Создание пакета демонстрационных материалов в виде программной разработки библиотеки процедур средствами Maple к уроку информатики по теме "Объекты и их свойства"
Информационные и коммуникационные технологии в школьном образовании, мультимедийные технологии обучения информатики в школе. Особенности использования инструментальных средств Maple при обучении темы "Объекты и свойства" в школьном курсе информатики.
Рубрика | Педагогика |
Вид | дипломная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 19.04.2011 |
Размер файла | 861,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
65
Размещено на http://www.allbest.ru/
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
По теме: «Создание пакета демонстрационных материалов в виде программной разработки библиотеки процедур средствами Maple к уроку информатики по теме «Объекты и их свойства»
ОГЛАВЛЕНИЕ
- Введение 3
- Глава 1. Информационные и коммуникационные технологии в школьном образовании 5
- § 1.1 Сравнительный анализ инструментальных средств 5
- § 1.2 Некоторые сведения об инструментальном средстве Maple 16
- § 1.3 Мультимедийные технологии обучения информатики в школе 32
- Выводы по первой главе 41
- Глава 2. Использование инструментальных средств Maple при обучении темы «Объекты и свойства» в школьном курсе информатики 42
- § 2.1 Психолого-педагогические аспекты обучения школьников информатике 42
- § 2.2 Извлечение из государственного стандарта 47
- § 2.3 Программная разработка библиотеки процедур по теме «Объекты и свойства» 48
- § 2.4 Конспект урока по теме «Объекты и свойства» с использованием разработанной библиотеки процедур 52
- Выводы по второй главе 56
- Заключение 57
- Библиография 59
- Приложение 1. 61
- Приложение 2. 63
ВВЕДЕНИЕ
обучение информатика мультимедийный технология
Актуальность проблемы исследования. В настоящее время главное направление российского образования - обеспечить качество образования. Человечество, в своей деятельности постоянно работая с различными объектами, выделяют характерные для него свойства. Умение выделять схожие и различные свойства объектов позволяет создавать классификации объектов, что в свою очередь учит мыслить структурно. Применение компьютера в качестве нового динамичного, развивающего средства обучения - главная отличительная особенность компьютерного планирования. Использование компьютера, и его программного обеспечения обучающего характера позволяет разнообразить и углубить учебный процесс, что благотворно сказывается на эффективности обучения.
Необходимость внедрения новых информационных технологий в учебный процесс не вызывает сомнений. Современное общество характеризует процесс активного использования информационного ресурса в качестве общественного продукта в условиях функционирования всемирной информационной сети, которая позволяет обеспечить доступ к информации без каких-либо существенных ограничений по объёму и скорости транслируемой информации.
Появление и широкое распространение технологий мультимедиа и Интернета позволяет использовать ИТ в качестве средства общения, воспитания, интеграции в мировое сообщество. Явно чувствуется и влияние информационных технологий на развитие личности, профессиональном самоопределении и самостановлении. Наглядный материал в обучении служит как бы внешней опорой внутренних действий, совершаемых учеником под руководством учителя в процессе овладения знаниями.
Введение в обучение наглядного материала должно учитывать по крайней мере два следующих психологических момента:
1) какую конкретную роль наглядный материал должен выполнять в усвоении;
2) в каком отношении находится предметное содержание данного наглядного материала к предмету, подлежащему осознанию и усвоению.
Цель работы: создание пакета демонстрационных материалов для учителя в виде программной разработки библиотеки процедур средствами Maple.
Объектом исследования является процесс обучения информатике в основной школе.
Предметом исследования является использование пакета Maple в преподавании информатики при изучении темы «Объекты и их свойства».
Гипотеза исследования: использование компьютерного математического пакета Maple позволит оптимизировать учебный процесс и улучшить усвоение материала при изучении темы «Объекты и их свойства».
Задачи исследования:
· провести анализ психолого-педагогической, научно-методической и учебной литературы;
· проанализировать современные учебные пособия по компьютерному математическому пакету Maple;
· ознакомиться с имеющимся опытом применения компьютерного математического пакета Maple в работе с учащимися;
ГЛАВА 1
ИНФОРМАЦИОННЫЕ И КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ШКОЛЬНОМ ОБРАЗОВАНИИ
§ 1.1 Сравнительный анализ инструментальных средств
Символьная, или, как еще говорят, компьютерная, математика либо компьютерная алгебра, -- большой раздел математического моделирования. Современные математические пакеты можно использовать и как обычный калькулятор, и как средства для упрощения выражений при решении каких-либо задач, и как генератор графики или даже звука! Стандартными стали также средства взаимодействия с Интернетом, и генерация HTML-страниц выполняется теперь прямо в процессе вычислений. Теперь можно решать задачу и одновременно публиковать для коллег ход ее решения на своей домашней странице.
Наиболее известными и приспособленными для математических символьных вычислений считаются Maple, MathCad, Mathematica и MatLab.
Спектр задач, решаемых подобными системами, очень широк:
· проведение математических исследований, требующих вычислений и аналитических выкладок;
· разработка и анализ алгоритмов;
· математическое моделирование и компьютерный эксперимент;
· анализ и обработка данных;
· визуализация, научная и инженерная графика;
· разработка графических и расчетных приложений [2].
Приведем сравнительный анализ отмеченных компьютерных математических пакетов.
Mathematica
Минимальные требования к системе:
· процессор Pentium II или выше;
· 128 Мбайт оперативной памяти (рекомендуется 256 Мбайт или больше);
· 400-550 Мбайт дискового пространства;
· операционные системы: Windows 98/Me/ NT 4.0/2000/2003 Server/2003x64/XP/XP x64.
Компания Wolfram Reseach, Inc., разработавшая систему компьютерной математики Mathematica, по праву считается старейшим и наиболее солидным игроком в этой области. Пакет Mathematica (текущая версия 5.2) повсеместно применяется при расчетах в современных научных исследованиях и получил широкую известность в научной и образовательной среде. Можно даже сказать, что Mathematica обладает значительной функциональной избыточностью (там, в частности, есть даже возможность для синтеза звука).
Система Mathematica сегодня рассматривается как мировой лидер среди компьютерных систем символьной математики для ПК, обеспечивающих не только возможности выполнения сложных численных расчетов с выводом их результатов в самом изысканном графическом виде, но и проведение особо трудоемких аналитических преобразований и вычислений. Версии системы под Windows имеют современный пользовательский интерфейс и позволяют готовить документы в форме Notebooks (записных книжек). Они объединяют исходные данные, описания алгоритмов решения задач, программ и результатов решения в самой разнообразной форме (математические формулы, числа, векторы, матрицы, таблицы и графики).
С самого начала большое внимание уделялось графике, в том числе динамической, и даже возможностям мультимедиа -- воспроизведению динамической анимации и синтезу звуков. Набор функций графики и изменяющих их действие опций очень широк. Графика всегда была сильной стороной различных версий системы Mathematica и обеспечивала им лидерство среди систем компьютерной математики.
Центральное место в системах класса Mathematica занимает машинно-независимое ядро математических операций, которое позволяет переносить систему на различные компьютерные платформы. Для переноса системы на другую компьютерную платформу используется программный интерфейсный процессор Front End. Именно он определяет, какой вид имеет пользовательский интерфейс системы, то есть интерфейсные процессоры систем Mathematica для других платформ могут обладать своими нюансами. Ядро сделано достаточно компактным для того, чтобы можно было очень быстро вызвать из него любую функцию. Для расширения набора функций служат библиотека (Library) и набор пакетов расширения (Add-on Packages). Пакеты расширений готовятся на собственном языке программирования систем Mathematica и являются главным средством для развития возможностей системы и их адаптации к решению конкретных классов задач пользователя. Кроме того, системы имеют встроенную электронную справочную систему -- Help, которая содержит электронные книги с реальными примерами [4].
Таким образом, Mathematica -- это, с одной стороны, типичная система программирования на базе одного из самых мощных проблемноориентированных языков функционального программирования высокого уровня, предназначенная для решения различных задач (в том числе и математических), а с другой -- интерактивная система для решения большинства математических задач в диалоговом режиме без традиционного программирования. Mathematica как система программирования имеет все возможности для разработки и создания практически любых управляющих структур, организации ввода-вывода, работы с системными функциями и обслуживания любых периферийных устройств, а с помощью пакетов расширения (Add-ons) появляется возможность подстраиваться под запросы любого пользователя.
К недостаткам системы Mathematica следует отнести разве что весьма необычный язык программирования, обращение к которому, впрочем, облегчает подробная система помощи.
Maple
Минимальные требования к системе:
* процессор Pentium III 650 МГц;
* 128 Мбайт оперативной памяти (рекомендуется 256 Мбайт);
* 400 Мбайт дискового пространства;
* операционные системы: Windows NT 4 (SP5)/98/ME/2000/2003 Server/XP Pro/XP Home.
Программа Maple (текущая версия 10.02) -- своего рода патриарх в семействе систем символьной математики и до сих пор является одним из лидеров среди универсальных систем символьных вычислений. Она предоставляет пользователю удобную интеллектуальную среду для математических исследований любого уровня и пользуется особой популярностью в научной среде. Отметим, что символьный анализатор программы Maple является наиболее сильной частью этого ПО, поэтому именно он был позаимствован и включен в ряд других пакетов, таких как MathCad и MatLab, а также в состав пакетов для подготовки научных публикаций Scientific WorkPlace и Math Office for Word.
Пакет Maple -- совместная разработка Университета Ватерлоо (шт. Онтарио, Канада) и Высшей технической школы (ETHZ, Цюрих, Швейцария). Для его продажи была создана специальная компания -- Waterloo Maple, Inc., которая, к сожалению, больше прославилась математической проработкой своего проекта, чем уровнем его коммерческой реализации. В результате система Maple ранее была доступна преимущественно узкому кругу профессионалов. Сейчас эта компания работает совместно с более преуспевающей в коммерции и в проработке пользовательского интерфейса математических систем фирмой MathSoft, Inc. -- создательницей весьма популярных и массовых систем для численных расчетов MathCad, ставших международным стандартом для технических вычислений.
Maple предоставляет удобную среду для компьютерных экспериментов, в ходе которых пробуются различные подходы к задаче, анализируются частные решения, а при необходимости программирования отбираются требующие особой скорости фрагменты. Пакет позволяет создавать интегрированные среды с участием других систем и универсальных языков программирования высокого уровня. Когда расчеты произведены и требуется оформить результаты, то можно использовать средства этого пакета для визуализации данных и подготовки иллюстраций для публикации. Для завершения работы остается подготовить печатный материал (отчет, статью, книгу) прямо в среде Maple, а затем можно приступать к очередному исследованию. Работа проходит интерактивно -- пользователь вводит команды и тут же видит на экране результат их выполнения. При этом пакет Maple совсем не похож на традиционную среду программирования, где требуется жесткая формализация всех переменных и действий с ними. Здесь же автоматически обеспечивается выбор подходящих типов переменных и проверяется корректность выполнения операций, так что в общем случае не требуется описания переменных и строгой формализации записи.
Пакет Maple состоит из ядра (процедур, написанных на языке С и хорошо оптимизированных), библиотеки, написанной на Maple-языке, и развитого внешнего интерфейса. Ядро выполняет большинство базовых операций, а библиотека содержит множество команд -- процедур, выполняемых в режиме интерпретации. Интерфейс Maple основан на концепции рабочего поля (worksheet) или документа, содержащего строки ввода-вывода и текст, а также графику. Работа с пакетом происходит в режиме интерпретатора. В строке ввода пользователь задает команду, нажимает клавишу Enter и получает результат -- строку (или строки) вывода либо сообщение об ошибочно введенной команде. Тут же выдается приглашение вводить новую команду и т.д.
Систему Maple можно использовать и на самом элементарном уровне ее возможностей -- как очень мощный калькулятор для вычислений по заданным формулам, но главным ее достоинством является способность выполнять арифметические действия в символьном виде, то есть так, как это делает человек. При работе с дробями и корнями программа не приводит их в процессе вычислений к десятичному виду, а производит необходимые сокращения и преобразования в столбик, что позволяет избежать ошибок при округлении. Для работы с десятичными эквивалентами в системе Maple имеется специальная команда, аппроксимирующая значение выражения в формате чисел с плавающей запятой. Система Maple вычисляет конечные и бесконечные суммы и произведения, выполняет вычислительные операции с комплексными числами, легко приводит комплексное число к числу в полярных координатах, вычисляет числовые значения элементарных функций, а также знает много специальных функций и математических констант (таких, например, как «е» и «р»).
Система Maple предлагает различные способы представления, сокращения и преобразования выражений, например такие операции, как упрощение и разложение на множители алгебраических выражений и приведение их к различному виду. Таким образом, Maple можно использовать для решения уравнений и систем. Система Maple поддерживает как двумерную, так и трехмерную графику. Таким образом, можно представить явные, неявные и параметрические функции, а также многомерные функции и просто наборы данных в графическом виде и визуально искать закономерности.
Maple может строить поверхности и кривые в трехмерном представлении, включая поверхности, заданные явной и параметрической функциями, а также решениями дифференциальных уравнений. При этом представлять можно не только в статическом виде, но и в виде двух- или трехмерной анимации. Эту особенность системы можно использовать для отображения процессов, протекающих в режиме реального времени. Система Maple использует процедурный язык 4-го поколения (4GL). Этот язык специально предназначен для быстрой разработки математических подпрограмм и пользовательских приложений. Синтаксис данного языка аналогичен синтаксису универсальных языков высокого уровня: C, Fortran, Basic и Pascal.
Maple может генерировать код, совместимый с такими языками программирования, как Fortran или C, и с языком набора текста LaTeX, который пользуется большой популярностью в научном мире и применяется для оформления публикаций. Одно из преимуществ этого свойства -- способность обеспечивать доступ к специализированным числовым программам, максимально ускоряющим решение сложных задач. Например, используя систему Maple, можно разработать определенную математическую модель, а затем с ее помощью сгенерировать код на языке C, соответствующий этой модели. Язык 4GL, специально оптимизированный для разработки математических приложений, позволяет сократить процесс разработки, а настроить пользовательский интерфейс помогают элементы Maplets или документы Maple со встроенными графическими компонентами.
Последние версии Maple, помимо дополнительных алгоритмов и методов решения математических задач, получили более удобный графический интерфейс, продвинутые инструменты визуализации и построения графиков, а также дополнительные средства программирования (в том числе по совместимости с универсальными языками программирования). Начиная с девятой версии в пакет был добавлен импорт документов из программы Mathematica, а в справочную систему были введены определения математических и инженерных понятий и расширена навигация по страницам справки. Кроме того, было повышено полиграфическое качество формул, особенно при форматировании больших и сложных выражений, а также значительно сокращен размер MW-файлов для хранения рабочих документов Maple. Ядро символьных вычислений Maple уже включено в состав целого ряда систем компьютерной математики -- от систем для широкого круга пользователей типа MathCad до одной из лучших систем для численных расчетов и моделирования MatLab.
Все эти возможности в сочетании с прекрасно выполненным и удобным пользовательским интерфейсом и мощной справочной системой делают Maple первоклассной программной средой для решения самых разнообразных математических задач, способной оказать пользователям действенную помощь в решении учебных и реальных научно-технических задач.
MatLab
Минимальные требования к системе:
· процессор Pentium III, 4, Xeon, Pentium M; AMD Athlon, Athlon XP, Athlon MP;
· 256 Мбайт оперативной памяти (рекомендуется 512 Мбайт);
· 400 Мбайт дискового пространства (только для самой системы MatLab и ее Help);
· операционная система Microsoft Windows 2000 (SP3)/XP.
Система MatLab относится к среднему уровню продуктов, предназначенных для символьной математики, но рассчитана на широкое применение в сфере CAE (то есть сильна и в других областях). MatLab -- одна из старейших, тщательно проработанных и проверенных временем систем автоматизации математических расчетов, построенная на расширенном представлении и применении матричных операций. Это нашло отражение и в самом названии системы -- MATrix LABoratory, то есть матричная лаборатория. Однако синтаксис языка программирования системы продуман настолько тщательно, что данная ориентация почти не ощущается теми пользователями, которых не интересуют непосредственно матричные вычисления.
Несмотря на то что изначально MatLab предназначалась исключительно для вычислений, в процессе эволюции (а сейчас выпущена уже версия 7), в дополнение к прекрасным вычислительным средствам, у фирмы Waterloo Maple по лицензии для MatLab было приобретено ядро символьных преобразований, а также появились библиотеки, которые обеспечивают в MatLab уникальные для математических пакетов функции. Например, широко известная библиотека Simulink, реализуя принцип визуального программирования, позволяет построить логическую схему сложной системы управления из одних только стандартных блоков, не написав при этом ни строчки кода. После конструирования такой схемы можно детально проанализировать ее работу.
В системе MatLab также существуют широкие возможности для программирования. Ее библиотека C Math (компилятор MatLab) является объектной и содержит свыше 300 процедур обработки данных на языке C. Внутри пакета можно использовать как процедуры самой MatLab, так и стандартные процедуры языка C, что делает этот инструмент мощнейшим подспорьем при разработке приложений (используя компилятор C Math, можно встраивать любые процедуры MatLab в готовые приложения).
Для визуализации моделирования система MatLab имеет библиотеку Image Processing Toolbox, которая обеспечивает широкий спектр функций, поддерживающих визуализацию проводимых вычислений непосредственно из среды MatLab, увеличение и анализ, а также возможность построения алгоритмов обработки изображений. Усовершенствованные методы графической библиотеки в соединении с языком программирования MatLab обеспечивают открытую расширяемую систему, которая может быть использована для создания специальных приложений, пригодных для обработки графики.
Таким образом, систему MatLab можно использовать для обработки изображений, сконструировав собственные алгоритмы, которые будут работать с массивами графики как с матрицами данных. Поскольку язык MatLab оптимизирован для работы с матрицами, в результате обеспечивается простота использования, высокая скорость и экономичность проведения операций над изображениями.
Из недостатков системы MatLab можно отметить невысокую интегрированность среды (очень много окон, с которыми лучше работать на двух мониторах), не очень внятную справочную систему (а между тем объем фирменной документации достигает почти 5 тыс. страниц, что делает ее трудно обозримой) и специфический редактор кода MatLab-программ. Сегодня система MatLab широко используется в технике, науке и образовании, но все-таки она больше подходит для анализа данных и организации вычислений, нежели для чисто математических выкладок.
Поэтому для проведения аналитических преобразований в MatLab используется ядро символьных преобразований Maple, а из Maple для численных расчетов можно обращаться к MatLab. Ведь недаром символьная математика Maple вошла составной частью в целый ряд современных пакетов, а численный анализ от MatLab и наборы инструментов (Toolboxes) уникальны. Тем не менее математические пакеты Maple и MatLab -- это интеллектуальные лидеры в своих классах, это образцы, определяющие развитие компьютерной математики.
MathCad
Минимальные требования к системе:
· процессор Pentium II или выше;
· 128 Мбайт оперативной памяти (рекомендуется 256 Мбайт или больше);
· 200-400 Мбайт дискового пространства;
· операционные системы: Windows 98/Me/NT 4.0/2000/XP.
В отличие от мощного и ориентированного на высокоэффективные вычисления при анализе данных пакета MatLab, программа MathCad (текущая версия 13) -- это, скорее, простой, но продвинутый редактор математических текстов с широкими возможностями символьных вычислений и прекрасным интерфейсом. MathCad не имеет языка программирования как такового, а движок символьных вычислений заимствован из пакета Maple. Зато интерфейс программы MathCad очень простой, а возможности визуализации богатые. Все вычисления здесь осуществляются на уровне визуальной записи выражений в общеупотребительной математической форме. Пакет имеет хорошие подсказки, подробную документацию, функцию обучения использованию, целый ряд дополнительных модулей и приличную техническую поддержку производителя (как можно видеть по версии продукта, обновление этой программы происходит чаще, чем других, упомянутых в этом обзоре, хотя год выпуска первой версии у них примерно один и тот же -- 1996-1997 годы). Однако пока математические возможности MathCad в области компьютерной алгебры намного уступают системам Maple, Mathematica, MatLab и даже малютке Derive. Однако по программе MathCad выпущено много книг и обучающих курсов, в том числе у нас в России. Сегодня эта система стала буквально международным стандартом для технических вычислений и даже многие школьники осваивают и используют MathCad.
Для небольшого объема вычислений MathCad идеален -- здесь все можно проделать очень быстро и эффективно, а затем оформить работу в привычном виде (MathCad предоставляет широкие возможности для оформления результатов, вплоть до публикации в Интернете). Пакет имеет удобные возможности импорта/экспорта данных. Например, можно работать с электронными таблицами Microsoft Excel прямо внутри MathCad-документа. В общем, MathCad -- это очень простая и удобная программа, которую можно рекомендовать широкому кругу пользователей, в том числе не очень сведущих в математике, а особенно тем, кто только постигает ее азы.
Несмотря на то что в области компьютерной математики не наблюдается такого разнообразия, как, скажем, в среде компьютерной графики, за видимой ограниченностью рынка математических программ скрываются их поистине безграничные возможности. Как правило, CAE-системы охватывают практически все области математики и инженерных расчетов. Когда-то системы символьной математики были ориентированы исключительно на узкий круг профессионалов и работали на больших компьютерах (мэйнфреймах). Но с появлением ПК эти системы были переработаны под них и доведены до уровня массовых серийных программных систем. Сейчас на рынке сосуществуют системы символьной математики самого разного калибра -- от рассчитанной на широкий круг потребителей системы MathCad до компьютерных монстров Mathematica, MatLab и Maple, имеющих тысячи встроенных и библиотечных функций, широкие возможности графической визуализации вычислений и развитые средства для подготовки документации.
Отметим, что практически все эти системы работают не только на персональных компьютерах, оснащенных популярными операционными системами Windows, но и под управлением операционных системы Linux, UNIX, Mac OS, а также на КПК. Они давно знакомы пользователям и широко распространены на всех платформах -- от наладонника до суперкомпьютера.
§ 1.2 Некоторые сведения об инструментальном средстве Maple
Система аналитических вычислений Maple - интерактивная система. В данном случае это означает, что пользователь вводит команду или оператор языка Maple в области ввода рабочего листа и, нажав клавишу <Enter>, сразу же передает ее аналитическому анализатору системы, который выполняет ее. При правильном введении команды в области вывода появляется результат выполнения этой команды, если команда содержит синтаксические ошибки или ошибки выполнения, система печатает сообщение об этом. Если ошибку надо исправить, то следует вернуться к оператору, откорректировать его и снова выполнить. Выполнив введенную команду, система ожидает очередной команды от пользователя. Можно вернуться в любой момент к любой команде или оператору на рабочем листе, подкорректировать его и снова выполнить. Однако, если на рабочем листе есть команда, использующая результат вновь вычисленной, то ее следует также снова вычислить, установив на нее курсор, и, нажав клавишу <Enter>, а если таких команд много, то можно выполнить команду графического интерфейса Edit Execute Worksheet для повторного вычисления всех команд рабочего листа.
Каждый оператор или команда обязательно завершаются разделительным знаком. Таких знаков в системе Maple два - точка с запятой (;) и двоеточие (:). Если предложение завершается точкой с запятой, то оно вычисляется, а в области вывода отображается результат. При использовании двоеточия в качестве разделителя команда выполняется, но результаты ее работы не отображаются в области вывода рабочего листа. Это удобно, например, при программировании в Maple, когда нет необходимости в выводе каких-то промежуточных результатов, получаемых из операторов цикла, так как вывод этих результатов может занять много места на рабочем листе, да и может потребоваться значительное количество времени на их отображение.
Здесь и далее для команд Maple используется запись в форме синтаксиса языка Maple. Если при выполнении примеров возникает желание отображать команды в математической нотации, то следует командой Options Input Display Standard Math Notation установить соответствующий режим отображения.
В Maple реализован свой язык, с помощью которого происходит общение пользователя с системой. Базовыми понятиями являются объекты и переменные, из которых с помощью допустимых математических операций составляются выражения.
Простейшими объектами, с которыми может работать Maple, являются числа, константы и строки.
Числа в системе Maple могут быть следующих типов: целые, обыкновенные дроби, радикалы, числа с плавающей точкой и комплексные. Первые три типа чисел позволяют выполнять точные вычисления (без округлений) разнообразных математических выражений, реализуя точную арифметику. Числа с плавающей точкой являются приближенными, в которых число значащих цифр ограничено. Эти числа служат для приближения (или аппроксимации) точных чисел Maple. Комплексные числа могут быть как точными, если действительная и мнимая части представлены точными числами, так и приближенными, если при задании действительной и мнимой частей комплексного числа используются числа с плавающей точкой.
Целые числа задаются в виде последовательности цифр от 0 до 9. Отрицательные числа задаются со знаком минус (-) перед числом, нули перед первой ненулевой цифрой являются не значащими и не влияют на величину целого числа. Система Maple может работать с целыми числами произвольной величины, количество цифр практически ограничено числом 228. Вычисления с целыми числами реализуют четыре арифметических действия (сложение +, вычитание -, умножение , деление /) и вычисление факториала (!).
Maple представляет большое целое число, которое не помещается в строке области вывода используя символ обратного слэша (\) в качестве символа продолжения вывода на следующей строке.
В Maple имеется достаточно большой набор команд, позволяющих выполнить действия, специфичные при обработке целых чисел: разложение на простые множители (ifactor), вычисление частного (iquo) и остатка (irem) при выполнении операции целого деления, нахождения наибольшего общего делителя двух целых чисел (igcd), выполнение проверки, является ли целое число простым (isprime) и многое другое.
Набрав в области ввода рабочего листа команду ?integer, можно получить список всех команд для работы с целыми числами [6].
Обыкновенные дроби задаются с помощью операции деления двух целых чисел. Заметим, что Maple автоматически производит операцию сокращения дробей. Над обыкновенными дробями можно выполнять все основные арифметические операции.
Если при задании дроби ее знаменатель сокращается, то такая «дробь» трактуется системой Maple как целое число.
Часто представление результата в виде обыкновенной дроби не совсем удобно, и возникает задача преобразования ее в десятичную дробь. Для этого используется команда evalf(), которая аппроксимирует обыкновенную дробь числами с плавающей точкой, используя десять значащих цифр в мантиссе их представления. Если точность по умолчанию не достаточна, то ее можно задать вторым параметром указанной функции.
Дробь и ее десятичное представление не являются идентичными объектами Maple. Десятичное представление всего лишь аппроксимация точной величины, представленной обыкновенной дробью.
Радикалы задаются как результат возведения в дробную степень целых или дробных чисел, или вычисления из них же квадратного корня функцией sqrt(), или вычисления корня n_ой степени с помощью функции surd (число, n). Операция возведения в степень задается символом ^ или последовательностью из двух звездочек (**). При возведении в степень дробей их следует заключать в круглые скобки, как, впрочем, и дробный показатель степени. При задании радикалов также производятся возможные упрощения, связанные с вынесением из-под знака радикала максимально возможной величины.
Вычисления с целыми, дробями и радикалами являются абсолютно точными, поскольку при работе с этими типами данных программа Maple не производит никаких округлений в отличие от чисел с плавающей точкой.
Числа с плавающей точкой задаются в виде целой и дробной частей, разделенных десятичной точкой, с предшествующим знаком числа, например, 3.4567, -3.415. Числа с плавающей точкой можно задавать, используя так называемую экспоненциальную форму записи, в которой сразу же после вещественного числа с плавающей точкой или обычного целого, называемого мантиссой, ставится символ е, после которого задается целое число со знаком (показатель степени). Такая форма записи означает, что мантиссу следует умножить на десять в степени числа, соответствующего показателю степени, чтобы получить значение числа, записанного в такой экспоненциальной форме. Например, 2.345е4 соответствует числу 23450.0. Таким образом, можно представлять очень большие по абсолютному значению числа (показатель степени положительное число) или очень маленькие (показатель степени отрицательное число).
Из чисел составляются математические выражения с помощью арифметических операций. Символы арифметических операций в Maple перечислены в табл. 1.
Таблица 1
Арифметические операции
Символ |
Операция |
|
- |
Вычитание |
|
+ |
Сложение |
|
/ |
Деление |
|
* |
Умножение |
|
^ или ** |
Возведение в степень |
|
! |
Факториал (применим только к целым неотрицательным числам) |
Последовательность выполнения арифметических операций соответствует стандартным правилам старшинства операций в математике: сначала производится возведение в степень, затем умножение и деление, а в конце - сложение и вычитание. Все действия выполняются слева направо. Операция вычисления факториала имеет наибольший приоритет. Для изменения последовательности арифметических операций следует использовать круглые скобки.
Если все числа в выражении являются целыми, дробями или радикалами, то результат представляется также с использованием этих типов данных, но если в выражении присутствует число с плавающей точкой, то результатом вычисления такого «смешанного» выражения будет также число с плавающей точкой, если только в выражении не присутствует радикал. В этом случае радикал вычисляется точно, а коэффициент при нем вычисляется либо точно, либо в виде числа с плавающей точкой в зависимости от типа сомножителей.
Система аналитических вычислений Maple всегда пытается произвести вычисления с абсолютной точностью. Если это не получается, тогда подключается арифметика с вещественными числами.
Maple умеет работать и с комплексными числами. Для мнимой единицы в Maple используется константа I. Задание комплексного числа не отличается от его обычного задания в математике.
Кроме чисел, задаваемых пользователем, в Maple содержится целый ряд предопределенных именованных констант - констант, к значению которых можно обращаться с помощью некоторого имени. Часть этих констант не может быть изменена, а часть можно изменять. Неизменяемые константы представлены в табл. 2.
Таблица 2
Неизменяемые константы
Константа |
Значение |
|
Catalan |
Число, являющееся суммой ряда , приближенно равно 0.9159655942… |
|
false |
Значение «ложь» при работе с булевскими переменными |
|
true |
Значение «истина» при работе с булевскими переменными |
|
FAIL |
Используется в качестве третьего значения при вычислении функций трехзначной логики |
|
gamma |
Константа Эйлера |
|
Pi |
Число |
|
I |
Мнимая единица |
|
infinity |
Бесконечность |
Константы, значения которых могут быть переопределены, - это константы, задающие необходимые для работы программы параметры. Наиболее важным являются две константы, которые влияют на точность вычислений: Digits и Order. Константа Digits задает число значащих цифр для операций с числами с плавающей точкой. По умолчанию она имеет значение 10. Константа Order определяет количество членов в разложении функции в ряд Тейлора (по умолчанию установлена равной 6).
Посмотреть все константы, определенные в Maple, можно, выполнив команду ?ininame. Кроме перечисляемых на странице Справки констант все переменные, имена которых начинаются с _Env, по умолчанию являются системными константами Maple.
Cтрока - любой набор символов, заключенный в двойные кавычки, например, «Длинные строки в Maple». Каждый символ в строке представляет самого себя. Длина строки в Maple практически не ограничена и может достигать на 32_битных компьютерах длины в 268 435 439 символов.
При определении строк следует внимательно следить за ограничивающими двойными кавычками и не задавать вместо них одинарные или обратные. Первые определяют режим отложенных вычислений для выражения, а вторые задают символическое имя, которое можно использовать как переменную.
Если необходимо, чтобы в строке присутствовали двойные кавычки, то следует поместить в строку идущие подряд две двойные кавычки или скрыть их основное назначение с помощью символа обратной наклонной черты (\). При этом в области вывода и пара двойных кавычек, и двойные кавычки с предшествующей обратной наклонной чертой отображаются как пара символов \». Однако интерпретатором Maple эта пара символов рассматривается как один символ двойных кавычек, в чем можно убедиться, выполнив команду length (), подсчитывающую количество символов в строке.
Если идут подряд две строки, разделенные символами-разделителями (пробел, табуляция или переход на новую строку), то эти две строки соединяются в одну, причем значение второй без пробела пристраивается в конец первой строки.
Переменные, неизвестные и выражения
Одни лишь числовые выражения не позволяют использовать всю мощь аналитических вычислений Maple. Для освоения всех возможностей Maple необходимо знакомство с переменными и неизвестными величинами. В переменных можно хранить вычисленные значения функций и символьных выражений. Неизвестные величины представляют собой обычные математические неизвестные, когда мы решаем задачу на листке бумаги, и используются для задания символьных выражений Maple.
Каждая переменная Maple имеет имя, представляющее последовательность латинских символов, начинающихся с буквы, причем строчные и прописные буквы считаются различными. Кроме букв в именах переменных могут использоваться также цифры и знак подчеркивания, однако первым символом в имени должна быть буква. Примеры различных имен:
MyName, myname, my_name
В именах переменных можно использовать и буквы национального алфавита, в частности русского. Однако необходимо заметить, что в математике все-таки принято использовать латинский и греческий алфавиты.
В качестве имен запрещено использовать зарезервированные слова языка Maple (табл. 3):
Таблица 3
Зарезервированные слова языка Maple
and |
end |
in |
od |
save |
|
break |
error |
intersect |
option |
stop |
|
by |
export |
local |
options |
then |
|
catch |
fi |
minus |
or |
to |
|
description |
finally |
mod |
proc |
try |
|
do |
for |
module |
quit |
union |
|
done |
from |
next |
read |
use |
|
elif |
global |
not |
return |
while |
|
else |
if |
Нельзя также использовать так называемые защищенные слова Maple, к которым, в частности, относятся имена неизменяемых констант. Попытка присвоить такому имени какое-либо значение приводит к ошибке:
> Catalan:=7;
Error, attempting to assign to `Catalan` which is protected
Ошибка, попытка присвоить значение защищенному символу `Catalan`
Узнать о защищенных именах можно, отобразив страницу Справки командой ?protect. Можно задавать переменные с именами, содержащими пробелы, но для этого их следует заключать в обратные кавычки.
Вообще, любое правильное имя также можно заключить в обратные кавычки и от этого ничего страшного не произойдет, так как основное действие обратных кавычек (семантика) заключается в создании символического имени (в Maple этот объект имеет тип symbol).
Выражение - это комбинация имен переменных, чисел и, возможно, других объектов Maple, соединенных знаками допустимых операций. Единственным предназначением выражения является его вычисление и получение некоего результата, который можно использовать в операторах языка Maple при дальнейших вычислениях.
Если в выражении используется переменная, которой не присвоено никакого числового или строкового значения, то такая переменная рассматривается системой Maple как некая неизвестная величина, а выражение, содержащее неизвестные, называется символьным выражением. Именно для работы с такими выражениями прежде всего и разрабатывался Maple.
Обратите внимание, Maple в области вывода действительно печатает неизвестные переменные как простые математические неизвестные, имена которых соответствуют именам переменных.
Для работы с символьными выражениями существует огромное количество функций или команд. Основная деятельность пользователя Maple направлена на выполнение разнообразных преобразований с символьными выражениями [9].
Важной операцией в Maple, связанной с выражениями, является операция присваивания (:=). Она имеет следующий синтаксис:
переменная: = выражение;
Здесь в левой части задается имя переменной, а в правой части любое выражение, которое может быть числовым, символьным или просто другой переменной. Смысл этого оператора в том, что переменной в левой части присваивается значение выражения, стоящего в правой части. В дальнейшем, если будет необходимо использовать выражение из левой части операции присваивания, то достаточно сослаться на имя переменной, указанное в правой части операции.
С помощью переменных можно хранить и обрабатывать разнообразные типы данных, с которыми работает Maple. Мы уже знаем такие типы данных, как целый (integer), дробь (fraction), числовой вещественный с плавающей точкой (float) и строка (string). Кроме этих типов данных существует еще большое множество типов, необходимых для выполнения аналитических преобразований: функция (function), индексные данные (indexed), множество (set), список (list), ряды (series), последовательность выражений (exprseq) и некоторые другие. Перечисление всех допустимых типов данных Maple представлено в справочной странице, отображаемой командой ?type.
По умолчанию переменная Maple имеет тип symbol, представляющий символьную переменную, и ее значением является ее собственное имя. Поэтому простое объявление переменной m оператором m; приведет к отображению в области вывода рабочего листа имени этой переменной. При присвоении переменной какого-нибудь значения, ее тип изменяется на тип присвоенного ей значения. Наряду с числами переменные можно использовать для составления выражений. Все, сказанное выше о числовых выражениях и порядке их вычисления, относится и к выражениям, содержащим переменные.
В математических выражениях обычно используются разнообразные математические функции. В Maple имеется большой набор стандартных математических функций, как элементарных, так и специальных. В табл. 4 показаны основные математические функции и соответствующий им синтаксис Maple.
Таблица 4
Основные математические функции
Функция |
Синтаксис Maple |
Функция |
Синтаксис Maple |
||
ex |
exp(x) |
sqrt(x) |
|||
ln(x) |
ln(x) или log(x) |
abs(x) |
|||
|
log10 (x) |
sgn(x) |
signum(x) |
||
|
log[a] (x) |
n! |
n! |
Тригонометрические и гиперболические функции указаны в табл. 5. Отметим несоответствие записи некоторых функций в русскоязычной математической литературе и в англоязычной, например функции тангенса угла. Значения параметров тригонометрических функций задаются в радианах.
Таблица 5
Тригонометрические и гиперболические функции
Функция |
Синтаксис Maple |
Функция |
Синтаксис Maple |
||
sin(x) |
sin(x) |
sh(x) |
sinh(x) |
||
cos(x) |
cos(x) |
ch(x) |
cosh(x) |
||
tg(x) |
tan(x) |
th(x) |
tanh(x) |
||
sec(x) |
sec(x) |
sech(x) |
sech(x) |
||
cosec(x) |
csc(x) |
cosech(x) |
csch(x) |
||
ctg(x) |
cot(x) |
cth(x) |
coth(x) |
Задание обратных тригонометрических и обратных гиперболических функций представлено табл. 6.
Таблица 6
Обратные тригонометрические и гиперболические функции
Функция |
Синтаксис Maple |
Функция |
Синтаксис Maple |
||
arcsin(x) |
arcsin(x) |
arcsh(x) |
arcsinh(x) |
||
arccos(x) |
arccos(x) |
arcch(x) |
arccosh(x) |
||
arctg(x) |
arctan(x) |
arcth(x) |
arctanh(x) |
||
arcsec(x) |
arcsec(x) |
arcsech(x) |
arcsech(x) |
||
arccosec(x) |
arccsc(x) |
arccosech(x) |
arccsch(x) |
||
arcctg(x) |
arccot(x) |
arccth(x) |
arccoth(x) |
Процедурами называют модули программы, имеющие самостоятельное значение. Определение процедуры Maple имеет следующий общий синтаксис:
proc (|список формальных параметров|)
|local список локальных параметров | |global список глобальных параметров| |option список опций| |description строка описания| последовательность операторов
end proc;
При объявлении процедуры единственным обязательным параметром является последовательность операторов, формирующих тело процедуры. Остальные параметры, определяющие локальные и глобальные переменные, список формальных параметров, задающие специальные опции режима выполнения процедуры и строку описания, могут полностью отсутствовать.
Параметры процедуры задаются перечислением имен переменных proc(x,n,a); с помощью знака :: после имени переменной можно определить ее тип proc(n::integer).
Процедуры вызываются указанием их имени со списком фактических параметров.
name(Фактические параметры);
Несоответствие фактических параметров типу заданных переменных ведет к сообщению об ошибке и к отказу от выполнения процедуры. Переменные, указанные в списке формальных параметров, являются локальными, т.е. их изменение происходит только в теле процедуры. Количество фактических параметров не обязательно должно быть равно количеству формальных параметров процедуры. Если их меньше, то ошибка при выполнении процедуры возникнет только тогда, когда при вычислении тела процедуры действительно потребуется значение этого отсутствующего параметра. Если фактических параметров больше, чем формальных, то никакой ошибки не будет сгенерировано - дополнительные параметры будут просто проигнорированы.
Иногда бывает необходимо, чтобы некоторые переменные после выполнения процедуры приняли значения, полученные в ходе ее выполнения. Тогда в процедуре эти переменные надо объявить глобальными. Это иллюстрирует следующий пример:
> a:=1;b:=1;
a := 1
b := 1
> fg:=proc(x,y) global a,b;
> a:=x^2;b:=y^2;
> return(sqrt(a+b));
> end;
fg := proc(x, y)
global a, b;
a := x^2; b := y^2; return(sqrt(a + b))
end
> fg(3,4);
5
> a;b;
9
16
Обычно процедура возвращает значение последнего выражения в ее теле. Для вывода какого-либо другого значения используют оператор возврата return.
Для создания своей библиотеки процедур прежде всего надо определить имя своей библиотеки, например mylib, и создать для нее на диске каталог с заданным именем. Процедуры в Maple ассоциируются с таблицами. Поэтому вначале надо задать таблицу-пустышку под будущие процедуры:
> restart;
> mylib:=tab1e():
mylib := table([])
Теперь надо ввести свои библиотечные процедуры. Они задаются с двойным именем -- вначале указывается имя библиотеки, а затем в квадратных скобках имя процедуры. Для примера зададим три простые процедуры с именами fl, f2 и f3:
> mylib[fl]:=proc(x: Anything) sin(x)+cos(x) end:
> mylib[f2]:=proc(x:anything) sin(x)^2+cos(x)^2 end:
> mylib[f3]:=proc(x::anything) if x=0 then 1 else sin(x)/x fi end:
С помощью функции with можно убедиться, что библиотека mylib действительно содержит только что введенные в нее процедуры. Их список должен появиться при обращении with (mylib):
> with(mylib);
[f1,f2,f3]
Теперь надо записать эту библиотеку под своим именем на диск с помощью команды save:
> save(mylib,`c:/mylib.m);
Обратите особое внимание на правильное задание полного имени файла. Обычно применяемый для указания пути знак \ в строках Maple-языка используется как знак продолжения строки. Поэтому надо использовать либо двойной знак \\, либо знак /. В нашем примере файл записан в корень диска С. Лучше поместить библиотечный файл в другую папку (например, в библиотеку, уже имеющуюся в составе системы), указан полный путь до нее.
После всего этого надо убедиться в том, что библиотечный файл записан. Для этого вначале следует командой restart устранить ранее введенные определения процедур:
> restart;
С помощью команды with можно убедиться в том, что этих определений уже нет:
> with(mylib):
Error, (in pacman:-pexports) mylib is not a package
После этого командой read надо загрузить библиотечный файл:
> read('c:/mylib.m');
Имя файла надо указывать по правилам, указанным для команды save. Если все выполнено пунктуально, то команда with должна показать наличие в вашей библиотеке списка процедур fl, f2 и f3:
> with(mylib):
[f1. f2. f3]
Описанный выше способ создания своей библиотеки вполне устроит большинство пользователей. Однако есть более сложный и более «продвинутый» способ ввода своей библиотеки в состав уже имеющейся. Для реализации этого Maple имеет следующие операции записи в библиотеку процедур s1, s2, ... и считывания их из файлов filel, file2, ...:
savelib(s1. s2, .... sn, filename)
readlib(f. file1. file2. ...)
К созданию своих библиотечных процедур надо относиться достаточно осторожно. Их применение лишает Maple-программы совместимости со стандартной версией Maple. Если вы используете одну-две процедуры, проще поместить их в те документы, в которых они действительно нужны. Иначе вы будете вынуждены к каждой своей программе прикладывать еще и библиотеку процедур. Она нередко оказывается большей по размеру, чем файл самого документа. Не всегда практично прицеплять маленький файл документа к большой библиотеке, большинство процедур которой, скорее всего, для данного документа попросту не нужны. Особенно рискованно изменять стандартную библиотеку Maple. [12]
§ 1.3 Мультимедийные технологии обучения информатики в школе
В последнее время создано много мультимедийных программных продуктов. Это и энциклопедии из самых разных областей жизни (история, искусство, география, биология, музыка) и обучающие программы (по иностранным языкам, физике, химии) и так далее. Дети и взрослые могут использовать мультимедиа как эффективное средство обучения. Это как простые программы, способные научить ребенка распознавать цвета, так и высокоинтеллектуальные, обучающие иностранным языкам или математическим законам.
Современная школа с ее проблемами заставляет думать о том, как сделать процесс обучения более результативным. Как учить так, чтобы ребенок проявлял интерес к знанию. Процесс модернизации школы требует формирования у школьников компетентности, которая предполагает умение самостоятельно получать знания, используя различные источники. Формированию компетентности учащихся способствуют современные педагогические технологии, к их числу относятся компьютерные и проектные технологии.
Подобные документы
Сравнительный анализ инструментальных средств AutoCad, MatLab, Maple и Mathematica. Педагогические подходы к обучению школьников основам программирования на уроках информатики, их алгоритмическая культура и разработка библиотеки процедур в среде Maple.
дипломная работа [154,4 K], добавлен 20.04.2011Место темы в школьном курсе информатики и ее содержание. Требования к заданиям для среднего школьного возраста по теме "Моделирование и формализация". Основные условия и факторы эффективного обучения учащихся 7 класса информационному моделированию.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 13.06.2013Язык программирования HTML: его мультимедийные и графические возможности. Требования к оформлению и созданию Web-сайтов. Методические разработки по изучению "Web конструирования" в школьном курсе информатики и информационно–коммуникационных технологий.
курсовая работа [40,7 K], добавлен 12.09.2012История и роль школьного предмета "Информатика". Общие вопросы изучения алгоритмизации и программирования в школьном курсе информатики. Основные методы преподавания темы "Основы алгоритмизации и программирования". Разработка урока по исследуемой теме.
курсовая работа [55,5 K], добавлен 22.11.2011Теоретические основы и анализ понятий информационного математического моделирования. Информационные технологии в обучении. Анализ подходов к обучению информационному моделированию в школьном курсе информатики. Элективные курсы в профильном обучении.
дипломная работа [439,5 K], добавлен 31.03.2011Историческое начало и элементы педагогической техники. Педагогическое разрешение и создание конфликта. Ознакомление с особенностями организации и проведения личностно-ориентированных и компьютерных телекоммуникаций в школьном курсе информатики.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 10.03.2012Основные методические особенности преподавания темы "Базы данных" в профилирующем курсе информатики. Проверка влияния разработанной системы задач по теме "Базы данных" в профильном курсе информатики на развитие познавательной активности учащихся.
дипломная работа [126,1 K], добавлен 31.03.2011Сущность и особенности изучения программного обеспечения ЭВМ в школьном курсе информатики. Характеристика основных устройств компьютера. Разработка учебного курса дисциплины "Основы информатики и вычислительной техники" в общеобразовательной школе.
курсовая работа [35,7 K], добавлен 26.11.2012Анализ учебных пособий по информатике: Угринович Н.Д., Макаров Н.В., Семакин И.Г. Методика преподавания темы "Циклы" в базовом курсе информатики. Применение методики построения алгоритмов по теме "Циклы" на конспекте урока и лабораторной работе.
курсовая работа [621,6 K], добавлен 07.07.2012Информационные технологии в процессе реформирования системы образования. Методы и приемы их использования. Дидактические свойства технологий. Интернет: принцип дистанционного обучения. Преимущества и недостатки информатизации образовательного процесса.
реферат [29,2 K], добавлен 09.06.2014