1

Министерство образования Российской Федерации

Санкт - Петербургский государственный университет

Физический факультет

Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры радиофизики

УТВЕРЖДАЮ декан факультета ________________ А.С. Чирцов

Протокол от 14.11.2006 № 9 Заведующий кафедрой _____________________Н.Н.Зернов

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Введение в информатику»

Бакалавриат 010600 (ЕН.Ф.03) Направление «Прикладные математика и физика»

Разработчики: профессор, доктор физ.-мат. наук __________Ю.К. Стишков, доцент, кандидат физ.-мат. наук __________М. А. Павлейно

Рецензент:

доцент, кандидат физ.-мат. наук ___________А.Н. Пинегин

Санкт-Петербург 2006 г.

1. Организационно-методический раздел

1.1. Цель изучения дисциплины. Учебная дисциплина «Введение в информатику» посвящена изучению ос-нов информатики и вычислительной техники. Она естественным образом разделена на две части и содержит 26 различных тем. В первой части рас-сматриваются общие вопросы информатики. Изучаются информационные процессы в живой природе и ЭВМ, основные свойства информации, ин-терпретация данных, основные операции с данными, хранение и преобра-зование данных, кодирование информации, как способ ее представления, естественные языки, как способы кодирования, единицы измерения ин-формации, исчисление высказываний и операции булевой алгебры. Кроме того, в первой части рассматриваются следующие вопросы: основы архи-тектуры ПК, работа в операционных системах семейства Windows, компь-ютерные сети и INTERNET, работа с офисными приложениями (Word, Ex-cel, Power Point), работа с компьютерной графикой (на примере Adobe Pho-toshop). Во второй части студенты знакомятся с основами программирова-ния, изучают принципы написания программ, языки программирования, машинный код процессора, алгоритмы, компиляторы и интерпретаторы. Основное внимание уделено вопросам работы с некоторыми математиче-скими программами: MathCAD и MatLab (возможности пакетов, интер-фейс, типы данных, переменные, работа с матрицами, графиками, функ-циями, символьные вычисления, написание программ, обработка экспери-ментальных данных). Происходит знакомство с работой в пакетах конечно элементного моделирования ANSYS и FEMLAB. Рассматриваются воз-можности пакетов, их интерфейс, способы построения геометрических и дискретных моделей, задание свойств материалов, граничные условия и нагрузки, постпроцессорная обработка результатов, работа с файлами и ба-зами данных. Обучение проходит с разбором особенностей решения задач механики твердых тел, гидродинамики, теплофизики, расчета электриче-ских и магнитных полей. 1.2. Задачи дисциплины. Обучение бакалавров современным методам работы с информацией, пред-ставленной в символьном и графическом виде. По окончании данного кур-са студенты приобретают навыки пользователя ПК, осваивают работу с офисными приложениями, работу в Интернет и с электронной почтой. Кроме того, студенты осваивают работу в прикладных программах MathCad и MatLab и знакомятся с пакетом конечно элементного моделиро-вания ANSYS, осваивают основные положения и методы работы в универ-сальны системах компьютерного моделирования физических процессов. Освоение материала дисциплины «Введение в информатику» даст студен-ту возможность активного использования компьютера в дальнейшем про-цессе обучения и проведении самостоятельных исследований.

3

1.3. Место дисциплины в профессиональной подготовке выпускни-ка.

«Введение в информатику» является начальной дисциплиной блока дис-циплин по информационным технологиям бакалавриата направления «Прикладные математика и физика». К данному блоку относятся «Введе-ние в технологии компьютерного моделирования», «Компьютерная мате-матика в задачах электродинамики», «Физические основы методов обра-ботки и передачи информации» и ряд других дисциплин. 1.4. Требования к уровню освоения учебной дисциплины «Введение в информатику». Знать: основные свойства информации, единицы измерения информации, системы счисления, кодирование информации, основы логики высказыва-ний, классификацию компьютеров, программное и аппаратное обеспече-ние, состав вычислительной системы, периферийные устройства. В операционной системе WINDOWS: • Знать устройство файловой структуры, уметь выполнять основные опе-

рации с файлами, в том числе осуществлять навигацию с использова-нием стандартных средств WINDOWS; сохранять и считывать данные на винчестере, гибком, CD и CDRW дисках, на сервере и рабочих станциях локальной сети.

• Уметь производить основные настройки WINDOWS: настройки пара-метров рабочего стола, клавиатуры, монитора; настройки панели задач и меню «Пуск»; настройки вида папок, установку системного времени и т.д.

• Уметь пользоваться стандартными приложениями WINDOWS: Блокно-том, Калькулятором, редактором WordPad, графическим редактором Paint, проигрывателем Windows Media.

• Уметь пользоваться Internet и электронной почтой, использовать поис-ковые системы.

• Уметь устанавливать и удалять основные WINDOWS-приложения. В Microsoft Office: • Уметь работать в редакторе Word: набирать и форматировать тексты,

создавать рисунки, писать формулы с использованием Microsoft Equa-tion, создавать таблицы, импортировать объекты, созданные в других приложениях.

• Создавать презентации в Power Point с использованием эффектов ани-мации и звука. Импортировать в Power Point объекты из других прило-жений. Уметь использовать средства мультимедиа при докладе презен-таций.

• Проводить обработку данных при помощи электронных таблиц Excel. Проводить вычисления в Excel. Использовать формулы и функции. Проводить анализ данных, построение графиков и диаграмм в Excel.

В математическом пакете MathCAD:

4

• Выполнять действия с векторами и матрицами. Использовать встроен-ные в MathCAD элементарные функции.

• Проводить некоторые аналитические вычисления: дифференцирова-ние, интегрирование, вычисление пределов и сумм, разложение в ря-ды.

• Уметь пользоваться графическими возможностями MathCAD: строить графики в различных системах координат, редактировать графики, соз-давать анимационные файлы.

• Уметь проводить простейшую обработку экспериментальных данных. • Уметь использовать имеющиеся в MathCAD внутренние средства про-

граммирования: использовать условные операторы, операторы цикла, операторы прерывания и обработки ошибок и т. д.

• Редактировать MathCAD-документы, осуществлять операции импорта-экспорта объектов.

В математическом пакете MatLab: • Знать основные типы данных MatLab: DOUBLE, CHAR, STRUCT,

CELL. • Уметь работать в интерактивном режиме с использованием командного

окна и файлов-сценариев. Знать основные приемы работы с числовыми массивами, со строковыми переменными. Уметь использовать встро-енные функции MatLab для работы с данными этих типов.

• Использовать графические средства MatLab: строить двумерные и трехмерные графики.

• Писать собственные М-функции. Использовать при написании М-функций основные программные средства MatLab.

В конечноэлементном пакете ANSYS: • Уметь строить геометрические модели с использованием внутренних

средств ANSYS. Выполнять основные логические операции над гео-метрическими объектами.

• Создавать конечноэлементные модели с использованием алгоритмов построения как свободной, так и упорядоченной сетки. Реформировать созданные модели.

• Уметь задавать граничные условия для решения физических задач раз-личного типа.

• Уметь получать решение простых учебных задач механики твердых тел, гидродинамики, теории упругости и теплопроводности.

• Уметь визуализировать полученные результаты, в частности, строить контурные и векторные графики исследуемых величин, выводить дан-ные в различных сечениях трехмерных моделей, получать информацию об интересующих величинах вдоль заданных кривых.

• Обладать основными навыками работы с базами данных в ANSYS: со-хранение в базе данных геометрической и конечноэлементной моделей и решения, загрузка информации из базы данных. Уметь сохранять ин-формацию о модели и решении в виде графических и анимационных

5

файлов. 2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, про-

межуточного и итогового контроля 2.1. Объем дисциплины, виды учебной работы.

Всего аудиторных занятий 192 часа из них: - лекций 64 часа (ЕН.Ф.03) - практические занятия 128 часов (ЕН.Р.01) Самостоятельная работа студента (в том числе на курсовую работу по дисциплине)∗

28 часов (ЕН.Ф. 03), 20 часов (ЕН.Р. 01)

Итого (трудоемкость дисциплины) 92 часа (ЕН.Ф. 03), 148 часов (ЕН.Р. 01)

Изучение дисциплины по семе-страм:

1 семестр: лекции – 32 ч. (ЕН.Ф. 03), экзамен семинары - 64 ч. (ЕН.Р. 01), зачет 2 семестр: лекции - 32 ч. (ЕН.Ф. 03), экзамен

семинары - 64 ч. (ЕН.Р. 01), зачет

3. Содержание дисциплины 3.1. Темы лекций, краткое содержание Часть 1.

Тема 1. Информация, и ее основные свойства.

Сигналы различной физической природы как материальные носители информации. Информационные процессы в живой при-роде и ЭВМ. Основные свойства информации. Данные и алгорит-мы их обработки. Накопление данных и развитие методов их об-работки с развитием человечества. Информационный шум.

Разнообразие физических механизмов регистрации сигналов. Интерпретация данных. Невозможность формального определе-ния процесса интерпретации в общем случае. Зависимость про-цесса интерпретации от объективных и субъективных факторов. Ключевые позиции в наборах данных, их роль в процессе интер-претации. Формы представления данных.

Основные формы зрительных образов. Эволюция методов хранения и передачи информации. Основные операции с данны-ми. Хранение и преобразование данных. Требования, предъявляе-мые к устройствам хранения. Избыточность и помехоустойчи-

∗ При наличии по дисциплине курсовой работы, в разделе "Самостоятельная работа" указыва-ется среднее, ориентировочное время, необходимое студенту на выполнение курсовой работы.

6

вость. Единицы измерения информации. Компьютеризация обще-ства. Единство законов обработки информации в системах раз-личной природы (физических, экономических, биологических и т.п.).

Тема 2. Кодирование информации.

Системы счисления. История развития. Цифры. Позицион-ные и непозиционные системы счисления. Двоичная система, ее преимущества при использовании в ЭВМ. Арифметические опе-рации в двоичной системе. Перевод чисел из одной системы счис-ления в другую.

Кодирование информации, как способ ее представления. Ес-тественные языки, как способы кодирования. Основные форматы представления чисел в памяти компьютера. Кодирование чисел. Единицы измерения информации. Понятие машинного слова.

Кодирование текста. Мощность алфавита. Принцип последо-вательного кодирования алфавита. Разнообразие национальных кодировок. Кодирование русского текста (кириллицы). Причины появления нескольких таблиц кодировки кириллицы. Кодирова-ние графической информации. Растровые и векторные изображе-ния. Кодирование звука.

Адресные данные. Типы адресных данных. Понятие файла. Файловая структура. Форматы файлов, атрибуты.

Упорядочение структур данных. Иерархические структуры данных. Дихотомия данных.

Исчисление высказываний. Операторы Булевой алгебры и ее основные законы. Атомарные и составные высказывания. Закон исключения третьего. Импликация и эквивалентность. Приемы преобразования выражений.

Тема 3. История развития вычислительной техники.

Возникновение первых счетных устройств (абак и счетное устройство Непера), машина четырех действий Лейбница. Пер-вый пример программного управления (станок Жаккара). Маши-на Беббиджа.

Электромеханическая машина Холлерита, революция в ста-тистической обработке.

Машина Антнасоффа-Берри – первое счетное устройство на вакуумных трубках. Появление машины Марк-1. Предваритель-ный доклад о машине EDVAC. Машина ENIAС. «Кибернетика» Норберта Винера.

Развитие ЭВМ в СССР. Появление первых IBM PC. Современные процессоры. По-

явление Internet.

7

Тема 4. Основы архитектуры ПК.

Классификация компьютеров. Программное и аппаратное обеспечение. Программный принцип работы. Состав вычисли-тельной системы. Магистрально-модульный принцип. Системная шина. Разрядность шины данных (адресной шины, шины управ-ления). Система прерываний.

Системная плата, основные типы. BIOS. ПЗУ, основные ти-пы, флеш память. ОЗУ, его типы. Статическая и динамическая память. Синхронный и асинхронный способ доступа. Кэш память.

Порты ввода/вывода. LPT, COM, USB. Интерфейс SCSI, PCI. Видеоадаптер. Типы. Основные узлы. Интерфейсы. Накопители. Винчестеры, оптические диски, магнито-

оптические диски, флоппи диски, магнитные ленты, ZIP и Omega диски.

Монитор, типы, устройство. Разрешение объем видеопамяти. Принтеры (технология печати, разрешение, количество цветов). Другие периферийные устройства (сканер, клавиатура, мышь и т.д.).

Тема 5. Операционные системы персональных компьютеров.

Основные функции операционных систем. Классификация операционных систем (дисковые операционные системы, ОС, системы виртуальных машин, системы реального времени, систе-мы промежуточных типов).

Файловые системы. Типы файловых систем. Файловая сис-тема NTFS. Физическая структура NTFS. Метафайлы. MFT. Фай-лы и потоки. Каталоги. Поиск в дереве. Журналирование.

Операционная система DOS.

Тема 6. Операционные системы семейства WINDOWS.

Пользовательский интерфейс системы WINDOWS и основ-ные приемы его настройки. Рабочий стол, системные значки, яр-лыки и папки на рабочем столе. Панель задач. Меню Пуск. Дата и время. Изменение расположения окон. Настройка внешнего вида папки. Установка и удаление программ. Языки ввода и парамет-ры клавиатуры.

Управление папками файлами и ярлыками. Управление дис-ковыми ресурсами компьютера.

Тема 7. Стандартные программы WINDOWS.

8

Программа «калькулятор», обычный и инженерный вид. Ос-новные функции и сочетания клавиш. Работа с разными система-ми счисления. Вычисление функций. Работа с памятью. Стати-стические вычисления.

Программа Paint. Интерфейс программы, панель инструмен-тов. Цветовая палитра. Меню «Рисунок».

Диспетчер задач. Просмотр приложений и процессов. Изме-нение приоритета. Сочетания клавиш.

Тема 8. Компьютерные сети.

Иерархическая структура. Локальные и глобальные сети. История развития глобальных сетей. Различные сетевые тополо-гии (общая шина, token ring, звездообразная), их преимущества и недостатки. Одноранговые ЛВС и ЛВС с выделенным сервером, маршрутизаторы.

Сетевые службы. Модель взаимодействия открытых систем, уровни модели связи. Протоколы передачи данных.

Концепция INTERNET и TCP/IP. Адреса в Интернет. Основ-ные принципы работы в INTERNET. Ресурсы Интернет. Обозре-ватель Internet Explorer. Работа с почтовыми программами. Работа в FTP формате.

Тема 9. Текстовый процессор Word.

Интерфейс, его структура и основные приемы создания тек-

стовых документов. Форматирование текста. Установка парамет-ров страницы. Навигация в документе, выбор объекта перехода. Вставка нестандартных символов.

Основные приемы редактирования текста. Вставка колонти-тулов. Создание многоколоночного текста. Работа со списками. Создание таблиц.

Создание комплексных текстовых документов. Работа с гра-фикой. Создание и вставка графических объектов. Текстовые эф-фекты. Вставка формул, графиков и других объектов.

.

Тема 10. Редактор Power Point.

Структура презентации. Создание презентации из шаблона оформления и из мастера автосодержания. Режимы просмотра. Добавление нового слайда, авторазметки и местозаполнители. Заметки докладчика. Создание итогового слайда.

Импорт структуры презентации из MS Word. Сортировщик слайдов. Форматирование слайда. Шаблон дизайна и цветовая схема. Редактирование образца слайда.

9

Основы работы с мультимедиа. Добавление логотипа и ги-перссылок. Организационная диаграмма, добавление и переме-щение блоков, форматирование блоков. Публикация презентации. Печать презентации.

Разработка слайд-фильма. Организация переходов. Анима-ция объектов. Скрытие слайда. Хронометраж. Запись речи дикто-ра.

Тема 11. Обработка данных при помощи электронных таблиц Excel.

Понятие электронной таблицы. Лист Excel. Книга Excel. Ввод данных, автозаполнение ячеек. Форматирование листа. Стиль оформления. Форматы чисел.

Добавление строк и столбцов. Размеры ячеек. Вычисления в Excel. Формулы и функции. Поиск ошибок. Сортировка данных. Фильтрация.

Анализ данных, построение графиков и диаграмм. Мастер диаграмм. Настройка параметров диаграммы. Форматирование диаграммы. Погрешности, аппроксимация. Подготовка таблицы к печати. Скрытие строк и столбцов. Заголовки столбцов.

Тема 12. Введение в компьютерную графику.

Форматы представления графических данных. Цветовые мо-дели, каналы. Плашечные цвета. Цветовой охват. Преобразование цветовых моделей. Глубина цвета. Черно-белые штриховые изо-бражения. Полутоновые изображения. Индексированный цвет. Форматы графических файлов. Система управления цветом. Принцип работы. Профиль монитора. Профиль сканера. Профиль принтера. Настройки RGB.

Основные приемы работы в графическом редакторе. Интер-фейс, палитры, операции с документом. Выделение контуров. Ра-бота со слоями. Работа с палитрами. Выделение областей. Рисова-ние, кисти, градиенты, маски. Эффекты наложения. Эффекты об-водки. Редактирование эффектов. Фильтры и эффекты. Клавиа-турные сокращения.

Часть 2.

Тема 13. Основы программирования.

Принципы написания программ. Языки программирования, машинный код процессора. Алгоритмы. Компиляторы и интер-претаторы. Уровни языков программирования. Поколения языков программирования. Средства написания программ. Интегриро-ванные системы программирования. Среды быстрого проектиро-вания. Архитектура программных систем.

10

Обзор существующих языков и сред программирования. Языки низкого и высокого уровней. Сравнительный анализ воз-можностей и синтаксиса языков высокого уровня. Системы ком-пьютерной математики и компьютерного моделирования. Визу-альное моделирование.

Тема 14. Основы работы в MathCad.

Интерфейс пакета. Понятие MathCad-документа. Основные приемы написания формул в MathCad. Текстовые и математиче-ские области. Импортирование объектов в MathCad-документ.

Переменные в MathCAD. Ранжированные переменные. Мат-рицы, простейшие операции с матрицами. Функции, вычисление значений функции, дифференцирование и интегрирование.

Графика в MathCAD. Построение и редактирование графи-ков. Создание анимационных файлов.

Вычисления в MathCAD. Символьные вычисления. Примеры выполнения символьных операций.

Простейшие приемы обработки экспериментальных данных. Проведение линейной регрессии в общем виде.

Основы программирования в MathCAD. Обзор доступных средств программирования.

Тема 15. Основы работы в MatLab.

Интерфейс пакета MatLab. Основные окна, понятие рабочей области. Основные приемы интерактивного режима работы. Про-стейшие вычисления в MatLab. Написание сценариев. Построение графиков. Двумерная и трехмерная графика. Управление графи-ческим окном.

Типы данных в MatLab. Основные приемы работы с число-выми массивами. Создание массивов, вычисления с массивами. Операции отношения, логические операции.

Тип данных CHAR. ASCII коды символов. Основные прие-мы работы со строковыми переменными. Функции обработки строк. Перевод строковых переменных в переменные типа DOUBLE и обратно. Вычисление строковых переменных.

Графические возможности MatLab. Построение двумерных и трехмерных графиков, построение векторных полей и линий тока.

Программирование в MatLab. Синтаксис М-функций. Ло-кальные и глобальные переменные. Отличие М-функций от сце-нариев. Написание функций с переменным числом входных и вы-ходных аргументов.

Дескрипторная графика. Средства создания элементов гра-фического интерфейса пользователя.

Тема 16. Введение в ANSYS.

11

Обзор программы. Эволюция программы ANSYS. Интер-

фейс пакета. Главное меню, меню утилит, окно ввода, графиче-ское окно, окно вывода. Панель инструментов в ANSYS, создание сокращений. Процессоры, доступные в ANSYS.

Основные этапы решения задач в ANSYS. Интерактивный режим в сравнении с пакетным режимом.

Система компьютерного моделирования FemLab. Сравнение ANSYS и FemLab.

Тема 17. Построение геометрических моделей в ANSYS.

Восходящее и нисходящее моделирование. Рабочая плос-кость, инструменты управления рабочей плоскостью. Системы координат в ANSYS, глобальные и локальные координаты.

Построение опорных точек, линий, поверхностей, объемов. Применение циклов при геометрических построениях.

Построение геометрических примитивов. Логические операции с гео-метрическими объектами. Тема 18. Элементы и материалы в ANSYS.

Понятие элемента. Степени свободы. Выбор элементов для решения различных физических задач: задач механики твердых тел, тепловых, электростатических и магнитных задач, задач гид-родинамики. Дополнительные опции элементов.

Задание свойств материалов. Библиотеки материалов. Сис-темы единиц. Задание температурно-зависимых свойств, построе-ние графиков зависимости свойств от температуры.

Тема 19. Основные методы построения сетки.

Свободная и упорядоченная сетка. Инструмент построения сетки MeshTool. Построение сетки в автоматическом режиме. Управление качеством построения сетки.

Алгоритмы построения упорядоченной сетки. «Выдавлива-ние» сетки с поверхности в объем. Реформирование сетки.

Метод прямой генерации сетки.

Тема 20. Задание граничных условий («нагрузок»).

Основные типы нагрузок в ANSYS, способы их задания. Табличный и функциональный способ задания нагрузок. Опреде-ление нагрузок при решении нестационарных задач.

Особенности задания нагрузок при решении задач механики твердых тел, теплофизики, гидродинамики, электромагнетизма.

12

Тема 21. Обработка результатов.

Получение распределений интересующих величин для пло-ских и объемных задач. Визуализация решения в различных сече-ниях для трехмерных задач. Построение контурных графиков и векторных полей. Вывод информации о решении вдоль заданных путей. Создание анимаций.

Особенности обработки результатов решения нестационар-ных и нелинейных задач.

Тема 22. Работа с базами данных в ANSYS.

Сохранение информации о геометрической и конечноэле-ментной модели, нагрузках и построенном решении в базе дан-ных. Настройка процесса создания базы данных. Считывание ин-формации из базы данных. Сохранение информации о модели и решении в виде графических файлов.

Тема 23. Особенности решения задач механики твердых тел в ANSYS.

Типы элементов, используемые в задачах механики твердых тел. Особенности задания граничных и начальных условий, внеш-них воздействий.

Стационарные задачи. Модели материалов. Примеры реше-ния линейных и нелинейных задач.

Расчет собственных частот и форм механических конструк-ций.

Решение нестационарных задач, способы задания изменяю-щихся во времени нагрузок.

Тема 24. Особенности решения задач гидродинамики в ANSYS и FemLab.

Виды течений. Типы анализа. Описание гидродинамических элементов. Задание граничных условий. Создаваемые файлы. По-казатели сходимости. Определение оптимального числа итераций. Способы улучшения сходимости и устойчивости решения. Учет теплопроводности. Нестационарный анализ. Решатели и матрич-ные уравнения. Специальные возможности.

Тема 25. Особенности решения задач теплофизики в ANSYS и Fem-Lab.

Расчет тепловых явлений. Доступные элементы. Стационар-ный и нестационарный анализ. Виды граничных условий. Исполь-

13

зование таблиц и функций в качестве граничных условий. Графи-ческое отслеживание сходимости решения. Просмотр результатов расчета в виде графиков и таблиц. Фазовые переходы.

Тема 26. Методы численного расчета электрических и магнитных полей.

Расчет электростатических полей в ANSYS. Задание граничных условий в электростатике. Примеры. Способы расчета магнитных полей. Используемые типы элемен-тов. Задание граничных условий. Решение стационарных и не-стационарных задач.

3.2. Распределение часов по темам курса лекций

К-во лекций и часов, отводимых на тему, к-во часов, отводимых на самостоятельную работу

Содержание раздела

Лекции №№ К-во ча-сов

СРС* Всего часов

Тема 1 Информация, и ее ос-новные свойства.

1 2 2

Тема 2. Кодирование инфор-мации.

2 2 2

Тема 3. История развития вычислительной техники.

3 2 2

Тема 4. Основы архитектуры ПК.

4, 5 4 4

Тема 5. Операционные систе-мы персональных компьюте-ров.

6 2 2

Тема 6. Операционные систе-мы семейства WINDOWS.

7 2 2

Тема 7. Стандартные про-граммы WINDOWS.

8 2 2

Тема 8. Компьютерные сети.

9, 10 4 4

Тема 9. Текстовый процессор Word.

11 2 2

14

Тема 10. Редактор Power Point.

12 2 2

Тема 11. Обработка данных при помощи электронных таблиц Excel.

13 2 2

Тема 12. Введение в компью-терную графику.

14 2 2

Тема 13. Основы программи-рования.

15 2 2

Тема 14. Основы работы в MathCAD.

16, 17 4 4 8

Тема 15. Основы работы в Matlab.

18, 19. 20, 21 8 4 12

Тема 16. Введение в ANSYS.

22 2 2

Тема 17. Построение геомет-рических моделей в ANSYS.

23 2 2

Тема 18. Элементы и материа-лы в ANSYS.

24 2 2

Тема 19. Основные методы по-строения сетки.

25 2 4 6

Тема 20. Задание граничных условий («нагрузок»).

26 2 4 6

Тема 21. Обработка результа-тов.

27 2 2 4

Тема 22. Работа с базами дан-ных в ANSYS.

28 2 4 6

Тема 23. Особенности реше-ния задач механики твердых тел в ANSYS.

29 2 4 6

Тема 24. Особенности реше-ния задач гидродинамики в ANSYS и FemLab.

30 2 2 4

Тема 25. Особенности реше-ния задач теплофизики в

31 2 4 6

15

ANSYS и FemLab. Тема 26. Методы численного расчета электрических и маг-нитных полей.

32 2 4 6

Итого 32 64 28 92 СРС - Самостоятельная работа студента (в том числе на курсовую работу по дисциплине)

3.3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для са-

мостоятельной работы

1. Что такое информация и каковы ее свойства? 2. Какие способы кодирования информации вы знаете? 3. Назовите основные операции Булевой алгебры. 4. Перечислите состав вычислительной системы современного компью-тера. 5. Каково основное назначение операционной системы? 6. Что такое программное и аппаратное обеспечение компьютера? 7. Создайте комплексный текстовый документ WORD , осуществите ввод формул, графиков и других объектов. 8. Создайте презентацию (7-10 слайдов) на заданную, либо свободную тему. 9. При помощи электронных таблиц Excel постройте график и диа-грамму. 10. Решить классическую задачу гидродинамики (течение жидкости в трубе) в ANSYS. 11. Способы задания атрибутов объектов. Задание свойств жидкости в гидродинамике 12. Методы построения конечноэлементной модели в ANSYS. Построить упорядоченную сетку в круге. 13. Элемент MTSH 200 , его свойства и особенности использования. 14. Особенности решения нестационарных задач гидродинамики. 15. Построение упорядоченной сетки “выдавливанием” в объем. 16. Задание граничных условий в задачах теплофизики. 17. Задание температурно-зависимых свойств в теплофизической задаче и их просмотр. 18. Задание температурно-зависимой вязкости в гидродинамике. 19. Интегрирование вдоль путей в гидродинамике. 20. Рассчитайте несколько собственных частот мембраны.

3.4. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу. 1. Понятие информации, ее основные свойства. Данные и алгоритмы их обработки.

16

2. Системы счисления. Кодирование информации. 3. Операции булевой алгебры, ее основные законы. 4. Классификация компьютеров. Состав вычислительной системы. 5. Понятие операционной системы, классификация операционных систем. 6. Операционные системы семейства WINDOWS. 7. Приемы работы в стандартных программах WINDOWS. 8. Компьютерные сети. Локальные и глобальные сети. Топология сетей. 9. Принципы работы в INTERNET. Обозреватель Internet Explorer, поис-ковые системы. 10. Текстовый редактор WORD. Создание комплексных текстовых доку-ментов. 11. Редактор Power Point. Основные приемы создания презентаций. 12. Обработка данных при помощи электронных таблиц Excel. 13. Форматы представления графических данных. 14. Основные приемы работы в графическом редакторе PhotoShop. 15. Языки программирования. Компиляторы и интерпретаторы. 16. Языки программирования низкого и высокого уровней. 17. Возможности MathCad. Основные приемы написания формул. 18. Переменные в MathCad. Матрицы, простейшие операции с матрицами. Функции, вычисление значений функции. 19. Построение и редактирование графиков в MathCAD. Создание ани-мационных файлов. 20. Интерфейс пакета Matlab. Основные приёмы интерактивного режима работы. 21. Типы данных в Matlab. 22. Программирование в Matlab. Синтаксис М-функций. Основные опера-торы. 23. Введение в ANSYS. Интерфейс пакета. Основные этапы решения за-дач в ANSYS. 24. Построение геометрических моделей в ANSYS. Восходящее и нисхо-дящее моделирование. 25. Понятие элемента. Выбор элементов для решения различных задач. 26. Определение свойств материалов. Библиотеки материалов. Задание температурно-зависимых свойств, построение графиков зависимости свойств от температуры. 27. Основные методы построения сетки. Свободная и упорядоченная сет-ка. 28. Определение граничных условий в ANSYS. 29. Основные типы граничных условий в ANSYS, способы их задания. 30. Обработка результатов. Построение контурных графиков и векторных полей. 31. Работа с базами данных в ANSYS. Загрузка информации о решении. 32. Особенности решения задач гидродинамики в ANSYS. 33. Особенности решения задач теплофизики в ANSYS. 34. Особенности решения задач теории упругости в ANSYS.

17

3.6. Темы практикума по информатике, основное содержание

Тема 1. Устройство ПК. Студентам предлагается ознакомиться с составом вычислительной системы на примере IBM PC совместимого компьютера. В первой части занятия студенты производят осмотр корпуса сис-темного блока, определяют вид и назначение внешних портов, воз-можность подключения периферийных устройств. Во второй части занятия студенты под руководством преподавателя изучают состав системного блока, виды внутренних разъемов. Оп-ределяются типы устройств, составляющих системный блок и их параметры, взаимное соответствие, оптимальность подбора. Тема 2. Периферийные устройства ПК. Студентам предлагается изучить устройство и принцип работы ос-новных периферийных устройств ПК (клавиатуры, мыши, план-шетного сканера, струйного принтера, лазерного принтера, графи-ческого планшета, цифровой камеры). Для каждого устройства разбирается принцип действия, внутреннее устройство (при возможности разборки). Группа студентов под ру-ководством преподавателя или лаборанта выполняет тестовое зада-ние на каждом из устройств. Тема 3. Компьютерные сети. Студентам предлагается ознакомиться с работой различных видов компьютерных сетей (на основе витой пары и коаксиального кабе-ля), и различных топологий. Студенты изучают различные типы се-тевых адаптеров, способы подключения компьютеров к локальной сети, различные типы разъемов и правила их подключения. Студен-ты под руководством преподавателя выполняют задание по под-ключению компьютера к ЛВС и настройке сетевых протоколов. Рассматривается работа сетевых утилит операционной системы Windows (ping, tracert, arp и т.д.). Тема 4. Операционная система MS-DOS. Студентам предлагается освоить основные принципы работы с опе-рационной системой (работа с дисками, операции с файлами и т.д.) при помощи командной строки на примере операционной системы MS-DOS. Студенты на практике знакомятся с командами MS-DOS и на прак-тике выполняют ряд заданий, а именно: − Перемещение между дисками и каталогами. − Управление дисками про помощи программы Fdisk. − Форматирование дисков. − Создание текстовых файлов.

18

− Копирование, перемещение, удаление файлов. Тема 5. Операционная система Windows. Студентам предлагается освоить работу с операционной системой Windows, изучить приемы настройки интерфейса и основных пара-метров компьютера, управление файлами, управление дисковыми ресурсами компьютера. Студенты выполняют настройку внешнего вида интерфейса, ис-пользуя различные темы, стили и параметры графических окон. Так же выполняется настройка отображения папок, панели задач и ме-ню ПУСК при помощи соответствующих оснасток. При помощи ДИСПЕТЧЕРА ЗАДАЧ студенты посматривают спи-сок запущенных приложений и процессов, оценивают, сколько ре-сурсов используют различные процессы. Так же оценивается степень загруженности процессора и количест-во используемой (свободной) оперативной памяти. При помощи оснасток панели управления студенты: − устанавливают дополнительные шрифты, − устанавливают дату и время, − устанавливают параметры электропитания, − просматривают список установленного оборудования и версии драйверов, − просматривают список установленных программ, − управляют работой принтеров и т.д. Тема 6. Стандартные программы Windows. Студентам предлагается освоить работу основных стандартных программ операционной системы Windows XP. Студенты на практике выполняют ряд заданий по ознакомлению с работой и основными возможностями стандартных программ Win-dows XP, таких как − Paint − Notepad − WordPad − Калькулятор

Тема 7. Основные принципы работы в INTERNET. Студентам предлагается освоить принципы работы с WWW на примере программы Internet Explorer, работу с почтовыми програм-мами, ознакомиться с ресурсами Internet и работой поисковых сис-тем. Студенты выполняют задания по настройке обозревателя Internet Explorer, настройке отображения страниц, подключения, безопасно-сти, временного содержимого. Так же выполняется ряд заданий по

19

работе с избранным (добавление страниц, упорядочение, сохране-ние страниц для автономной работы). Студенты осваивают работу с e-mail по протоколам SMTP и POP3 на примере программы Outlook Express, создание учетной записи, работа с адресной книгой, создание писем при помощи html шабло-нов, создание собственных шаблонов, работа с входящей почтой. Студенты выполняют задания по работе с поисковыми системами (Rambler, Yandex) на использование синтаксиса языка запросов и создание сложных запросов. Тема 8. Текстовый процессор Word. Студентам предлагается освоить работу в текстовом процессоре Word, его структуру и основные приемы создания текстовых доку-ментов, создание комплексных текстовых документов, ввод формул графиков и других объектов, работу с видеоизображением и звуком. Студенты создают при помощи шаблона оформления документ (брошюру) используя приемы работы со шрифтами, объектами WordArt, графическими файлами, стилями оформления и т.д. Кроме того, предлагается создать мультимедийный документ, содержащий звук и видеофрагмент. Тема 9. Редактор Power Point. Студентам предлагается освоить основные приемы создания пре-зентаций, основы работы с мультимедиа. Студенты создают презентацию (7-10 слайдов) на заданную, либо свободную тему. В презентации должны быть использованы: − шаблон оформления, − иллюстрации, − звуковое сопровождение, − видеофрагменты, − анимированные переходы между слайдами, − другие эффекты анимации. Тема 10. Редактор таблиц Excel. Студентам предлагается освоить обработку данных при помощи электронных таблиц Excel, анализ данных, построение графиков и диаграмм, статистическую обработку, расчет погрешностей. Студенты создают документ, содержащий предоставляемые им данные и производят обработку этих данных при помощи средств Excel. Тема 11. Введение в компьютерную графику. Студентам предлагается ознакомиться с основными форматами представления графических данных и освоить методы работы в программе Adobe Photoshop.

20

Студенты производят обработку выдаваемого им изображения при помощи программных средств (гама коррекции, контрастирования, управления яркостью и т.д.) На основе полученного изображения и имеющейся библиотеке кар-тинок студентам предлагается создать собственный сюжет, исполь-зуя слои, фильтрацию и другие средства. Тема 12. Основы работы в MathCAD. Студенты на основе простых примеров изучают основы работы в программном пакете MathCAD. В качестве заданий студенты вы-полняют: − Построение графиков функций − Операции с матрицами − Символьные вычисления − Написание программ Тема 13. Основы работы в MatLab. Студентам на основе лекционного материала предлагается само-стоятельно написать М-функцию, моделирующую простой физиче-ский процесс (например, движение тела в поле тяжести). Данная функция должна содержать: − Графический интерфейс пользователя − Подпрограмму для решения уравнения − Вывод решения в текстовом и графическом виде Тема 14. Введение в ANSYS. Студентам предлагается самостоятельно, руководствуясь методиче-ским пособием, решить классическую задачу гидродинамики (тече-ние жидкости в трубе) в ANSYS при помощи графического интер-фейса пользователя. И проанализировать полученные результаты. После этого, аналогичная задача решается в FemLab. Сравнивается процесс решения в двух программах и полученные результаты. Тема 15. Построение геометрических моделей в ANSYS. Студентам предлагается построить несколько геометрических мо-делей, используя восходящее и нисходящее моделирование. По-строить модель болта с резьбой, используя различные системы ко-ординат и циклы при построении опорных точек. Тема 16. Основные методы построения сетки. Студентам предлагается построить гексагональную упорядоченную сетку в шаре и усеченном конусе методом вращения и методом де-ления объемов. После этого предлагается выполнить построение гексагональной упорядоченной сетки в прямоугольном блоке с “ручкой” в виде половины тора. Тема 17. Обработка результатов и работа с базами данных

21

ANSYS. Студентам предлагается решить классическую задачу теории упру-гости (изгиб консольной балки). После этого на примере этой зада-чи провести детальную обработку результатов, используя средства ANSYS (построение контурных и векторных графиков, построение сечений, анимация, построение линейных графиков, операции с ли-нейными графиками, таблицы элементов). Тема 18. Особенности решения задач теории упругости в ANSYS. Студентам предлагается решить несколько задач теории упругости, руководствуясь методическим пособием (деформация прямоуголь-ной пластины, расчет собственных частот и собственных колебаний прямоугольной пластины, расчет вынужденных колебаний прямо-угольной пластины). Тема 19. Особенности решения задач гидродинамики в ANSYS. Студентам предлагается решить несколько задач гидродинамики, руководствуясь методическим пособием (расчет различных режи-мов обтекания шара в аэродинамической трубе, течение в трубе с переменным диаметром). Тема 20. Особенности решения задач теплофизики в ANSYS. Студентам предлагается решить несколько задач теплофизики, ру-ководствуясь методическим пособием (стационарный нагрев со-ставной плиты из разных материалов, нестационарный нагрев од-нородной плиты с отверстием, термомеханическая задача о дефор-мации склеенных брусков вследствие теплового расширения).

Тема 21. Методы численного расчета электрических и магнит-ных полей.

3.7. Распределение часов практических занятий по темам и ви-дам работ

К-во часов, отводимых на тему Содержание раздела Практич. заня-тия в компью-терном классе

Кол-во часов СРС* Всего

Тема 1. Устройство ПК. 1 2 2 Тема 2. Периферийные уст-ройства ПК.

2 2 2

Тема 3. Компьютерные се-ти.

3 2 2

Тема 4. Операционная сис-тема MS-DOS.

4 2 2

Тема 5. Операционная сис-тема Windows.

5, 6, 7, 8 8 8

22

Тема 6. Стандартные про-граммы Windows.

9 2 2

Тема 7. Основные принци-пы работы в INTERNET.

10, 11, 12 6 6

Тема 8. Текстовый процес-сор Word.

13, 14, 15 6 6

Тема 9. Редактор Power Point.

16, 17, 18 6 6

Тема 10. Редактор таблиц Excel.

19, 20, 21 6 6

Тема 11. Введение в ком-пьютерную графику.

22, 23, 24, 25 8 8

Тема 12. Основы работы в MathCAD.

26, 27, 28, 29 8 2 10

Тема 13. Основы работы в MatLab.

30, 31, 32, 33, 34, 35

12 4 16

Тема 14. Введение в ANSYS.

36 2 2

Тема 15. Построение гео-метрических моделей в ANSYS.

37, 38, 39. 40 8 8

Тема 16. Основные методы построения сетки.

41, 42, 43 6 6

Тема 17. Обработка резуль-татов и работа с базами данных ANSYS.

44, 45 4 4

Тема 18. Особенности ре-шения задач теории упру-гости в ANSYS.

46, 47, 48, 49, 50

10 4 14

Тема 19. Особенности ре-шения задач гидродинами-ки в ANSYS.

51, 52, 53, 54, 55

10 4 14

Тема 20. Особенности ре-шения задач теплофизики в ANSYS.

56, 57, 58, 59, 8 4 12

Тема 21. Методы численно-го расчета электрических и магнитных полей.

60, 61, 62, 63, 64

10 2 12ь

Итого 64 128 20 148 *СРС – самостоятельная работа студентов.

3.10. Примерные темы курсовых работ 1. Моделирование изгиба арочного моста под действием нагрузки с

23

учетом линейных и нелинейных свойств материалов. В работе предлагается исследовать линейные деформации арочного моста и выявить слабые места конструкции. Рассмотреть нелинейные деформа-ции в билинейном приближении и сравнить их с линейным приближени-ем. В качестве модели предлагается взять конструкцию реального моста (например, моста Пестеля). 2. Вынужденный теплообмен от поверхности твердого тела в жидко-сти. В работе предлагается исследовать зависимость потока тепла с поверхно-сти твердого тела от скорости обдува. В качестве модели предлагается взять сферическое или цилиндрическое тело, нагреваемое постоянной мощностью, которое помещено в трубу заполненную жидкостью. 3. Исследование механических деформаций тел с учетом нелинейных свойств материалов. В работе предлагается исследовать деформацию тел, описываемого моде-лью с линейными свойствами. Определить размеры области, где деформа-ция неоднородна. Исследовать деформации тела, описываемого моделью с билинейными свойствами. Сравнить две модели: кинематическую и изотропную. Исследовать деформацию тела, описываемого моделью тела с полилиней-ными свойствами. Получить остаточные деформации, сравнить результат моделирования с теоретическими данными. 4. Решение контактных задач теории упругости. В работе предлагается решить несколько вариантов контактных задач с различными типами контактов. Выяснить, какие сложности обычно возни-кают при решении контактных задач и каковы пути их преодоления. 5. Обтекание тел различной формы, вычисление силы сопротивления, выбор оптимальной формы для торпеды. В работе предлагается исследовать обтекания торпеды, болида и капли по-током набегающей жидкости. В качестве модели предлагается взять трубу, с помещенными туда объектами различной формы. Определить силу со-противления и найти коэффициент лобового сопротивления для каждого из тел. Сравнить полученные результаты для различных тел. 6. Исследование резонансного возбуждения механических конструк-ций. В работе предлагается исследовать колебания балки прямоугольного сече-ния под воздействием вынуждающей силы. Рассмотреть варианты закреп-

24

ления балки с одного и с двух концов. Для нахождения резонансов предла-гается предварительно решить задачу на нахождение собственных частот и соответствующих им мод колебаний. 7. Моделирование импульсного нагрева твердого тела и расчет тепло-вых деформаций в нестационарном случае. В работе предлагается исследовать явления, возникающие при нагреве твердого тела кратковременным импульсом тепла большой мощности. В качестве модели предлагается прямоугольник, на одну из граней которого подается мощный поток тепла.

4. Учебно-методическое обеспечение курса 4.1. Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ,

диафильмов, слайдов, фильмов, кино и видео- фильмов Учебно-методические пособия по курсу лекций

1) Метод пособие: Устройство ПК. 2) Метод пособие: Введение в операционные системы. 3) Метод пособие: Основы сетевых технологий и Интернет. 4) Метод пособие: Основы работы в офисных программах. 5) Метод пособие: Введение в компьютерную графику. 6) Метод пособие: Принципы работы в программном комплексе

ANSYS с использованием его графического интерфейса. 7) Метод пособие: Построение геометрических моделей инженерных

конструкций в системе компьютерного моделирования ANSYS. 8) Метод пособие: Руководство по созданию конечно элементных

моделей. 9) Метод пособие: Руководство по решению задач механики сплош-

ных сред. Для начинающих. 10) Метод пособие: Руководство по решению задач гидро- и газоди-

намики. Для начинающих. 11) Метод пособие: Методы численного расчета электростатических

полей. Для начинающих. 12) Метод пособие: Методы численного расчета магнитных полей.

Для начинающих. 13) Метод пособие: Руководство по решению задач теплофизики.

Для начинающих. 4.2. Активные методы обучения

В данном курсе используются современные методы чтения лекций с использованием средств мультимедиа в специально оборудованных ауди-ториях и проведение семинаров в компьютерных лабораториях, оснащен-

25

ных необходимыми программами. Курс читается с использованием ориги-нальных программных продуктов, используются базы данных численных экспериментов по отдельным темам курса.

4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства

обучения и контроля Компьютерный класс с установленным программным обеспечением

необходимым для проведения практических занятий, лекционные аудито-рии, оборудованные средствами мультимедиа.

4.4. Литература Основная

1. Степанов А.Н. Информатика. СПб., Питер, 2003. 2. Острейковский В. А. Информатика. СПб., Нева, 2000. 3. Ваулина Е. Ю. Информатика. Толковый словарь. М., 2005. 4. Гудзенчук З. В. Приложения MS Office 97/2000. Учебное пособие. М.,

Маркетинг, 2001. 5. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изобра-

жений. Специальный справочник. СПб., Питер, 2002. 6. Лазарев Ю., Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный

курс. СПб, Питер, 2005. 7. Гультяев А.К., MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде

Windows. Практическое пособие. СПб., КОРОНА, 2001. 8. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера.

Практическое руководство. М., Едиториал, 2003. 9. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя. ДМК пресс. 2005. 10. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. КомпьютерПресс. 2002. 11. Кравчук А.С., Смалюк А.Ф., Чигарев А.В. ANSYS для инженеров.

Справочное пособие. Машиностроение-1. 2004. Дополнительная

1. Алиев В. К. Информатика в задачах, примерах, алгоритмах/Visual Basic for Application. М., СОЛОН – Р, 2001.

2. Конев Ф.Б. Информатика для инженеров: Учебное пособие для вузов. М., 2004.

3. Дж. Брукшир. Информатика и вычислительная техника. СПб., Питер, 2004.

4. Лесничая И. Г., Миссинг И. В., Романова Ю. Д., Шестаков В. И. Ин-форматика и информационные технологии. М., Эксмо, 2005.