2012 Изюмов Коцубинский Компьютерные технологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

А. А. Изюмов, В. П. Коцубинский

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ

Учебное пособие

Томск «Эль Контент»

2012

УДК	001.89:004(076) + 378:004(076)
ББК	60.56я73
	И398

Рецензент:

Хабибулина Н. Ю., канд. техн. наук, доцент кафедры компьютерных систем в управлении и проектировании ТУСУРа;

Решетникова Г. Н., канд. техн. наук, доцент кафедры прикладной математики Томского государственного университета.

Изюмов А. А.

И398 Компьютерные технологии в науке и образовании : учебное пособие / А. А. Изюмов, В. П. Коцубинский. — Томск: Эль Контент, 2012. — 150 с.

ISBN 978-5-4332-0024-1

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».

УДК	001.89:004(076) + 378:004(076)
ББК	60.56я73

ISBN 978-5-4332-0024-1	© Изюмов А. А.,
	Коцубинский В. П., 2012
	© Оформление.
	ООО «Эль Контент», 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 Введение в курс «Компьютерные технологии»

5

1.1Компьютерные технологии. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . 6

1.2 Наука как объект компьютеризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
2 Компьютерные технологии на этапе сбора и предварительной
обработки	10

2.1Виды научно-технической информации и ее обработка . . . . . . . . . 10

2.2Основные сведения об Интернете . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3Работа с основными веб-браузерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4Поиск в Гугле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.1Основы поиска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.2Показ ключевых слов в результатах . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4.3 Логическое «И» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4.4Заглавные буквы или прописные? . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

	2.4.5	Логическое «ИЛИ» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	24
	2.4.6	Морфологический поиск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	24
	2.4.7	Поиск словосочетаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	25
	2.4.8	Улучшение запроса во время поиска . . . . . . . . . . . . . . . .	25
	2.4.9	Исключение слов из запроса. Логическое «НЕ» . . . . . . . . .	25
	2.4.10	Количество слов в строке поиска . . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
	2.4.11	Запрос подстановки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
	2.4.12	Использование синонимов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	27
	2.4.13	Операторы поиска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	27
	2.4.14	Поиск числовых значений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	32
	2.4.15	Кнопка «Мне повезет» (в английском варианте — "I’m Feeling
		Lucky") . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	33
	2.4.16	Расширенный поиск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	33
2.5	Поиск в Яндексе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		33
2.6	Основы работы с СУБД Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		35

2.7Система оптического распознавания FineReader (FR) . . . . . . . . . . 49

2.8Автоматизированный перевод в системе Promt . . . . . . . . . . . . . . 51

2.9Автоматизированный перевод в Google Transltate . . . . . . . . . . . . 52

2.10Задание на лабораторную работу №1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3 Компьютерные технологии в теоретических исследованиях

58

3.1Состав и методы теоретических иследований . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.2Компьютерная поддержка теоретических исследований . . . . . . . . 59

4 Оглавление

4 Компьютерные технологии в научном эксперименте, моделировании
и обработке результатов научных исследований	61

4.1Задачи и состав экспериментальных исследований . . . . . . . . . . . 61

4.2Содержание этапа обработки результатов научных исследований . . 63

4.3Табличный процессор Excel в научных исследованиях . . . . . . . . . 65

4.3.1Элементы диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3.2Изменение базовой диаграммы в соответствии с потребностями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.3.3Применение готовых стилей и макетов диаграмм для профессионального оформления . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.3.4Привлекательное форматирование диаграммы . . . . . . . . . . 74

4.3.5Повторное использование диаграмм путем создания шаблонов 74

4.4Система MathCAD в научных исследованиях . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4.1Интерфейс программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4.2Алфавит программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.4.3Элементарные встроенные математические функции . . . . . 101

4.4.4Специальные встроенные математические функции . . . . . . 102

4.4.5Функции с условиями сравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.4.6Математические выражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.4.7Присвоение переменных и функций пользователя . . . . . . . 106

4.4.8 Ранжированные переменные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.4.9Индексация элементов массивов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.4.10Графика в системе MathCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.5Задание на лабораторную работу №2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5 Компьютерные технологии в оформлении результатов научных
исследований	136

5.1Процесс и средства оформления научных работ. Используемые программные средства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.2Комплексы взаимодействующих приложений. Основные сведения . . 138

5.3Обмен данными в MS Office . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.4Задание на лабораторную работу №3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Заключение	143
Литература	145
Глоссарий	147

Глава 1

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.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6	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

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1Компьютерные технологии. Основные понятия

Влюбой области деятельности человека технология — это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов, под которыми следует обобщенно понимать выполняемую работу.

Впроизводственных 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

ихранения информации.

2)Увеличение объема полезной информации с накопителем типовых решений

иобобщением опыта научных разработок.

1.2 Наука как объект компьютеризации

7

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.

8	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.

3)Математические расчеты.

4)Решение интеллектуально-логических задач.

5)Моделирование объектов и процессов.

6)Управление экспериментальными установками.

7)Регистрация и ввод в ЭВМ экспериментальных данных.

8)Обработка одномерных и многомерных (изображения) сигналов.

9)Обобщение и оценка результатов научных исследований.

10)Оформление и представление итогов научных исследований.

11)Управление научно-исследовательскими работами.

Контрольные вопросы по главе 1

9

Рис. 1.1 – Схема организации научно-исследовательской работы

Наиболее эффективно, когда эти задачи реализуются в рамках автоматизированных систем научных исследований.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Контрольные вопросы по главе 1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1)В чем различие между фундаментальными и практическими научными исследованиями?

2)Для чего не может применяться ЭВМ в научных исследованиях: 1. Для математического моделирования. 2. Для оформления результатов исследований. 3. Для синтеза предложений по направлению научных исследований.

3)Что является результатом использования компьютерных технологий в науке? 1. Формализация данных. 2. Снижение эффективности обработки данных. 3. Представление данных в форме, наиболее удобной для машинной обработки.

Глава 2

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ЭТАПЕ СБОРА И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ

2.1 Виды научно-технической информации и ее обработка

При системном подходе научные исследования начинаются со сбора и предварительной обработки научно-технической информации по теме исследования. Эта информация может включать сведения о достижениях в исследуемой области, об оригинальных идеях, об открытых эффектах, научных разработках, технических решениях и т. д.

Целью данного этапа является получение ответов на следующие вопросы:

1)Какие авторы или научные группы занимаются аналогичной темой?

2)Каковы известные решения по исследуемой теме?

3)Какими известными методами и средствами решаются исследуемые проблемы?

4)Каковы недостатки известных решений и какими путями их пытаются преодолеть?

Углубленное изучение информации по предмету исследования позволяет исключить риск ненужных затрат времени на уже решенную проблему, детально изучить весь круг вопросов по исследуемой теме и найти научно-техническое решение, отвечающее высокому уровню.

Основным источником информации являются научные документы, которые по способу представления могут быть текстовыми, графическими, аудиовизуальными и машиночитаемыми.

Научные документы подразделяются на первичные и вторичные, опубликованные и неопубликованные.