Teaching mathematics and programming : new approaches with empirical evaluation

Programming and mathematics are core areas of computer science (CS) and consequently also important parts of CS education. Introductory instruction in these two topics is, however, not without problems. Studies show that CS students find programming difficult to learn and that teaching mathematical topics to CS novices is challenging. One reason for the latter is the disconnection between mathematics and programming found in many CS curricula, which results in students not seeing the relevance of the subject for their studies. In addition, reports indicate that students' mathematical capability and maturity levels are dropping. The challenges faced when teaching mathematics and programming at CS departments can also be traced back to gaps in students' prior education. In Finland the high school curriculum does not include CS as a subject; instead, focus is on learning to use the computer and its applications as tools. Similarly, many of the mathematics courses emphasize application of formulas, while logic, formalisms and proofs, which are important in CS, are avoided. Consequently, high school graduates are not well prepared for studies in CS. Motivated by these challenges, the goal of the present work is to describe new approaches to teaching mathematics and programming aimed at addressing these issues: Structured derivations is a logic-based approach to teaching mathematics, where formalisms and justifications are made explicit. The aim is to help students become better at communicating their reasoning using mathematical language and logical notation at the same time as they become more confident with formalisms. The Python programming language was originally designed with education in mind, and has a simple syntax compared to many other popular languages. The aim of using it in instruction is to address algorithms and their implementation in a way that allows focus to be put on learning algorithmic thinking and programming instead of on learning a complex syntax. Invariant based programming is a diagrammatic approach to developing programs that are correct by construction. The approach is based on elementary propositional and predicate logic, and makes explicit the underlying mathematical foundations of programming. The aim is also to show how mathematics in general, and logic in particular, can be used to create better programs.

Työntömastotrukkien tuotannon optimointi

Tutkimuksessa luodaan Tuko Logistics Oy:n työntömastotrukkien toimintaa opti-moivia toimintaehdotuksia varastonohjausjärjestelmästä saatavan työntömastotruk-kidatan pohjalta. Tutkimus on toteutettu haastattelututkimuksena ja käyttäen apuna tieteellisiä julkaisuja. Tehtävien lomittamistutkimuksen ja loogiseen päättelyn tulok-sena on luotu kaksi toimintaehdotusta: A ja B. Toimintaehdotusten vaikutuksia van-haan järjestelmään verrataan mittareilla, joista osa on tehty jonoteorian jonomallien laskukaavojen pohjalta. Mittareita ovat: tehdyt tehtävät tunnissa, tuottamattoman ajon suhde tuottavaan, normaalitehtäväjonon pituus ja normaalitehtäväjonon koko-naisodotusaika. Toimintaehdotus B osoittautuu tehokkaammaksi ehdotukseksi, mutta Toimintaehdotus A:lla voi varmistaa tehtävien riittämisen työntömastotrukeille. Tut-kimuksessa ehdotetaan myös muita työntömastotrukkien toimintaa optimoivia muu-toksia, jotka voidaan ottaa käyttöön jokaisessa toimintamallissa.

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden hallinta alumiiniveneiden rakenteissa

Alumiiniveneissä hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat usein erittäin haitallisia, koska niiden aiheuttamat mittamuutokset ja ulkonäölliset haitat alentavat tuotteen laatua sekä arvoa. Monissa tapauksissa myös hitsausliitoksen suorituskyky heikentyy ja lisäksi hitsausmuodonmuutokset voivat aiheuttaa toiminnallisia ongelmia alumiiniveneiden runkorakenteisiin. Tästä johtuen hitsausmuodonmuutosten hallinta ja minimointi ovat erityisen tärkeitä tekijöitä pyrittäessä parantamaan alumiiniveneiden laatua ja kustannustehokkuutta sekä kasvattamaan alumiinivenealan kilpailukykyä. Tässä diplomityössä tutkittiin robotisoidun kaasukaarihitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä niiden hallintaa alumiinista valmistettujen työ- ja huviveneiden runkorakenteissa. Työssä perehdyttiin nykyaikaiseen alumiinivenevalmistukseen sekä hitsattujen rakenteiden yleisiin lujuusopin teorioihin ja käyttäytymismalleihin. Alumiinin hitsausmuodonmuutosten tutkimuksissa suoritettiin käytännön hitsauskokeita, joiden kohteina olivat alumiiniveneissä käytetyt rakenneratkaisut ja liitostyypit. Työn tavoitteena oli määrittää alumiinin hitsauksessa syntyviin muodonmuutoksiin keskeisesti vaikuttavia tekijöitä ja parametreja. Tutkimustulosten perusteella pyrittiin esittämään ratkaisuja alumiiniveneiden rakenteisiin aiheutuvien hitsausmuodonmuutosten vähentämiseksi ja hallitsemiseksi. Alumiinirakenteissa hitsausmuodonmuutokset ovat hyvin tapauskohtaisia, koska usein niiden syntyminen määräytyy monen tekijän yhteisvaikutuksesta. Teräsrakenteille käytetyt yleiset analyyttiset laskentakaavat ja käyttäytymismallit eivät sovellu suoraan alumiinirakenteille, mikä johtuu alumiinin erilaisista materiaaliominaisuuksista ja käyttäytymisestä hitsauksen aikana. Tulevaisuudessa empiiristen koejärjestelyiden ja analyyttisten mallien lisäksi sovellettavan numeerisen elementtimenetelmän avulla voidaan parantaa alumiinin hitsauksessa aiheutuvien muodonmuutosten kokonaisvaltaista hallintaa.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.

Nettipohjainen voimalaitosratkaisujen hinta-arviojärjestelmä

Työn tarkoitus on suunnitella ja toteuttaa nettipohjainen voimalaitosratkaisujen hinta-arviojärjestelmä Savonia Power Oy:n käyttöön. Järjestelmän tarkoitus on automatisoida voimalaitosratkaisujen tunnuslukujen laskeminen asiakkaan antamien alkuarvojen pohjalta ja tallentaa mahdollinen yhteydenottopyyntö. Järjestelmän vaatimuksina ovat laskentakaavojen helppo päivitettävyys, kaavojen automaattinen hakeminen Excel 2007–muotoisesta tiedostosta ja asiakasrajapinnan nettipohjaisuus. Työ jakaantuu kahteen osaan. Teoriaosassa selvitetään työssä käytettyjen tekniikoiden taustaa ja selvitetään Microsoftin OOXML-tiedostomuodon rakenne työssä vaadittavin osin. Käytännön osassa suunnitellaan ja osin toteutetaan valmis järjestelmä käyttäen PHP-kieltä, XML-määrittelykieltä ja MySQL-tietokantaa. Suurimmat haasteet järjestelmän toteutuksessa ovat laskentakaavojen parsiminen Excel-tiedostosta ilman sen sisällön tiukkaa rajoittamista tiettyihin raameihin ja järjestelmän helppo päivitys saaduilla laskentakaavoilla. Työn lopputuloksena on toimiva, muttei viimeistelty järjestelmä sekä tämä dokumentti. Työn suurin merkitys tulee olemaan edellä mainittujen suunnitteluhaasteiden selvittäminen, sekä valmis ohjelmarunko yleiseen käyttöön otetulle järjestelmälle.

The bifurcational behaviour of the spatially distributed Rayleigh equation

At the present work the bifurcational behaviour of the solutions of Rayleigh equation and corresponding spatially distributed system is being analysed. The conditions of oscillatory and monotonic loss of stability are obtained. In the case of oscillatory loss of stability, the analysis of linear spectral problem is being performed. For nonlinear problem, recurrent formulas for the general term of the asymptotic approximation of the self-oscillations are found, the stability of the periodic mode is analysed. Lyapunov-Schmidt method is being used for asymptotic approximation. The correlation between periodic solutions of ODE and PDE is being investigated. The influence of the diffusion on the frequency of self-oscillations is being analysed. Several numerical experiments are being performed in order to support theoretical findings.

Energy Efficiency Consideration in Electric Vehicle Transmission

This study is a survey of benefits and drawbacks of embedding a variable gearbox instead of a single reduction gear in electric vehicle powertrain from efficiency point of view. Losses due to a pair of spur gears meshing with involute teeth are modeled on the base of Coulomb’s law and fluid mechanics. The model for a variable gearbox is fulfilled and further employed in a complete vehicle simulation. Simulation model run for a single reduction gear then the results are taken as benchmark for other types of commonly used transmissions. Comparing power consumption, which is obtained from simulation model, shows that the extra load imposed by variable transmission components will shade the benefits of efficient operation of electric motor. The other accomplishment of this study is a combination of modified formulas that led to a new methodology for power loss prediction in gear meshing which is compatible with modern design and manufacturing technology.

Jatkuvan äänitehojakautuman algoritmi pitkien käytävien äänikenttien mallintamiseen

JÄKÄLA-algoritmi (Jatkuvan Äänitehojakautuman algoritmi Käytävien Äänikenttien LAskentaan) ja sen NUMO- ja APPRO-laskentayhtälöt perustuvat käytävällä olevan todellisen äänilähteen kuvalähteiden symmetriaan. NUMO on algoritmin numeerisen ratkaisun ja APPRO likiarvoratkaisun laskentayhtälö. Algoritmia johdettaessa oletettiin, että absorptiomateriaali oli jakautunut tasaisesti käytävän ääntä heijastaville pinnoille. Suorakaiteen muotoisen käytävän kuvalähdetason muunto jatkuvaksi äänitehojakautumaksi sisältää kolme muokkausvaihetta. Aluksi suorakaiteen kuvalähdetaso muunnetaan neliön muotoiseksi. Seuraavaksi neliön muotoisen kuvalähdetason samanarvoiset kuvalähteet siirretään koordinaattiakselille diskreetiksi kuvalähdejonoksi. Lopuksi kuvalähdejono muunnetaan jatkuvaksi äänitehojakautumaksi, jolloin käytävän vastaanottopisteen äänenpainetaso voidaan laskea integroimalla jatkuvan äänitehojakautuman yli. JÄKÄLA-algoritmin validiteetin toteamiseksi käytettiin testattua kaupallista AKURI-ohjelmaa. AKURI-ohjelma antoi myös hyvän käsityksen siitä, miten NUMO- ja APPRO-yhtälöillä lasketut arvot mahdollisesti eroavat todellisilla käytävillä mitatuista arvoista. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöitä testattiin myös vertaamalla niiden antamia tuloksia kolmen erityyppisen käytävän äänenpainetasomittauksiin. Tässä tutkimuksessa on osoitettu, että akustisen kuvateorian pohjalta on mahdollista johtaa laskenta-algoritmi, jota voidaan soveltaa pitkien käytävien äänikenttien pika-arvioinnissa paikan päällä. Sekä teoreettinen laskenta että käytännön äänenpainetasomittaukset todellisilla käytävillä osoittivat, että JÄKÄLA-algoritmin yhtälöiden ennustustarkkuus oli erinomainen ideaalikäytävillä ja hyvä niillä todellisilla käytävillä, joilla ei ollut ääntä heijastavia rakenteita. NUMO- ja APPRO-yhtälöt näyttäisivät toimivan hyvin käytävillä, joiden poikkileikkaus oli lähes neliön muotoinen ja joissa pintojen suurin absorptiokerroin oli korkeintaan kymmenen kertaa pienintä absorptiokerrointa suurempi. NUMO- ja APPRO-yhtälöiden suurin puute on, etteivät ne ota huomioon pintojen erilaisia absorptiokertoimia eivätkä esineistä heijastuvia ääniä. NUMO- ja APPRO- laskentayhtälöt poikkesivat mitatuista arvoista eniten käytävillä, joilla kahden vastakkaisen pinnan absorptiokerroin oli hyvin suuri ja toisen pintaparin hyvin pieni, ja käytävillä, joissa oli massiivisia, ääntä heijastavia pilareita ja palkkeja. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöt antoivat tutkituilla käytävillä kuitenkin selvästi tarkempia arvoja kuin Kuttruffin likiarvoyhtälö ja tilastollisen huoneakustiikan perusyhtälö. JÄKÄLA-algoritmin laskentatarkkuutta on testattu vain neljällä todellisella käytävällä. Algoritmin kehittämiseksi tulisi jatkossa käytävän vastakkaisia pintoja ja niiden absorptiokertoimia käsitellä laskennassa pareittain. Algoritmin validiteetin varmistamiseksi on mittauksia tehtävä lisää käytävillä, joiden absorptiomateriaalien jakautumat poikkeavat toisistaan.

Process modeling method for electric accessories manufacturing enterprise

The theoretical research of the study focused to business process management and business process modeling, the goal was to found a new business process modeling method for electrical accessories manufacturing enterprise. The focus was to find few options for business process modeling methods where company could have chosen the best one for its needs The study was carried out as a qualitative research with an action study and a case study as the most important ways collect data. In the empirical part of the study examples of company’s processes modeled with the new modeling method and process modeling process are presented. The new way of modeling processes improves especially visual presentation of the processes and improves the understanding how employees should work in the organizational interfaces of the process and in the interfaces between different processes. The results of the study is a new unified way to model company’s processes, which makes it easier to understand and create the process models. This improved readability makes it possible to reduce the costs that were created from the unclear old process models.

La traduzione della letteratura per l’infanzia dal finlandese all’italiano: l’esempio degli albi illustrati di Mauri Kunnas

Despite the increasing number of research on translating for children, no study has so far taken into consideration the translations of children’s literature from Finnish into Italian. This dissertation sets out to fill this gap with a comparative study of Finnish picturebooks and their translations into Italian. Besides being the first research in the field analysing the shifts between these two systems, the study thoroughly investigates the characteristics of the translation process of picturebooks. The works chosen as case study are the Finnish picturebooks by Mauri Kunnas and their Italian translations from the period 1979-2009 because they are characterized by a high number of linguistic and cultural complexities which challenge translators’ skills and knowledge. The dissertation establishes whether and how culture-specific elements (anthroponyms, toponyms, food and allusions) and the word-image interaction have a significant impact on the quality and the nature of the target works, and also whether these aspects are still consistent after the translation and the adaptation process to the target system. Since picturebooks are multimodal texts whose message is produced by both the verbal and the visual, it has been necessary to use a multimodal comparative analysis. Such a descriptive comparative study has allowed me to describe the textual and cultural manipulations undergone by Kunnas’s picturebooks translated into Italian. Indeed, it has helped to identify what kind of shifts occur when cultural specific elements are transferred from the source system to the target one, to determine the most frequent translation strategies used to ensure a higher degree of readability, and to establish whether particular translation choices have contributed to modify the word-image interaction. The results of the multimodal comparative analysis have shown that Italian translators have been deeply influenced by the preponderance of the illustrations and for this reason they have often verbalised the visual and added information not originally contained in the source written text. Moreover, the findings of the analysis together with the interviews to the Italian translator and publishing house have also demonstrated that the latter aimed at producing works “good for the child” – and at the same time “good for the adult” – and at minimizing Finnish cultural specificity, even to the detriment of the aesthetic nature of the original picturebooks.

Towards multi bibliographic format support in Invenio

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Mixing in rotating drums

Tämän diplomityön tarkoitus on parantaa meesauunin toiminnallista tehokkuutta tehostamalla lämmönsiirtoa. Lämmönsiirron parantamiseksi kehitetään erilaisia nostinratkaisuja. Kokeita suoritetaan käyttäen eri sekoitinratkaisuja ja erilaisia prosessiparametreja. Työn kirjallisuusosassa esitetään meesauuni sekä rumpumaisten uunien toiminta. Työssä selvitetään myös sekoituksen analysointiin käytettäviä tapoja ja laskukaavoja. Kirjallisuusosassa keskitytään myös rummussa tapahtuviin fysikaalisiin ilmiöihin sekä erilaisten fluidien reologiaan. Työn kokeellisessa osassa käytettiin LUT Kemiantekniikalla suunniteltua pilot -kokoluokan rumpu-uunia, jolla kokeitaan suoritettiin, käyttäen erilaisia sekoitinratkaisuja ja sekoitusprosessiparametreja. Kokeissa käytettiin myös eri viskositeetin omaavia materiaaleja. Valitut materiaalit olivat vesi, CMC (karboksimetyyliselluloosa) ja kiinteä meesa. Kokeiden tuloksena löydettiin nostinratkaisuja, joilla sekoittumista ja lämmönsiirtoa pystytään parantamaan sekä pidentämään viipymäaikaa.

Tasaisemmin jakaantuneen CIELAB-tyyppisen väriavaruuden määrittäminen värieroellipsien pääakselien eroja minimoimalla

Tässä työssä johdetaan lineaarimuunnoksella CIE x y z-värinsovitusfunktioista uudet värinsovitusfunktiot. Tarvittava muunnosmatriisi etsitään optimoimalla CIE ja BFD-RIT värieroellipsejä Matlab-ympäristössä. Työn tuloksena saatiin muunnosmatriisi, ja sillä muunnetut uudet värinsovitusfunktiot ja CIELAB-tyyppinen väriavaruus. Euklidisella etäisyydellä mitattuna CIE ja BFD-RIT värieroellipsien muoto ja koko paranivat noin kolmanneksen, mikä oli myös tavoitteena.

Toward including the effect of manufacturing processes in the pre-estimated losses of the switched reluctance motor

The estimation of losses plays a key role in the process of building any electrical machine. How to estimate those losses while designing any machine; by obtaining the characteristic of the electrical steel from the catalogue and calculate the losses. However, this way is inaccurate since the electrical steel performs several manufacturing processes during the process of building any machine, which affects directly the magnetic property of the electrical steel and accordingly the characteristic of the electrical steel will be affected. That means the B–H curve of the steel that was obtained from the catalogue will be changed. Moreover, during loading and rotating the machine, some important changes occur to the B–H characteristic of the electrical steel such as the stress on the laminated iron. Accordingly, the pre-estimated losses are completely far from the actual losses because they were estimated based on the data of the electrical steel obtained from the catalogue. So in order to estimate the losses precisely significant factors of the manufacturing processes must be included. The paper introduces the systematic estimation of the losses including the effect of one of the manufacturing factors. Similarly, any other manufacturing factor can be included in the pre-designed losses estimations.