в расширение основной учебной программы. Практика показала, что студенты, обучающиеся по предложенной программе, получают более высокий уровень знаний по математике и по соответствующим техническим дисциплинам.

6. На основе проведенного анализа учебного плана и рабочих программ по направлению «Химическая технология» сформулированы предложения по использованию широкого круга пакетов на различных этапах обучения. Эффективность применения систем показана на примере выполнения семестровых работ и решения отдельных инженерных задач, поставленных совместно со специалистами профилирующих кафедр в рамках проводимых ими исследований. Студенты специальных кафедр принимали участие в выполнении и публикациях результатов расчетов в системах MathCAD, MathConnex, Flow Wizard.

Автор признателен Валерию Матвеевичу Волчкову за помощь в работе и создание среды, в которой стали возможными описанные здесь исследовательские разработки и экспертизы качества программных пакетов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стяжин, Владимир Николаевич, 2006 год

1. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика // М: Наука, 1969.- 632с.

2. Азгалъдов, Г.Г. Количественная оценка качества (квалиметрия) / Г.Г. Азгальдов, JI.A. Азгальдова IIМ.: Изд. Стандартов, 1977. 176 с.

3. Амосов, Н.М. Моделирование сложных систем // Киев: «Наукова думка», 1968.-68 с.

4. Андронов, А. А. Теория колебаний / А. А, Андронов, А. А. Витт, С.Э. Хайкин // М.:Физматгиз, 1959.915с.

5. Астарита, Дж. Массопередача с химической реакцией // Под ред. Л. А. Серафимова. Л.: Химия, 1971.224 с.

6. Берд, Р. Явление переноса / Р. Берд, Б. Стьюарт, Е. Лайтфут // М.: Химия, 1974. 688 с.

7. Бетчелор, Дж. Введение в динамику жидкостей // М.: Мир, 1973. 760 с.

8. Броунштейн, Б. Я. Вопросы испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем /Б. Я. Броунштейн, Г. А. Фишбейн II Одесса: Изд. госуниверситета, 1968. С.

9. Броунштейн, Б. И. Теоретические основы химической технологии // Сб. тр. ГИПХ. Л.: ГИПХ, 1976. С. 51-59.

10. Броунштейн, Б. И. Теоретические основы химической технологии / Б. И. Броунштейн, Ю. В. Ердяков, О. С. Луковский и др. II Сб. тр. ГИПХ. Л.: ГИПХ, 1975. С. 68-77.

11. Броунштейн, Б. И. Массообменные процессы в химических реакторах-аппаратах резделения / Б. И. Броунштейн, О. С. Луковский, О. П. Хоме-ня // Сб. тр. ГИПХ. Л.: ГИПХ, 1971. С. 42-45.

12. Броунштейн, Б. К, Луковский О. С./ЛГр. ГИПХ.1970. Вып. 66. С. 15-19.

13. Броунштейн, Б. Я. Тепло- и массоперенос / Б. Я. Броунштейн, Р. А. Фишбейн II Минск: Наука и техника. 1968. С. 351-357.

14. Броунштейн, Б. Я. Процессы жидкостной экстракции / Б. Я. Броунштейн, А. С. Железняк II Л.: Химия, 1963. С. 39-49.

15. Броунштейн, Б. Я. Теоретические основы химической технологии / Б. Я. Броунштейн, Я. В. Симакова // Сб. тр. ГИПХ. JL: ГИПХ, 1980. С. 107-110.

16. Броунштейн, Б. Я. О предельных режимах колонных аппаратов химической технологии / Б. Я. Броунштейн, В. В. Щегол II Деп. в НИИТЭхим г. Черкасы 10.11.77. № 1387/77.

17. Броунштейн, Б.И. Тепло- и массоперенос / Б. И. Броунштейн, Г. А. Фибштейн // Минск: Наука и техника. 1968. С. 351-357.

18. Броунштейн, Б.И. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах / Б. И. Броунштейн, В. В. Щеголев IIJL: Химия, 1988.

19. Броунштейн, Б. Я. Работы по термодинамике и кинетике химических процессов / Б. Я. Броунштейн, А. С. Железняк // Сб. трудов ГИПХ, JL: Химия, 1966. Вып. 54. С.

20. Брызгалин, Г.И. Введение в теорию качеств // Волгоград: ВПИ, 1988. 91 с.

21. Брызгалин, Г.И. Математика, экономические и гуманитарные знания: взаимопроникновение и обогащение // Всероссийская конференция « Математика и общество. Математическое образование на рубеже веков». Дубна, сентябрь 2000. -М.: МЦНМО, 2000. С. 337-340.

22. Брызгалина, Н.Г. «О количественных оценках финансовой устойчивости предприятия» // Сб. науч. трудов международной научнотехнической конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине». Волгоград, 2000. - Ч. 1. - С. 27-29.

23. Буевич, Ю. А., Варыгин В. Н., Прозоров Е. Я//ИФЖ. 1980. Т. XXXVIII. № 5. С. 836-846.

24. Говорухин, В. Компьютер в математическом исследовании / В. Говорухин, Б: Цибулин. 633 с.

25. Ван Вейнгарден JI. Я.Теоретическая и прикладная механика./ТР. XIV межд. контр. ГУТАМ. М.: Мир, 1979.

26. Величко, С.В. Информационные технологии выбора и распределения ресурсов технологических систем / С.В. Величко, Ю.С. Сербулов, А.В. Лемешкин IIМ. 2007, 238 с.

27. Воинов О. В., Петров А. ЛПМТФ. 1981, №6. С. 78-87.

28. Гальперин И. И., Асмус М. Л Хим. пром. 1961. № 4. С, 269-274.

29. Гельперин, Я. И. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. I Я. К,Гельперин, В. Я. Пебалк, А. Е. КостанянПМ.: Химия, 1977.261с.

30. Годунов С.К. // Уравнения математической физики. М. Наука, 1979. 392 с.

31. Голованчиков А.Б. Биологические и электрохимические процессы. /А.Б.,Голованчиков, Б.В., Симонов // Издательство ВолгГТУ, 1999; 108 стр.

32. Голованчиков А.Б. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии,/ А.Б.,Голованчиков, Б.В., Симонов // ч. 1 5; объем 50 п.л. Издательство ВолгГТУ, 1994-1998 гг.

33. Голоскоков Д.П. Уравнения математической физики. Решение задач в системе Maple. Учебник для вузов СПб. Питер. 2004. - 539 с.

34. Гольдштик М.Я. Гидродинамика и теплообмен в двухфазных средах. Материалы 11 Всесоюзной школы по теплофизике. Новосибирск, 1981. С. 34-41.

35. Гупало Ю. П. Массотеплообмен реагирующих частиц./ Ю. П.,Гупало, А. Д., Полянин, Ю. С., Рязанцев //М.: Наука, 1985,336 с.38