XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка компьютерной программы «PhysicsPro» для решения задач по физике за 8 класс с помощью языка программирования Delphi 7.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Одним из обязательных этапов любого научного исследования вне зависимости от того, в какой области оно проводится, будь то естественные науки, экономика, социология, политика, психология или любые другие научные отрасли является обработка большого количества данных. Главные проблемы почти любого проводимого эксперимента - достоверность, точность и независимость результатов исследования. С этой целью обычно анализируют и обрабатывают достаточно много исходных данных.
В наши дни с бурным развитием электронной технологии, сбор, хранение и анализ большого числа информационных данных стал возможным, в первую очередь, благодаря цифровым вычислительным машинам. Если первоначально, в 1940-х годах, компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «компьютер» и «ЭВМ»), то уже с середины прошлого века ученые стали использовать электронные вычислительные машины в качестве устройств для обработки статистических данных, полученных в ходе научных исследований, опытов и наблюдений.
Сегодня в распоряжение специалистов имеются вычислительные машины, значительно превосходящие по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров (так называемые суперкомпьютеры). С их помощью ученые и обрабатывают огромное количество информации. Но зачастую, многие из этих задач способны выполнить даже обычные персональные компьютеры. Возможности и мощности домашних ПК позволяют нам использовать их как средство для обработки данных, в том числе при проведении лабораторных работ и различных исследований.
В связи с этим у меня возникла идея разработки компьютерной программы для начальной обработки данных при проведении исследований и лабораторных работ, а также при решении задач по физике в 8 классе.
При изучении предмета «Физика» мы решаем большое число задач, а также для проверки физических законов, формул проводятся экспериментальные исследования и лабораторные работы. Для получения достоверных результатов при проведении данных работ, облегчения «рутинных» вычислений, наглядности и необходима данная компьютерная программа.
Цель работы – разработка компьютерной программы «PhysicsPro» для решения задач по физике за 8 класс
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи работы:
изучить возможности применения специальных компьютерных программ для проведения лабораторных работ и различных исследований;
помочь учащимся общеобразовательных школ в изучении физики, а именно, в решении задач;
изучить области применения объектно-ориентированных сред для разработки различных программ по обработке данных;
изучить и применить процесс создания специализированных приложений в объектно-ориентированной среде разработки Delphi.
Объект исследования: сбор статистических данных при проведении исследований по физике.
Предмет исследования: использование программы для обработки данных при проведении лабораторных работ по физике.
Гипотеза: программа «PhysicsPro» облегчит обработку статистических данных при проведении различных исследований в области физики, а также окажет помощь в решении физических задач.
При создании приложения были использованы:
Язык программирования: Delphi.
Среда разработки программного обеспечения: Delphi 7.
Значение технологии электронной обработки информации в современном обществе.
Технология электронной обработки информации, широко применяемая в последнее время при исследованиях в различных областях деятельности. Операция представляет собой комплекс совершаемых технологических действий, в результате которых информация преобразуется. Технологические операции разнообразны по сложности, назначению, технике реализации, выполняются на различном оборудовании, многими исполнителями. В условиях электронной обработки данных преобладают операции, выполняемые автоматически на машинах и устройствах, которые считывают данные, выполняют операции по заданной программе в автоматическом режиме без участия человека или сохраняя за пользователем функции контроля, анализа и регулирования.
Интерактивный режим электронной обработки данных предусматривает непосредственное взаимодействие пользователя с информационно-вычислительной системой, может носить характер диалога с ЭВМ.
Диалоговый режим открывает пользователю возможность непосредственно взаимодействовать с вычислительной системой в допустимом для него темпе работы, реализуя повторяющийся цикл выдачи задания, получения и анализа ответа. При этом ЭВМ сама может инициировать диалог, сообщая пользователю последовательность шагов (предоставление меню) для получения искомого результата.
Преимущества компьютерной обработки данных:
быстрота обработки данных;
статистическая достоверность;
возможность получить результат, располагая только входными данными;
возможность анализа по различным критериям;
компьютерная обработка предполагает использование одних и тех же команд при выполнении идентичных операций, что практически исключает появление случайных ошибок, обыкновенно присущих ручной обработке.
Объектно-ориентированный подход в программировании.
Изучение основ алгоритмизации и программирования в курсе информатики нашего лицея осуществляется на структурном языке программирования PASCAL.
Отметим главные достоинства языка Pascal:
простота (в языке всего несколько операторов);
гибкая система типов данных (практически любая структура может быть описана на Pascal);
четкая идеология структурного программирования.
возможность эффективной реализации и пригодность с точки зрения формальных методов отладки программ.
В начале 90-х годов стало ясно, что будущее за визуальными системами вроде Windows.Borlandрешает кардинально изменить свой Turbo Pascal, чтобы он позволял легко создавать программы под Windows. Было решено придерживаться принципов так называемого «визуального» программирования: все элементы, из которых можно строить программу, должны быть показаны на экране, а программист с помощью мыши перетаскивает их в свою программу.
Оказалось, однако, что визуальное программирование очень трудно реализовать в рамках структурного подхода. Поэтому стали придерживаться другого подхода – объектно-ориентированного. В результате внесения элементов объектно-ориентированного программирования в язык Pascal получился Object Pascal. Кроме этого, программы сделали событийно-ориентированными, что достаточно естественно при работе в графической операционной системе, какой является Windows. Созданная визуальная система программирования получила название Delphi.
Объектно-ориентированное программирование (ООП) – это методика разработки программ, в основе которой лежит понятие объекта как некоторой структуры, описывающий объект реального мира, его поведение. Задача, решаемая с использованием методики ООП, описывается в терминах объектов и операций над ними, а программа при таком подходе представляет собой набор объектов и связей между ними. Другими словами можно сказать, что объектно-ориентированное программирование представляет собой метод программирования, который во многом напоминает наше поведение.
Назначение программы «PhysicsPro» для решения задач по физике за 8 класс с помощью языка программирования Delphi 7.
Программа создана для работы в среде Windows и представляет собой интерактивную среду для проведения лабораторных работ и различных исследований с целью обработки статистических данных на примере изучения учебного предмета «Физика» с возможностью просмотра физической формулы в зависимости от входных данных.
Численное значение или аналитическая формула, а также сообщения системы выводится на экран в виде текстовой строки. Основное назначение программы – технические расчеты, автоматизация «рутинных» расчетов, вывод формулы при заданных физических величинах.
Программа «PhysicsPro» выполняет следующие функции:
Вычисления по основным темам «Физика» 8 класс;
Перевод величин из внесистемных единиц измерения в международную систему единиц измерения СИ;
Возможность увидеть формулу, которая используется программой при введенных с клавиатуры данных, при этом показ формулы возможен только после нажатия кнопки «Найти». Пользователь сам решает, нужен ему показ формулы, или нет;
Возможность создать файл статистики, куда заносятся все нужные пользователю расчеты, для дальнейшей работы с этими данными, а также возможность изменения опций записи данных в файл.
Разработка алгоритма программы.
Данное приложение позволяет находить значение неизвестной физической величины. При разработке программы был составлен алгоритм, состоящий из определённой последовательности шагов.
Данная программа обработки данных состоит из нескольких схожих алгоритмов, заключённых в процедурах. Разберём работу одного из алгоритмов на примере процедуры TForm1.Button1Click, которая запускается при нажатии на кнопку (button) «найти» в разделе «Тепловые явления», в подразделе «Температура»:
1 шаг: Присвоение всем переменным величин введенных в соответствующее поле пользователем. Если каких-либо данных нет, то величины этих переменных будут равняться нулю.
2 шаг: Перевод всех величин (если таковые были заданы) из внесистемных единиц измерения в единицы измерения СИ.
3 шаг: Определение величины, которую требуется найти.
4 шаг: Определение формулы, по которой нужно находить запрашиваемую величину. Все формулы представлены в приложении 3.
5 шаг: Нахождение запрашиваемой величины по имеющимся данным, и если данных недостаточно (т.е. они равны нулю), то ей будет присвоен нуль.
6 шаг: Вывод величины, которую требовалось найти по имеющимся данным.
7 шаг. Если было выбрана опция «сохранить работу», то ответ будет записываться в специальный текстовой файл.
8 шаг. После нажатия кнопки «Найти» в меню становится активной кнопка «формула».
Блок-схема алгоритма представлена в приложении 2.
Хотелось бы отметить, что процедуры запускаются при изменении какого-либо объекта на форме (form, окне программы). Т.е. изменению определенного объекта соответствует определенная процедура, при этом объект может быть не только кнопка, но и «флажок», выпадающий список и т.д.
Почти все процедуры данной программы, включающие в себя основные алгоритмы, схожи между собой, если не считать некоторых небольших различий. Часть кода программы представлена в приложении 1.
Описание структуры приложения.
Приложение представляет собой две формы (окна). Высота формы 580 пикселей, ширина равна 542 пикселей.
Рисунок 1
Рисунок 2
На главной (рисунок 1) форме размещено меню:
Выберите раздел;
Формула;
Об авторе;
Завершить.
Пункт меню «Выберите раздел» содержит в себе три раздела с соответствующими подразделами, выбрав которые переходим на вторую форму (рисунок 2):
Тепловые явления.
Температура (рисунок 3).
Количество теплоты и сгорание топлива (рисунок 4).
Плавление и испарение (рисунок 5).
Электрические явления.
Сила тока (рисунок 6).
Напряжение (рисунок 7).
Сопротивление (рисунок 2).
Световые явления.
Оптическая сила линзы (рисунок 8).
Формула тонкой линзы (рисунок 9).
Увеличение линзы (рисунок 10).
|
Рисунок 3 |
Рисунок 4 |
|
Рисунок 5 |
Рисунок 6 |
|
Рисунок 7 |
Рисунок 8 |
|
Рисунок 9 |
Рисунок 10 |
Рассмотрим работу приложения на примере разбора задачи: Стальная деталь массой 3 кг нагрелась от 25 до 45 °С. Какое количество теплоты было израсходовано? (рисунок 11)
Разделы и подразделы представляют собой вкладки (PageControl). В каждой вкладке содержится:
Поля ввода известных данных (Edit).
Поля с выпадающим списком (ComboBox), в которых можно выбрать определенные данные, постоянные и т.д.
Поля с выпадающим списком, в которых можно выбрать единицы, в которых вводятся те или иные данные.
Переключатели (RadioButton, радиокнопка). Включается переключатель, соответствующий той физической величине, которую требуется узнать.
Кнопка (Button), при нажатии на которую будет найдена нужная физическая величина.
1 поле для вывода ответа.
Рисунок 11
Пункт «Об авторе» содержит краткую характеристику данного приложения и о его назначении.
Пункт «Формула» будет активен только после нажатия на кнопку «Найти». А уже после нажатия на «Формула» появится новое окно с нужной формулой.
При выборе пункта «Сохранить работу» ответы будут сохраняться в файл Statistic.txt, находящийся в той же директории, в которой находится сама программа. Чтобы просмотреть статистику достаточно просто открыть файл Statistic.txt (рисунок 12).
Рисунок 12
Заключение
Приложение «PhysicsPro» можно использовать на уроках для решения разнообразных задач, при проведении лабораторных работ, в исследовательской деятельности.
Физика относится к учебным предметам естественно-математического цикла. Особая трудность у учащихся возникает при решении физических задач и проведения различного рода исследований, в том числе лабораторных работ.
Сложность заключается:
в подборе необходимой формулы;
в обработке большого числа исходных данных;
в получении зависимости одной физической величины от другой.
Мое приложение позволяет решить все перечисленные проблемы.
Разработанное приложение может найти применение в любом учебном предмете для обработки статистических данных, при обучении решению задач, например, по химии, геометрии, тригонометрии и т.д.
Список использованных источников
Джим Кьоу, Марио Джеанини Объектно-ориентированное программирование. Просто и понятно. - "Питер", 2005 г. С. 240
Хореев П. Технологии объектно-ориентированного программирования . - "Academia", 2004 г. С.448
Ресурсы сети Интернет:
http://www.xserver.ru/user/infth/3.shtml
http://delphiplus.org/
Приложение 1. Пример программного кода (представлен не полностью)
procedure TForm2.Button3Click(Sender: TObject);
begin
Form3.Image1.Picture.LoadFromFile('formula.bmp');
pic:='koltep';
if Edit1.Text='' then r5:=0 else r5:=StrToFloat(Edit1.Text);
if Edit2.Text='' then r6:=0 else r6:=StrToFloat(Edit2.Text);
if Edit10.Text='' then r7:=0 else r7:=StrToFloat(Edit10.Text);
if Edit13.Text='' then r8:=0 else r8:=StrToFloat(Edit13.Text);
if Edit11.Text='' then r9:=0 else r9:=StrToFloat(Edit11.Text);
if ComboBox2.text= 'г' then r5:= r5/1000;
if ComboBox2.text= 'т' then r5:= r5*1000;
if ComboBox3.text= 'кДж' then r8:= r8*1000;
if ComboBox3.text= 'кал' then r8:= r8*4.19;
if ComboBox3.text= 'ккал' then r8:= r8*4190;
if ComboBox3.text= 'МДж' then r8:= r8*1000000;
if RadioButton1.Checked then begin sel:=5 ; poi:='Масса = '; poi2:=' кг'; end
else if RadioButton8.Checked then begin sel:=6 ; poi:='Удельнаятеплоемкость = '; poi2:=' Дж/(кг*с)'; end
else if RadioButton2.Checked then begin sel:=7; poi:='Количествотеплоты = '; poi2:='Дж'; end ;
case sel of
5: begin
if (r5=0) and (r6<>0) and (r7<>0) and (r8<>0) and (r9<>0) then
r5:= r8/(r9*(r6-r7)) else ShowMessage ('Проверьте правильность введенных данных');
end;
6:begin
if (r9=0) and (r8<>0)and (r7<>0) and (r5<>0) and (r6<>0) then
r9:=r8/(r5*(r6-r7)) else ShowMessage ('Проверьте правильность введенных данных')
end;
7: begin
if (r8=0) and (r9<>0) and (r7<>0) and (r5<>0) and (r6<>0) then
r8:=r9*r5*(r6-r7) else ShowMessage ('Проверьте правильность введенных данных');
end;
end;
case sel of
5: begin
edit12.Text:= FloatToStr(r5);
label2.Caption:= 'm =';
label18.Caption:= 'кг';
end;
6:begin
edit12.Text:= FloatToStr(r9);
label2.Caption:= 'c =';
label18.Caption:= 'Дж/кг*C';
end;
7:begin
edit12.Text:= FloatToStr(r8);
label2.Caption:= 'Q =';
label18.Caption:= 'Дж';
end;
end;
end;
procedure TForm2.Button20Click(Sender: TObject);
begin
assignfile(sa,'Statistic.txt');
rewrite(sa);
append(sa);
writeln(sa,poi,edit39.text,poi2);
closefile(sa);
end;
Приложение 2. Блок-схема.
В начало алгоритма
Подбор нужной формулы.
Вычисления.
Перевод величин в СИ.
Вывод ошибки