Модели и моделирование
Что такое модель?
«заместителя» некоторого «оригинала»,
Определение модели:
Вывод.
Материальным (физическим) Примеры:
Идеальное моделирование -
Знаковое моделирование –
Математическое моделирование
Область использования
Учебные: наглядные пособия, обучающие программы, различные тренажеры;
Опытные: модель корабля испытывается в бассейне для определения устойчивости судна при качке;
Научно-технические: ускоритель электронов, прибор, имитирующий разряд молнии, стенд для проверки телевизора;
Игровые: военные, экономические, спортивные, деловые игры;
Имитационные: эксперимент либо многократно повторяется, чтобы изучить и оценить последствия каких либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами, но поставленными в разных условиях).
Вывод.
Материальные модели реализуют материальный (потрогать, понюхать, увидеть, услышать) подход к изучению объекта, явления или процесса.
Информационные модели нельзя потрогать или увидеть воочию, они не имеют материального воплощения, потому что они строятся только на информации. В основе этого метода моделирования лежит информационный подход к изучению окружающей действительности.
Этапы моделирования
Прежде чем браться за какую-либо работу, нужно четко представить себе отправной и каждый пункт деятельности, а также примерные ее этапы. То же самое можно сказать и о моделировании. Отправной пункт здесь - прототип. Им может быть существующий или проектируемый объект или процесс. Конечный этап моделирования - принятие решения на основании знаний об объекте.
Цепочка выглядит следующим образом.
Поясним это на примерах.
Примером моделирования при создании новых технических средств может служить история развития космической техники. Для реализации космического полета надо было решить две проблемы: преодолеть земное притяжение и обеспечить продвижение в безвоздушном пространстве. О возможности преодоления притяжения Земли говорил еще Ньютон в XVII веке. К. Э. Циолковский предложил для передвижения в пространстве создать реактивный двигатель, где используется топливо из смеси жидкого кислорода и водорода, выделяющих при сгорании значительную энергию. Он составил довольно точную описательную модель будущего межпланетного корабля с чертежами, расчетами и обоснованиями.
Не прошло и полувека, как описательная модель К. Э. Циолковского стала основой для реального моделирования в конструкторском бюро под руководством С. П. Королева. В натурных экспериментах испытывались различные виды жидкого топлива, форма ракеты, система управления полетом и жизнеобеспечения космонавтов, приборы для научных исследований и т. п. Результатом разностороннего моделирования стали мощные ракеты, которые вывели на околоземное пространство искусственные спутники земли, корабли с космонавтами на борту и космические станции.
Рассмотрим другой пример. Известный химик XVIII века Антуан Лавуазье, изучая процесс горения, производил многочисленные опыты. Он моделировал процессы горения с различными веществами, которые нагревал и взвешивал до и после опыта. При этом выяснилось, что некоторые вещества после нагревания становятся тяжелее. Лавуазье предположил, что к этим веществам в процессе нагревания что-то добавляется. Так моделирование и последующий анализ результатов привели к определению нового вещества - кислорода, к обобщению понятия «горение», дали объяснение многим известным явлениям и открыли новые горизонты для исследований в других областях науки, в частности в биологии, т. к. кислород оказался одним из основных компонентов дыхания и энергообмена животных и растений.
Моделирование - творческий процесс. Заключить его в формальные рамки очень трудно. В наиболее общем виде его можно представить поэтапно, как изображено на рис. 1.
Рис. 1. Этапы моделирования.
Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок будет убран или усовершенствован, какой-то - добавлен. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования. Рассмотрим основные этапы моделирования подробнее.
1 ЭТАП. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Под задачей понимается некая проблема, которую надо решить. На этапе постановки задачи необходимо отразить три основных момента: описание задачи, определение целей моделирования и анализ объекта или процесса.
Описание задачи
Задача формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное здесь - определить объект моделирования и понять, что собой должен представлять результат.
Цель моделирования
1) познание окружающего мира
Зачем человек создает модели? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть в далекое прошлое. Несколько миллионов лет назад, на заре человечества, первобытные люди изучали окружающую природу, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными благами, просто выживать.
Накопленные знания передавались из поколения в поколение устно, позже письменно и наконец с помощью предметных моделей. Так родилась, к примеру, модель Земного шара - глобус - позволяющая получить наглядное представление о форме нашей планеты, ее вращении вокруг собственной оси и расположении материков. Такие модели позволяют понять, как устроен конкретный объект, узнать его основные свойства, установить законы его развития и взаимодействия с окружающим миром моделей.
2) создание объектов с заданными свойствами ( определяется постановкой задачи «как сделать, чтобы...».
Накопив достаточно знаний, человек задал себе вопрос: «Нельзя ли создать объект с заданными свойствами и возможностями, чтобы противодействовать стихиям или ставить себе на службу природные явления?» Человек стал строить модели еще не существующих объектов. Так родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов, даже обыкновенного зонтика. Многие из этих моделей стали в настоящее время реальностью. Это объекты, созданные руками человека.
3) определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения . Цель моделирования задач типа «что будет, если...». (что будет, если увеличить плату за проезд в транспорте, или что произойдет, если закопать ядерные отходы в такой-то местности?)
Например, для спасения города на Неве от постоянных наводнений, приносящих огромный ущерб, решено было возвести дамбу. При ее проектировании было построено множество моделей, в том числе и натурных, именно для того, чтобы предсказать последствия вмешательства в природу.
4) эффективность управления объектом (или процессом ) .
Поскольку критерии управления бывают весьма противоречивыми, то эффективным оно окажется только при условии, если будут «и волки сыты и овцы целы».
Например, нужно наладить питание в школьной столовой. С одной стороны, оно должно отвечать возрастным требованиям (калорийное, содержащее витамины и минеральные соли), с другой - нравиться большинству ребят и к тому же быть «по карману» родителям, а с третьей - технология приготовления должна соответствовать возможностям школьных столовых. Как совместить несовместимое? Построение модели поможет найти приемлемое решение.
Анализ объекта
На этом этапе четко выделяют моделируемый объект и его основные свойства, из чего он состоит, какие существуют связи между ними.
Простой пример подчиненных связей объектов - разбор предложения. Сначала выделяются главные члены (подлежащее, сказуемое), затем второстепенные члены, относящиеся к главным, затем слова, относящиеся к второстепенным, и т. д.
II ЭТАП. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ
1. Информационная модель
На этом этапе выясняются свойства, состояния, действия и другие характеристики элементарных объектов в любой форме: устно, в виде схем, таблиц. Формируется представление об элементарных объектах, составляющих исходный объект, т. е. информационная модель .
Модели должны отражать наиболее существенные признаки, свойства, состояния и отношения объектов предметного мира. Именно они дают полную информацию об объекте.
Представьте себе, что нужно отгадать загадку. Вам предлагают перечень свойств реального предмета: круглое, зеленое, глянцевое, прохладное, полосатое, звонкое, зрелое, ароматное, сладкое, сочное, тяжелое, крупное, с сухим хвостиком...
Список можно продолжать, но вы, наверное, уже догадались, что речь идет об арбузе. Информация о нем дана самая разнообразная: и цвет, и запах, и вкус, и даже звук... Очевидно, ее гораздо больше, чем требуется для решения этой задачи. Попробуйте выбрать из всех перечисленных признаков и свойств минимум, позволяющий безошибочно определить объект. В русском фольклоре давно найдено решение: «Сам алый, сахарный, кафтан зеленый, бархатный».
Если бы информация предназначалась художнику для написания натюрморта, можно было ограничиться следующими свойствами объекта: круглый, большой, зеленый, полосатый . Чтобы вызвать аппетит у сладкоежки выбрали бы другие свойства: зрелый, сочный, ароматный, сладкий . Для человека, выбирающего арбуз на бахче, можно было бы предложить следующую модель: крупный, звонкий, с сухим хвостиком.
Этот пример показывает, что информации не обязательно должно быть много. Важно, чтобы она была «по существу вопроса», т. е. соответствовала цели, для которой используется.
Например, в школе учащиеся знакомятся с информационной моделью кровообращения. Этой информации достаточно для школьника, но мало для тех, кто проводит операции на сосудах в больницах.
Информационные модели играют очень важную роль в жизни человека.
Знания, получаемые вами в школе, имеют вид информационной модели, предназначенной для целей изучения предметов и явлений.
Уроки истории дают возможность построить модель развития общества, а знание ее позволяет строить собственную жизнь, либо повторяя ошибки предков, либо учитывая их.
На уроках географии вам сообщают информацию о географических объектах: горах, реках, странах и пр. Это тоже информационные модели. Многое, о чем рассказывается на занятиях по географии, вы никогда не увидите в реальности.
На уроках химии информация о свойствах разных веществ и о законах их взаимодействия подкрепляется опытами, которые есть не что иное, как реальные модели химических процессов.
Информационная модель никогда не характеризует объект полностью. Для одного и того же объекта можно построить различные информационные модели.
Выберем для моделирования такой объект, как «человек». Человека можно рассмотреть с различных точек зрения: как отдельного индивидуума и как человека вообще.
Если иметь в виду конкретного человека, то можно построить модели, которые представлены в табл. 1-3. Предложить учащимся дать название информационным моделям, представленных в таблицах (презентация на экране телевизора, слайд 8).
Таблица 1. Информационная модель ученика
Таблица 2.. Информационная модель посетителя школьного медкабинета
Таблица 3. Информационная модель работника предприятия
Рассмотрим и другие примеры различных информационных моделей для одного и того же объекта.
Многочисленные свидетели преступления сообщили разнообразную информацию о предполагаемом злоумышленнике - это их информационные модели. Представителю милиции следует выбрать из потока сведений наиболее существенные, которые помогут найти преступника и задержать его. У представителя закона может сложиться не одна информационная модель бандита. От того, насколько правильно будут выбраны существенные черты и отброшены второстепенные, зависит успех дела.
Выбор наиболее существенной информации при создании информационной модели и ее сложность обусловлены целью моделирования.
Построение информационной модели является отправным пунктом этапа разработки модели. Все входные параметры объектов, выделенные при анализе, располагают в порядке убывания значимости и проводят упрощение модели в соответствии с целью моделирования.
2. Знаковая модель
Прежде чем приступить к процессу моделирования, человек делает предварительные наброски чертежей либо схем на бумаге, выводит расчетные формулы, т. е. составляет информационную модель в той или иной знаковой форме , которая может быть либо компьютерной, либо некомпьютерной.
Компьютерная модель
Табл. 1
Модели и моделирование
Модели и моделирование используются человечеством давно. С помощью моделей и модельных отношений развились разговорные языки, письменность, графика. Наскальные изображения наших предков, затем картины и книги - это модельные, информационные формы передачи знаний об окружающем мире последующим поколениям.
Что такое модель?
Откроем большой энциклопедический словарь – там не менее восьми «определений» значения этого слова. Что общего между игрушечным корабликом и рисунком на экране компьютера, изображающим сложную математическую абстракцию? И все же общее есть: и в том, и в другом случае мы имеем образ реального объекта или явления «заместителя» некоторого «оригинала», воспроизводящего его с той или иной достоверностью или подробностью. Или, то же самое другими словами: модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования.
Определение модели:
Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты.
Или можно сказать другими словами:модель – это упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении.
Модель позволяет научиться правильно управлять объектом, апробируя различные варианты управления на модели этого объекта. Экспериментировать в этих целях с реальным объектом в лучшем случае бывает неудобно, а зачастую просто вредно или вообще невозможно в силу ряда причин (большой продолжительности эксперимента во времени, риска привести объект в нежелательное и необратимое состояние и т.п.)
Вывод.
Модель необходима для того чтобы:
Понять, как устроен конкретный объект – каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;
Научиться управлять объектом или процессом и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);
Прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект;
Никакая модель не может заменить само явление, но при решении задачи, когда нас интересуют определенное свойство изучаемого процесса или явления, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования, познания.
Процесс построения модели называется моделированием, другими словами , моделирование - это процесс изучения строения и свойств оригинала с помощью модели.
Технология моделирования требует от исследователя умения ставить проблемы и задачи, прогнозировать результаты исследования, проводить разумные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моделей, выбирать аналогии и математические формулировки, решать задачи с использованием компьютерных систем, проводить анализ компьютерных экспериментов.
Навыки моделирования очень важны человеку в жизни. Они помогут разумно планировать свой распорядок дня, учебу, труд, выбирать оптимальные варианты при наличии выбора, разрешать удачно различные жизненные ситуации.
Материальным (физическим) принято называть моделирование, при котором реальному объекту противопоставляется его увеличенная или уменьшенная копия, допускающая исследование (как правило, в лабораторных условиях) с помощью последующего перенесения свойств изучаемых процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия. Примеры: в астрономии - планетарий, в архитектуре - макеты зданий, в самолетостроении - модели летательных аппаратов и т.п.
От предметного (материального) моделирования принципиально отличается идеальное моделирование.
Идеальное моделирование - основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной, мыслимой.
Знаковое моделирование – это моделирование, использующее в качестве моделей знаковые преобразования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, наборы символов.
Математическое моделирование - это моделирование, при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики: описание и исследование законов механики Ньютона средствами математических формул.
Процесс моделирования состоит из следующих этапов:
Основной задачей процесса моделирования является выбор наиболее адекватной к оригиналу модели и перенос результатов исследования на оригинал. Существуют достаточно общие методы и способы моделирования.
Тест по теме " Моделирование и формализация"
1. Что называется атрибутом объекта?
Представление объекта реального мира с помощью некоторого набора его характеристик, существенных для решения данной информационной задачи.
Абстракция предметов реального мира, объединяемых общими характеристиками и поведением.
Связь между объектом и его характеристиками.
Каждая отдельная характеристика, общая для всех возможных экземпляров
2. Выбор вида модели зависит от:
Физической природы объекта.
Предназначения объекта.
Цели исследования объекта.
Информационной сущности объекта.
3. Что такое информационная модель объекта?
Материальный или мысленно представляемый объект, замещающий в процессе исследования исходный объект с сохранением наиболее существенных свойств, важных для данного исследования.
Формализованное описание объекта в виде текста на некотором языке кодирования, содержащем всю необходимую информацию об объекте.
Программное средство, реализующее математическую модель.
Описание атрибутов объектов, существенных для рассматриваемой задачи и связей между ними.
4. Укажите классификацию моделей в узком смысле слова:
Натурные, абстрактные, вербальные.
Абстрактные, математические, информационные.
Математические, компьютерные, информационные.
Вербальные, математические, информационные
5. Целью создания информационной модели является:
Обработка данных об объекте реального мира с учетом связи между объектами.
Усложнение модели, учитывая дополнительные факторы, которые были ранее проинформированы.
Исследование объектов, основанное на компьютерном экспериментировании с их математическими моделями.
Представление объекта в виде текста на некотором искусственном языке, доступном компьютерной обработке.
6. Какая модель является статической (описывающей состояние объекта)?
Формула равноускоренного движения
Формула химической реакции
Формула химического соединения
Второй закон Ньютона.
7. Формализация - это
Этап перехода от содержательного описания связей между выделенными признаками объекта к описанию, использующему некоторый язык кодирования.
Замена реального предмета знаком или совокупностью знаков.
Переход от нечетких задач, возникающих в реальной действительности, к формальным информационным моделям.
Выделение существенной информации об объекте.
8. Информационной технологией называется
Процесс, определяемый совокупностью средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы материала.
Изменение исходного состояния объекта.
Процесс, использующий совокупность средств и методов обработки и передачи первичной информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.
Совокупность определенных действий, направленных на достижение поставленной цели.
9. Материальной моделью является:
1. Анатомический муляж;
2. Техническое описание компьютера;
3. Рисунок функциональной схемы компьютера;
4. Программа на языке программирования.
10. Что такое компьютерная информационная модель?
Представление объекта в виде теста на некотором искусственном языке, доступном компьютерной обработке.
Совокупность информации, характеризующая свойства и состояние объекта, а также взаимосвязь с внешним миром.
Модель в мысленной или разговорной форме, реализованная на компьютере.
Метод исследования, связанный с вычислительной техникой.
11. Компьютерный эксперимент состоит из последовательности этапов:
Выбор численного метода - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере.
Построение математической модели - выбор численного метода - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере, анализ решения.
Разработка модели - разработка алгоритма - реализация алгоритма в виде программного средства.
Построение математической модели - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере, анализ решения.
№ вопроса
№ ответа
Вопрос 1. Моделирование в информатике - это:
Ответ 1
. процесс замены реального объекта моделью, которая отражает его существенные признаки, необходимые для достижения поставленной цели
Ответ 2.
процесс создания моделей одежды в салоне мод
Ответ 3.
процесс поиска нового, неформального решения задачи
Ответ 4.
процесс замены реального объекта другим материальным или идеальным объектом, похожим на него внешне
Вопрос 2. При построении модели необходимо:
Ответ 1.
выделить все существующие свойства объекта
Ответ 2.
описать все существующие свойства объекта
Ответ 3.
выделить только те свойства объекта, которые существенны для решения поставленной задачи
Ответ 4.
описать расположение и структуру объекта
Вопрос 3. Информационной моделью объекта называется:
Ответ 1.
его описание с помощью математических выражений и формул
Ответ 2.
чертеж объекта
Ответ 3.
модель объекта внешне похожа на объект
Ответ 4.
глобус
Вопрос 4. Из перечисленных моделей укажите математическую:
Ответ 1.
акт о приемке дома
Ответ 2.
формула нахождения площади треугольника
Ответ 3.
кулинарный рецепт
Ответ 4.
программа телепередач
Вопрос 5. Какой из документов представляет собой информационную модель деятельности школы:
Ответ 1.
план школьного здания и двора
Ответ 2.
расписание звонков
Ответ 3.
расписание уроков
Ответ 4.
Устав школы
Вопрос 6. Файловая структура операционной системы персонального компьютера наиболее наглядно может быть описана в виде:
Ответ 1.
табличной модели
Ответ 2.
графической модели
Ответ 3.
математической модели
Ответ 4.
иерархической модели
Вопрос 7. Для чего необходимо компьютерное имитационное моделирование ядерного взрыва:
Ответ 1.
для получения достоверных данных о влиянии взрыва на здоровье людей
Ответ 2.
для экспериментальной проверки влияния высокой температуры и облучения на природные объекты
Ответ 3.
для уменьшения стоимости исследований и обеспечения безопасности людей
Ответ 4.
для проведения реальных исследований процессов, протекающих в природе в процессе взрыва и после взрыва
Вопрос 8. Укажите верное утверждение:
Ответ 1.
Статическая модель системы описывает ее состояние, а динамическая - поведение.
Ответ 2.
динамическая модель системы описывает ее состояние, а статическая - поведение
Ответ 3.
динамическая модель системы всегда представляется в виде формул или графиков
Ответ 4.
статическая модель системы всегда представляется в виде формул или графиков
1. Формализация - это
a. Переход от нечетких задач, возникающих в реальной действительности, к формальным информационным моделям. | ||
b. Выделение существенной информации об объекте. | ||
c. Этап перехода от содержательного описания связей между выделенными признаками объекта к описанию, использующему некоторый язык кодирования. | ||
d. Замена реального предмета знаком или совокупностью знаков. |
Архитекторы представили на конкурс модели проектов застройки жилого массива в виде макетов. Что является прототипом модели?
Выберите один ответ.
a. Замысел архитектора | ||
b. Реальный жилой массив | ||
c. Чертеж проекта, предварительно выполненный на бумеге. | ||
d. Задача, поставленная перед архитекторами заказчиком проекта . |
Выберите один ответ.
a. описание объекта-оригинала с помощью математических формул; | ||
b. описание объекта-оригинала на естественном или формальном языке; | ||
c. другой объект, не отражающих признаков и свойств объекта-оригинала; | ||
d. совокупность записанных на языке математики формул, описывающих поведение объекта оригинала. | ||
e. совокупность данных в виде таблицы, содержащих информацию о качественных и количественных характеристиках объекта-оригинала; |
Установите соответствие между примерами моделей и их разновидностью по степени формализации. К каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.
|
Выберите один ответ. Укажите ЛОЖНОЕ утверждение. Выберите один ответ.
Что такое информационная модель объекта? Выберите один ответ.
Грунтовая дорога проходит последовательно через населенные пункты A, B, C, и D. При этом длина дороги между A и B равна 80 км, между B и C - 50 км, и между C и D - 10 км. Выберите один ответ. Что такое компьютерная информационная модель? Выберите один ответ.
Что называют имитационным моделированием? Выберите один ответ.
Выбор вида модели зависит от: Выберите один ответ.
Целью создания информационной модели является: Выберите один ответ.
Компьютерный эксперимент состоит из последовательности этапов: Выберите один ответ.
В качестве примера модели поведения можно назвать: Выберите один ответ. Между четырьмя аэропортами: ОКТЯБРЬ, БЕРЕГ, КРАСНЫЙ и СОСНОВО, ежедневно выполняются авиарейсы. Приведен фрагмент расписания перелетов между ними:
Путешественник оказался в аэоопорту ОКТЯБРЬ в полночь (0:00). Определите самое раннее время, когда он может попасть в аэропорт СОСНОВО. Выберите один ответ. Задачи 1. Определение минимальной длины изгороди садового участка. Садовый участок прямоугольной формы имеет площадь S. При каких размерах длины и ширины участка длина изгороди будет минимальной? Провести расчеты. 2. Склеивание коробки. Имеется квадратный лист картона. Из листа по углам вырезают четыре квадрата и склеивают коробку по сторонам вырезов. Какова должна быть сторона вырезаемого квадрата, чтобы коробка имела наибольшую вместимость? Какого размера надо взять лист, чтобы получить из него коробку с заданным максимальным объемом? 3. График тренировки. Начав тренировки, спортсмен в первый день пробежал 10 км. Каждый следующий день он пробегал на 10% больше предыдущего. Построить таблицу «График тренировок», в которой имеются следующие столбцы:
По таблице определить: · суммарный пробег за 7 дней; · через сколько дней спортсмен будет пробегать в день больше 20 км; · через сколько дней суммарный пробег превысит 100 км. 4. Спасение утопающего. С какой скоростью и под каким углом надо бросить с борта спасательного судна круг утопающему? При расчетах учесть следующие условия: · начальная скорость может изменяться в пределах до 10 м/с; · расстояние утопающего до корабля; · точность попадания равна ∆=0,5 м; · угол бросания может быть отрицательным; · высоту борта корабля над уровнем моря. 5. Рождаемость и смертность. Рассмотрите некоторую систему, в которой численность особей популяции зависит только от естественной рождаемости и смертности. Еды в такой системе хватает всем, экология не нарушена, жизни ничто не угрожает. Задача 6. Казино процветают из-за того, что у владельца всегда есть некоторое преимущество перед игроком. Например, в одном из вариантов рулетки колесо имеет 38 лунок: 36 пронумерованы и разбиты на черный и красный цвет, а две оставшиеся имеют № 0 и 00 и выкрашены зеленым. Игрок, ставя на красное или черное, имеет на выигрыш 18 шансов из 38, а на то, что он проиграет – 20 шансов из 38. У вас есть некоторое число фишек. Вы хотите увеличить свой капитал в два раза. Если колесо остановилось на выбранной вами цифре, ваш капитал увеличивается на величину ставки, в противном случае ставка уйдет в казино. Какая тактика приведет к положительному результату? 7. Информационная модель «Химические соединения» Составьте информационную модель «Химические соединения». Включите в базу данных следующие поля: бытовое название, химическое название, химическая формула, применение. 8. Информационная модель «Школьный учитель» Составьте информационную модель «Школьный учитель», включив в нее следующие поля: фамилия, имя, отчество, возраст, пол, стаж работы учителем, общий стаж, педагогическая нагрузка, среднемесячный заработок, количество членов семьи. На основе исходной модели данных сформировать информационные модели: · «Молодой учитель» (педагогический стаж до 5 лет, возраст до 30); · «Заслуженный учитель» (педагогический стаж более 20 лет). Сохраните результат на диске М: папка «Зачет_Информатика_07» Результат разместите на СарВики на странице Теоретические основы информатики и методика ее преподавания в разделе Научные основы школьной информатики. 9. Представьте себе, что на Земле останется только один источник пресной воды - озеро Байкал. На сколько лет Байкал обеспечит население всего мира водой 10. Известны ежегодные показатели рождаемости и смертности некоторой популяции. Рассчитайте, до какого возраста могут дожить особи одного поколения. 11. Для производства вакцины на заводе планируется выращивать культуру бактерий. Известно, что если масса бактерий - x г., то через день она увеличится на (a-bx)x г., где коэффициенты a и b зависят от вида бактерий. Завод ежедневно будет забирать для нужд производства вакцины m г. бактерий. Для составления плана важно знать, как изменяется масса бактерий через 1, 2, 3, ..., 30 дней.. 12. Составить модель биоритмов для конкретного человека от указанной текущей даты (дня отсчета) на месяц вперед с целью дальнейшего анализа модели. На основе анализа индивидуальных биоритмов прогнозировать неблагоприятные дни, выбирать благоприятные дни для разного рода деятельности. 13. Определите, как будет меняться плотность популяции голубя в течение 5 ближайших лет, если предварительные наблюдения позволили установить, что ее плотность составляет 130 особей/га. За период размножения (у голубя раз в году) из одной кладки яиц в среднем выживает 1,3 детенышей. Смертность голубя постоянна, в среднем за год погибает 27% особей. При увеличении плотности популяции до 300 особей/га и выше смертность составляет 50% 14. На заданном расстоянии от пушки находится стена. Известны угол наклона пушки и начальная скорость снаряда. Попадет ли снаряд в стену? 15. При подъеме в гору “заглох” мотор у машины. Остановится ли машина на горе или же она будет скатываться вниз. |
Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности и постепенно захватывало все новые области научных знаний: техническое конструирование, строительство и архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. Термин "модель" широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений.
Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал так, что его непосредственное изучение дает новые знания об объекте-оригинале.
Под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей. Оно тесно связано с такими категориями, как абстракция, аналогия, гипотеза и др. Процесс моделирования обязательно включает и построение абстракций, и умозаключения по аналогии, и конструирование научных гипотез.
Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект. Именно эта особенность метода моделирования определяет специфические формы использования абстракций, аналогий, гипотез, других категорий и методов познания.
Моделирование - циклический процесс. Это означает, что за первым четырехэтапным циклом может последовать второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта и ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах. В методологии моделирования, таким образом, заложены большие возможности саморазвития.
Построение модели является процессом. Основные этапы этого процесса – постановка задачи, построение, проверка на достоверность, применение и обновление модели.
Постановка задачи. Первый и наиболее важный этап построения модели, способный обеспечить правильное решение управленческой проблемы, состоит в постановке задачи. Правильное использование математики или компьютера не принесет никакой пользы, если сама проблема не будет точно диагностирована. Правильная постановка задачи важнее даже, чем ее решение. Для нахождения приемлемого или оптимального решения задачи нужно знать, из чего она состоит. Как ни просто и прозрачно данное утверждение, чересчур многие специалисты игнорируют очевидное. Миллионы долларов расходуются ежегодно на поиски элегантных и глубокомысленных ответов на неверно поставленные вопросы. Далее, из того только, что руководитель осведомлен о наличии проблемы, вовсе не следует факт идентификации истинной проблемы. Руководитель обязан уметь отличать симптомы от причин.
Построение модели. После правильной постановки задачи следующим этапом процесса предусмотрено построение модели. Разработчик должен определить главную цель модели, какие выходные нормативы или информацию предполагается получить, используя модель, чтобы помочь руководству разрешить стоящую перед ним проблему. Также необходимо определить какая информация требуется для построения модели, удовлетворяющей этим целям и выдающей на выходе нужные сведения.
Проверка модели на достоверность. После построения модели ее следует проверить на достоверность. Один из аспектов проверки заключается в определении степени соответствия модели реальному миру. Специалист по науке управления должен установить – все ли существенные компоненты реальной ситуации встроены в модель. Проверка многих моделей управления показала, что они не совершенны, поскольку не охватывают всех релевантных переменных. Естественно, чем лучше модель отражает реальный мир, тем выше ее потенциал как средство оказания помощи руководителю в принятии хорошего решения, если предположить, что модель не слишком сложна в использовании. Второй аспект проверки модели связан с установлением степени, в которой информация, получаемая с ее помощью действительно, помогает руководству совладать с проблемой.
Применение модели. После проверки на достоверность модель готова к использованию. Ни одну модель науки управления нельзя считать успешно выстроенной, пока она не принята, не понята, и не применена на практике. Это кажется очевидным, но зачастую оказывается одним из самых тревожных моментов построения.
Именно благодаря формализации математическую логику смогли применять в электронно-вычислительных машинах, которые работают по ее законам.
В. Пекелис
Вся жизнь человека постоянно ставит перед ним острые и разные задачи и проблемы. Возникновение таких проблем, трудностей, неожиданностей означает, что в окружающей нас действительности много неизвестного, скрытого. Следовательно, нужно все более широкое познание мира, открытие в нем все новых и новых процессов, и взаимоотношений людей и вещей
Успех интеллектуального развития школьника достигается главным образом на уроке, где от умения учителя организовать систематическую познавательную деятельность зависит степень интереса учащихся к учебе, уровень знаний, готовность к постоянному самообразованию, т.е. их интеллектуальное развитие.
Опыт преподавания предмета информатики показывает, что в качестве целей особенно выделяются виды деятельности учеников по анализу ситуаций, прогнозированию, построению информационных моделей, созданию условий для вариативного выбора способов решения, использование эвристических приемов, умение производить проектировочную деятельность.
Конкретные задачи изучения информатики в школе, приобретают вид:
Формирование – это процесс воспитания и обучения, направленный на развитие личности человека или отдельных его качеств. Формировать – это так организовать и проводить воспитание и обучение, так воздействовать на ученика, чтобы развить у него то или иное качество.
Основополагающим на этом пути предлагается освоение раздела “Формализация и моделирование”.
На раздел “Моделирование и формализация” отводится 8 часов. В рамках раздела изучаются следующие темы:
Основные понятия, которые должны быть усвоены учащимися после изучения темы:
Объект, модель, моделирование; формализация; информационная модель; информационная технология решения задач; компьютерный эксперимент.
В конце изучения раздела учащиеся должны знать :
учащиеся должны уметь :
Изучение раздела проходит по спирали: начинается с понятия Объект. Классификация объектов. Для изучения используется слайд-фильм, в котором дается определение этим понятиям, наглядно показаныпримеры объектов, объясняется – что такое свойства объекта, среда (смотри <Рисунок 1> , <Рисунок 2>) и т.д.
Используя данный слайд–фильм <Приложение 1 >, учащийся может и самостоятельно разобраться с этими понятиями. После систематизации понятий, связанных с объектом, происходит плавный переход к понятиям модель, классификация моделей (смотри <Рисунок 3> , <Рисунок 4> ) . Ученику даются задания типа: Объект - человек. Явление – гроза. Перечисли их модели и проклассифицируй их.
Человек издавна использует моделирование для исследования объектов, процессов, явлений в различных областях. Результаты этих исследований служат для определения и улучшения характеристик реальных объектов и процессов; для понимания сути явлений и выработки умения приспосабливаться или управлять ими; для конструирования новых объектов или модернизации старых. Моделирование помогает человеку принимать обоснованные и продуманные решения, предвидеть последствия своей деятельности.
Благодаря компьютерам не только существенно расширяются области применения моделирования, но и обеспечивается всесторонний анализ получаемых результатов.
Изучая раздел, учащиеся знакомятся с основами моделирования и формализации . Ученики должны представлять, что такое модель и какие бывают виды моделей. Это необходимо для того, чтобы проводя исследование, ученики сумели бы выбрать и эффективно использовать подходящую для каждой модели программную среду и соответствующий инструментарий. Началом любого исследования является постановка задачи , которая определяется заданной целью. От того, как понимается цель моделирования, зависит и вид модели, и выбор программной среды и получаемые результаты. Учащийся узнает об основных этапах моделирования , которые надо пройти исследователю, чтобы достичь поставленной им цели.
Содержание обучения формируется перечнем различных моделей, доступных для понимания учащихся. Уже известно достаточное множество таких моделей, для которых существенно применение компьютера. На конкретных моделях из разных школьных предметов ученики учатся технологии моделирования , учатся строить информационные модели . Для этого можно использовать разные программные среды. Объем содержания и возможностей по различным видам информационных технологий ученик определяет сам в зависимости от своих способностей.
Важным моментом в преподавании и усвоении полученных знаний является обеспеченность всех учебных элементов раздела тестами необходимого уровня, которые взяты из методического пособия 5, 7*, также из Интернет, автор Н. Угринович.
В данной статье приведен один из вариантов теста, касающегося основных учебных элементов раздела “Моделирование и Формализация”. Также дан текст контрольной работы, разработанной С.Ю. Пискуновой, и ее решение, из сборника 9*
Тест по теме " Моделирование и формализация"
1. Что называется атрибутом объекта?
2. Выбор вида модели зависит от:
3. Что такое информационная модель объекта?
4. Укажите классификацию моделей в узком смысле слова:
5. Целью создания информационной модели является:
6. В основе информационного моделирования лежит:
7. Формализация - это
8. Информационной технологией называется
9. Что называют имитационным моделированием?
10. Что такое компьютерная информационная модель?
11. Компьютерный эксперимент состоит из последовательности этапов:
| № вопроса | |||||||||||
| № ответа | 4 | 3 | 2 | 1 | 4 | 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 2 |
Контрольная работа по теме “Моделирование и формализация”
Вариант №1.
1. Составьте ответ по теме “Модели и способы их составления”, последовательно отвечая на вопросы.
2. Составить математическую модель задачи:
Определить время встречи двух пешеходов, идущих на встречу друг другу.
Вариант №2.
1. Составьте ответ по теме “Классификация объектов”, последовательно отвечая на вопросы.
2. Составить математическую модель задачи:
– Определите время, когда один пешеход догонит другого.
Вариант 1
1. Ответы на вопросы
1.1. Модель – это образ, изучающий некоторые существенные стороны объекта, явления или процесса
1.2. В повседневной жизни человек встречается с материальными и информационными моделями.
1.3. Информационные модели дают описание объектов на одном из языков кодирования (разговорном, графическом, научном и т.д.).
1.4. Один и тот же объект может иметь множество моделей, все зависит от того, какие свойства объекта подлежат изучению. Например, один и тот же объект человек в физике рассматривается как материальная точка, в биологии – как система, стремящаяся к самосохранению и т.д.
1.5. При составлении информационной модели автомобиля с целью описания удобств для пассажиров необходимо указать: грузовой это автомобиль или легковой, вместимость (сколько человек), сколько дверей, наличие и размер багажника, размер салона, обивка, форма, мягкость сидений, наличие кондиционера, музыки и т.д. Если характеризовать автомобиль, как техническое устройство, то указывается вес, размер, грузоподъемность, максимальная скорость, расход топлива и т.д.
1.6. Стратегическая компьютерная игра отображает информационные процессы, протекающие в жизни. Например, военные стратегии описывают устройства государственного строя в целом и его армии в частности, финансовые стратегии описывают различные экономические и социальные законы. Следовательно, стратегическую компьютерную игру можно рассматривать как информационную модель того информационного процесса, который она описывает.
L – начальное расстояние
Результат: t – время движения
При: L, v 1 , v 2 > 0
Метод: t = L / (v 1 + v 2)
Вариант 2
1. Ответы на вопросы
1.1. Среди многообразия объектов окружающего миры мы стараемся выделить группы объектов, обладающих общими свойствами. Класс – это группа объектов, обладающая общими свойствами. Объекты, входящие в класс называются экземплярами класса. Объекты одного класса отличаются друг от друга некоторыми особенными свойствами. Классификация – это распределение объектов на классы и подклассы на основании общих свойств.
1.2. Пример классификации по общим свойствам - объект литература по содержанию можно разделить на три больших класса: научная литература, художественная литература, публицистическая литература.
1.3. В иерархической структуре объекты распределены по уровням, где экземпляр нижнего уровня называемый классом-потомком и входит в состав экземпляра более высокого уровня, называемого классом-родителем. Важнейшим свойством классов является наследование – каждый класс-потомок наследует все свойства класса-родителя.
1.4. Любая компьютерная программа это алгоритм, записанный на языке понятном компьютеру. Программы делятся на системные и прикладные. Они выполняют разные функции, но все написаны на языке, понятном компьютеру - это и есть свойство, наследуемое каждым классом-потомком (системными и прикладными программами) от класса родителя – компьютерной программы.
1.5. Модели можно классифицировать по любому существенному признаку.
1.6. Модели, описывающие систему в определенный момент времени, относятся к статистическим информационным моделям. Модели, описывающие процессы изменения и развития системы, относятся к динамическим информационным моделям.
2. Математическая модель задачи
Дано: t 02 – время начала пути второго пешехода
v 1 – скорость первого пешехода
v 2 – скорость второго пешехода
Результат: t – время встречи пешеходов
При: t 02 , v 1 , v 2 > 0; v 1 < v 2
L 2 = (t - t 02)* v 2
t * v 1 = (t - t 02)* v 2
t * v 1 - t * v 2 = - t 02 * v 2
t = t 02 * v 2 / (v 2 - v 1)
Литература:
для учащихся
Методика
