WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаПедагогіка, Сценарії виховних заходів → Застосування програмування при розв’язуванні творчих задач з фізики - Реферат

Застосування програмування при розв’язуванні творчих задач з фізики - Реферат

Реферат на тему:

Застосування програмування при розв'язуванні творчих задач з фізики

Розвиток творчих особливостей дитини потребує відповідної організації навчального процесу. Найбільш ефективно в існуючих суспільних умовах на думку авторів діє система "Школа – Мала Академія наук (МАН)", яку створено на базі Запорізького державного університету та фізико-математичного ліцею №105 м. Запоріжжя. Навчання відбувається таким чином, що на уроках бере початок "ланцюжок досліджень", до якого входять такі складові частини, як конкурси запитань, дискусії, домашні лабораторні роботи та досліди, створення моделей явищ, дослідження та оцінка результатів. Роботи, представлені на конкурси МАН мають всі ознаки справжніх досліджень. Накопичення дослідницьких робіт, виконаних у секціях МАН, дозволяє використовувати їх у навчанні з посиланням на юних авторів, що завжди надає особливого інтересу, викликає захоплення і бажання дітей займатися дослідженнями. Виникає внутрішня пізнавальна мотивація, навчання приносить задоволення.

Досить часто розв'язування творчих задач потребує застосування методів інформаційних технологій, зокрема програмування та комп'ютерного моделювання. Це ще більше підвищує інтерес до дослідження та призводить до природної інтеграції фізики, математики та інформатики. Покажемо це на прикладі роботи, яка була підготовлена ученицею 11-го класу ліцею №105 Гранішевською Інною під керівництвом авторів статті. Звичайна шкільна задача стала основою "дослідницького ланцюжка". Щоб дійти до суті проблеми, учениці довелося не тільки розібратися у положеннях теорії імовірностей, а й створити комп'ютерну модель та розв'язати задачу оптимізації. Розглянемо, як складався цей "ланцюжок дослідження".

На районній олімпіаді юних фізиків була запропонована задача, яка викликала інтерес актуальністю для пересічного пасажира громадського транспорту.

Задача. Людина може доїхати до пункту призначення тролейбусом або автобусом. Інтервал руху автобусів 10 хвилин, інтервал руху тролейбусів – 15 хвилин. Скільки хвилин у середньому доведеться чекати пасажирові будь-якого транспорту?

Члени журі оцінили відповідь хвилини як вірну, зауваживши, що коректно ця задача повинна розв'язуватись за допомогою теорії імовірностей.

При обмірковуванні та обговоренні цієї задачі було сформульовано такі цілі дослідження.

 Отримати відповідь задачі, застосовуючи теорію імовірностей.

 Дослідити, як треба відрегулювати сумісний графік руху транспорту, щоб пасажир чекав транспорт мінімальний час.

 Узагальнити задачу для довільної кількості транспортних засобів та розв'язати задачу оптимізації руху.

З
астосування методів теорії імовірностей дозволило не тільки підтвердити раніше отриману відповідь, а й встановити зв'язок між зміщенням у русі транспорту та середнім часом очікування. Було отримано оптимальне зміщення графіка руху , яке визначило мінімальний час очікування , що суттєво відрізняється від стандартної відповіді.

При цьому пасажири будуть витрачати у середньому мінімальний час, очікуючи транспорт

Таким чином, аналіз та дослідження розв'язку конкретної задачі для руху двох видів транспорту дозволив дійти до розв'язку задачі оптимізації за допомогою елементарної математики. З метою узагальнення задачі та наближення її до реальних умов було створено програму, що моделює очікування пасажира на зупинці при заданих графіках руху кількох видів транспорту. Окрім моделі, у цій програмі присутній блок, що дозволяє у автоматичному режимі перебрати ймовірні варіанти "зміщення" графіків руху транспорту у часі.

При оптимізації приймалося припущення, що відлік часу починається з початку руху останнього з описаних видів транспорту, тому "зміщення" графіку його руху завжди дорівнює 0. Зміщення початку руху інших видів транспорту задають співвідношення між моментами прибуття їх на зупинку. Таким чином, можна знайти варіант, при якому пасажири будуть у середньому за час моделювання очікувати транспорту менше часу, ніж у інших варіантах розкладу руху.

Під час моделювання вважається, що пасажири приходять на зупинку через випадкові, рівномірно розподілені інтервали часу. Це робиться для того, щоб уникнути збігу графіків приходу транспорту та пасажирів. Потім береться усереднене значення часу чекання пасажирами транспорту при кількох проходах моделювання.

Програма написана з використанням модуля імітаційного моделювання SIMPAS та викликає деякі його процедури.

Сама програма складається з кількох частин:

 Функція zup виконує один прохід моделювання при заданих параметрах та графіках руху транспорту.

 Функція fx усереднює значення функції zup, виконуючи її задану кількість разів.

 Процедура opt виконує перебір варіантів, вибираючи серед них найбільш прийнятний.

 Процедура MyInit ініціалізує модельне середовище, що необхідне для виконання моделювання.

 У головній програмі виконується ввід параметрів моделювання, виклик процедур ініціалізації та оптимізації, вивід результатів.

Після запуску програми користувач має відповісти на її питання щодо ситуації, у якій потрібно спланувати графіки руху транспорту:

 Input time of modeling: введіть час, на протязі якого виконуватиметься моделювання. Треба прийняти до уваги, що цей час прямо пов'язаний з часом виконання програми, але для нормальної роботи моделі він має бути не дуже малим

 Input number of kinds of transport (2-5): введіть кількість видів транспорту, графіки руху яких потрібно оптимізувати (від 2 до 5 видів транспорту)

 Input period of transport Nі, де і – номер виду транспорту: треба ввести запланований період руху транспорту і-го виду

Результати своєї роботи програма виводить у вигляді:

Average waiting time is t – середній час чекання дорівнює t

O
ptimal time of starting movement for transport Ni is xi – при початку руху і-го транспорту у момент xi

У задачі використовувалася модель, яка є звичайною для систем масового обслуговування. Зупиночний пункт приймався за місце обробки, пасажири та транспорт були об'єктами обробки. При цьому моделювалося, що пасажири після прибуття на зупинку стають до черги та очікують прибуття будь-якого з видів транспорту. Після прибуття транспорту на зупинку, у моделі передбачається посилання сигналу до пасажирів, що очікують на зупинці. Після прийняття сигналу пасажири виходять з черги та залишають зупинку. Транспорт теж залишає зупинку після подання сигналу. Черга у моделі існує для того, щоб обчислювати середній час очікування всіх пасажирів, що знаходилися на зупинці.

Розрахункові дані для трьох видів транспорту.

У таблиці наведені розрахункові дані для трьох видів транспорту. Зміщення третього виду транспорту прийнято . Зміщення другого виду транспорту відносно третього наведені у верхньому горизонтальному рядку таблиці. Зміщення першого виду транспорту відносно третього наведені у першому вертикальному стовпчику таблиці. Щоб визначити оптимальний час очікування транспорту, необхідно отримати перетин відповідних до та рядка та стовпчика. Наприклад для =3 та =6 (див. табл.)

Input time of modeling : 1000

Input period of transport N1 : 15

Input period of transport N2 : 10

Input period of transport N3 : 8

*****************************************************************************

  1. 0.0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000

0.000 2.664 2.488 2.512 2.436 2.565 2.604 2.568 2.449 2.538 2.505 2.666

1.500 2.522 2.529 2.593 2.440 2.508 2.448 2.603 2.553 2.543 2.435 2.525

3.000 2.510 2.423 2.555 2.597 2.568 2.441 2.512 2.487 2.661 2.487 2.500

4.500 2.593 2.437 2.479 2.431 2.606 2.521 2.522 2.419 2.518 2.513 2.584

6.000 2.559 2.575 2.556 2.431 2.509 2.496 2.667 2.487 2.503 2.432 2.556

7.500 2.499 2.444 2.608 2.526 2.516 2.434 2.537 2.550 2.603 2.453 2.505

9.000 2.583 2.446 2.530 2.499 2.678 2.493 2.522 2.454 2.582 2.618 2.579

10.500 2.595 2.532 2.529 2.420 2.509 2.518 2.608 2.462 2.500 2.457 2.593

12.000 2.513 2.474 2.659 2.479 2.500 2.437 2.567 2.603 2.567 2.444 2.505

13.500 2.525 2.410 2.512 2.507 2.593 2.445 2.506 2.450 2.602 2.539 2.520

15.000 2.664 2.490 2.512 2.426 2.566 2.590 2.579 2.443 2.530 2.499 2.669

Таким чином, у результаті досить довготривалої пізнавальної діяльності навчальну шкільну задачу узагальнено та наближено до реальності, а саме:

 методами теорії імовірностей проведено аналіз розв'язку конкретної задачі, пов'язаної з оптимізацією графіку руху транспорту;

 оцінено середній мінімальний проміжок часу очікування транспорту;

 доведено, що середній час очікування залежить від зміщення графіків руху транспорту;

 створено програму, що виконує оптимізацію "зміщень" графіків руху кількох видів транспорту.

Розглянутий приклад учнівського дослідження є типовим для творчих робіт гуртківців нашої філії Малої Академії наук. При цьому інформатика та програмування виступають як у якості засобів інтеграції фізики та математики, так і у якості , так би мовити, активних суб'єктів інтеграції точних наук. Наш досвід показує надзвичайну ефективність такого об'єднання наукових методів для формування дослідницьких навиків у школярів, при чому інформаційні технології стають дійовим інструментом пізнавальної діяльності.

Loading...

 
 

Цікаве