Некоторые приемы программирования

Автор: csaa ·

Как уже отмечалось выше, наибольшая польза при изучении вопросов, затрагиваемых в данной главе, будет в том случае, если, наряду с проникновением в общую методологию моделирования и осознанием существа рассматриваемых задач, читатели реализуют несколько моделей в виде компьютерных программ достаточно профессионального уровня, т. е. не просто заглатывающих одни числа и выводящих на экран или принтер длинные столбцы других, но и реализующих некоторый интерфейс пользователя с элементами диалога, графики и т.д.

Именно поэтому мы не будем касаться здесь вопроса об использовании специализированных пакетов программ решения математических задач и графической поддержки. Во-первых, такие пакеты различны на разных ЭВМ, постоянно появляются новые, и за этим не угнаться никакому учебнику. Во-вторых (и это главное), самостоятельно запрограммированное осознанное решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера и сопровождающая его простенькая самостоятельно созданная на BASIC или PASCAL иллюстрация в виде графика или движущегося по экрану предмета дают тому, кто это сделал, куда больше, чем обращение к пакету MATHEMATICA с его могучими программами. От того, что задача будет решена, скажем, программой из этого пакета по методу Рунге — Кутта — Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования, реальных знаний почти не прибавится. Здесь мы упираемся в фундаментальные проблемы целей образования. Разумеется, овладение возможностями одного из пакетов математической поддержки (Eureka, MathCad, MathLab, Derive и др. ) вполне желательно и может принести определенную пользу, но не заменить самостоятельно проделанной работы.

Далее остановимся лишь на отдельных вопросах программирования, наиболее существенных при разработке моделирующих программ, ограничиваясь лишь примерами и советами, призванными уточнить суть дела.

Организация диалога человек — ЭВМ в процессе проектирования и разработки моделирующих программ. Организация интерфейса пользователя при разработке профессиональных программ — работа не менее (а часто и более) сложная, чем реализация логической или расчетной части задачи. Многие, работая с табличными процессорами, текстовыми редакторами и другими широко распространенными программами, не склонны задумываться, сколько усилий потребовала от разработчиков организация экрана, на котором всегда есть нужная в данный момент информация, причем именно в том месте экрана, где ее легче найти, система подсказок и помощи, меню для смены режимов работ и т.д. Очень жесткие требования по оформлению диалога предъявляются к обучающим и контролирующим Программам, компьютерным дидактическим играм, многим другим классам программ. Именно по соответствию этим требованиям сегодня в первую очередь судят о профессионализме разработки.

Характерной чертой практически всех профессиональных моделирующих программ является их диалоговый характер. Диалоговые (иначе говоря, интерактивные) программы — большой шаг вперед в развитии процесса взаимодействия человека с компьютером. Обсудим коротко лишь некоторые черты подобной организации человеко-машинного интерфейса.

Диалог человека с машиной весьма далек от привычного человеческого диалога. Главная особенность — ограниченные возможности компьютера в форме восприятия и анализа смысла человеческих сообщений. Воспринимаемые компьютером в ходе диалога сообщения жестко ограниченны в своих конструкциях как синтаксически, так и семантически. Синтаксически -т. е. сообщения воспринимаются лишь в предусмотренной автором программы форме. Например, оговорено, что сообщение содержит 5 букв кириллицы — любое другое система признает неверным и отвергнет. Однако, она в этом случае сочтет верным любой текст из 5 букв кириллицы, даже совершенно бессмысленный; такой текст будет отвергнут на уровне семантического анализа, в котором исследуется, приписалли автор программы этому тексту какой-либо смысл.

Слово «семантика» означает смысловую сторону сообщения. В распознании смысла сообщений компьютерные программы пока преуспели гораздо меньше, чем в синтаксическом анализе, и могут несравненно меньше, чем человек. Работы в этом направлении — одно из самых перспективных направлений развития информатики. Подавляющее число программ, реализованных на компьютерах с первого по четвертое поколения, могут распознавать «верно — неверно» лишь по сравнению с эталонными ответами, котооые либо заранее заложены в эти программы, либо выражены в числовой форме и рассчитываются программами.

Обсудим технические вопросы ведения диалога с компьютером. В моделирующих программах, в основном, используются следующие типы элементов диалога:

• меню;

• вопросы, требующие ответа «да/нет»;

• ответы по шаблону;

• команды.

Меню — на экране нумерованное или помеченное иным способом (например, выделением заглавных букв первых слов) множество функций системы, реализация которых возможна в настоящий момент, рис. 7. 3. Пользователь выбирает нужную функцию и тем самым начинает диалог.

Рис. 7. 3, а. Пример кадра меню

Программа 146. Фрагмент программы, реализующей меню с рис. 7. 3,а.

Program St; Uses Crt;

Var M : Byte; Logic : Boolean;

(Про\(о}е\(a)ypa печати меню и выбора соответствующего пункта)

Procedure Menu (Var M : Byte) ;

Begin Repeat (Выбор пункта меню с верифика\(о}ией вво\(а)а}

CIrScr; GotoXY (15, 7);

Write(‘\(А}ИНАМИКА ПОПУЛ\ss\{0}ИЙ С НЕПРЕРЫВНЫМ РАЗМНОЖЕНИЕМ’)•;

GotoXY(22, 10); Write(‘1. Внутриви\{а}овая конкурен\(о}ия. ‘);

GotoXY(22, 12); Write(‘2. Межви\{а}овая конкурен\(о}ия. ‘);

GotoXY(22, 14); Write(‘3. Система хищник-жертва. ‘);

GotoXY(22, 16); Write(‘4. Коне\{о} работы. ‘);

GotoXY(15, 22); Write(‘ВЫБЕРИТЕ НОМЕР НУЖНОГО ПУНКТА МЕНЮ ‘);

Read(M)

Until M In [1. . 4]

End;

Begin (OCHOBHA\ss ПРОГРАММА)

Logic := False;

Repeat

Menu(M); (меню)

Case M Of

1 : Begin (Внутриви\{а}овая конкурен\{о}ия} End;

2 : Begin {Межви\{а}овая конкурен\{о}ия)

CIrScr; WriteLn(‘Пункт меню Межви\{а}овая конкурен\{о}ия’) ;

Repeat Until KeyPressed

End;

3 : Begin {Система хищник-жертва} End;

4 : Logic := True (Выхо\{а} из программы)

End

Until Logic

End.

Программа может предусматривать и другие способы организация реакции пользователя: вводом букв В, M. С; еще удобнее — установкой курсора в нужную строку клавишами и (или) «мышью» (если она есть). Сути дела это не меняет.

Вопрос, требующий ответа «да/нет» — частный случай меню, который, однако, целесообразно выделить.

Рис. 7. 3, б. Выбор одного из возможных ответов

Ответы по шаблону даются чаще всего при ожидании числовой информации, когда хотят избежать длинных объяснений о формате числа, количестве значащих цифр.

Команда подается пользователем. В диалоговой моделирующей программе может быть строго фиксированный набор команд, краткий перечень которых сопровождает все или часть кадров в строке-подсказке; по этим командам пользователь может в любой момент прекратить работу или изменить ее характер. Например, в нижней части кадра, содержание которого сейчас неважно, написано:

Рис. 7. 3, в. Форматированный ввод данных

Рис. 7, 3, г. Выбор последующего режима работы

В основной части кадра-некий текст, предписывающий определенную реакцию. Но указанные внизу команды имеют приоритет, и при нажатии «М» мы попадем в основное меню независимо от того, что требовалось в верхней части кадра. При этом предусматривается возможность возврата в кадр, из которого вышли.

Разработка диалоговой моделирующей программы — достаточно сложный процесс, включающий создание сценария, программирование, разработка инструкций и документации. В нашем курсе невозможно требовать реализации всех этих элементов в каждой из выполняемых работ, поскольку тогда программистская работа отодвинет на второй план все остальное; можно лишь рекомендовать использовать элементы организации диалога. В отчетной (курсовой, дипломной) работе, напротив, уместна реализация весьма интересных диалоговых оболочек; в текущих же работах элементы разумной организации диалога, оформления экрана вполне уместны и не требуют чрезмерных усилий. Весь диалог при моделировании того уровня, который соответствует данному курсу, невелик по объему и несложен по логической организации. Согласитесь, что ситуация, когда программа требует ввода данных и извещает об этом лишь знаком «?» на совершенно пустом экране, вам, вероятно, знакома, как знакома и реакция сидящего за компьютером человека, который не понимает, что бы это значило (что особенно смешно, если он сам — автор этой программы). Так не стоит ли снабдить этот знак фразой «введите начальную скорость v0, звуковым сигналом, привлекающим внимание, и т.д. ? Как быть с огромным количеством чисел, проносящихся по экрану в процессе решения дифференциальных уравнений и сметающих на своем пути всю нужную информацию? В отлаженной программе такого просто не должно быть.

Спроектируем возможное оформление диалога и формы представления результатов для одной из рассмотренных ниже задач по моделированию. Уместно начать с кадра-заставки, где написаны название задачи, фамилия автора программы — это минимум. Если удастся создать несложный рисунок, иллюстрирующий задачу — очень хорошо, он уместен в том же кадре. Затем, через несколько секунд, кадр сменяется следующим. На нем — основное уравнение (т.е. сама математическая модель) и предложение ввести исходные данные — с представлением шаблонов, или, если это затруднительно, то в свободной форме, но обязательно со словесным запросом значения каждого параметра по очереди. Более чем существенно разумно спроектировать формы для вывода результатов — таблицы, графики, траектории и т.д., их очередность, взаимное расположение.

Неплохо, если в процессе счета программа выводит на экран стационарную или мерцающую надпись типа «Подождите, идут расчеты». Когда счет закончен, на экране может появиться меню с предложениями: «Вывод таблицы результатов», «Вывод графика N(t)», «Запись параметров и результатов в файл», «Печать результатов», «Выполнение очередного расчета», «Окончание расчетов».

Разумеется, можно усовершенствовать это оформление, но каждый шаг здесь требует определенной программистской культуры и немалого труда.

Повсеместный переход на графические интерфейсные операционные системы уровня WINDOWS, появление сред визуального программирования типа DELPHI ведут к значительному повышению стандартизации пользовательского интерфейса. Если при разработке моделирующих программ читатели используют возможности таких сред, то могут получить вполне профессиональные программные продукты.

Отметим, наконец, что те несколько программ, которые приведены ниже при рассмотрении конкретных моделей, не претендуют на совершенный интерфейс. Их цель — пояснение существа рассматриваемых процессов; попытка же оформить их «по всем правилам» привела бы к большим, плохо читаемым программам, не выполняющим этой разъяснительной функции.

Компьютерная научная графика. С простейшей научной графикой мы встречаемся очень рано. Уже в курсе математики 6-7 классов есть достаточно абстрактные и условные рисунки, которые дети легко воспринимают — например, график линейной функции. А ведь на нем немало элементов, интерпретация которых, если задуматься, вовсе не очевидна: линии, штрихи, стрелки, масштабы и т.д. Несмотря на это, понять по графику свойства сложной функции человеку гораздо легче, чем из соответствующей формулы, хотя в ней информации, строго говоря, гораздо больше. Так уж устроено человеческое восприятие, что рисунки, пусть даже условные, гораздо легче воспринимаются рассудком, чем сложные формулы или колонки чисел.

В современной прикладной информатике этим обстоятельством очень широко пользуются, и в ней сформировалось соответствующее направление — машинная (компьютерная) графика. По определению, машинная графика — раздел информатики, в рамках которого исследуются и разрабатываются технические, математические, программные и методические средства и приемы использования ЭВМ для создания, обработки, хранения и практического применения графических изображений.

В машинной графике выделяют несколько разделов.

Иллюстративная графика, простейшими программными средствами которой являются всем знакомые диалоговые программы — графические редакторы, служит для создания изображений, за которыми, как правило, не стоят какие-либо математические объекты (уравнения и др.). Это — средство реализации свободного полета мысли и воображения, любимое занятие начинающих приобщаться к компьютеру.

Деловая графика существенно «скучнее». Когда администратору, бухгалтеру, экономисту и т.д. нужно перевести сухие колонки чисел в столбчатую диаграмму, круговую диаграмму, график, достаточно вызвать такую программу и в ходе диалога сообщить ей заголовки, подписи, разметки, цвета и т.д. и имя файла, в котором по определенным правилам записаны указанные числа. Система построит заданное изображение на экране, выведет его на принтер.

Одна из самых сложных и специализированных разновидностей систем машинной графики — инженерная графика, известная также под именем САПР — системы автоматизированного проектирования. Это диалоговые системы, предназначенные для автоматизации процесса проектирования технических объектов, создания полных комплектов проектных документов с учетом существующих норм стандартов.

И, наконец, научная графика — наиболее актуальная для изучаемого курса и наименее всех допускающая единое описание. Универсальных систем компьютерной научной графики, по-видимому, не существует из-за огромного разнообразия задач. Часто программы, реализующие наглядное изображение решения научной задачи (почти всегда по итогам математического моделирования), встраиваются внутрь основной программы, пишутся на том же самом языке программирования.

Общую цель научной графики можно сформулировать так: сделать невидимое и абстрактное «видимым». Берем последнее слово в кавычки, так как часто эта «видимость» весьма условна. Можно ли увидеть распределение температуры внутри неоднородно нагретого тела сложной формы без введения в него сотен микродатчиков, т.е. , по существу, его разрушения? — Да, если есть соответствующая математическая модель, и, что очень важно — договоренность о восприятии определенных условностей на рисунке. Можно ли увидеть распределение металлических руд под землей без раскопок? Строение поверхности чужой планеты по результатам радиолокации? На эти и множество других вопросов ответ — да, можно, с помощью машинной графики и предшествующей ей математической обработки. Изображения такого рода систематически публикуются научными и научно-популярными изданиями.

Более того, можно «увидеть» и то, что строго говоря, вообще плохо соответствует слову «видеть». Так. возни�