Наконец, раздел «атомное ядро и элементарные частицы» вполне подходит для визуализации его содержания в ParaView. Ведь поддержка формата .xyz открывает возможности для работы с кристаллическими решетками и с моделью атомных ядер, что как нельзя кстати будет полезно визуализировать. К тому же, построение модели атома будет полезно для обучающихся при изучении его структуры и элементарных частиц, которые имеются в его составе.

К тому же, при более углубленном изучении физики есть возможность применить ParaView при рассмотрении явлений и процессов в разделе, который изучается более углубленно в университетском курсе физики на инженерных и технических специальностях - в разделе физика твердого тела. В качестве ознакомления в научно-исследовательской деятельности обучающихся можно рассмотреть некоторые элементарные явления и процессы, изучаемые в данном разделе. К тому же, возможности ParaView позволяют работать с различными видами деформаций твердого тела.

Как мы видим, ParaView возможно использовать примерно в половине разделов углубленного и профильного изучения физики в старшей школе, при этом для организации уже научно-исследовательской деятельности обучающихся в этих областях так же имеются возможности - функционал ParaView это позволяет.

2.3. Базовые функции и свойства пакета ParaView, необходимые для изучения школьниками

ParaView - весьма сложный и гибкий инструмент для визуализации широкого спектра явлений и процессов в области электростатики, гидро- и аэродинамики и атомной физики. И для того, чтобы научиться пользоваться этим пакетом в достаточном объеме, пройдет не один десяток часов, пока получится его освоить более менее хорошо. Но в рамках научно-исследовательской работы школьников им не обязательно углубляться во все тонкости функционала данной программы - достаточно знать базовые свойства ParaView и уметь пользоваться его базовыми функциями. Рассмотрим эти самые базовые свойства и функции.

Для начала ParaView необходимо загрузить и инсталлировать на свой компьютер. Сделать это возможно без лишних проблем с официального сайта программы (paraview.org), пройдя в раздел «Загрузка» (Download) и выбрать версию под нужную вам операционную систему (см. Рис. 1). В нашем случае это версия для macOS, но также имеется версия для Windows и Linux, т.к. приложение кроссплатформенно.

Рисунок 1. Страница с загрузкой ParaView.

После загрузки устанавливаем пакет как обычную программу и открываем ее. Запустив программу, вы видим стартовое окно программы, ее интерфейс без активных моделей. (см. Рис. 2). Теперь поподробнее рассмотрим каждый элемент меню, необходимые для работы.

Рисунок 2. Стартовое окно программы.

Во вкладке «Файл (File)» мы можем открывать файлы как новые, так и те, которые сами создали ранее, можем загрузить состояние среды или сохранить его и т.д. Это стандартное меню для всех программ. Вкладка «Редактировать (Edit)» - тоже стандартный инструмент для практически всех программ. Отменить изменения, вернуть изменения, отменить новое положение камеры, вернуть предыдущее положение камеры и т.д. - все это находится во вкладке «Редактировать». Вкладка «Вид (View)» - это те инструменты, которые будут отображены как в меню настроек визуализации, так и на самом рабочем пространстве, где у нас происходят различные процессы и явления.

Вкладка «Ресурсы (Source)». На ней можно остановиться чуть подробнее поскольку вкладки, которые идут дальше, представляют мало ценности для нас и не пригодятся при научно-исследовательской работе школьников. Во вкладке «Ресурсы» мы можем добавлять на «экран» (то место, где происходит отображение нашей модели) различные стандартные тела и фигуры, которые уже встроены в ParaView. Само меню этой вкладки включает в себя множество элементов (см. Рис. 3). Рассмотрим некоторые из них.

Рисунок 3. Вид меню «Source».

Из наглядных и интересных ресурсов у нас тут имеются такие вещи, как стрела (arrow), оси (axes), конус (cone), цилиндр (cylinder), диск (disk), плоскость (plane), точка (point source) и сфера (sphere). Все эти объекты являются встроенными средствами и при добавлении на рабочую поверхность просто появляется возможность посмотреть на эти объекты в 3D. К примеру, так выглядит сфера с отображением ее поверхности и граней (см. Рис. 4).

Рисунок 4. Элемент меню «Ресурсы» сфера с отображением поверхности и граней.

Слева от основного окна программы имеется окно с названием «Pipeline Browser». Дословно это словосочетание переводится как «трубопровод», но в нашей программе так называется тот элемент интерфейса, в котором отображаются все свойства добавленного нами объекта (см. Рис. 5).

Рисунок 5. Меню свойств объекта.

По умолчанию, почти по центру находится еще одна интересная нам панель (см. Рис. 6) - в ней мы можем менять параметры отображения добавленного нами объекта. Называется данная панель Активные переменные элементы управления (Active variable controls), включается и отключается ее отображение в меню «Вид» (View). Именно на этой панели мы можем отобразить те структурные элементы объекта, которые нам нужны.

Рисунок 6. Меню активные переменные элементы управления.

В данном случае нас интересуют последние 3 опции. По умолчанию там, где у нас сейчас выбран режим «Normals», выбран режим «Solid Color». Режим Normals показывает нормали выбранного нами тела. В следующем пункте, где у нас выбран X, выбирается, по какой из осей показывать нормали (X, Y или Z) либо отображать по всей величине (опция «Magnitude»). И в последнем элементе меню, который можно включить и отключить в меню View и называется он «Инструмент отображения» (View->Toolbars->Representation Toolbar) есть возможность выбрать, какой именно структурный элемент тела нам нужно отобразить. На рисунке 7 изображены опции данного меню.

Рисунок 7. Опции меню Representation Toolbar (Инструмент отображения).

Можно выбрать так, чтобы тело отображалось например, 3D-глифами (3D Glyphs), либо просто контуром (Outline), точками Гаусса (Point Gaussian), просто точками (Points), поверхностью (Surface), поверхностью с гранями (Surface with Edges) или же, чтобы отображался каркас тела (Wireframe).

Следующий интересный для нас элемент - это одна единственная кнопка. Но важна она не меньше, чем остальные перечисленные элементы и функции программы. Это кнопка «Apply» (см. Рис. 8).

Рисунок 8. Кнопка Apply.

Ее необходимость и важность заключается в том, что именно после всех манипуляций, проводимых с нужным нам объектом, все эти изменения нужно сохранить, чтобы они отобразились на рабочей поверхности, иначе эффект от изменений виден не будет. Именно только после нажатия кнопки «Apply» (с англ. применить) все изменения объекта будут сохранены и отображение на рабочей поверхности будет происходить уже с учетом сделанных пользователем изменений.

Так же нам пригодится панель «Общие» (Common). По умолчанию отображается в левом верхнем углу ParaView (см. Рис.9).

Рисунок 9. Панель «Общие» (Common).

В ней есть возможность выбрать для отображения наиболее общие для всех объектов свойства - можно посмотреть плоскость тела в разрезе с помощью кнопки Slice (четвертая кнопка слева), возможно обрезать тело с помощью кнопки Clip (третья кнопка слева) и посмотреть на него в разрезе. Можно выбрать, чтобы отображались 3D-глифы данного тела с помощью кнопки Glyph (пятая кнопка справа). Возможно посмотреть, как тело обтекает поток из меченных атомов с помощью кнопки Stream Tracer (четвертая кнопка справа). Так же можно добавить калькулятор (первая кнопка слева) для каких-либо арифметических операций.

Кроме того, в данной программе имеется возможность отображения тела со всех сторон и со стороны всех осей. Для этого существует специальная панель, находящаяся по умолчанию в правом верхнем углу программы. Ее вид представлен на рисунке 10.

Рисунок 10. Вид панели отображения.

Здесь можно выбрать, с какой стороны можно смотреть на рабочее тело - либо со стороны оси +X (четвертая кнопка слева), либо -X (пятая кнопка слева), либо +Y или -Y и так же для оси Z. Кроме того, можно сбросить отображение объекта до состояния, которым оно было по умолчанию (первая кнопка слева) или можно увеличить объект до такого размера, чтобы он отображался почти на всей видимой поверхности (кнопка Zoom to Data -вторая кнопка слева).

Проанализировав базовые возможности ParaView, можно сделать вывод, что такого базового функционала вполне достаточно, чтобы визуализировать компьютерный эксперимент на более чем хорошем уровне, к тому же наглядная простота интерфейса делает освоение данного пакета вполне посильной задачей даже для школьников старшей школы.

2.4. Методические приемы и рекомендации по освоению пакета ParaView школьниками

В предыдущем пункте мы разобрали основные функции и возможности ParaView, проанализировали возможности применения визуализации явлений в курсе физики старшей школы и связали возможности визуализации ParaView с явлениями, изучаемыми в этом самом курсе физики и получили некоторую выборку разделов и имеющихся в них различных явлений и процессов, которые возможно визуализировать именно в ParaView. Теперь, когда определен круг задач, которые необходимо решать обучающимися при изучении курса физики старшей школы и следующей за ним, для одаренных детей, научно-исследовательской деятельности в области компьютерного эксперимента, можно вывести инструкцию по работе с выбранным нами пакетом для визуализации.

Для начала нам нужен любой пример из выбранной нами тематики. Примеров в сети Интернет на тематических сайтах можно найти достаточное количество. В нашем случае мы будем рассматривать явление деформации тела в форме поверхности полуцилиндра под воздействием на него тела брусообразной формы. Загрузим файл с исходными вычислениями в ParaView через Файл->Открыть. У нас откроется файл с готовой моделью, в которой есть полуцилиндрическая поверхность и брусообразное тело (см. Рис. 11)

Рисунок 11. Начальное состояние модели.

В нашем случае можно показать 3D-глифы (вектора), показывающие направление силы. Через панель «Общие» включаем свойство отображение Glyph, применяем изменения, нажав кнопку Apply. Вот что получится в результате (см. Рис. 12)

Рисунок 12. Модель с указанием векторов силы.

Теперь можно просмотреть анимацию воздействия деформации цилиндра под воздействием бруса. Для этого в начале отключим отображение векторов, нажав на свойство Glyph и на Apply, чтобы применить изменения. После этого сбросим настройки отображения камеры по умолчанию, для этого нажмем на кнопку Reset на панели параметров отображения объектов. После того, как камера вернулась в начальное положение, можно просмотреть анимацию деформации. Для этого перейдем в панель управления анимацией, которая по умолчанию находится по середине вверху (см. Рис. 13).

Рисунок 13. Панель управления анимацией.

Для того, чтобы запустить анимацию, нажимаем на кнопку Play (треугольник посередине). Чтобы вернуться на начало анимации, нажимаем кнопку First Frame (крайняя левая кнопка), а чтобы вернуться на предыдущий кадр, нажимаем на соседнюю кнопку Previous Frame, и, соответственно, чтобы перейти к последнему кадру в конец анимации, нажимаем на кнопку Last Frame (вторая кнопка справа), и чтобы перейти на следующий кадр, намимаем соседнюю кнопку Next Frame.

Запускаем анимацию и наблюдаем за тем, что получается. В результате завершения анимации у нас получится новая визуализированная модель деформированного цилиндрического тела. Результат выполнения можно наблюдать на рисунке (см. Рис. 14)

Рисунок 14. Результат выполнения процесса деформации цилиндрического тела.

При необходимости, возможно так же посмотреть векторы приложения силы с помощью свойства Glyph, не забывая при этом сохранить изменения с помощью Apply.

Помимо встроенных функций и форматов данных, доступных в ParaView, у данного пакета визуализации есть собственный формат данных - Visual Tool Kit или сокращенно VTK. Для его подключения потребуется немного поработать с исходными данными и бинарными файлами, зато после его подключения для визуализации открываются еще большие возможности.

Итак, как же подключить VTK в ParaView. В силу того, что подавляющее большинство вычислительных машин работают на ОС Windows, то и инструкция для подключения VTK в ParaView будет написана для версии на Windows.

Шаг 1. Загрузить VTK.

Загрузите версию VTK, которая вам нужна, по ссылке http://www.vtk.org/download/ и распакуйте архив (архив формата zip или tar.gz (не загружайте файлы формата .exe - это не библиотека VTK)) в данную папку: C:\MyProjects\VTK-scr (предварительно создайте папку MyProjects на локальном диске, и в ней создайте папки VTK-scr и VTK-bin(в этой папке будут находиться скомпилированные бинарные файлы))

Рис 2. Местонахождение архива VTK на сайте vtk.org.

Шаг 2. Загрузить CMake.

Загрузите CMake по ссылке http://www.cmake.org/download/. Выберите тип установщик Windows (cmake-3.3.0-rc2-win32-x86.exe), загрузите и установите его

Рис. 3. Местонахождение установщика CMake, нужного для работы, на сайте cmake.org.

Шаг 3. Запустите CMake.

Запустите CMake, укажите программе путь к исходным кодам (where is the source code) и к исполняемым файлам (where to build the binaries).Затем нажмите кнопку " Сonfiguring" (Настройка) и позвольте CMake прочитать файл CMakeLists.txt из исходного пути и настройте переменные. Это должно выглядеть так:

Рис. 4. Указание папки к исходным кодам и указание папки для построения бинарных файлов в CMake.

Выберите версию Visual Studio, которая установлена на вашем компьютере. Когда CMake закончит настройку (кнопка configuring) вы можете увидеть количество опций, которые могут быть включены или выключены. Отрегулируйте по желанию, настройте и затем сгенерируйте (кнопка generate).

Шаг 5.

Откройте файл VTK.sln, который находится в C:\MyProjects\VTK-bin в Microsoft Visual Studio и постройте решение для него (предварительно в Visual Studio сменив Debug на Release)

Рис. 5. Местонахождение файла VTK.sln, нужного для построения в Visual Studio.

Рис. 6. Смена режима вывода в Visual Studio и кнопка построения решения.

Шаг 6. Установить проект.

Установившись,VTK DLL будет находиться в данной папке: C:\MyProjects\VTK-bin\bin\release, поэтому по умолчанию система не может найти его. Скопируйте dll в папку C:\windows\system32.

Будьте очень осторожны, если у вас есть множество установленных VTK в вашей системе. Убедитесь, что вы используете правильный VTK. Используйте только одну версию VTL DLL в одной системе.

Установка VTK.

Замечание: Этот раздел подразумевает, что вы уже установили VTK. Если вы этого не сделали, вернитесь к предыдущему разделу.

Шаги:

1.Запустите CMake

2. Настройте VTK (выберите правильную двоичный каталог в " Where to build the binaries")

3. Выберите правильный путь для "CMAKE_INSTALL_PREFIX". Найдите на диске папку VTK и укажите ее в пути к "CMAKE_INSTALL_PREFIX"

Рис.7. Указание правильного пути для CMAKE_INSTALL_PREFIX.

4. Нажмите кнопку "Настройка" (Configure).

5. Нажмите "Finish"

6. Откройте файл VTK.sln из каталога бинарных файлов (C:\MyProjects\VTK-bin) в Microsoft Visual Studio

7. Откройте обозреватель решений. Убедитесь, что пункт ALL_BUILD выбран активным. Постройте его.

Рис. 8. Выбор пункта ALL_BUILD для его построения.

8. Как только вы построили ALL_BUILD, также в обозревателе решений выберите INSTALL.

Рис.9. Выбор пункта INSTALL, нужного нам для его отдельного построения.\

И постройте именно INSTALL (нажмите правую кнопку мыши, в открывшемся меню выберите подпункт "Project only" и нажмите "Build only INSTALL")

Рис. 10. Шаги для построения только INSTALL.

Это будет скопировано и правильное разрешение для всех файлов, необходимых для использования VTK в каталоге, вы указали.

Заключение

Визуализация как наглядное средство демонстрации физических явлений и процессов является одним из самых эффективных средств для понимания сути явлений и для понимания протекания различных физических процессов. Механика, молекулярная физика, электричество, термодинамика, магнетизм, атомная физика - в любом разделе найдется хотя бы одно явление, которое возможно визуализировать с помощью специальных программных средств. И если представить себя на месте обучающихся - использование визуализации при изучении какого-либо раздела физики делает сам процесс изучения более наглядным, а информацию, воспринятую с помощью визуальных средств, более запоминающуюся. И если углубиться дальше в изучение тех или иных явлений, перевести деятельность обучающихся в научно-исследовательскую область, то обучение уже обретает более прикладной характер, что самым наилучшим образом можно использовать не только для участия в различных конференциях и научных форумах, но и в будущем позволяет ученику сориентироваться в профессии и в выборе учебной программы уже на высшей ступени образования.

В результате исследования были выделены основные разделы курса физики старшей школы, в которых может применяться «высокоточная» визуализация. Так же был проведен анализ основных программ для визуализации результатов компьютерного физического эксперимента, в результате чего было выбрано программное средство под названием ParaView, и в качестве основной программы для визуализации в данной был выбран именно этот пакет.

Так же проведен анализ эффективных сфер применения ParaView, где был выявлен весьма обширный размер тематик, которые в той или иной степени поддерживаются данным визуализатором - начиная от демонстрации простейших геометрических фигур с различными плоскостями сечения и т.д. и заканчивая объемной визуализацией векторных полей и демонстрацией различный явлений из электричества, например, отрисовка линий тока и напряженности, поведения электрических зарядов, из молекулярной физики, таких как процессы в газах, приближенных к реальным, процессы обтекания жидкостью телом (гидродинамика) и т.д.

Применяя пакет для визуализации ParaView, взятый как основное средство для визуализации физических явлений в курсе физики старшей школы, можно прийти к выводу, что данное программное средство отлично подходит для визуализации явлений в молекулярной динамике, электричестве, физике твердого тела и в разделе «строение атома и элементарные частицы». К тому же, приняв во внимание тот факт, что данный визуализатор поддерживает большое количество входных форматов, его использование возможно при моделировании явлений в разделах гидро- и аэродинамика, демонстрация деформаций твердого тела, распределение напряженности и давления внутри тела и т.д.

В соответствии с подобранной тематикой физических процессов и явлений была создана инструкция по работе с данным программным средством, причем инструкция была оформлена как для работы со встроенными возможностями пакета, так и по подключению собственного формата данных VTK, для работы с уже более сложными и объемными данными.

В результате, на выходе мы получаем весьма гибкий инструмент, который, несмотря на то, что разработан он был в основном для визуализации результатов высокопроизводительных вычислений, имеется возможность использовать его и для «любительских» целей, в том числе для использования на домашний компьютерах, а не только на высокомощном железе. К тому же относительная простота в работе с данным визуализатором открывает возможности и перспективы для использования его учителями физики для организации научно-исследовательской деятельности по визуализации результатов компьютерного эксперимента по физике.

Список использованной литературы

1. Автоматическая обработка результатов экспериментов | АО «СТТ Групп» [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.cttgroup.ru/avtomaticheskaya-obrabotka-rezultatov-eksperimentov.html

2. Большой энциклопедический словарь / Ред. А. М. Прохоров . - 2-е изд., перераб. и доп . - М. : Большая Российская энциклопедия, 2000 . - 1456 с.

3. Компьютерное моделирование физических задач. / В.М. Дмитриев, А. Ю. Филиппов. Томск: В-Спектр, 2010. - 248 с.

4. Л. Э Генденштейн, Ю. И. Дик. Физика. 10 класс. В двух частях. Ч. 1 и 2: учебник для общеобразовательных организаций (базовый и углублённый уровни).

5. Л. Э Генденштейн, Ю. И. Дик. Физика. 11 класс. В двух частях. Ч. 1 и 2: учебник для общеобразовательных организаций (базовый и углублённый уровни).

6. Линия тока - Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Линия_тока

7. Майер Р.В. Компьютерное моделирование физических явлений: Монография. - Глазов: ГГПИ, 2009. - 112 с.

8. Современный энциклопедический словарь - М: Большая Российская Энциклопедия, 2012. - 5110 с.

9. С. И. Ройз, А. Ю. Власов, И. Б. Петров: визуализация результатов численных экспериментов с помощью системы Visualization Toolkit [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://journals.kantiana.ru/upload/iblock/af9/liscmofu.pdf

10. Термография в медицине - Doktorland.ru - Медицинская энциклопедия[Электронный ресурс] / Режим доступа: http://doktorland.ru/termografiya.html

11. Шаропин К. А. Визуализация результатов экспериментальных исследований / К. А. Шаропин, О. Г. Берестнева, Г. И. Шкатова // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. -- 2010. -- Т. 316, № 5: Управление, вычислительная техника и информатика. -- [С. 172-176].

12. EnSight Products - EnSight [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.ensight.com/products/

13. LAMMPS Features [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://lammps.sandia.gov/features.html

14. OpenFOAM - Википедия // Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/openfoam

15. Paraview | Фонд алгоритмов и программ.// Сайт Фонда алгоритмов и программ СО РАН [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://fap.sbras.ru/node/220

16. Paraview - Википедия // Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Paraview

17. Tecplot 360 Post Processing Tools [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.tecplot.com/products/tecplot-360/

18. Tecplot Chorus CFD data analytics tool & CFD post-processor [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.tecplot.com/products/tecplot-chorus/

19. Tecplot Focus lets you explore XY, 2D and 3D plots [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.tecplot.com/products/tecplot-focus/

20. The ParaView user's guide / Ayachit, Utkarsh - Kitware, 2015. - 261 с.

21. The VTK user's guide / Avila, Lisa Sobierajski - Kitware, 2010. - 482 c.

22. VisIt - Wikipedia [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/VisIt

Приложение

На приложенном к ВКР диске находится более подробный и более полный вариант методических рекомендаций по использованию ParaView в научно-исследовательской деятельности обучающихся.

Размещено на Allbest.ru