Descripción
Aprender a programar una computadora en un lenguaje moderno con capacidades gráficas serias es hacerse con una herramienta de notable flexibilidad que tiene el poder de proporcionar una visión profunda. Este texto está destinado principalmente a ser un primer curso de programación y está orientado hacia la integración con las ciencias, las matemáticas y la ingeniería. También es útil para estudiantes e investigadores más avanzados que desean adquirir rápidamente la capacidad de construir fácilmente herramientas gráficas útiles para explorar modelos computacionales. El lenguaje de programación MATLAB proporciona un lenguaje introductorio excelente, con capacidades gráficas, matemáticas y de interfaz de usuario integradas. El objetivo es que el estudiante aprenda a construir modelos computacionales con interfaces gráficas de usuario (GUI) que permitan la exploración del comportamiento del modelo. Este enfoque de creación de herramientas GUI se ha utilizado en múltiples niveles educativos: cursos de posgrado, cursos de pregrado intermedios, un curso de introducción a la ingeniería para estudiantes universitarios de primer año y cursos de nivel junior y senior de escuela secundaria.
El lenguaje de programación MATLAB, descendiente de FORTRAN, ha evolucionado para incluir muchas herramientas gráficas y de análisis poderosas y convenientes. Se ha convertido en una plataforma importante para la educación en ingeniería y ciencias, así como para la investigación. MATLAB es un primer lenguaje de programación muy valioso, y para muchos será el lenguaje preferido para la mayoría, si no todo, del trabajo computacional que realizan. Por supuesto, C++, Java, Python y muchos otros lenguajes juegan papeles cruciales en otros dominios. Varias funciones del lenguaje hacen que el lenguaje MATLAB sea más fácil para los principiantes que muchas alternativas: se interpreta en lugar de compilarse, los tipos de variables y los tamaños de matriz no necesitan declararse por adelantado, no está fuertemente tipado, el vector, la matriz, la matriz multidimensional y los números complejos son tipos de datos básicos, existe un sofisticado entorno integrado de desarrollo y depuración, y se proporciona un amplio conjunto de funciones matemáticas y gráficas.
Si bien los programas de computadora se pueden usar de muchas maneras, el énfasis aquí está en la construcción de modelos computacionales, principalmente de fenómenos físicos (aunque las técnicas se pueden extender fácilmente a otros sistemas). Un sistema físico se modela primero conceptualmente, utilizando ideas como cantidad de movimiento, fuerza, energía, reacciones, campos, etc. Estos conceptos se expresan matemáticamente y se aplican a una clase particular de problema. Tal clase podría ser, por ejemplo, el movimiento de proyectiles, el flujo de fluidos, la evolución cuántica, los campos electromagnéticos, las ecuaciones de circuitos o las leyes de Newton. Normalmente, el modelo implica un conjunto de parámetros que describen el sistema físico y un conjunto de relaciones matemáticas (sistemas de ecuaciones, integrales, ecuaciones diferenciales, sistemas propios, etc.).
El proceso de solución matemática debe realizarse a través de un algoritmo computacional, un procedimiento paso a paso para calcular las cantidades deseadas a partir de los parámetros de entrada. Luego, el comportamiento del modelo generalmente se visualiza gráficamente, por ejemplo, uno o más gráficos, gráficos de barras o animaciones.
Una herramienta GUI consta de un modelo computacional y una interfaz gráfica de usuario que permite al usuario ajustar fácil y naturalmente los parámetros del modelo, volver a ejecutar el cálculo y ver los nuevos resultados. La experiencia que condujo a este texto fue la observación de que el aprendizaje de los estudiantes mejora si los propios estudiantes construyen la herramienta GUI: construyen el modelo computacional, implementan la visualización de resultados y diseñan la GUI. La GUI es valiosa por varias razones. Lo más importante es que explorar el comportamiento del modelo, mediante la manipulación de controles deslizantes, botones, casillas de verificación y similares, fomenta un enfoque en el desarrollo de una visión intuitiva del comportamiento del modelo. La percepción es el objetivo principal.
Ejecutando el modelo muchas veces con diferentes entradas, el usuario puede comenzar a ver el comportamiento característico del sistema físico representado por el modelo. Además, se debe reconocer que las herramientas impulsadas gráficamente son a lo que los estudiantes están acostumbrados cuando manejan computadoras. Una interfaz de línea de comandos parece tosca y retrógrada. Además, particularmente para los estudiantes de ingeniería, la disciplina de envolver el modelo en una forma que otra persona pueda usar fomenta una mentalidad orientada al diseño. Finalmente, construir y entregar un modelo matemático sofisticado que se opera a través de una interfaz GUI es simplemente más gratificante y divertido. La orientación de la herramienta GUI guía la estructura del texto. La Parte I (Capítulos 1 a 8) cubre los fundamentos de la programación y los gráficos básicos de MATLAB. Está diseñado para ser lo que uno necesita saber antes de construir la GUI real. El objetivo es preparar al estudiante para la construcción de GUI lo más rápido posible (pero no más rápido). En este contexto, el Capítulo 4 (matrices) y el Capítulo 6 (animación) merecen un comentario.
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