Виртуальные лаборатории по кинематике

NovaInfo 29, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Технические науки
Язык: Русский
Просмотров за месяц: 3
CC BY-NC

Аннотация

В работе формулируется понятие виртуальной лаборатории, приведено описание виртуальных лабораторий по кинематике. Рассматривается объектно-ориентированное программирование для создания виртуальных лабораторий, которые повышают эффективность обучения в целом.

Ключевые слова

MAPLET, ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ

Текст научной работы

Осуществлению образовательной деятельности в соответствии с мировыми тенденциями развития образования, обеспечению эффективности образовательного процесса способствует реализация современных интерактивных образовательных технологий, ориентированные на формирование, совершенствование и развитие актуальных профессиональных компетенций студентов. Виртуальные лаборатории, представляющие собой обучающие системы для моделирования поведения объектов реального мира в компьютерной образовательной среде, качественно оптимизируют образовательный процесс [1]. Проведение виртуальных лабораторий является эффективным методом обеспечения актуального содержания соответствующего раздела учебного модуля.

На платформе Wolfram Demonstrations Project содержится объединенный каталог виртуальных лабораторий, в частотности, и по основным разделам математики (рисунок 1) [2]. Для просмотра демонстраций необходимо установить приложение Wolfram CDF Player. В виртуальной лаборатории «A Two-Link Inverse-Kinematic Mechanism» смоделированы углы поворота стержней инверсного кинематического механизма от координат точки на тороидальной поверхности, если траектория движения точки является эллипсом, треугольником или синусоидой (рисунок 1).

- Демонстрация виртуальной лаборатории «A Two-Link Inverse-Kinematic Mechanism»
Рисунок 1. Демонстрация виртуальной лаборатории «A Two-Link Inverse-Kinematic Mechanism»

В виртуальной лаборатории «Coriolis Acceleration» [3] осуществляется анимация сложного движения точки. В каждый момент времени движения точки строится вектор ускорения Кориолиса.

В качестве инструментальной системы проектирования виртуальных лабораторий по кинематике рассмотрим систему Maple [4]. С помощью этой системы создадим виртуальную лабораторию «Model Motion Point» для моделирования движения точки (рисунок 2), которая в сравнении со статическими системами проектирования математических лабораторий обладает интерактивным способом представления информации о кинематике этого движения и может быть использована в дистанционном обучении. Листинг программы приведен на рисунках 3-6. Метод отображения элементов маплета совпадает с заданием матрицы в системе Maple. Панель инструментов ToolBar представляет собой организованный набор кнопок ToolBarButton с идентификаторами (ссылками), заключенными в квадратные скобки. В параметре caption кнопки ToolBarButton (рисунок 6) необходимо указать текстовую строку Str1[i], которая появится на кнопке ToolBarButton (i=1,2,3). В текстовых строках Str1[i] (i=1,2,3) указываются кинематические характеристики движения точки. Обучающийся, запустив виртуальную лабораторию «Model Motion Point», в текстовые поля координат точки, вводит с клавиатуры соответствующие функции координат точки от аргумента t и параметра k1 (рисунок 2).

- Виртуальная лаборатория «Model Motion Point»
Рисунок 2. Виртуальная лаборатория «Model Motion Point»

При нажатии на кнопку ToolBarButton происходит вызов процедуры FunBt1 для радиус-вектора точки или FunBt2 скорости, ускорения точки и в области MathMLViewer координаты радиус-вектора, скорости или ускорения точки представляются в формате MathML посредством действия оператора Export пакета MathML (рисунок 3, 4). Входным параметром в функции FunBt2 является порядок производной радиус-вектора точки по времени (рисунок 4).

В зависимости от выставленного значения параметра k1 и времени движения точки t элемента формы Slider при нажатии на кнопку «Анимация», в графической области осуществляется анимация движения точки (рисунок 2), заключающаяся в генерации 50 кадров, равномерно распределенных на интервале параметров анимации [0, t]. Параметры анимации k1, t по определению не статичны: созданы, чтобы менять их значения в процессе выполнения приложения. Для просмотра и управления структурой данных Plot3D во время движения используем команду animate (рисунок 5). Траекторию движения точки строим с помощью команды spacecurve (рисунок 5). Визуализация результатов моделирования движения точки существенно повышается при использовании средств анимации изображений.

- Листинг программы Maplet «Model Motion Point»
Рисунок 3. Листинг программы Maplet «Model Motion Point»
– Продолжение листинга программы Maplet «Model Motion Point». Функции, реализующие действия при нажатии на управляющие кнопки
Рисунок 4. Продолжение листинга программы Maplet «Model Motion Point». Функции, реализующие действия при нажатии на управляющие кнопки
– Продолжение листинга программы Maplet «Model Motion Point». Функция, осуществляющая анимацию движения точки
Рисунок 5. Продолжение листинга программы Maplet «Model Motion Point». Функция, осуществляющая анимацию движения точки
– Продолжение листинга программы Maplet «Model Motion Point». Определение Maplet заданием элементов формы
Рисунок 6. Продолжение листинга программы Maplet «Model Motion Point». Определение Maplet заданием элементов формы

Таким образом, применение объектно-ориентированного программирования для создания виртуальных лабораторий раскрывает потенциал функциональности систем компьютерной алгебры для моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях.

Читайте также

Список литературы

  1. Lawrence O. Flowers. Investigating the Effectiveness of Virtual Laboratories in an Undergraduate Biology Course// The Journal of Human Resource and Adult Learning Vol. 7, Num. 2, December 2011. - P. 110-116
  2. Wolfram Demonstrations Project. A Two-Link Inverse-Kinematic Mechanism. URL: http://demonstrations.wolfram.com/ATwoLinkInverseKinematicMechanism (дата обращения 15.12.2014)
  3. Wolfram Demonstrations Project. Coriolis Acceleration. URL: http://demonstrations.wolfram.com/CoriolisAcceleration (дата обращения 15.12.2014)
  4. Maple Application Center. URL: http://www.maplesoft.com/applications (дата обращения 15.12.2014)

Цитировать

Гермидер, О.В. Виртуальные лаборатории по кинематике / О.В. Гермидер, Е.А. Смоленская. — Текст : электронный // NovaInfo, 2014. — № 29. — URL: https://novainfo.ru/article/2816 (дата обращения: 02.12.2022).

Поделиться