Что является результатом использования компьютерных технологий в науке
Обновлено: 04.07.2024
Решетникова Г. Н. , канд. техн. наук, доцент кафедры прикладной математики Томского государственного университета.
И398 Компьютерные технологии в науке и образовании : учебное пособие / А. А. Изюмов, В. П. Коцубинский. — Томск: Эль Контент, 2012. — 150 с.
Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Компьютерные технологии в науке и образовании», включает пояснительный материал, задания и рекомендуемую литературу к 3-м практическим занятиям в форме лабораторных работ.
Предназначено для бакалавров по направлению «Управление в технических системах».
Коцубинский В. П., 2012
ООО «Эль Контент», 2012
1 Введение в курс «Компьютерные технологии»
1.1 Компьютерные технологии. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Наука как объект компьютеризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Компьютерные технологии на этапе сбора и предварительной
2.1 Виды научно-технической информации и ее обработка . . . . . . . . . 10
2.2 Основные сведения об Интернете . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Работа с основными веб-браузерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Поиск в Гугле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1 Основы поиска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Показ ключевых слов в результатах . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.3 Логическое «И» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Заглавные буквы или прописные? . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Улучшение запроса во время поиска . . . . . . . . . . . . . . . .
Исключение слов из запроса. Логическое «НЕ» . . . . . . . . .
Количество слов в строке поиска . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Кнопка «Мне повезет» (в английском варианте — "I’m Feeling
Основы работы с СУБД Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Система оптического распознавания FineReader (FR) . . . . . . . . . . 49
2.8 Автоматизированный перевод в системе Promt . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9 Автоматизированный перевод в Google Transltate . . . . . . . . . . . . 52
2.10 Задание на лабораторную работу №1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 Компьютерные технологии в теоретических исследованиях
3.1 Состав и методы теоретических иследований . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Компьютерная поддержка теоретических исследований . . . . . . . . 59
4 Компьютерные технологии в научном эксперименте, моделировании
и обработке результатов научных исследований
4.1 Задачи и состав экспериментальных исследований . . . . . . . . . . . 61
4.2 Содержание этапа обработки результатов научных исследований . . 63
4.3 Табличный процессор Excel в научных исследованиях . . . . . . . . . 65
4.3.1 Элементы диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.2 Изменение базовой диаграммы в соответствии с потребностями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.3 Применение готовых стилей и макетов диаграмм для профессионального оформления . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.4 Привлекательное форматирование диаграммы . . . . . . . . . . 74
4.3.5 Повторное использование диаграмм путем создания шаблонов 74
4.4 Система MathCAD в научных исследованиях . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.1 Интерфейс программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.2 Алфавит программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.3 Элементарные встроенные математические функции . . . . . 101
4.4.4 Специальные встроенные математические функции . . . . . . 102
4.4.5 Функции с условиями сравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.6 Математические выражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.7 Присвоение переменных и функций пользователя . . . . . . . 106
4.4.8 Ранжированные переменные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.9 Индексация элементов массивов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.10 Графика в системе MathCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5 Задание на лабораторную работу №2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5 Компьютерные технологии в оформлении результатов научных
5.1 Процесс и средства оформления научных работ. Используемые программные средства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2 Комплексы взаимодействующих приложений. Основные сведения . . 138
5.3 Обмен данными в MS Office . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4 Задание на лабораторную работу №3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
ВВЕДЕНИЕ В КУРС «КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Соглашения, принятые в книге
Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пиктограммы и специальное выделение важной информации.
Эта пиктограмма означает определение или новое понятие.
Эта пиктограмма означает внимание. Здесь выделена важная информация, требующая акцента на ней. Автор здесь может поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых ошибок.
Эта пиктограмма означает совет. В данном блоке можно указать более простые или иные способы выполнения определенной задачи. Совет может касаться практического применения только что изученного, или содержать указания на то, как немного повысить эффективность и значительно упростить выполнение некоторых задач.
Эта пиктограмма означает ссылку на ресурс в сети.
Глава 1. Введение в курс «Компьютерные технологии»
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Пример . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эта пиктограмма означает пример. В данном блоке автор может привести практический пример для пояснения и разбора основных моментов, отраженных в теоретическом материале.
Контрольные вопросы по главе
1.1 Компьютерные технологии. Основные понятия
В любой области деятельности человека технология — это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов, под которыми следует обобщенно понимать выполняемую работу.
В производственных процессах важнейшим ресурсом является информация как один из основных факторов повышения их эффективности. В этой связи под термином информационная технология понимают современные виды информационного обслуживания, основанные на использовании средств вычислительной техники, связи, множительных средств и оргтехники.
Компьютерные технологии (обобщенное¨ название технологий, отвечающих за хранение, передачу, обработку, защиту и воспроизведение информации с использованием компьютеров) являются частью информационных и обеспечивают сбор, обработку, хранение и передачу информации с помощью ЭВМ.
Основу современных компьютерных технологий составляют три технологических достижения: возможность хранения информации на машинных носителях, развитие средств связи и автоматизация обработки информации с помощью компьютера.
Практически компьютерные технологии реализуются применением программ- но-технических комплексов, состоящих из персональных компьютеров или рабочих станций с необходимым набором периферийных устройств, включенных в локальные и глобальные вычислительные сети и обеспеченных необходимыми программными средствами. Использование названных элементов увеличивает степень автоматизации как научных исследований, так и учебных процессов, что служит основой их совершенствования.
Компьютерные технологии повышают уровень эффективности работ в науке и образовании за счет следующих факторов:
1) Упрощение и ускорение процессов обработки, передачи, представления
и хранения информации.
2) Увеличение объема полезной информации с накопителем типовых решений
и обобщением опыта научных разработок.
1.2 Наука как объект компьютеризации
3) Обеспечение глубины, точности и качества решаемых задач. Возможность реализации задач ранее не решаемых. Постановка исследований и получение результатов, недостижимых другими средствами.
4) Возможность анализа большого числа вариантов синтеза объектов и принятия решений.
5) Сокращение сроков разработки, трудоемкости и стоимости научно-техни- ческих работ при улучшении условий работы специалистов.
Компьютерные технологии в настоящее время используется практически во всех сферах деятельности человека. Задача нашего курса — обобщить знания по компьютерным технологиям применительно к научным исследованиям и образованию.
Обычно, прежде чем говорить о применении компьютерных технологий в ка- кой-либо деятельности, проводят тщательный анализ этой сферы для определения целесообразных направлений ее рационального использования.
1.2 Наука как объект компьютеризации
Известно, что наука — это сфера деятельности, направленная на получение новых знаний, которая реализуется с помощью научных исследований.
Целью научных исследований является изучение определенных свойств объекта (процесса, явления) и на этой основе разработка теории или получение необходимых для практики обобщенных выводов.
По целевому назначению научные исследования делят на фундаментальные, прикладные и научные разработки.
Фундаментальные научные исследования связаны с изучением новых явлений и законов природы, с созданием новых принципов исследований (физика, математика, биология, химия и т. д.).
Прикладные исследования — это нахождение способов использования законов природы и научных знаний, полученных в фундаментальных исследованиях, в практической деятельности человека.
Разработки — это процесс создания новой техники, систем, материалов и технологий, включающий подготовку документов для внедрения в практику результатов прикладных научных исследований.
Реализация целей научных исследований выполняется на основе методов. Метод — это способ достижения цели, программа построения и применения теории.
Методы научных исследований делят на следующие группы: эмпирические, экспериментальные и теоретические. Особую группу составляют методы научнотехнического творчества.
Глава 1. Введение в курс «Компьютерные технологии»
Эмпирические исследования выполняются с целью накопления систематической информации о процессе. При этом используются методы: наблюдение, регистрация, измерение, анкетный опрос, тесты, экспертный анализ.
Экспериментальный уровень научных исследований — это изучение свойств объекта по определенной программе.
Теоретические исследования проводятся с целью разработки новых методов решения научно-технических задач, обобщения и объяснения эмпирических и экспериментальных данных, выявления общих закономерностей и их формализации.
На двух последних уровнях используются методы моделирования, методы анализа и синтеза, логические построения (предположения, умозаключения), аналогии, идеализации.
В научно-техническом творчестве используются как названные общенаучные методы, так и эвристические приемы эффективного решения творческих задач, способствующие наиболее быстрому нахождению решения (озарению), т. е. разного рода оригинальные находки.
Рациональная организация научно-исследовательских работ строится с использованием принципов системного подхода и схематично может быть представлена следующим образом (рис. 1.1).
Исходя из задач научных исследований и порядка их реализации можно определить следующие основные направления рационального применения компьютерных технологий в научных исследованиях:
1) Сбор, хранение, поиск и выдача научно-технической информации.
2) Подготовка программ научных исследований, подбор оборудования и экспериментальных устройств.
Применение IT-технологий в науке и фундаментальных исследованиях.
Само возникновение и дальнейшее развитие компьютеров и информационных технологий обусловлено открытиями в области различных наук, включая фундаментальные. Основой электронных вычислительных систем являются функциональные элементы электронных устройств или эффекты физических явлений. Создание электронных ламп, транзисторов и полупроводниковых интегральных схем, которые использовались и в настоящее время применяются при производстве компьютеров – являются эволюционными открытиями практической физики и электроники.
В наши дни ведутся работы по разработке оптических компьютеров, в качестве основы использующие световые сигналы. Но наиболее перспективными считаются квантовые компьютеры, которые могут произвести революцию в вычислительной технике. Создание квантового компьютера является одной из перспективных задач физиков в 21 веке. Даже успешно развивается целое направление в физике - многочастичная квантовая механика.
Компьютеры для отраслей науки.
Только современные суперкомпьютеры позволяют моделировать сложнейшие биологические, химические и физические процессы.
Метод моделирования имеет особое значение для технических и физических наук. Он позволяет без использования дорогостоящего метода проб и ошибок ответить на многие вопросы на этапе предварительного проектирования, имитировать функциональность будущей системы в определенных условиях, при этом существенно снижается потребность в лабораторном оборудовании. Используя метод экстраполяции данных, появляется возможность прогнозирования. В некоторых случаях моделирование становится единственно возможным способом проведения исследований.
Ядерные реакции, анализ климатических изменений, передвижений коры Земли, космические и астрономические исследования, расшифровка генома человека с целью создания индивидуумов с заданным набором свойств - все это сфера применения инновационных и информационных технологий.
Задачи создания искусственного интеллекта происходят поэтапно. Примеры, где не существует простых определенных алгоритмов – это экспертные системы, машинный перевод тестов, интеллектуальные компьютерные игры.
Распределенные вычислительные мощности.
В настоящее время требуются все более мощные информационные ресурсы и системы для проведения испытаний. Образцом может служить практический эксперимент – новый электронный ускоритель, где моделирование движения протонов в магнитном поле, применяется для некоторых вычислительных задач путем корректировки параметров магнитов.
Экспериментальная физика и дальнейшие исследования происхождения мира не могут обойтись без грандиозных распределенных вычислений. Этот факт подтверждает создание и эксплуатация большого адронного коллайдера, строительство которого началось в 2001 году и до конца 2009 года было потрачено около 6 млрд долларов на данный проект.
Наряду с грандиозным созданием сооружения длиной свыше 20 км, здесь применяется высокоэффективная вычислительная техника и автоматические системы. Т.к. только наличие статистических данных проводимых экспериментов, может подтвердить сам факт присутствия тех или иных наночастиц и достижение ими сверхвысоких энергий.
В рамках проекта создана распределённая вычислительная сеть LCG, разработанная с применением технологии грид. Но даже этих вычислительных мощностей не достает для всеобъемлющей обработки полученных в экспериментах данных, т.к. требуется решать проблемы, связанные с передачей сотен гигабайт информации на удаленные ресурсы.
Перспективы развития ИТ-техноголий в науке. Наука и практическая польза.
Наиболее перспективными видятся симбиоз науки и информационных технологий. Давно стало очевидным, что существующие технологии стали тормозом для качественного скачка мощностей вычислений, которые требует современное развитие науки. Поэтому именно создание принципиально новых вычислительных мощностей представителями передовой научной мысли и инновационных производств, станут основой новых открытий в фундаментальных и прикладных науках.
Только немыслимые вычислительные и аналитические ресурсы могут способствовать отслеживанию процессов в моделировании реального мира, будь то создание модели клетки человека, модели человеческого интеллекта, современных роботов или разработка новейших технологий.
С помощью компьютерного моделирования создаются модели «эталонного» генома человека и «ущербного» генома, т.е. модель человека, находящегося на грани гибели. В связи с развитием генной инженерии получили толчок направления, связанные с комбинаторной химией и созданием компьютерных моделей взаимодействия различных веществ.
Только применение мощных вычислительных средств позволит анализировать специалисту химику тысячи вариантов соединений в течение небольшого времени. Автоматизированные технологии комбинаторной химии приведут к тому, что в течение небольшого времени произойдет существенное обновление лекарственных средств.
Решение задач моделирования взаимодействий различных химических соединений станет основой для стремительного продвижения вперед многих технологий, включая нанотехнологии. Будут созданы объемные электронные схемы на основе тех же исходных материалов, что используются в традиционной электронике, но с применением кардинально уменьшенных по размеру активных веществ.
Параллельно будут созданы углеродные нанотрубки. Все эти достижения направлены на значительное увеличение быстродействия компьютерной техники, а используемые микросхемы станут все миниатюрнее.
В статье раскрыты определения к понятию «инновационные технологии», связь IT-технологий с другими науками, роль и место информационных технологий в развитии естественных наук, а также показаны возможные пути реализации информационных технологий в системе исследования естественных наук.
Ключевые слова: информационные технологии, естественные науки, информация, процессы программных средств, автоматизация.
В современном мире с каждым днем возрастает роль компьютерных инноваций, различных программных средств. Информационные технологии применяются во всех сферах деятельности, они явились результатом информационной инфраструктуры, которая связана с новым типом общественных отношений, с новой реальностью, с новыми информационными технологиями различных видов деятельности.
По мнению Л. И. Горбуновой, «одним из приоритетных направлений процесса информатизации современного общества является информатизация образования, представляющая собой систему методов, процессов и программно-технических средств, интегрированных с целью сбора, обработки, хранения, распространения и использования информации в интересах ее потребителей. Цель информатизации состоит в глобальной интенсификации интеллектуальной деятельности за счет использования новых информационных технологий: компьютерных и телекоммуникационных» [1, 544–547 с.].
Понятию «информационные технологии» даются следующие определения:
Информационные технологии (ИТ) — это всё, что связано с обработкой, хранением и передачей информации. Это также множество взаимосвязанных научных и технических областей знания, которые изучают и применяют на практике методы создания, обработки, хранения, защиты и передачи информации с помощью вычислительной техники.
В настоящее информационные технологии играют важную роль в области образования, науки, производства и т. д.
Как комплексная научная дисциплина информатика связана с:
1) философией и психологией — через учение об информации и теорию познания;
2) математикой — через теорию математического моделирования, дискретную математику, математическую логику и теорию алгоритмов;
3) лингвистикой — через учение о формальных языках и о знаковых системах;
4) кибернетикой — через теорию информации и теорию управления;
5) физикой и химией, электроникой и радиотехникой — через «материальную» часть компьютера и информационных систем.
Поскольку любая наука — это прежде всего информация, то применение IT-технологий в любой науке стало неотъемлемой частью происходящих в мире процессов.
Как было упомянуто выше, естественные науки и информационные технологии имеют меж собой тесную взаимосвязь, поскольку взаимодополняют друг друга.
Например, в чем связь математики и IT-технологий? Ответ на данный вопрос, в этом случае, прост: IT-технологии интегрировались в математику своими вычислительными программами. С точки зрения Т. Ф. Дубогрея, «несмотря на то, что математика и информатика ‒ совершенно разные дисциплины, они неразрывно связаны между собой. Математика является самостоятельной, сложившейся столетиями наукой, тогда как информатика не несет в себе качественно новой дисциплины, она лишь обобщает в себе элементы других наук. Информатика получила от математики ряд результатов и теорий, нашедших широкое применение, в особенности в теории языков и трансляции, а также по верификации программ» [2, 68 с.].
Или, например, в биологии, когда ученым стали доступны исследования в больших масштабах, однако вручную анализировать их данные было сложно. Поэтому компьютеризация информации стала необходимостью в исследовании биологии. По мнению некоторых ученых, «объемы данных в современной биологической науке таковы, что без применения информационных технологий их анализ практически невозможен. Наступающая эпоха персональных геномных данных, когда генетический код практически любого человека будет прочитан, делает роль биоинформатики еще весомее».
Такую же роль играют IT-технологии в физике, химии, и других естественных науках. Ведь использование компьютера, Интернета способствует быстрому поиску и обработки информации.
Информационные технологии в науке и образовании способствуют автоматизации и эффективности учебно-познавательного процесса благодаря ускорению в обработке и передаче информации, реализации трудоемких задач [3, 18 с.].
По определению И. Н. Мишина, «потребность в информационно-коммуникационных технологиях возникает как средство разрешения противоречия между накапливающимися во все обрастающих объемах научных знаний, с одной стороны, и возможностями и масштабами их использования обществом с другой стороны. Отсюда и двоякая роль ИКТ: с одной стороны, это средство преобразования научных знаний в информационные ресурсы общества (производственные, социальные ресурсы и т. д.), а с другой стороны — средство реализации и преобразовании данных научных исследований в технологии, которые уже могут непосредственно использоваться в обществе (промышленности, образовании и т. д.)» [4, 6 с.].
Следовательно, информационные технологии представляют собой хранение, обработку и передачу информаций, которые стали важной частью любой дисциплины, человеческой деятельности, культуры, производства, управления научной деятельность, социальной, экономической и политической жизни.
Информационные технологии (ИТ) в образовании в настоящее время является необходимым условием перехода общества к информационной цивилизации. Современные технологии и телекоммуникации позволяют изменить характер организации учебно-воспитательного процесса, полностью погрузить обучаемого в информационно-образовательную среду, повысить качество образования, мотивировать процессы восприятия информации и получения знаний. Новые информационные технологии создают среду компьютерной и телекоммуникационной поддержки организации и управления в различных сферах деятельности, в том числе в образовании. Интеграция информационных технологий в образовательные программы осуществляется на всех уровнях: школьном, вузовском и послевузовском обучении.
Постоянное совершенствование учебно-воспитательного процесса вместе с развитием и перестройкой общества, с созданием единой системы непрерывного образования, является характерной чертой обучения в России. Осуществляемая в стране реформация школы направлена на то, чтобы привести содержание образования в соответствие с современным уровнем научного знания, повысить эффективность всей учебно-воспитательной работы и подготовить учащихся к деятельности в условиях перехода к информационному обществу. Поэтому информационные технологии становятся неотъемлемым компонентом содержания обучения, средством оптимизации и повышения эффективности учебного процесса, а также способствуют реализации многих принципов развивающего обучения.
Основными направлениями применения ИТ в учебном процессе школы являются:
§ разработка педагогических программных средств различного назначения;
§ разработка web-сайтов учебного назначения;
§ разработка методических и дидактических материалов;
§ осуществление управления реальными объектами (учебными ботами);
§ организация и проведение компьютерных экспериментов с виртуальными моделями;
§ осуществление целенаправленного поиска информации различных форм в глобальных и локальных сетях, её сбора, накопления, хранения, обработки и передачи;
§ обработка результатов эксперимента;
§ организация интеллектуального досуга учащихся.
Наиболее широко в данный момент используются интегрированные уроки с применением мультимедийных средств. Обучающие презентации становятся неотъемлемой частью обучения, но это лишь простейший пример применения ИТ.
В последнее время учителя создают и внедряют авторские педагогические программные средства, в которых отражается некоторая предметная область, в той или иной мере реализуется технология её изучения, обеспечиваются условия для осуществления различных видов учебной деятельности. Типология используемых в образовании педагогических программных средств весьма разнообразна: обучающие; тренажеры; диагностирующие; контролирующие; моделирующие; игровые.
В учебном процессе высшего учебного заведения изучение ИТ предусматривает решение задач нескольких уровней:
§ Использование информационных технологий как инструмента образования, познания, что осуществляется в курсе «Информатика»;
§ Информационные технологии в профессиональной деятельности, на что направлена общепрофессиональная дисциплина «Информационные технологии», рассматривающая их теорию, компоненты, методику;
§ Обучение прикладным информационным технологиям, ориентированным на специальность, предназначенным для организации и управления конкретной профессиональной деятельностью, что изучается в дисциплинах специализаций.
Например, дисциплина «Информационные технологии в экономике» и синонимичная ей «Информационные технологии в управлении» входит в образовательную программу обучения студентов экономических специальностей. Современный экономист должен уметь принимать обоснованные решения на основе информационных потоков, кроме традиционных экономических знаний студент должен быть знаком с процессом обработки данных и владеть навыками построения информационных систем.
Разобраться в сложившейся ситуации и помочь в освоении учебного материала может помочь только квалифицированный специалист-преподаватель: он не только организует самостоятельную работу студентов (рефераты, тестирование, контрольные и курсовые работы), но в условиях регламента времени на изучение дисциплины умеет выбрать наиболее важные аспекты для изучения. В настоящее время преподаватели, преследуя подобные цели, создают авторские педагогические программные средства, реализованные в мультимедийной и гипермедийной форме на CD и DVD-дисках, на сайтах в сети Интернет.
Послевузовское образование также ориентировано на внедрение ИТ: в учебные планы аспирантов и соискателей многих научных направлений включаются дисциплины, связанные с изучением и внедрением информационных технологий в научную и профессиональную деятельность. В Орловском государственном институте искусств и культуры аспиранты и соискатели всех специальностей изучают дисциплину «Информационные технологии в науке и образовании» уже на первом курсе аспирантуры. Целью этого курса является освоение слушателями основных методов и средств применения современных информационных технологий в научно-исследовательской и образовательной деятельности, повышение уровня знаний начинающего ученого в области применения компьютерных технологий при проведении научного эксперимента, организация помощи аспиранту в его научном исследовании, в оформлении статей, тезисов, докладов и диссертационной работы.
Повышение уровня компьютерной подготовки обучаемых, увеличение количества и расширение разновидностей авторских педагогических программных средств, использование новых информационных технологий в науке и образовании в целом, являются одним из основных направлений совершенствования среднего специального, высшего и послевузовского образования в нашей стране.
3. Деденёва А.С., Аксюхин А.А. Мультимедиа технологии в условиях формирования образовательной среды вузов искусств и культуры // Историко-культурные связи России и Франции: основные этапы: сборник статей / Сост. И.А. Ивашова; гл. ред. Н.С. Мартынова. - Орёл: ОГИИК, ил., ООО ПФ «Оперативная полиграфия», 2008. С. 19-25.
Читайте также: