Программа дисциплины дпп. Р. 02 Компьютерное моделирование цели и задачи дисциплины Цели дисциплины icon

Программа дисциплины дпп. Р. 02 Компьютерное моделирование цели и задачи дисциплины Цели дисциплины


Смотрите также:
Программа дисциплины дпп. Р. 02 Компьютерное моделирование цели и задачи дисциплины...
Программа дисциплины дпп. Дс. 01 Компьютерное моделирование в химии цели и задачи дисциплины...
Программа дисциплины дпп. Р. 02 Компьютерное моделирование томск 2012 Цели и задачи дисциплины...
Программа дисциплины дпп. В...
Программа дисциплины дпп. Ф. 11...
Программа дисциплины дпп. Дс...
Программа дисциплины дпп. Ф...
Программа дисциплины дпп. Дс...
Программа дисциплины дпп. Ф...
Программа дисциплины дпп. Ф...
Программа дисциплины дпп. Ф. 03...
Программа дисциплины дпп. Ф. 10 Пожарная безопасность цели и задачи дисциплины: Цели дисциплины...



Загрузка...
скачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ТГПУ)


УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе (декан)

______________ ______________

«___»____________________ 2008 г.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

ДПП.Р.02 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ



  1. Цели и задачи дисциплины

Цели дисциплины:

  • научить студентов математическому моделированию задач технологии, связанных с дисциплинами гидромеханика, гидравлика, основы творческо-конструкторской деятельности и т.д., и реализации этих моделей на персональных компьютерах с использованием алгоритмических языков программирования и графического интерфейса пользователя.

  • закрепить и расширение знания и умения, полученные при изучении курсов «математика», «физика», «информационные технологии», «гидромеханика», «гидравлика», «основы творческо-конструкторской деятельности».

Задачи дисциплины:

  • ознакомление студентов с основными принципами построения математических моделей технических моделей и технологических процессов;

  • получение необходимого минимума знаний аналитических и численных (приближенных) методах при реализации математических моделей конкретных технических задач;

  • формирование представления о компьютерном моделировании реальных процессов;

  • выработка умения пользоваться графическими редакторами при интерпретации результатов компьютерного моделирования;

  • закрепление навыков и знаний, полученных при изучении курса «Информационные технологии».

  1. Требования к уровню освоения содержания дисциплины:

Студент, изучивший дисциплину, должен:

а) знать:

  • основные этапы компьютерного моделирования технических моделей и технологических процессов;

  • получить необходимый минимум знаний об аналитических и численных (приближенных) методах при реализации математических моделей конкретных технических задач;

б) уметь:

  • составлять математические модели конкретных задач специальных дисциплин;

  • самостоятельно составлять алгоритмы решения технических задач, составлять и реализовывать соответствующие компьютерные программы на алгоритмическом языке Паскаль;

  • уметь представлять результаты компьютерного моделирования в графическом виде и анализировать их;

  1. Объем дисциплины и виды учебной работы:




Вид учебной работы

Всего часов

Семестры

6

Общая трудоемкость дисциплины

130

130

Аудиторные занятия

72

90

Лекции

36

36

Практические занятия







Семинары







Лабораторные работы

36

36

Другие виды аудиторных занятий







Самостоятельная работа

58

58

Курсовой проект







Контрольная работа







Реферат







Другие виды самостоятельной работы







Вид итогового контроля




Зачет




  1. Содержание дисциплины:


4.1 Раздел дисциплины и виды занятий


№№п/п

Разделы дисциплины

Лекции

Лабораторные работы

1.

Введение. Предмет компьютерного моделирования в технологии.

2




2.

Природа численного моделирования

2




3.

Математическое моделирование.

2




4.

Этапы моделирования. Требования к моделям.

2




5.

Понятие алгоритма. Свойства алгоритмов.

2




6.

Этапы решения задач на компьютере.

2




7.

Задача о вытекании жидкости из сосуда. Линейный осциллятор.

6

4

8.

Задача об остывании чашки кофе.

6

10

9.

Задача о движении жидкой капли в атмосфере Земли. Упрощенная постановка.

6

10

10

Задача о падении жидкой капли в атмосфере с учетом дробления капли.

4

10

11

Задача о падении жидкой капли в атмосфере с учетом теплообмена.

2

2




Итого

36

36


4.2 Содержание разделов дисциплины:


Раздел 1. Введение. Предмет компьютерного моделирования.

Лекции 1

Связь с другими дисциплинами. Абстрактные модели. Четыре категории использования компьютеров (численный анализ, символьные преобразования, моделирование, управление в реальном времени).

Раздел 2. Природа численного моделирования.

Лекции 2

Почему численное моделирование становится важным в любой науке в настоящее время? Линейные и нелинейные задачи, задачи с большими степенями свободы. Аналогии между вычислительным и лабораторным экспериментами. Численное моделирование как инструмент, который можно использовать для постижения сложных явлений. Визуальное представление сложных численных результатов.

Раздел 3. Математическое моделирование.

Лекции 3

Математическое моделирование. Модели и моделирование. Модель. Материальное и идеальное моделирование. Универсальность метода математического моделирования. Использование математического моделирования на этапе проектирования. Преимущества и недостатки метода математического моделирования.

Раздел 4. Этапы моделирования. Требования к моделям.

Лекции 4

Содержание этапов. Случаи, в которых математическое моделирование для решения данной задачи наиболее приемлемо. Проблемы математического моделирования.

Раздел 5. Понятие алгоритма. Свойства алгоритмов.

Лекции 5

Определение понятия алгоритма. Какими свойствами должен обладать алгоритм, чтобы исполнитель мог решить задачу по заданному алгоритму. Понятие полностью формализованного алгоритма. Блок-схема алгоритма. Разветвляющиеся алгоритмы. Команда ветвления. Циклические алгоритмы. Команда повторения. Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов (программ). Примеры составления блок-схем некоторых алгоритмов.

Раздел 6. Этапы решения задач на компьютере.

Лекции 6

Содержание этапов компьютерного моделирования. Процесс решения задачи на компьютере на конкретном примере изучения полета пушечного снаряда. Блок-схема решения задачи и программа на алгоритмическом языке Паскаль.

Раздел 7. Задача о вытекании жидкости из сосуда. Линейный осциллятор.

Лекции 7–9

Содержательная модель задачи о вытекании жидкости из сосуда. Математическая модель. Формула Торричелли. Дифференциальное уравнение для скорости изменения уровня жидкости. Начальное условие. Аналитическое решение. Анализ расхождения с экспериментом по времени истечения жидкости. Коэффициентом сжатия и коэффициент скорости. Математической моделью линейного осциллятора. Масса на пружинке и электрический контур из самоиндукции, емкости и сопротивления – задачи, имеющие одну и ту же математическую модель, сводящуюся к модели линейного осциллятора. Аналоговое моделирование.

Раздел 8. Задача об остывании чашки кофе.

Лекции 10–12

Содержательная постановка задачи, математическая модель. Получение аналитического решения в случае линейности уравнения закона Ньютона. Анализ решения. Метод численного решения. Схема Эйлера, ее геометрическая интерпретация. Алгоритм и программа численного моделирования для случая постоянного «коэффициента остывания». Исследование сходимости разностной задачи к решению дифференциального уравнения как необходимый этап компьютерного моделирования при выборе величины шага интегрирования. Программа и компьютерный эксперимент для случая нелинейной задачи. Сравнение результатов численного моделирования с натурным экспериментом.

Раздел 9. Задача о движении жидкой капли в атмосфере Земли. Упрощенная постановка.

Лекции 13–15

Содержательная модель задачи. Силы, действующие на каплю, физические процессы, сопровождающие ее падение. Упрощенная математическая модель. Допущения модели. 3 характерных режима обтекания капли для коэффициента аэродинамического сопротивления. Число Рейнольдса для относительного движения капли. Закон сопротивления Стокса. Понятие о неявной разностной схеме. Составление алгоритма и программы решения задачи. Аналитическое решение для стоксовского обтекания. Проведение численных расчетов для закона Стокса (вязкостный режим) и для переходного режима (формула Клячко). Построение графиков в системе OPENOFFICE.orc CALC. Анализ результатов.

Раздел 10. Задача о падении жидкой капли в атмосфере с учетом дробления капли.

Лекции 16, 17

Деформация жидких капель под действием сил аэродинамического сопротивления. Критерий Вебера как параметр, определяющий дробление капли в газовом потоке. Критическое число Вебера. Программа расчета движения капли с учетом аэродинамического дробления. Проведение расчетов для разных высот. Анализ влияния учета аэродинамического дробления на характер падения капли.

Раздел 11. Задача о движении жидкой капли в атмосфере с учетом теплообмена со средой.

Лекции 18

Дифференциальное уравнение теплового баланса для капли в газовом потоке. Число Нуссельта как безразмерный коэффициент теплоотдачи. Разностная схема для уравнения теплового баланса.


  1. Лабораторный практикум



п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

1

7

Решение задачи о вытекании жидкости из сосуда. Построение графика изменения уровня жидкости от времени в табличном процесоре OPENOFFICE. ORG CALC

2

7

Исследование решения гармонического осциллятора в табличном процесоре OPENOFFICE. ORG CALC с графической визуализацией результатов.

3.

8

Составление алгоритма, написание программы численного решения задачи об остывании чашки кофе с использованием разностной схемы Эйлера.

3.

8

Параметрические расчеты задачи об остывании чашки кофе с разными шагами по времени. Графическая визуализация результатов, сравнение их с аналитическим решением. Анализ результатов.

5.

8

Параметрические расчеты задачи об остывании чашки кофе с разными шагами по времени. Графическая визуализация результатов, сравнение их с аналитическим решением. Анализ результатов.

6.

9

Составление алгоритма, написание программы численного решения задачи о падении капли воды в атмосфере с заданной высоты при отсутствии ветра, дробления, теплообмена и испарения. Проведение численных расчетов для закона Стокса (вязкостный режим) и для переходного режима (формула Клячко). Построение графиков в системе OPENOFFICE.orc CALC. Анализ результатов.

7.

10

Составление алгоритма, написание программы численного решения задачи о падении капли воды в атмосфере с заданной высоты без учета ветра и процесса испарения, но с учетом дробления. Проведение расчетов для разных высот. Анализ влияния учета аэродинамического дробления на характер падения капли.


6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1 Рекомендуемая литература:

а) основная:

  1. Миньков, С. Л. Мнформационные технологии и компьютерное моделирование. учебное пособие / А. С. Ткаченко, В. М. Ушаков. – Изд-во ТГПУ. – 2005.- 269 с.

  2. Беккерман, Е. Н. Практическая работа на компьютере в среде LINUX: учебное пособие /Е. Н. Беккерман [и др.]. – Томск: Издательство ТГПУ, – 2007. – 108 с.

б) дополнительная:

  1. Власов, В. А. Математика и информатика: учебное пособие / В. А. Власов, И. В. Машковец, М. В. Корзик. – Изд-во ТГПУ. – 2007.- 99 с.

  2. Фаронов, В.В. TurboPaskal 7.0. Начальный курс / В. В. Фаронов – М: Издательство «Нолидж» – 2001. – 575с.

  3. Бахвалов, Н. С. Численные методы /Н. С. Бахвалов – М: Издательство «Наука». 1978. – 631с.

  4. Гулд, Х. Компьютерное моделирование в физике / Х. Гулд, Я. Тобочник – М: Издательство “ Мир ”. – 1990. – 349с.


6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.

Комплект учебников в библиотеке ТГПУ; Мультимедийный программно-методический комплекс, включающий программу курса, конспекты лекций; задания для лабораторных и самостоятельных работ; презентации отдельных разделов курса; программа тестирования по дисциплине. Программа Турбо Паскаль.


7. Материально-техническое обеспечение дисциплины.

Лабораторные занятия проводятся в компьютерных аудиториях, оснащенных следующим оборудованием:

Лабораторные занятия проводятся в компьютерных аудиториях, оснащенных следующим оборудованием:

12 персональных компьютеров;

мультимедийные средства (проектор, экран);

аудио-видеоаппаратура;

Компьютеры подключены к сети Интернет.


8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.


8.1. Методические рекомендации преподавателю


При изучении компьютерного моделирования необходимы знания определенных разделов таких общенаучных вузовских дисциплин, как «Гидромеханика», «Физика» и «Математика». Однако, из-за особенностей учебного плана, преподаватель вынужден перед рассмотрением конкретных разделов восстановить у студентов знания соответствующих понятий и явлений, законов.

При проведении части лабораторных работ используются презентации соответствующих разделов. По лабораторным работам студентами оформляется отчет в электронном виде в текстовом редакторе с использованием графической визуализации результатов и их подробным анализом. Отчет защищается публично. Каждый студент может задавать вопросы, делать критические замечания. Это способствует развитию творческого мышления, выработке умения формулировать выводы и защищать их, что в дальнейшем понадобится при выполнении научной работы, участии в работе студенческих научных конференций, при защите выпускных (квалификационных) работ.

Контроль выполнения заданий для самостоятельной работы осуществляется при проведении лабораторных работ, тестирования текущей успеваемости в период контрольной точки, через экзаменационные вопросы и на консультациях.


8.2. Методические рекомендации для студентов


В основном программирование задач во время выполнения лабораторных и самостоятельных работ будет выполняться на алгоритмическом языке Паскаль. Поскольку работа в системе Турбо Паскаль под WINDOWS и в системе Free Pascal под LINUX практически ничем не отличается, эту часть работы вы можете выполнять под любой операционной системой (ОС). Однако графическая визуализация результатов будет выполняться в электронных таблицах с использованием числовых файлов, записанных в результате работы программ на языке Паскаль. Здесь надо помнить, что приемы работы в электронных таблицах под WINDOWS и LINUX значительно разнятся, но файлы *.xls, подготовленные в Microsoft Office читаются в OpenOffice.org. Т.е. лабораторные и самостоятельны работы можно выполнять под любой ОС.

В течение семестра во время «контрольных точек» (ориентировочно 9 и 18 недели) будет проводиться контроль промежуточных знаний в форме тестирования на компьютере.

Консультации по интересующим вопросам можно получить во время еженедельных консультаций.


8.2.1. Перечень примерных контрольных вопросов:

Разделы 1-4

  1. Знания каких дисциплин понадобятся при изучении дисциплины «компьютерное моделирование»? [1]

  2. Место математических моделей в классификации моделей объектов с точки зрения системного анализа. [1]

  3. Четыре категории использования компьютеров в технологии.

  4. Провести аналогию между численным (компьютерным) и лабораторным экспериментом. [1]

  5. Преимущества графического представления результатов компьютерного моделирования. [1]

Раздел 5

  1. В каких случаях выполнение алгоритма можно поручить компьютеру? [1]

  2. Особенности линейных разветвляющихся и циклических алгоритмов. [1]

  3. Составить блок-схему алгоритма вычисления таблицы значений некоторой функции y(x) на интервале [a,b] с шагом . [1]

Раздел 6

  1. Каков критерий правильности результатов компьютерного моделирования? [1]

  2. В каких случаях необходимо прибегать к приближенным методам? [1]

Раздел 8

1. Назовите механизмы переноса тепла от чашки кофе к окружающему пространству. [1]

2. Уравнение теплопроводности Ньютона. В каком случае можно получить его аналитическое решение? [1]

  1. Чем необходимо дополнить уравнение теплопроводности Ньютона, чтобы получит полную математическую модель остывания чашки кофе? [1]

  2. Графическая интерпретация метода Эйлера. [1]

  3. Как определить коэффициент остывания r из данных натурного эксперимента? [1]

  4. Как на компьютере провести исследование сходимости разностной задачи к решению дифференциального уравнения? Другими словами, как подобрать величину шага интегрирования для получения удовлетворительной точности результатов? [1]

  5. Чем объясняется отличие результатов приближенного решения (компьютерного моделирования) от результатов эксперимента?


8.2.2. Перечень примерных заданий для самостоятельной работы:

1. Составление алгоритма, написание программы численного решения задачи об остывании чашки кофе с использованием разностной схемы Эйлера. Литература: [1], С. 220–224; 242–243.

2. Параметрические расчеты задачи об остывании чашки кофе с разными шагами по времени. Графическая визуализация результатов, сравнение их с аналитическим решением. Анализ результатов. Литература: [1], С. 243–245.

3. Проведение сравнительных расчетов задачи об остывании чашки кофе с различными начальными данными (температура окружающей среды, начальная температура кофе). Анализ результатов. Литература: [1], С. 245–250.

4. Составление алгоритма, написание программы численного решения задачи о падении капли воды в атмосфере с заданной высоты при отсутствии ветра, дробления, теплообмена и испарения. Проведение численных расчетов для закона Стокса (вязкостный режим) и для переходного режима (формула Клячко). Построение графиков. Анализ результатов. Литература: [1], С. 250–257.

5. Составление алгоритма, написание программы численного решения задачи о падении капли воды в атмосфере с заданной высоты без учета ветра и процесса испарения, но с учетом дробления. Проведение расчетов для разных высот. Анализ влияния учета аэродинамического дробления на характер падения капли. Литература: [1], С. 260–262.

6. Технология решения задач на ПК. Литература: дополнительная [1], С. 50–61


8.2.3. Примерный перечень вопросов к зачету:


Практические задания:


  1. Написать программу приближенного решения дифференциального уравнения, данного преподавателем по предложенной разностной схеме.

  2. Построить график функции, предложенной преподавателем, в графическом редакторе.

  3. Привести пример циклического алгоритма и изобразить его блок-схему.

  4. Подобрать необходимую величину шага интегрирования дифференциального уравнения проведением серии расчетов с его последовательным уменьшением (провести исследование сходимости разностного решения к решению дифференциального уравнения проведением компьютерного эксперимента).

  5. Привести пример разветвляющегося алгоритма и изобразить его блок-схему.


Теоретические вопросы:



  1. Предмет компьютерного моделирования в технологии.

  2. Место математических моделей в классификации моделей объектов с точки зрения системного анализа.

  3. Четыре категории использования компьютеров в технологии.

  4. Провести аналогию между численным (компьютерным) и лабораторным экспериментом.

  5. Каковы преимущества графического представления результатов компьютерного моделирования.

  6. Преимущества математического моделирования по сравнению с физическим экспериментом.

  7. Этапы моделирования. Требования к моделям.

  8. В чем состоят проблемы математического моделирования?

  9. Определение алгоритма. Свойства алгоритма.

  10. Разветвляющиеся алгоритмы. Команда ветвления.

  11. Циклические алгоритмы. Команда повторения.

  12. В каких случаях выполнение алгоритма можно поручить компьютеру?

  13. Этапы решения задач технологии на компьютере.

  14. Запишите математическую модель задачи о вытекании жидкости из сосуда.

  15. Где в механике можно встретить математическую модель линейного осциллятора?

  16. Как перейти от дифференциального уравнения к разностному?

  17. Назовите механизмы переноса тепла от чашки кофе к окружающему пространству.

  18. Уравнение теплопроводности Ньютона. В каком случае можно получить его аналитическое решение?

  19. Графическая интерпретация метода Эйлера.

  20. Назовите силы, действующие на каплю, падающую в атмосфере Земли. Какие физические процессы протекают при этом?

  21. Запишите число Рейнольдса, что оно характеризует?

  22. Какие зависимости для безразмерного коэффициента аэродинамического сопротивления капли вам известны, с какими режимами обтекания капли они связаны?

  23. Запишите неявную разностную схему для следующего уравнения движения капли

  24. О чем говорит сравнение результатов расчета по скорости осаждения капли по двум разностным схемам: явной и неявной?

  25. В каком случае удается аналитически проинтегрировать уравнение движения капли?

  26. Проанализируйте аналитическое решение уравнения движения капли .

  27. Запишите число Вебера. Отношение каких сил оно характеризует? При каком значении числа Вебера происходит дробление капли?

  28. Как влияет на результаты приближенного решения задачи о падении капли учет аэродинамического дробления?

  29. Как влияет на результаты приближенного решения задачи о падении капли учет процесса теплообмена между каплей и атмосферой?



Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальности)

030600 технология и предпринимательство.


Программу составил:

д.ф-м.н., профессор ______________ Ткаченко А.С.


Программа дисциплины утверждена на заседании кафедры прикладной механики

протокол № _______ от «___» _____________ 2008 г.


Зав. кафедрой ПМ __________________________Ротштейн В.П.


Программа дисциплины одобрена методической комиссией факультета технологии и предпринимательства ТГПУ

протокол № _______ от «____» ______________ 2008 г.


Председатель методической комиссии

факультета технологии и предпринимательства ________________Федотов А.С.


Согласовано:

Декан ФТП _________________________________ Колесникова Е.В.





Скачать 205,32 Kb.
оставить комментарий
Дата25.04.2012
Размер205,32 Kb.
ТипПрограмма дисциплины, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх