Практическое задание 14 Компьютерное моделирование в школьном курсе информатики. Цели и задачи моделирования (стр. 1 из 4)

Занятие 1.

Содержание занятия:

Компьютерное моделирование в школьном курсе информатики. Цели и задачи моделирования. 1

Понятие “модель”. Натуральные и абстрактные модели. 2

Основные понятия. 2

Виды моделирования. 4

Системный анализ и моделирование. 5

Структура моделей. 10

Практическое задание. 13

Компьютерное моделирование в школьном курсе информатики. Цели и задачи моделирования.

Одной из важнейших проблем школьной информатики остается проблема обоснования содержания этой учебной дисциплины, условия ее общеобразовательной значимости. Проблема содержания школьной информатики не может рассматриваться вне контекста общей проблемы структуры и содержания общего среднего образования в целом. Как известно, информатика изучает процессы получения, передачи, преобразования, хранения и использования информации. Информационные процессы характерны для живой природы, т.е. биологических объектов. человека, общественных систем и части технических систем. Эти системы в совокупности составляют предметную область информатики, поскольку именно в них и происходят информационные процессы. Однако, в настоящее время в школьной информатике вместо фундоментализации содержания наблюдается противоположная тенденция - усиление технологической направленности, т.е. мы имеем курс, задачей которого являет формирование навыков технологии обработки информации. Таким образом, заданная в самом начале становления предмета ориентация курса на компьютерную грамотность стала доминантой его содержания.

В настоящее время стоит проблема перегрузки школ учебными предметами. Выход из этой ситуации – устранение одночасовых предметов, введение интегрированных курсов, отход от классно-урочной системы и более широкое внедрение взамен ее проектно-исследовательских форм, выход учебно-воспитательного процесса за пределы школьных стен: в музеи, в лаборатории, на кафедры высших учебных заведений и научных учреждений.

Стратегия модернизации российского образования предусматривает приоритетное использование информационных технологий в учебном процессе.

Традиционное обучение естественнонаучным школьным дисциплинам (физика, химия) построено на так называемых хорошо сформулированных (иными словами, поставленных) задачах. В каждой задаче, предлагаемой школьнику для решения, точно определена модель (в виде законов. которыми надо воспользоваться), указаны исходные данные и результаты. А в реальной жизни школьник, как и любой человек, имеет дело с жизненными, “непоставленными задачами”. Использование непоставленных задач на первое место выводит востребование тех моделей, которые могут предложить учебные предметы для решения этих задач.

Упрощенно можно сопоставить традиционный курс и курс, основанный на систематическом рассмотрении “непоставленных задач”, при помощи следующей схемы:

Традиционный курс (“поставленные задачи”)	Курс, основанный на решении “непоставленных задач”
Изложение имеющихся фактов или их наблюдение в эксперименте	Формулировка “жизненной задачи”
Постановка задачи: выделение существенных факторов (предположений) для построения модели
Предъявление модели, объясняющей факты	Построение модели
Проверка адекватности модели. Коррекция модели (если нет адекватности)
Решение задачи на применение модели	Решение задач с использование построенной модели

Из приведенной схемы ясно, что решение “непоставленных задач” требует разнообразия используемых моделей, а это нереально при традиционном “безмашинном” преподавании. Поэтому в традиционном обучении дисциплинам, оперирующим непоставленными задачами (биология, география, история и др.), как правило, не делается попыток научить школьников решать такие задачи. В то же время проблемы, затрагиваемые такими “непоставленными задачами”, имеют большое мировоззренческое значение.

Понятие “модель”. Натуральные и абстрактные модели.

Основные понятия.

Моделирование, как средство познания и преобразования материального мира, широко применяется во многих отраслях науки и техники. Моделирование представляет собой процесс замещения объекта исследования некоторой его моделью и проведение исследований на модели с целью получения необходимой информации об объекте. Модель - это физический или абстрактный образ моделируемого объекта, удобный для проведения исследований и позволяющий адекватно отображать интересующие исследователя физические свойства и характеристики объекта. Удобство проведения исследований может определяться различными факторами: легкостью и доступностью получения информации, сокращением сроков и уменьшением материальных затрат на исследования и т.д.

Большинство современных процессов характеризуются наличием значительного числа разнообразных факторов, влияющих на процесс; большим количеством внутренних связей между факторами и их сложным взаимным влиянием на процесс; развитием различных направлений процесса, конкуририрующим между собой и определяющих его ход; воздействием на процесс большого числа неконтролируемых и неуправляемых факторов, играющих роль возмущений.

Представив процесс в виде “черного ящика”(рис. 1 ), все многообразие действующих на его входе параметров (оказывающих влияние на выходной параметр процесса) можно разбить на три основные группы.

Y

Рис.1

В этом случае состояние объекта “черного ящика” характеризуется n-мерным вектором Y, называемым выходом системы, или вектором отклика, а его составляющие y₁, y_2, y_{3, ...,} y_{n -} параметрами или функциями отклика.

Вектор отклика является функцией входных параметров, действующих в исследуемом процессе. Первая группа составляет k - мерный вектор X управляемых параметров, т.е таких, которые можно измерять и целеноправленно изменять, поддерживая при этом некоторый заданный режим исследуемого процесса. Вектор X называют вектором факторов; его составляющие {X_i}_i=1^i=k - факторами, а область их возможных значений в N опытах x_1N, x_2N, x_3N, ... - факторным пространством.

Вторая группа образует p- мерный вектор W контролируемых, но неуправляемых параметров

, характеризующихся состоянием исходных функций отклика на операциях, предшествующих исследуемому процессу (например, чистота исходного кремния, используемого в процессе изготовления микросхем). Они не поддаются целенаправленному изменению в исследуемом процессе. Третья группа входных параметров составляет m-мерный вектор Z неконтролируемых, а следовательно, и неуправляемых входных параметров . Сюда относятся параметры, оказывающие случайные возмущающие воздействия на процесс.

Очевидно, что выход системы Y может состоять из любого числа функций отклика, интересующих исследователя обычно в разной степени.

Вполне понятно, что при исследовании процесса чаще всего работают именно с первой группой входных параметров. Однако следует помнить, что соответствие полученных результатов эксперимента исследуемому процессу зависит от того, насколько полно в модели будут учтены все те входные параметры, которые в большей степени влияют на функцию отклика и ее конкретные значения

, фиксируемые в процессе проведения каждого из N опытов. При моделировании, как правило, анализируется не все многообразие явлений, определяющих исследуемый процесс, а лишь те, которые существенны для решения поставленной задачи.

Виды моделирования.

Различают моделирование предметное и абстрактное. При предметном моделировании строят физическую модель, которая соответствующим образом отображает основные физические свойства и характеристики моделируемого объекта. При этом модель может иметь иную физическую природу в сравнении с моделируемым объектом. Если модель и объект одной и той же физической природы, то моделирование называют физическим. Физическое моделирование широко применялось до недавнего времени при создании сложных технических объектов. Обычно изготавливался макетный или опытный образец технического объекта, производились соответствующие испытания, в процессе которых определялись его выходные параметры и характеристики, оценивалась надежность функционирования и степень выполения технических требований , предъявляемых к объекту. Если желаемый результат не достигался, то приходилось все переделывать заново, т.о. этот тип моделирования сопряжен с большими материальными и временными затратами.

Существует и другой подход к предметному моделированию. Многие явления различной физической природы имеют аналогичные количественные закономерности и описываются с помощью одного и того же математического аппарата. Это обстоятельство делает возможным количественное описание некоторого явления путем исследования процесса совершенно другой физической природы. Такой подход называется аналоговым моделированием, а модель исходного процесса, реализуемая с помощью иных физических механизмов - аналоговой моделью.