CC BY
42
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИГРЫ
В ОБУЧАЮЩЕМ ПРОЦЕССЕ
Н.И. Костюкова, к. т. н., с. н. с
E-mail: [email protected] Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
http://www.sscc.ru/
A method of teaching informatics is suggested. It is based on dynamic geometric modeling and
computer games development.
Геометрическое моделирование
Геометрическое моделирование, раздел математического моделирования, представляет собой весьма широкое понятие и включает решение разнообразных геометрических задач в двумерном, трехмерном и, в общем случае, в многомерном пространстве. В геометрическом моделировании можно выделить два компонента:
1. Развитие геометрии как науки, т. е. совершенствование математического аппарата геометрического моделирования.
2. Расширение математического перечня и усложнение прикладных задач при помощи геометрического моделирования.
Геометрическое моделирование используется в управлении, планировании, обучении и других областях. Можно выделить три основные области применения геометрического моделирования: проектирование, научные исследования, обучение студентов моделированию и программированию. Проектирование представляет собой наиболее развитую область применения геометрического моделирования. В научных исследованиях, где изучаемые объекты сложны, и трудно формализуемы, роль наглядных геометрических интерпретаций весьма значительна. Геометрическое моделирование можно весьма эффективно использовать при обучении студентов моделированию и программированию. Задачи геометрического моделирования весьма интересны, обучаемые выполняют их с удовольствием, не замечая, что в процессе делают большую работу, и приобретают знания, умения и навыки как в области
моделирования, так и программирования. При нормальной, оптимальной интенсивности обучения не происходит перенапряжения физических, нервных и умственных сил человека, удов-
летворяется природная потреб-
ность трудиться, познавать, при-
чем рационально расходуется трудовое время, сила и энергия, сохраняются работоспособность и здоровье, отсутствуют монотонность и утомляемость. В интенсификации учебной деятельности студентов применяются следующие мероприятия: разработанные дидактикой высшей школы системы способов, приемов и средств; определение наиболее эффективных условий и форм организации деятельности студентов; овладение преподавателями системой приемов и методик обучения. Интенсификация педагогической деятельности предусматривает обеспечение психологических возможностей путем создания наиболее благоприятных условий труда, снижающих утомляемость, способствующих раскрытию творческих способностей, повышению работоспособности. Программа обучения компьютерной графики в НГУ и ВКИ НГУ составлена таким образом, чтобы была обеспечена интенсификация процесса обучения, с одной стороны, охватывающая подсистему интенсификации индивидуальной (личностной) деятельности преподавателя и студента, с другой сто-
роны - подсистему интенсификации коллективной деятельности.
Можно выделить следующие основные этапы геометрического моделирования:
- постановка геометрической задачи, соответствующей исходной прикладной задаче или ее части;
- разработка геометрического алгоритма решения, поставленной задачи;
- реализация алгоритма при помощи некоторых инструментальных средств;
- анализ и интерпретация получаемых результатов.
Все существующие методы решения динамических геометрических задач условно можно разделить на аналитические, графические и графоаналитические.
Аналитические методы предполагают переход от геометрических абстракций к некоторым числовым объектам и операциям над ними. Результатам, полученным в итоге действий над числовыми объектами, ставятся в соответствие геометрические объекты. Основное достоинство всех аналитических методов - возможность получения точного числового решения.
Суть графических методов решения динамических геометрических задач заключается в том, что решение осуществляется с помощью графических построений. Развитие графических методов, ориентированных на использование ЭВМ, основано на методах и средствах машинной графики. Под компьютерной анимацией в общем случае понимается совокупность методов и средств, ориентированных на получение динамических графических изображений. Системы компьютерной анимации активно используются в автоматизации научных исследований, составляют часть инструментальных средств, реализующих графические методы обработки динамических данных.
Графоаналитические методы решения динамических геометрических задач можно рассматривать как совместное использование графических и аналитических методов. В этом случае реализация геометрического алгоритма сводится к сочетанию графических построений и
аналитических вычислений. Объединение аналитических методов, с использованием ЭВМ, и графических, основанных на использовании машинной графики или компьютерной анимации, может быть весьма полезным и эффективным.
Один из важных аспектов современной информационной технологии - широкое использование для решения разнообразных информационных задач средств машинной геометрии и графики. Графическая форма представления информации имеет несомненные преимущества: наглядность, емкость и высокая скорость восприятия человеком. Базы данных можно разделить на традиционные, графические, геометрические и интегрированные. Под традиционным типом понимаем обычные текстовые и числовые базы данных. Графическими базами данных называем различные графические архивы, где хранятся графические образы геометрических объектов. Геометрическими базами данных называют базы данных, которые хранят различные геометрические объекты, отражающие реальные и абстрактные свойства, используя различные модели. Наибольшее распространение получают интегрированные базы данных, где присутствуют традиционный тип данных, геометрические объекты и графические образы. При работе с геометрическими моделями в интегрированных базах данных требуется дополнительные средства интерпретации геометрической и графической информации:
-просмотр информации с помощью окна в картинной плоскости или просмотр трехмерной информации через пирамиду видимости. Эти возможности обеспечиваются базовыми средствами машинной графики;
-возможность интерактивной работы с физическим объектом, сдвиг, поворот, масштабирование, что позволяет рассматривать объект под любым углом.
Примитивами -процессами называются геометрические примитивы, для которых определен интервал времени существования. К геометрическим операциям относятся аффинные статические и аф-
финные динамические операции, преобразования проецирования, преобразования времени, смешанные преобразования. К аффинным статическим операциям относятся сдвиг, масштабирование. К аффинным динамическим - динамические сдвиг, поворот, масштабирование, комбинации сдвигов и поворотов. К преобразованиям времени - сдвиг во времени и масштабирование времени, ускорение, замедление, к смешанным операциям - операции размножения геометрических объектов в геометрическом пространстве и во времени. Отдельно выделяется операция взятия значения геометрического процесса в некоторый момент времени. Сформированным геометрическим объектам могут быть поставлены в соответствие различные статические и динамические графические изображения.
Для того, чтобы чувствовать себя уверенным в компьютерной графике, важно взяться за выполнение ряда основополагающих проектов. Студентам предлагается самим разработать свои собственные проекты, пользуясь существующими в данной области наработками и опытом преподавателя. Обучаемые занимаются реализацией проектов с большим интересом в процессе разработки проектов приобретают навыки моделирования и программирования. Приводим пример проекта.
Визуализация движений человека
Задача проекта:
- изобразить трёхмерную модель человека с возможностью управления частями тела с клавиатуры и с изменяемыми параметрами внешнего вида;
- записывать сложные движения в своём формате с возможностью дальнейшего воспроизведения.
Использованные программные продукты для реализации проекта:
- Borland Delphi 6;
- Графическая библиотека OpenGL;
- 3D Studio Max;
- 3D Exploration.
Возникшие сложности:
- организация связных движений частей тела;
- наложение некоторых ограничений на повороты и сгибы частей тела.
Модель человека была создана в программе 3D Studio Max и интегрирована в проект с помощью программы 3D Exploration.
Для записи движения был придуман формат файла с расширением “mv”. В файл записываются фреймы, структура фрейма включает координаты положения тела в пространстве и углы поворотов частей тела.
При воспроизведении, из файла считываются фреймы один за другим, и части тела поворачиваются на считанные из файла углы.
Воспроизводить движения можно в нескольких режимах:
- обычный;
- «двусторонний», т.е. движение выполняется сперва в обычном режиме, а затем наоборот с последнего фрейма до первого.
Также можно зациклить движение.
В проекте можно выделить несколько главных модулей:
- описание класса TMan - класс человека;
- интерфейсная часть;
- описание трёхмерной модели -Man.DLL.
Зачем нужны компьютерные игры
С самого раннего детства человека окружают игрушки. На смену им приходят подвижные, тихие, интеллектуальные, спортивные игры. Создатель компьютерной игры не связан законами материального мира. Широкое внедрение компьютерной техники почти во все сферы производственной деятельности требует, чтобы практически любой человек умел общаться с компьютером. С этой точки зрения игры являются незаменимым подспорьем. Хорошую игру придумать чрезвычайно сложно. Игры не только учат тому, какие нужно нажимать клавиши и как рассчитывать правильный ход, но оказывают и сильное эмоциональное воздействие на человека. Нам кажется, что дальнейшее развитие науки и техники сделает невозможным обучение детей без компьютерных игр.
В Высшем колледже информатики Новосибирского государственного университета каждый обучаемый создает свою игру на языках программирования Паскаль или Си ++.
Это позволяет студентам колледжа неформально осваивать различные виды
деятельности, связанные с использованием компьютера, создавать предпосылки свободного владения компьютером, превращающим его в инструмент творчества. Создание компьютерных игр позволяет приобретать очень весомые и серьезные знания и навыки.
Литература
1. Костюкова Н.И., Попков В.К. Математические модели, дидактические и эргономические аспекты разработки автоматизированных обучающих комплексов// «Дистанционное образование».
- Москва. N6. -1999. - С .19-22
2. Костюкова Н.И., Попков В.К. Дидактическая модель решения задач//”Открытое образование”. -Москва. N3. - 2001. -С. 19-22.
3. Валишев А.И., Костюкова Н.И., Минак А.Г. Психология мышления, дидактические характеристики и оценка пригодности специалиста в области программирования//”Открытое образование”. - Москва. N4. - 2003. -С. 7-13
4. Иваньчева Т.А., Калинина Н.И., Костюкова Н.И. Психология глазами информатика// «Открытое образование». - Москва. N6. - 2003. -С.64-69.
М Е Ж Д У НА Р О Д Н А Я Н А У Ч НА Я К О Н Ф Е Р Е Н Ц И Я "ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ В ОБРАЗОВАНИИ И НАУКЕ"
(IT&T ES'2005)
ЦЕЛИ КОНФЕРЕНЦИИ
- обсуждение вопросов стратегии создания и развития образовательных и научных порталов;
- обсуждение новых научных и практических результатов использования телекоммуникационных сетей науки и образования;
- обмен научными и техническими достижениями в решении проблем качества и безопасности, повышения эффективности использования информационных технологий в науке и образовании;
- обмен идеями, поиск совместных направлений исследований и укрепление сотрудничества между учебными и научными учреждениями России и ее зарубежных партнеров;
- вопросы повышения качества подготовки специалистов в области 1Т-технологий и телекоммуникаций
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ КОНФЕРЕНЦИИ
- Интернет-порталы: содержание и технологии;
- Телекоммуникационные сети науки и образования КиЫЫе^ ЯВЫе^ ВБиЫ: новые технологии, информационное развитие инфраструктуры;
- Применение информационных технологий в процессе обучения и научных исследованиях;
- Информационная инфраструктура образования и науки.
Источник. ГосНИИ ИТТ «Информика» (http://www.informika.ru)
