Михаил Игоревич Карякин - Визуализация механических систем, процессов и явлений: проектные задания с использованием Vpython

использование для создания
простейших 3D-изображений и анимаций, в том числе интерактивных.
3

Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Глава 3 «Моделирование движения механических систем» посвящена
краткому описанию вычислительных алгоритмов, рекомендованных для
использования при выполнении проектных заданий. Алгоритмы
проиллюстрированы их применением к моделированию динамики
нескольких механических систем. Визуализация процессов при этом
осуществляется с использованием VPython.
Остальные главы содержат постановки проектных заданий, которые
могут выполняться как индивидуально, так и небольшими группами
обучающихся. Таких заданий – четыре: «Визуализация молекулы»,
«Пружинная модель твердого тела», «Небесная механика», «Знакомство с
молекулярной динамикой». Все главы с проектными заданиями имеют
похожую структуру. В разделе «Формулировка задания» содержится
постановка задачи, набор требований к методам решения и ожидаемым
результатам, параметры отчета и т. п. В этом же разделе приводятся
несколько (порядка двадцати) вариантов проектных заданий.
Предполагается, что номер задания для каждого обучающегося или группы
определяется преподавателем. Следующий раздел, «Базовые сведения»,
содержит общую информацию по теме проектного задания, в ряде случаев
выходящую за рамки конкретной задачи. Первичная цель этого раздела –
снабдить обучающегося основными методиками и алгоритмами для
выполнения задания. Более общая, и не менее важная цель состоит в том,
чтобы очертить предметную область, связанную с конкретной задачей,
познакомить с существующими в этой области проблемами и актуальными
технологиями. Размер этого раздела может варьироваться в зависимости от
типа проектного задания. Третий раздел – «Пример выполнения задания» –
содержит текст или фрагменты текста программы, демонстрирующий
решение основных типовых проблем, возникающих при реализации
проекта, а также комментарии к приведенному коду.
Завершая краткое предисловие, нужно еще ответить на естественный
вопрос: почему в качестве средства реализации вычислительных
алгоритмов и визуализации механических процессов выбран язык Питон?
Причины достаточно просты и лежат на поверхности. Питон сегодня
де
факто
является
своеобразным
эсперанто
современной
междисциплинарной науки. Специалисты в области математического
моделирования, физики, астрономии, химии, биологии, биоинформатики,
лингвистики, машинного обучения, анализа данных, статистики «говорят»
4

Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

на этом языке, в том смысле, что количество пакетов и библиотек Питона,
ориентированных на эти и многие другие сферы исследований,
продолжает постоянно увеличиваться. В различных частях этого пособия
будут упомянуты астрономические пакеты, пакеты молекулярной
динамики, библиотеки визуализации структуры химических веществ,
полностью разработанные на Питоне, или использующие Питон в качестве
интерфейсного средства. Не случайно поэтому, что практически во всех
известных «рейтингах» современных языков программирования Питон
уверенно входит в тройку лидеров. Например, июньский рейтинг Tiobe
2021 года1 озаглавлен так: «Питон как никогда оказался близок к первому
месту» (Python has never been so close to position #1 before). В процессе
выполнения разнообразных проектных заданий, представленных в данном
пособии, обучающиеся могут достаточно быстро познакомиться с мощью
и гибкостью этого языка, что позволит им впоследствии успешнее
ориентироваться и погружаться в самые различные области современной
прикладной математики и информатики. Завершая ответ, приведем цитату
из статьи в Википедии, посвященной этому языку 2 : «За счёт
читабельности, простого синтаксиса и отсутствия необходимости в
компиляции язык хорошо подходит для обучения программированию,
позволяя концентрироваться на изучении алгоритмов, концептов и
парадигм.»
Все приведенные в данном учебном пособии программы носят
исключительно демонстрационный характер. Так, в них практически
отсутствуют операторы ввода (все необходимы параметры задаются прямо
в тексте программ), не проводится никакой проверки на возможные
ошибки, отсутствует анализ исключений. Это связано и с желанием
сэкономить место, и с тем, --">