Моделирование процесса решения задач по физике

Метасистема (superM ) на каждом системном уровне должна представлять собой семантическую конъюнкцию двух полярных систем, т.е. элементы этих систем обладают противоположными свойствами. Задача модернизации старой или создания новой системы считается поставленной, если сформулировано дерево конфликтов для данной ветви синтеза по «алгоритму» проектирования.

Таким образом, для решения задачи целеполагания необходимо применение описанной формулы системы объекта, где в качестве системологической базы должны быть использованы уровни описания технической системы, взятые из [1]. Тогда процедуры КП будут дополнены следующим рядом новых видов анализа в аспекте целостности: анализ целей системы, анализ функциональной структуры, анализ принципов действия, анализ технического решения.

Например, для анализа целей системы строится трехдольный направленный граф, содержащий множество основных целей системы, множество подцелей и множество инверсных подцелей. Такой орграф можно интерпретировать как иерархию целей исследуемого прототипа. Первый элемент множества целей соответствует цели главной полезной функции системы. Нижестоящие элементы множества целей рассматриваются в упорядоченной важности относительно главной полезной функции. Такая организация соответствует декомпозиции главной цели на иерархическую совокупность целей и подцелей, достигаемых в ходе функционирования системы. Таким образом уточняется задача целеполагания: выделяются существующие и инверсные функции, которые необходимы для проектирования новой системы.

Движение по оставшимся уровням описания иерархии системы позволяет наиболее полно решить задачу целеполагания с указанием прямых и инверсных компонентов каждого уровня

Реализация в концептуальном проектировании принципов системного подхода, ориентированных на раскрытие целостности, связана с основной тенденцией развития и интенсификации когнитивной компоненты существующих методов концептуального проектирования. Современное общесистемное развитие методов концептуального проектирования систем и инновационных информационных технологий неизбежно приведет к принципиальным изменениям в подходах и методах инновационного проектирования и, как следствие, изменит интеллектуальную культуру проектировщиков и управленцев, и расширит возможности креативного класса общества.

Автор считает, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: новые подходы решения задачи целеполагания за счет выполнения концептуального анализа технических систем в аспекте целостности.

Литература

1.Википедия - электронный ресурс, режим доступа: http://ru.wikipedia.org/

2. Автоматизация поискового конструирования / Под редакцией А. И. Половинкина. -М: Радио и связь, 1981. -334 с.

3.Технология концептуального проектирования / Под ред. С.П. Никанорова. 2-е стереотип. изд. -М.: Концепт, 2008. - 580с.

4. Клир Д. Системология. Автоматизация решения системных задач. -М.: Радио и связь, 1990, - 540

с.

5. Теслинов А. Г. Развитие систем управления: методология и концептуальные структуры. - М.: «Глобус», 1998. - 229 с.

6. Концептуальное проектирование. Развитие и совершенствование методов: Монография. [коллективная] / В. А. Камаев, Л. Н. Бутенко, А. М. Дворянкин, С. А. Фоменков, Д. В. Бутенко, Д. А. Давыдов, А. В. Заболеева-Зотова, И. Г. Жукова, А. В. Кизим, С. Г. Колесников, В. В. Костерин, А. В. Петрухин, М. В. Набока. - М.: Машиностроение, №1. 2005. - 360 с.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ

А. Г. Кравец, д.т.н, профессор кафедры «САПР и ПК»

Тел. (844 2) 248 920, e-mail: agk@gde.ru О. В. Титова, ассистент кафедры «САПР и ПК»

Тел. (844 2) 248 920, e-mail: titova-vgtu@mail.ru Волгоградский государственный технический университет

http://www.vstu.ru

This paper is devoted to the modelling process of solution of physical tasks. On the basis of the methodology of functional modelling IDEF0 the analysis of process of the decision of various tasks is carried out. The developed diagrams reflect all process of solution of any standard tasks of the general course of physics.

В данной статье рассматривается моделирование процесса решения физических задач. На основе методологии функционального моделирования IDEF0 проведен анализ процесса решения различных задач. Разработанные диаграммы отражают весь процесс решения любой стандартной задачи по общему курсу физики.

Ключевые слова: решение задач, моделирование процесса решения, диаграммы процесса решения.

Keywords: solution tasks, modelling of process of solution, diagrams of process of solution.

На практических занятиях по физике студенты решают задачи. Решить учебную задачу по физике - это значит найти такую последовательность общих положений физики (законов, формул, определений, правил), использование которых позволяет получить то, что требуется в задаче, - её ответ. Иначе говоря, процесс решения физической задачи - это последовательность научно обоснованных действий [4, 6].

Так, анализ содержания задачи неотделим от поиска решения её. Они переплетаются, так что общие положения физики и частные условия задачи непрерывно соотносятся друг с другом в каждом звене мыслительного процесса. В ходе анализа выявляются новые свойства объекта, отношение между элементами задачи [1-3,5,7].

Важное значение имеют две материализованные формы анализа содержания задачи - краткая запись условий и требований, а также схематическое изображение (рисунок, чертёж, схема, график) процесса или ситуации, описанных в задаче. Краткая запись условий и требований воссоздает общую картину, представленную в задаче, помогает удержать в памяти исходные данные и требования, способствует уяснению прямо заданных в тексте зависимостей. Схематическое изображение содержания задачи выступает не только и не столько в роли наглядного представления конкретного содержания задачи и описанных в неё зависимостей, сколько в роли модели, способствующей выявлению скрытых зависимостей между величинами.

Современное программное обеспечение, способствующее решению физических задач, можно разбить на три основные группы: обучающие программы по физике, моделирующие среды и математические пакеты. Общий недостаток программного обеспечения: анализ текста задачи, формализация условия и составление системы уравнений должны производиться пользователем вручную.

Таким образом, вопрос о создании автоматизированной системы решения физических задач остается актуальным. Первый этап в создании автоматизированной системы заключается в анализе процесса решения задачи и представлении процесса в виде диаграмм IDEF0.

Решение задачи осуществляет человек, поэтому все рекомендации по решению задачи даются для человека. Вероятно, что создать систему, которая решала бы любые задачи от элементарной до олимпиадной, невозможно. Но можно создать систему для решения стандартных задач, т.е. задач решаемых стандартными методами. Для решения стандартных задач применяются законы физики, зависимости между физическими величинами, определяющие свойства объектов, рассматриваемых в задаче. При анализе физической ситуации стандартной задачи получается замкнутая система уравнений, которая решается математическими методами.

Применяем методологию функционального моделирования IDEF0 для исследования процесса решения задачи по физике. IDEF0 используем для создания функциональной модели, отображающей структуру и функции системы решения задач, а также потоки информации и материальных объектов, связывающих эти функции. Представляем объект моделирования единственным блоком с граничными стрелками (рис.1).

Следуя методологии функционального моделирования IDEF0, единственную функцию, представленную на контекстной диаграмме верхнего уровня, разложим на основные подфункции посредством создания дочерней диаграммы. В процессе решения задачи выделяем три основных подфункции: формализовать условие задачи; составить систему уравнений; решить систему уравнений. В свою очередь, каждая из этих подфункций разложена на составные части посредством создания дочерней диаграммы следующего, более низкого уровня, на которой некоторые или все функции также могут быть разложены на составные части. Каждая дочерняя диаграмма

содержит дочерние блоки и стрелки, обеспечивающие дополнительную детализацию родительского блока.

Дочерняя диаграмма, создаваемая при декомпозиции, охватывает ту же область, что и родительская, но описывает её более подробно. Таким образом, дочерняя диаграмма как бы вложена в свой родительский блок. Функция «Решить физическую задачу» представлена дочерней диаграммой на рис. 2.

Рис. 1. Контекстная диаграмма верхнего уровня А-0

Рис. 2. Дочерняя диаграмма «Решить физическую задачу»

Блок «Формализовать условие задачи» имеет на выходе две материализованные формы анализа задачи: заданные и искомые физические величины, так называемое, краткое условие задачи и чертёж (схема, рисунок, график). Этот этап решения задачи очень важен, так как при правиль-

но сделанном анализе задачи краткое условие задачи и чертёж должны полностью описывать физическую ситуацию задачи.

На выходе блока имеем объект изучения и физическую систему. Выделение в тексте задачи объекта изучения нужно в определении его свойств и процессов, в которых он участвует. Объект изучения может взаимодействовать с другими объектами. Выделение объектов и объединение их в систему необходимы в дальнейшем анализе физической ситуации задачи.

Функции в диаграммах выполняют действия, которые производит человек при решении задачи. Например, функции: определить объект изучения, определить заданные и искомые величины и их значения, определить взаимодействующие объекты, идеализировать объекты, составить чертёж и другие, необходимы при решении любой задачи. В диаграммах учтены все действия, производимые человеком. Для каждой функции определенны входные данные, методики формализации и механизмы выполнения.

Методики связывают слова текста задачи с теоретическим материалом курса общей физики. Из текста задачи выделяем физический процесс (или явление), затем определяем закон, которым он описывается. Формула физического закона включается в систему уравнений. Определяя свойства объекта, получаем дополнительные зависимости между физическими величинами. В задачах часто содержатся неявные данные, которые необходимы при решении задачи. Математическую запись дополнительных соотношений между физическими величинами также включаем в систему уравнений. В диаграмме содержатся блок «определить неявно заданные физические величины» и блок «определить связь между физическими величинами». Тем самым, диаграммы включают все действия производимые человеком и порядок их выполнения. Качество выполнения каждой функции зависит от качества выполнения предыдущей функции. А правильность выполнения функции определяется методиками и алгоритмами формализации.

Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: для каждого этапа решения задач определены входные и выходные данные, что существенно отличает разработанную функциональную диаграмму от ранее предлагаемых различными авторами методической литературы алгоритмов решения задач по определенной теме курса физики и общих рекомендаций. Разбиение процесса решения на отдельные конкретные и взаимосвязанные шаги позволило представить процесс решения возможным для автоматизации. Проведенный анализ решения различных задач по физике на основе построенных функциональных диаграмм, позволяет заключить, что диаграмма отображает процесс решения любой стандартной задачи. Диаграмма построена универсально, так что не имеет значение по какой теме конкретная задача. Следовательно, процесс решения задачи может быть полностью автоматизирован. Качество решения задач автоматизированной системой зависит от методик и алгоритмов формализации.

Литература

1.Заболеева-Зотова А. В. Computer-aided system of the semantic text analysis of a technical specification / А.В. Заболеева-Зотова, Ю.А. Орлова // Открытое образование: приложение к журналу [по матер. между-нар. конференций, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая 2008 г.]. - 2008. -Б/н.- С. 103-104. Англ.

2.Камаев В. А. Моделирование физических принципов действия и формирование множеств технических решений преобразователей энергии / В. А. Камаев, А. А Яковлев // Информационные технологии. 2006. №1. C. 2-8.

3.Коробкин Д. М., Фоменков С. А. Методика выделения структурированной физической информации в виде физических эффектов из текста // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2009. №10. С. 35-39.

4.Новодворская Е. М., Дмитриев Э. М. Методика проведения упражнений по физике во втузе: Учеб. пособие для студентов втузов. - М.: Высш. школа, 1981. - 318 с.: ил.

5.Обухов А. С., Кравец А. Г. Автоматизация управления уровнем профессиональных компетенций специалистов на предприятии // Программные продукты и системы. 2008. № 2.

6.Финкельштейн Р. М. Что делать, когда решить задачу не удается. - М.: ИЛЕКСА, 2008. - 74 с.: ил.

7.Яровенко В. А., Фоменков С. А. Формирование интегрированной системы обработки структурированных физических знаний с применением мультиагентного подхода // Межвузовский сб. научных статей «Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып.7». - Волгоград: Вол-гГТУ. 2009. №12(60). С. 126-128.