Рабочая программа учебной дисциплины учебной дисциплины ДС. Р «Прикладные математические модели и проблемно-ориентированное программирование» для специальности: 010501 Прикладная математика и информатика (стр. 2 )

·  Особенности прикладных программ, предназначенных для вычислительного эксперимента.

·  Типовые архитектуры программ вычислительного эксперимента.

·  Объектная архитектура программ для вычислительного эксперимента. Приложение, подзадачи, управление конфигурацией.

·  Объектная структура математической модели. Банки данных, редактируемые данные, управляющие данные. Объекты структурной модели.

·  Объектная структура функциональной модели. Типовые объекты, связанные с решением алгебраических задач. Объектная реализация алгоритмов линейной алгебры.

·  Объектная структура сеточной модели. Интерполяторы и интеграторы.

·  Объектная структура математической модели в форме краевой задачи. Модели сопряженных процессов.

РАЗДЕЛ 3. Типовые интерфейсы прикладных программ вычислительного эксперимента.

·  Основные требования к интерфейсу прикладных программ.

·  Виды интерфейсов. Типовые интерфейсные элементы: меню, графические и табличные средства редактирования данных.

·  Геометрическое моделирование сложных пространственных объектов. Типовые средства отображения и редактирования данных.

·  Проблема входного языка прикладной программы. Входные языки программ вычислительного эксперимента: ВХОД, Ядро.

·  Примеры интерфейсов проблемно-ориентированных программ прикладного математического моделирования

РАЗДЕЛ 4. Документирование прикладных программных средств.

·  Документация в жизненном цикле программных средств.

·  Стандарты, регламентирующие технологическую документацию.

·  Стандарты, регламентирующие эксплуатационную документацию.

·  Сертификация программных продуктов.

РАЗДЕЛ 5. Технико-экономическое обоснование проектов программных продуктов.

·  Цели и задачи технико-экономического анализа и обоснования проектов программных средств

·  Прогнозирование технико-экономических характеристик программных средств

·  Состав затрат в жизненном цикле сложных программных средств

·  Риски при технико-экономическом обосновании проектов программных средств

·  Основные факторы, определяющие технико-экономические показатели в жизненном цикле программных средств

·  Измерение масштаба программных средств. LOC - метод. Использование функциональных точек. Ресурсы памяти и производительности.

·  Оценка трудоемкости и длительности разработки полностью новых программных средств.

·  Оценка затрат на разработку программных средств на базе повторного использования готовых программных компонентов.

·  Распределение затрат на разработку программных средств по этапам работ.

·  Концепция уточнения прогнозов затрат под влиянием различных факторов при разработке программных средств.

1.8. Список дополнительной учебной литературы

*Указания о контроле на момент переутверждения программы	Сведения об учебниках	Соответствие ГОС (для федеральных дисциплин) или соответствия требованиям ООП (для региональных и вузовских) - указание на недостаточно отраженные в учебнике разделы	Количество экземпляров в библиотеке на момент переутверждения программы
Дата	Внесение, продление или исключение / Подпись отв. за метод работу	Наименование, гриф	Автор	Год издания
1	2	3	4	5	6	7
		Математическое моделирование в технике. Уч. пособие (гриф УМО «Допущено»)	и др.	2003
		Численно-аналитические модели в прочностных расчетах пространственных конструкций. - Новокузнецк: НФИ КемГУ, 20с.		2000
		Человеко-компьютерное взаимодействие[Текст]: учебное пособие/. –М. : Университетская книга: Логос, 20с. Рекомендовано УМО Минобрнауки России		2007

1.9. Средства обучения

Технические средства обучения включают:

- аппаратные средства: компьютер, оснащенный стандартным набором периферийных устройств; компьютерный проектор; экран;

- программные средства: пакеты универсальных программ математического моделирования MATLAB, MathCAD, Grapher, Surfer, Leonardo; специализированные пакеты программ НСНЖ, Композит и им аналогичные; среды разработки прикладных программ Borland Builder, Visual Studio и их аналоги.

В лекционном курсе целесообразно использование компьютерных презентаций: типовых моделей жизненного цикла программных продуктов (раздел 1), объектных архитектур проблемно-ориентированных программ (раздел 2), типовых интерфейсов прикладных программ вычислительного эксперимента (раздел 3).

Лабораторные работы по прикладному математическому моделированию и разработке прикладных программ вычислительного эксперимента необходимо проводить с использованием открытого кода специализированных пакетов программ НСНЖ, Композит и других оригинальных разработок кафедры.

Самостоятельная работа студентов, в том числе выполнение реферата и индивидуальных заданий, требует использования перечисленных выше сред разработки, пакетов программ математического моделирования с открытым кодом, а также использования Интернет-ресурсов. Из 56 часов времени, отведенного на самостоятельную работу, 20 часов выделено для изучения теоретического материала. Значительная доля времени должна быть использована для поиска современных источников в сети Интернет. Самостоятельное решение практических задач предусмотрено при изучении разделов 2 и 3 учебно-тематического плана. Постановка этих задач основывается на элементах проектного подхода к изучению дисциплины и подразумевает совместную разработку студентами компоненты программного средства вычислительного эксперимента. Решая практические задачи, в качестве необходимого этапа студенты проводят тестирование и испытание разработанных программных средств, что требует самостоятельной постановки задач тестирования и разработки тестов (6 часов). В качестве индивидуальных заданий студенты должны преимущественно получать задания на разработку и документирование программных продуктов и их компонент по теме предполагаемой дипломной работы, на что выделено 10 часов самостоятельной работы. Для выполнения реферата (10 часов) студентам предлагаются темы рефератов из прилагаемого списка рекомендуемых тем.

1.10. График организации самостоятельной работы студентов по дисциплине «Прикладные математические модели и проблемно-ориентированное программирование» учебного плана специальности 010501 «Прикладная математика и информатика»

Общее кол-во часов по учебному плану - 112 час.
56 часов Аудиторная работа	56 час. Самостоятельная работа
Формы аудиторных учебных занятий (час.)	Виды самостоятельной учебной работы (час.)
№ недели	№ и тема лекции	28 часов Лекции	28 часов Лабораторные занятия	20 час. Изучение теоретического материала	10 час. Решение практических задач	6 час. Составление практических задач и тестов	10 час. Выполнение реферата	10 час. Индивидуальные задания
1	1. Жизненный цикл программного продукта. Модели жизненного цикла.	2	4	1	-		10	10
2	2. Процессы предпроектного этапа, проектирования и разработки.	2	1	-
3	3. Процессы испытаний. Тестирование компонент, сборки и системы.	2	4	1	-
4	4. Процессы эксплуатации, сопровождения и поддержки, снятия с эксплуатации.	2	1	-
5	5. Особенности и типовые архитектуры программ вычислительного эксперимента. Приложение, подзадачи, управление конфигурацией.	2	4	2	2
6	6. Объектная структура математической модели. Банки данных, редактируемые данные, управляющие данные. Объекты структурной модели.	2	2	2
7	7. Объектная структура функциональной модели. Типовые объекты, связанные с решением алгебраических задач.	2	4	2	2	2
8	8. Объектная структура сеточной модели. Модели сопряженных процессов.	2	2	2	0
9	9. Основные требования к интерфейсу прикладных программ. Виды интерфейсов. Типовые интерфейсные элементы.	2	4	1	0	0
10	10. Интерфейс геометрического моделирования сложных пространственных объектов.	2	1	0	2
11	11. Входные языки программ вычислительного эксперимента.	2	4	1	2	2
12	12. Документирование прикладных программных средств	2	4	1	0	0
13	13. Цели и задачи технико-экономического обоснования проектов программных средств. Основные факторы, определяющие технико-экономические показатели.	2		2	0	0
14	14. Оценка трудоемкости и длительности разработки программных средств.	2	2	0	0
ИТОГО	28	28	20	10	6	10	10

2. ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

2.1. Содержание лабораторных занятий

·  Процессы предпроектного этапа (4 часа).

·  Тестирование компонент программного средства (4 часа).

·  Объектная структура математической модели (4 часа).

·  Объектная структура сеточной модели (4 часа).

·  Интерфейс геометрического моделирования (4 часа).

·  Геометрическое моделирование на входном языке «Ядро» (4 часа).

·  Документирование подзадачи (4 часа).

2.2. Методические указания по подготовке к лабораторным занятиям

Дисциплина «Прикладные математические модели и проблемно-ориентированное программирование» изучается в едином модуле с дисциплиной «Вычислительный эксперимент», что, с одной стороны, позволяет использовать категории вычислительного эксперимента и математического моделирования при изучении технологии проблемно-ориентированного программирования, а с другой – требует согласованного изучения этих курсов и соблюдения очередности изучения тем, опирающихся на общий понятийный аппарат. Поэтому лабораторный практикум по дисциплине выстроен таким образом, чтобы в первых лабораторных работах использовать понятия вычислительного эксперимента в минимальной степени, а в последующих, напротив, изучить «изнутри» программные средства, предназначенные для изученных к этому времени задач математического моделирования.

Для эффективного использования времени, отведенного на работу с компьютером, рекомендуется обеспечивать студентов текстами прикладных программ с открытым кодом («Композит», НСНЖ «Огнестойкость»), которые могут использоваться как среда для написания компонент. Анализ текстов программ должен осуществляться студентами преимущественно самостоятельно, поскольку к этому времени они изучили программирование на языках высокого уровня.

Условием успешного освоения теории и практики прикладного математического моделирования является координация всех составляющих учебной работы студента: изучения теории, решения практических задач по проектированию и разработке программных компонент, документирования разработанных программных средств.

На лабораторных занятиях постоянно происходит обращение к основным понятиям: программный продукт, этапы и процессы жизненного цикла, архитектура программы, интерфейс. Эти понятия должны быть прочно усвоены после первой лекции. При изучении всех последующих тем следует обращать внимание на соответствие архитектуры рассматриваемой программы её функциям и критериям оценки программы в соответствии с их приоритетами.

Лабораторная работа 1 (Процессы предпроектного этапа) выполняется, когда теоретический материал по дисциплине изучен в малом объеме. Целью этой работы является актуализация и углубление знаний в области объектно-ориентированного программирования. Для разбора студентам предлагается прототип универсальной прикладной программы, снабженный оконным интерфейсом и позволяющий управлять конфигурацией программы. В результате выполнения работы студент должен разработать укрупненный проект объектной архитектуры программного средства для вычислительного эксперимента, определить набор подзадач, очередность проектирования и разработки программных объектов математической модели, спроектировать схему иерархии программных объектов и их динамического взаимодействия. Отчет о лабораторной работе должен включать разделы: «Документирование существующего объекта», «Описание проектируемой подзадачи», «Предлагаемая объектная архитектура», «Последовательность процессов проектирования и разработки».

Лабораторная работа 2 (Тестирование компонент программного средства) также проводится на открытом коде существующего пакета прикладных программ. Целесообразно использовать для этого компоненты ППП «Композит». Целью работы является отработка навыков практического тестирования программных компонент. В результате выполнения работы студент должен разработать набор тестов для программной компоненты (объекта или модуля) и представить результаты выполнения контрольных примеров.

Лабораторная работа 3 (Объектная структура математической модели) направлена на практическую отработку навыков формирования объектной архитектуры программ вычислительного эксперимента. В соответствии с полученным заданием студент должен собрать агрегат объектов, описывающий основные свойства математической модели: определяющие соотношения материалов, геометрию, топологию. При этом используется библиотека классов ППП «Композит». В отчете о лабораторной работе студент приводит схему взаимодействия объектов, образующих агрегат.

Лабораторная работа 4 (Объектная структура сеточной модели) требует от студента построения агрегата классов, описывающего сеточную модель, из открытой библиотеки классов ППП «Композит». Задание на лабораторную работу включает интерфейсы базовых классов и постановку краевой задачи. В отчете студент должен привести схему взаимодействия объектов в агрегате и контрольный пример.

В лабораторной работе 5 (Интерфейс геометрического моделирования) студент должен построить средствами геометрического моделирования структурную модель объекта вычислительного эксперимента и описать интерфейс использованных программных средств. Рекомендуется использовать для этого ППП «Огнестойкость» или препроцессор ППП «Композит». В отчете должны быть отражены результаты решения контрольного примера.

В лабораторной работе 6 (Геометрическое моделирование на входном языке «Ядро») отрабатываются навыки использования входного языка «Ядро» для задания данных о структурной модели. Используется тот же объект вычислительного эксперимента, что и в работе 5. В отчете приводится контрольный пример и сравнительный анализ графических и алгоритмических средств задания данных.

Задание на лабораторную работу 7 (Документирование подзадачи) предусматривает практическую коллективную работу группы студентов над документированием программ вычислительного эксперимента. В зависимости от варианта задания, разрабатываются: описание концепции программного средства, руководство программиста, руководство пользователя.

Лабораторный практикум целесообразно строить с сохранением преемственности в объекте разработки. В этом случае все семь отчетов в совокупности имеют внутреннюю логическую связь, а разработанные студентами программные средства могут составить завершенную прикладную программу.

3. ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

3.1. Краткие методические указания по организации самостоятельной работы

Содержание самостоятельной работы по дисциплине приведено в рабочей программе. Общий объем времени самостоятельной работы установлен в 56 часов, из которых 20 часов отведено для изучения теоретического материала, 10 часов – на решение практических задач, 6 часов – на составление практических задач и тестов, 10 часов – на выполнение реферата и 10 часов – на выполнение индивидуальных заданий.

Для организации самостоятельной работы студентов в начале семестра им выдаются темы рефератов из приведенного ниже списка тем рефератов. Защита реферата планируется на 14 неделе. Таким образом, от получения темы до защиты реферата студент имеет достаточно времени для осмысления темы, подбора литературы и Интернет-ресурсов и подготовки реферата обзорного характера. Защиту рефератов целесообразно проводить в виде семинара с обязательным привлечением студентов к обсуждению темы.

Наибольший объем самостоятельной работы по изучению теории планируется по теме «Типовые проектные решения прикладных программ вычислительного эксперимента» (8 часов). Это связано с необходимостью изучения специфических вопросов, не читаемых в дисциплинах естественно-научного цикла, и параллельным изучением курса «Вычислительный эксперимент». Для их понимания необходимо повторить ряд вопросов из области программирования на языках высокого уровня: парадигма объектно-ориентированного проектирования и программирования, полиморфизм, инкапсуляция. Изучение теоретического материала следует подкреплять решением практических задач по проектированию и реализации компонент программного средства, для чего запланировано 8 часов самостоятельной работы.

По теме «Типовые интерфейсы прикладных программ вычислительного эксперимента» отведено 4 часа самостоятельной работы для изучения теории. Наряду с повторением лекционного материала, студенту рекомендуется самостоятельно изучить проблемно-ориентированный язык пакета программ, используемого в лабораторном практикуме, и использовать эти знания при выполнении лабораторной работы. Это подразумевает самостоятельное решение практических задач по описанию расчетной модели на входном языке (2 часа) и составление тестовых задач для демонстрации работоспособности модели (4 часа).

Изучение темы «Технико-экономическое обоснование проектов программных продуктов» предусматривает 4 часа самостоятельного изучения теоретического материала. Следует обратить особое внимание на общие подходы к анализу экономических показателей программных продуктов, что представляет некоторые затруднения для студентов-математиков.

4. ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

4.1. Рекомендуемая тематика рефератов

1. Цикл итеративного развития программного продукта.

2. Макро - и микропроцессы проектирования.

3. Основные этапы проектирования объектно-ориентированной программы.

4. CASE-технология и CASE-средства.

5. Альтернативные методы разработки программного обеспечения (ускоренная разработка, экстремальная разработка).

6. Отладочные средства и технология отладки программных компонент.

7. Основные алгоритмы математического моделирования.

8. Архитектура прикладных программ вычислительного эксперимента.

9. Проблемы «утечки памяти» в языках высокого уровня и методы их решения.

10. Сеточные модели и их объектное представление.

11. Типовые классы объектов для решения краевых задач: матрицы, интеграторы, интерполяторы.

12. Математическая модель в форме краевой задачи и её объектное представление.

13. Интерфейсы редактирования структурной модели.

14. Входные языки проблемно-ориентированных программ вычислительного эксперимента.

15. Типовые интерфейсные решения проблемно-ориентированных программ.

16. Шаблоны проектирования объектных программ.

17. Проблемы сопровождения программ вычислительного эксперимента.

18. Документирование программных средств вычислительного эксперимента.

4.2. Краткие методические указания по подготовке реферата

Задания на выполнение рефератов выдаются студентам индивидуально, с учетом тематики их исследовательской работы. Специфика темы работы отражается в выборе предметной области, из которой студент должен выбрать иллюстрирующие обзор примеры.

Рекомендуется выбирать тему реферата с учетом планируемого предмета дипломной работы, как правило, в привязке к тематике научно-исследователь­ской работы выпускающей кафедры. В связи с этим приведенный выше перечень тем рефератов не является исчерпывающим.

Приступая к выполнению реферативного обзора, необходимо прежде всего провести библиографический поиск. Кроме основной и дополнительной литературы по теме, рекомендуется использовать электронные ресурсы сети Интернет, доступную документацию по проблемно-ориентированным программам, а также литературу по дисциплинам: «Вычислительный эксперимент», «Численные методы решения краевых задач».

Определив круг библиографических источников, следует сделать их аналитический обзор с точки зрения выбранной темы реферата. Целесообразно анализировать преимущества и недостатки концепций, методов, подходов, проектных решений с точки зрения практического использования информационной технологии в процессах, для поддержки которых она используется (направленности на конечный результат). В первую очередь, в соответствии со спецификой профиля подготовки студентов, необходимо анализировать технологии программирования с позиций их применимости в вычислительном эксперименте.

Заключительным этапом работы над рефератом является подготовка к его защите. Для этого, кроме текстового документа, рекомендуется подготовить компьютерную презентацию содержания реферата с учетом лимита времени на выступление и обсуждение работы.

Критерий оценки на зачете включает оценку уровня теоретических знаний, контролируемого по качеству подготовленного и защищенного реферата. При защите реферата студенту могут быть заданы вопросы, ответы на которые демонстрируют приобретенные им компетенции в области проблемно-ориентированного программирования. Поэтому при подготовке к защите реферата следует обратить внимание на вопросы из примерного перечня вопросов к зачету, приведенного ниже.

5. ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ

1.  Жизненный цикл проблемно-ориентированной программы. Проектирование, реализация, сопровождение.

2.  Основные этапы проектирования. Анализ предметной области. Разработка пользовательского интерфейса. Разработка архитектуры. Разработка алгоритма.

3.  Типовые интерфейсные решения. Главная форма. Функции главного меню и реализующие их методы класса.

4.  Структурные и функциональные модели. Объект «Структурная модель».

5.  Формальные модели. Теоретические модели. Объект «Функциональная модель».

6.  Прямые, обратные, полуобратные задачи математического моделирования. Алгоритмы и подзадачи.

7.  Математическая модель в форме краевой задачи. Объектная структура краевой задачи.

8.  Банки данных. Редактируемые данные. Проблема сопряжения моделей.

9.  Интерфейс редактирования структурной модели. Графические средства. Табличные средства.

10.  Проблема входного языка. Входные языки проблемно-ориентированных программ математического моделирования.

11.  Просмотр и экспорт результатов.

12.  Интерфейс подзадачи. Контрольные точки. Опции подзадач. Индикация процесса решения. Объект «Функциональная модель».

13.  Объектная архитектура, иерархические и динамические связи. Проблема объектной декомпозиции. Использование полиморфизма.

14.  Типовые классы объектов для решения краевых задач. Интерполяторы, интеграторы, матрицы, решатели. Способы реализации.

15.  Проектирование динамической архитектуры программ математического моделирования. Время жизни объектов. Проблема утечки памяти и способы её решения.

16.  Примеры объектной архитектуры прикладных программ.

17.  Документирование программы. Документация разработчика. Документация пользователя.

18.  Сопровождение и развитие проекта. Принцип «Как есть» и квантование версий.

19.  Отладочные средства. Организация параллельной разработки. Декомпозиция проекта. Имитация сложных объектов.

20.  Примеры проблемно-ориентированных программ прикладного математического моделирования.

6. ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

При изучении дисциплины «Прикладные математические модели и проблемно-ориентированное программирование» рекомендуется использовать следующие инновационные образовательные технологии.

1.  Решение приближенных к практике задач на лабораторных занятиях.

2.  Использование проектного метода при выполнении лабораторных работ по проектированию и реализации компонент проблемно-ориентирован­ных программ вычислительного эксперимента.

3.  Использование в учебном процессе передовых информационных технологий проектирования проблемно-ориентированных программных средств.

4.  Публичная защита рефератов в виде проведения студенческой конференции.