Введение к работе
Актуальность работы. Исследования в области механики сплошной среды и математической физики, разработка эффективных моделей поведения многофазных и многокомпонентных сред привели к созданию мощного математического аппарата проектирования сложных технологических процессов химической, металлургической и других отраслей промышленности.
Поддержанный возможностями современной вычислительной техники, этот аппарат становится важнейшим средством разработки новых промышленных процессов и оборудования. Сочетание экспериментальных, теоретических и вычислительных методов позволяет уменьшать затраты на разработку новых устройств, агрегатов и технологий, существенно ускорять их практическое внедрение, повышать гибкость организационных и производственных систем в изменчивых условиях нестабильного рынка.
Эти обстоятельства налагают целый ряд требований на профессиональные качества современного инженера-технолога, таких как глубокое знание основ математического моделирования, системное владение способами постановки математических задач с учётом их прикладных возможностей и оценкой погрешностей, умение работать с современной вычислительной техникой. Типичные технологические процессы включают в себя сложные взаимосвязанные физические явления: рабочие параметры реактора нелинейным образом зависят от характеристик массопереноса и распределения температуры, перенос различных компонент в реакторе может определяться разными механизмами, такими как диффузия, конвекция и пр. Использование программных пакетов, основных на связанных математических моделях, исследование их прикладных возможностей, проведение виртуальных испытаний (численные эксперименты) позволяют существенно понизить затраты на создание прототипов в реальных производственных условиях. Имея в своем распоряжении соответствующее программное обеспечение, инженеры-технологи способны строить, исследовать и использовать эффективные модели сложных систем и процессов. Подготовка таких инженеров в условиях технического университета требует решения методологических, организационных, экономических, психологических и педагогических задач.
Отмеченный в своё время профессором П.О. Пашковым разрыв между сложностью инженерных задач и недостаточной математической подготовкой выпускника технического университета в настоящее время увеличился. Современное состояние инженерного образования таково, что разработанные отечественные и зарубежные программные пакеты становятся незаменимым инструментом сокращения этого разрыва.
Важнейшая особенность программных компьютерных средств состоит в их математической природе, в связи с чем, их использование в учебном процессе неотделимо от глубокого и систематического освоения современных математических понятий, алгоритмического мышления, способов математического
моделирования, постановок и решения краевых задач математической физики. Это обстоятельство возвращает педагогов к поставленным десятилетия назад, но не вполне решённым проблемам непрерывности математического образования инженера с учётом его отличия от образования профессионального математика. Известные дискуссии на эту тему, прошедшие несколько десятилетий назад (А.Н. Колмогоров, Б.В. Гнеденко, Н.Н. Моисеев, Л.И.Седов, В.И Арнольд, А.Д. Мышкис и др.), имеют продолжение в последние годы. Необходимость организации непрерывного математического образования инженера, пути использования компьютерных средств активно обсуждаются, в частности, во многих докладах Всероссийской конференции «Математика и общество. Математическое образование на рубеже веков. Дубна. Сентябрь 2000». Можно считать общепризнанным мнение о настоятельной необходимости системной организации компьютерной поддержки математической и специальной подготовки инженеров. Возможность успешного решения возникающих при этом проблем обусловлена тем обстоятельством, что современные программные компьютерные системы создавались высококлассными профессионалами именно в области математического моделирования инженерных объектов в условиях острой конкуренции и кооперации специалистов разных стран и научных школ. Системное исследование возможностей компьютерных средств, в частности - расчетных моделирующих пакетов, в профессиональной работе и образовании должно предварять разработку программ подготовки высоко квалифицированных специалистов, способных эффективно применять полученные знания в реальных производственных условиях.
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.
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.
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.
Количественное оценивание качества программных пакетов применительно к образовательным ситуациям каждого курса академического обучения.
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 надсистему, 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.
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. Определено 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 используется 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».
Методы исследования. Использовались фундаментальные понятия и методы механики сплошных сред и математической физики, вычислительные эксперименты на известных моделирующих математических и инженерных пакетах, сравнение с результатами физических испытаний. Процедура оценивания качества программных пакетов опирается на разработанную кафедрой прикладной математики ВолгГТУ в последние десятилетия теорию качеств и связанные с нею представления об экспертных оценках и оценочных величинах.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 7 печатных работ, список которых приведён в конце автореферата.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских конференциях в Тамбове (2002 г.), Костроме (2004 г.), Воронеже (2006 г.), Камышине (2006 г.), Нижнем Новгороде (2006 г.) и регулярно докладывались на научно-технических конференциях ВолгГТУ в 2002-2006 гг.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Объем основной части, включая таблицы и рисунки, а также список литературы из 120 наименований, составляет 112 страниц.
Похожие диссертации на Программные компьютерные средства поддержки математической и специальной подготовки инженера технолога
