Каким основным признакам должна удовлетворять компьютерная информационная модель

Обновлено: 07.07.2024

Моделирование . Человечество в своей деятельности постоянно создает и использует модели окружающего мира. Строгие правила построения моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт моделирования различных объектов и процессов.

Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного воспри ятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели часто используются в процессе обучения (модели глобуса, молекул и кристаллических решеток, анатомические муляжи и др.).

Модели играют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании различных технических устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т. д. Без предварительного создания чертежа (рис. 1) невозможно изготовить даже простую деталь, не говоря уже о сложном механизме.

В процессе проектирования зданий и сооружений кроме чертежей часто изготавливают макеты.

Развитие науки невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез и пр.), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов. Создание новых теоретических моделей иногда коренным образом меняет представление человечества об окружающем мире (гелиоцентрическая система мира Коперника, модель атома Резерфорда-Бора, модель расширяющейся Вселенной, модель генома человека и пр.). Адекватность теоретических моделей законам реального мира проверяется с помощью опытов и экспериментов.

Моделирование — это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Модель . Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследования свойства. В процессе исследования аэродинамических качеств модели самолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическое подобие оригинала, но не важен, например, ее цвет. При построении электрических схем — моделей электрических цепей — необходимо учитывать порядок подключения элементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение друг относительно друга и так далее.

Модель — это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

География, военное дело, судоходство и пр. невозможны без информационных моделей поверхности Земли в виде карт (рис.2). Различные типы географических карт (политические, физические и пр.) представляют информационные модели, отражающие различные особенности земной поверхности, то есть один и тот же объект отражают несколько моделей.

Рис. 2. Географическая карта

С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью. Так, в механике различные материальные тела (от планеты до песчинки) могут рассматриваться как материальные точки.

Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью.

Никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас интересуют определенные свойства изучаемого объекта, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования.

Формы представления моделей. Формализация

Модели материальные и модели информационные. Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели информационные. Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи, модели кристаллических решеток, макеты зданий и сооружений и др.).

Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме.

Образные модели (рисунки, фотографии и др.) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и кинопленке и др.). Широко используются образные информационные модели в образовании (учебные плакаты по различным предметам) и науках, где требуется классификация объектов по их внешним признакам (в ботанике, биологии, палеонтологии и др.).

Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования), таблицы и так далее.

Иногда при построении знаковых информационных моделей используются одновременно несколько различных языков. Примерами таких моделей могут служить географические карты, графики, диаграммы и пр. Во всех этих моделях используются одновременно как язык графических элементов, так и символьный язык.

Формализация . Естественные языки используются для создания описательных информационных моделей. В истории науки известны многочисленные описательные информационные модели; например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник, формулировалась следующим образом:

Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца;

орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.

С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели (математические, логические и др.). Одним из наиболее широко используемых формальных языков является математика. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называются математическими моделями. Язык математики является совокупностью формальных языков.

Язык алгебры позволяет формализовать функциональные зависимости между величинами. Так, Ньютон формализовал гелиоцентрическую систему мира, открыв законы механики и закон всемирного тяготения и записал их в виде алгебраических функциональных зависимостей.

Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией.

В процессе познания окружающего мира человечество постоянно использует моделирование и формализацию. При изучении нового объекта сначала обычно строится его описательная информационная модель на естественном языке, затем она формализуется, то есть выражается с использованием формальных языков (математики, логики и др.).

Визуализация формальных моделей . В процессе исследования формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации пространственных соотношений между объектами используются чертежи, моделей электрических цепей — электрические схемы и так далее.

Так при визуализации формальных физических моделей с помощью анимации может отображаться динамика процесса, производиться построение графиков изменения физических величин и так далее. Визуальные модели обычно являются интерактивными, то есть исследователь может менять начальные условия и параметры протекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели.

2. Типы информационных моделей

Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

2.1. Табличные информационные модели

Одним из наиболее часто используемых типов информационных моделей является прямоугольная таблица, которая состоит из столбцов и строк. Такой тип моделей применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковыми наборами свойств. С помощью таблиц могут быть построены как статические, так и динамические информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и так далее.

Построим табличную информационную модель «Цены устройств компьютера». В первом столбце таблицы будет содержаться перечень однотипных объектов (устройств, входящих в состав компьютера), а во втором — интересующее нас свойство (например, цена) — табл. 1. Построенная табличная модель позволяет оценить долю стоимости отдельных устройств в цене компьютера и приобрести за минимальную цену компьютер в наиболее производительной конфигурации.

Таблица 1. Цены устройств компьютера

Наименование устройства

Цена (в y.e . )

Процессор Celeron (2 ГГц)

Табличные информационные модели проще всего строить и исследовать на компьютере с помощью электронных таблиц и систем управления базами данных. Визуализируется полученная табличная модель путем построения диаграммы в электронных таблицах.

2.2. Иерархические информационные модели

Некоторые группы объектов имеют одинаковые общие свойства, которые отличают их от объектов других групп. Процесс систематизации объектов называется процессом классификации. В процессе классификации объектов часто строятся информационные модели, которые имеют иерархическую структуру.

Изображение информационной модели в форме графа . Граф является удобным способом наглядного представления структуры информационных моделей. Изобразим иерархическую модель, классифицирующую компьютеры, в виде графа (рис. 3).

Рис. 3. Классификация компьютеров

Полученный граф напоминает дерево, которое растет сверху вниз, поэтому иерархические графы иногда называют деревьями.

2.3. Сетевые информационные модели

Сетевые информационные модели применяются для отражения систем со сложной структурой, в которых связи между элементами имеют произвольный характер. В качестве примера, построим граф, который отражает структуру глобальной сети Интернет (рис. 4). Представленная сетевая информационная модель является статической моделью.

Рис. 4. Сетевая структура глобальной сети Интернет

С помощью сетевой динамической модели можно, например, описать процесс передачи мяча между игроками в коллективной игре (футболе, баскетболе и так далее).

3. Компьютерное информационное моделирование

3.1. Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере

На первом этапе исследования объекта или процесса обычно строится описательная информационная модель. Такая модель выделяет существенные с точки зрения целей проводимого исследования параметры объекта, а несущественными параметрами пренебрегает.

На втором этапе создается формализованная модель, то есть описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.

На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компьютерную модель, то есть выразить ее на понятном для компьютера языке.

Четвертый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты.

Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и так далее.

Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. В случае различия результатов, полученных при исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности.

В этих случаях необходимо провести корректировку модели, причем уточнение модели может проводиться многократно, пока анализ результатов не покажет их соответствие изучаемому объекту.

3.2. Компьютерная математическая модель

Появление компьютеров сняло эти проблемы. Стало возможным проводить расчеты сложных математических моделей за приемлемое время. Например, рассчитать погоду на завтрашний день до его наступления. Ученые перестали себя ограничивать в сложности создаваемых математических моделей, полагаясь на быстродействие компьютеров.

Компьютерная математическая модель - это программа, реализующая расчеты состояния моделируемой системы по ее математической модели.

3.3. Что такое вычислительный эксперимент

Использование компьютерной математической модели для исследования поведения объекта называется вычислительным экспериментом. Вычислительный эксперимент в некоторых случаях может заменить реальный физический эксперимент. Впечатляющий пример использования такой возможности - прекращение испытаний ядерного оружия, которые сопровождались значительным экологическим ущербом. Благодаря очень точным математическим моделям и мощным компьютерам стало возможно просчитать все последствия, к которым приводит изменение в конструкции ядерной бомбы.

Важным свойством компьютерных математических моделей является возможность визуализации результатов расчетов. Этим целям служит использование компьютерной графики. Представление результатов в наглядном виде - важнейшее условие для их лучшего понимания. Например, результаты расчетов распределения температуры в некотором объекте представляются в виде его разноцветного изображения. Для изображения изменяющихся со временем (динамических) результатов используют графическую анимацию.

Компьютерная графика позволяет человеку в процессе проведения численного эксперимента "заглянуть" в недоступные места исследуемого объекта. Можно получить изображение любого сечения объекта сложной формы с отображением рассчитываемых характеристик: температурных полей, давления и пр. В реальном физическом эксперименте такое можно сделать далеко не всегда. Например, невозможно выполнить измерения внутри работающей доменной печи или внутри звезды. А на модели это сделать можно.

3.4. Управление на основе моделей

Еще одно важное направление компьютерного математического моделирования связано с использованием компьютеров в управлении. Компьютеры используют для управления работой химических реакторов на заводах, атомных реакторов на электростанциях, ускорителей элементарных частиц в физических лабораториях, полета автоматических космических станций и т. д.

Управляя производственной или лабораторной установкой, компьютер должен просчитывать ее характеристики для того, чтобы вовремя снять показания с датчиков или оказать управляющее воздействие: включить реле, открыть клапан и т. п.

Все расчеты производятся по заложенным в программу управления математическим моделям. Важно, чтобы результаты этих расчетов получались в режиме реального времени управляемого процесса.

Имитационное моделирование - особая разновидность моделирования на компьютере. Имитационная модель воспроизводит поведение сложной системы, элементы которой могут вести себя случайным образом. Иначе говоря, поведение которых заранее предсказать нельзя.

Такое поведение в математике называется стохастическим. Из курса физики известно явление броуновского движения. Нельзя точно рассчитать траекторию броуновской частицы, но ее можно сымитировать на экране компьютера.

К имитационным моделям относятся модели систем массового обслуживания: например, системы торговли, автосервиса, скорой помощи, в которых появление заявок на обслуживание и длительность обслуживания одной заявки - события случайные.

Еще одним популярным объектом для имитационного моделирования являются транспортные системы: сеть городских дорог, перекрестки, светофоры, автомобили. Модель имитирует движение транспортных потоков по городским улицам. Эксперименты на такой модели позволяют найти режимы управления движением, уменьшающие возможность возникновения пробок. Работа имитационной модели всегда визуализируется на экране компьютера.

Современным инструментом для информационного моделирования является компьютер. Конечно, на компьютере можно писать тексты (строить вербальные модели), рисовать карты и схемы (графические модели), строить таблицы (табличные модели). Но при таком использовании компьютера в моделировании его возможности проявляются не в полной мере.

Главное преимущество компьютера перед человеком - способность к быстрому счету. Современные компьютеры считают со скоростями в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды операций в секунду!

Учитывая, что расчеты производятся над многозначными числами (10-20 десятичных цифр), вычислительные способности человека нельзя даже сравнивать с компьютерными. Эти феноменальные вычислительные возможности проявляются, прежде всего, в компьютерном математическом моделировании.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.

Конспект урока "Компьютерное информационное моделирование"

Сегодня на уроке мы с вами переходим к следующему разделу «Информационное моделирование». Понятие модель относится к основным общенаучным понятиям, а моделирование – это метод изучения окружающего мира, используемый различными науками.

Модели играют важную роль в проектировании и создании различных технических устройств, машин, механизмов, зданий. Кроме чертежей, без которых невозможно изготовить даже простую деталь, часто создаются макеты проектируемых объектов.

Развитие науки основывается на создании и использовании теоретических моделей. К ним относятся: теория, законы, гипотезы, которые иногда могут в корне изменить представление человечества об окружающем мире. Например, это сделала теория относительности Эйнштейна.

Произведения литературы и искусства можно рассматривать как модели, в художественной форме, отражающей реальную действительность.

Также без моделей не обойтись и в образовании. Они крайне необходимы для изучения объектов, процессов и явлений окружающего мира.

Например, на уроках географии вы работаете с картами, которые являются моделями земной поверхности на плоскости. Или модель кристаллической решётки каменной соли, используемая на уроках химии. На уроках физики не обойтись без моделей – это и модель двигателя внутреннего сгорания, и модель идеального газа и много других моделей.

Сегодня на уроке мы с вами узнаем:

· Что такое модель.

· Какова роль информатики в информационном моделировании.

· В чём преимущество компьютерных информационных моделей перед теоретическими.

Под моделью понимается некоторый материальный либо мысленно представляемый объект или явление. Эти объекты или явления используют вместо другого объекта (оригинала). Модель повторяет существенные для целей конкретного моделирования свойства оригинала, опуская несущественные свойства.

Модели могут быть разделены на два больших класса: материальные и информационные.

Материальная (предметная) модель воспроизводит геометрические, физические, химические, биологические свойства объектов в материальной форме.

С материальными моделями вы встречаетесь с самого раннего детства. Это игрушки: куклы и машинки, собачки и самолёты – всё это материальные модели реальных людей, транспортных средств, животных.

Ещё примерами материальных моделей являются: глобус, макет застройки микрорайона, чучело животного.

Предметом изучения информатики являются информационные модели.

Информационная модель — это совокупность информации, описывающая существенные свойства и состояния объекта, процесса, явления.

Информационные модели нельзя потрогать, они не имеют материального воплощения, потому что строятся только на информации.

В то же время, рассматривая любую информационную модель, мы связываем её с определённым носителем информации (бумагой, видеоплёнкой, диском, флешкой и прочими).

Объектом информационного моделирования может быть всё что угодно. Это могут быть:

· отдельные предметы, например, диван или мобильный телефон;

· физические, химические, биологические процессы, например, горение дров, процесс переработки нефти или рост растений;

· экономические и социальные процессы, например, процессы международного соперничества или эволюция человека.

Таким образом, можно сделать вывод, что информационным моделированием занимается любая наука. Задача любой науки – это получение знаний. Все наши знания о реальности всегда носят приближённый, то есть модельный, характер. С развитием науки эти знания уточняются, углубляются, но всё равно остаются приближенными. Старые модели заменяются на новые, более точные, и этот процесс бесконечен.

География создаёт модели географических объектов, биология — биологических, физика — физических и так далее.

Информатика занимается общими методами и средствами создания и использования информационных моделей.

Появление компьютера обеспечило компьютерную реализацию информационных моделей, которая предполагает проведение вычислительного эксперимента и осуществление прогнозирования.

Компьютерные модели незаменимы в тех случаях, когда реальные эксперименты невозможны или затруднены из-за финансовых или физических препятствий (например, в атомной и ядерной физике, астрофизике).

Логичность и отображение результатов в точных понятиях и утверждениях компьютерных моделей дают возможность раскрыть основные свойства изучаемого объекта. Скажем, исследовать отклик моделируемой системы на изменения её параметров и начальных условий. Современные компьютеры позволяют строить весьма сложные модели, достаточно полно отражающие реальные объекты или процессы.

Рассмотрим основные этапы компьютерного моделирования на примере. Нужно выяснить, через сколько дней больной выздоровеет, то есть концентрация болезнетворных бактерий в его крови уменьшится с начального значения, которое вводится с клавиатуры, до 12 единиц, если в результате применения лекарства концентрация бактерий ежедневно уменьшается на 20 процентов по сравнению с предыдущим днём?

Первый этап. Постановка задачи: описание объекта и определение цели моделирования.

По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы.

К первой группе относятся задачи, в которых требуется исследовать, как изменяются характеристики объекта при некотором воздействии на него.

В таких задачах можно поставить вопрос: Что произойдёт, если…?

В задачах другой группы требуется определить, как нужно воздействовать на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию. Здесь вопрос может звучать так: Как сделать, чтобы …?

Определение цели моделирования позволяет установить, какие данные являются исходными, что ожидается получить в результате и какими свойствами объекта можно пренебречь.

Для нашей задачи объектом моделирования является концентрация болезнетворных бактерий в крови больного. Наша цель — сделать прогноз, через сколько дней эта концентрация уменьшится до 12 единиц.

Второй этап. Разработка плана создания модели. Выделение свойств объекта, существенных для данной задачи, и отбрасывание второстепенных. Выбор формы представления модели (это может быть, например, таблица) и необходимого инструментария (например, системы программирования).

Следует отметить, что иногда для достижения цели моделирования к данному этапу приходится возвращаться не раз и уточнять необходимые свойства объекта, так как существенные свойства не всегда могут быть очевидны.

От выбранной формы представления зависит точность результата и степень соответствия модели объекту.

В нашей задаче будем учитывать только изменение концентрации и пренебрегать остальными свойствами объекта, например, влиянием на кровь температуры больного или рациона его питания.

В качестве формы представления модели выберем числовую форму, а в качестве инструментария реализации этой модели — систему программирования Pascal ABC.

Третий этап. Создание модели: формализация, т. е. переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы.

Создание компьютерной модели начнём с построения математической модели изучаемого явления.

Поскольку каждый день концентрация бактерий уменьшается на р равное 20 процентов по сравнению с концентрацией с предыдущего дня, т. е. на с умноженное на р и делённое на сто (с • р / 100), то её можно выразить формулой: с минус с умноженное на р и делённое на сто (с — с • р / 100).

Теперь составим алгоритм решения.

Будем хранить значение концентрации в любой день в переменной c, процент ежедневного уменьшения и безопасное значение в переменных p и cb, количество дней — в переменной t. Переменные c и cb имеют тип real, а процент p и количество дней t — тип integer.

Начальное значение концентрации будем вводить с клавиатуры (в переменную c). Вычисления будут повторяться в цикле while, пока выполняется условие c больше cb, т. е. пока не будет достигнута безопасная концентрация. В результате получим целое число дней.

Реализация этого алгоритма, т. е. программа на языке программирования Паскаль, может выглядеть так:

Четвёртый этап. Анализ модели на соответствие объекту-оригиналу.

Протестируем модель. Будем вводить различные начальные значения концентрации бактерий.

Результат работы программы может выглядеть так:

Если начальная концентрация болезнетворных бактерий 50, то время, необходимое на выздоровление равно 7 дням.

Если начальная концентрация болезнетворных бактерий 80, то время, необходимое на выздоровление равно 9 дням.

Программа демонстрирует что, чем больше концентрация в крови болезнетворных бактерий, тем большее количество дней необходимо для выздоровления больного. И это соответствует действительности.

Мы рассмотрели пример простейшей модели. Полученные в процессе выполнения программы результаты представляются достоверными.

При анализе более сложной модели необходимо выполнять проверку достоверности результатов. Так, для рассмотренного примера рекомендуется проверять, как изменяется концентрация бактерий, например, через каждый час.

Полезно использовать графические формы представления результатов (графики зависимостей, диаграммы).

Если результаты компьютерного эксперимента не соответствуют целям поставленной задачи, значит на предыдущих этапах были допущены ошибки. Выявление ошибок и уточнение модели осуществляется до тех пор, пока результаты не будут удовлетворять цели моделирования. Затем их можно будет использовать для принятия решений.

А сейчас давайте вспомним всё, что мы изучили сегодня на уроке:

Модель — это объект-заменитель, который в определённых условиях может заменять объект-оригинал. Модель воспроизводит интересующие нас свойства и характеристики оригинала.

Информатика занимается общими методами и средствами создания и использования информационных моделей.

Основные этапы компьютерного моделирования:

Первый этап. Постановка задачи: описание объекта и определение цели моделирования.

Моделирование процессов управления в реальных системах; выявление каналов прямой и обратной связи и соответствующих информационных потоков.

Управление работой формального исполнителя с помощью алгоритма.

3) Предложите 10 контрольных вопросов для основной ступени и старшей ступени по рассматриваемым темам.

1. Этапы решения прикладных задач на ЭВМ: постановка задачи, построение математической модели, выбор метода решения.

2. Этапы решения прикладных задач на ЭВМ: разработка алгоритма.

3. Этапы решения прикладных задач на ЭВМ: разработка программы, отладка, применение и сопровождение программы

4. Какие этапы компьютерного решения задач осуществляются без участия компьютера?

5. Что называют математической моделью объекта или явления?

6. Почему невозможно точное исследование поведения объектов или явлений?

7. Какие способы моделирования осуществляются с помощью компьютера?

8. Из каких последовательных действий состоит процесс разработки программы?

9. Чем тестирование программы отличается от её отладки?

10. Как следует планировать процесс отладки программы?

11. В чём заключается отличие синтаксических ошибок от семантических?

13. Какие разновидности ошибок транслятор не в состоянии обнаружить?

14. Для чего программам требуется сопровождение?

Задание 2. Представление темы в школьных учебниках.

1) Познакомиться с изложением в школьных учебниках следующих вопросов:

· Подходы к раскрытию понятий «информационная модель», «информационное моделирование». Информационная модель — модель объекта, представленная в виде информации, описывающей существенные для данного рассмотрения параметры и переменные величины объекта, связи между ними, входы и выходы объекта и позволяющая путём подачи на модель информации об изменениях входных величин моделировать возможные состояния объекта.

Информационное моделирование - исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

· Элементы системного анализа в курсе информатики.

• В чем суть системного подхода.

• Структура системы; использование графов для отображения структуры.

• Развитие системного мышления учащихся.

Второй, дополнительный уровень изучения темы моделирования в базовом курсе связан с обсуждением таких понятий, как: система, структура, граф, деревья, сети. Необходимо отметить, что эти понятия постепенно начинают проникать в перечень обязательных для изучения в рамках базового курса. Перечисленные понятия относятся к области, которая в науке называется системологией (теорией систем). Знания элементов системологии придают целостность и понятийную полноту содержательной линии «Формализация и моделирование».

Понятие «система» часто употребляется как в научных дисциплинах, так и в повседневной жизни. Примеров тому достаточно много: Солнечная система, периодическая система химических элементов, системы растений и животных, система образования, система транспорта, файловая система, операционная система и многое другое. Во многих случаях понятие системы считается интуитивно ясным. Однако для информатики оно является одним из фундаментальных и требует разъяснения.

Под системой понимается любой объект, состоящий из множества взаимосвязанных частей, и существующий как единое целое.

В информатике понятие «система» употребляется достаточно часто. Совокупность взаимосвязанных данных, предназначенных для обработки на компьютере — система данных. Совокупность взаимосвязанных программ определенного назначения — программные системы (ОС, системы программирования, пакеты прикладных программ и др.). Информационные системы — одно из важнейших приложений компьютерных технологий.

Основным методическим принципом информационного моделирования является системный подход, согласно которому всякий объект моделирования рассматривается как система. Из всего множества элементов, свойств и связей выделяются лишь те, которые являются существенными для целей моделирования. В этом и заключается сущность системного анализа. Задача системного анализа, который проводит исследователь — упорядочить свои представления об изучаемом объекте, для того чтобы в дальнейшем отразить их в информационной модели.

Сама информационная модель представляет собой также некоторую систему параметров и отношений между ними. Эти параметры и отношения могут быть представлены в разной форме: графической, математической, табличной и др. Таким образом, просматривается следующий порядок этапов перехода от реального объекта к информационной модели:

Реальный объект

Системный анализ

Система данных, существенных для моделирования

Информационная модель

Важной характеристикой всякой системы является ее структура. Структура — это определенный порядок объединения элементов, составляющих систему. Другой вариант определения, встречающийся в литературе: структура — это множество связей между элементами системы. Наиболее удобным и наглядным способом представления структуры систем являются графы. Описываются основные правила представления графов, вводятся понятия вершина, дуга, ребро, ориентированный граф, дерево, сеть. Обычно у учащихся не вызывает проблем понимание схем, представленных в форме графа: граф родственных связей, граф системы связанных между собой населенных пунктов и др.

Важной разновидностью графов являются деревья. Дерево — это графическое представление иерархической структуры системы. Обычно это системы, между элементами которых установлены отношения подчиненности или вхождения друг в друга: системы власти, административные системы, системы классификации в природе и др. Ученики знакомы с понятием «дерево» применительно к системе файлов на дисках компьютера. Многим из них известен смысл понятия «родословное дерево».

· Линия моделирования и базы данных.

• Признаки компьютерной информационной модели.

• Является ли база данных информационной моделью.

• Задачи, решаемые на готовой базе данных.

• Проектирование базы данных (БД) — задача для углубленного курса.

Общая схема этапов решения практической задачи на ЭВМ методами информационного моделирования выглядит следующим образом (рис. 1):

Два первых этапа относятся к предметной области решаемой задачи. На третьем этапе происходит выбор подходящего инструментального средства в составе программного обеспечения ЭВМ для реализации модели. Такими средствами могут быть: электронные таблицы, СУБД, системы программирования, математические пакеты, специализированные системы моделирования общего назначения или ориентированные на данную предметную область. В базовом курсе информатики изучаются первые три из перечисленных программных средств.

Основные признаки компьютерной информационной модели:

• наличие реального объекта моделирования;

• отражение ограниченного множества свойств объекта по принципу целесообразности;

• реализация модели с помощью определенных компьютерных средств;

• возможность манипулирования моделью, активного ее использования.

Ответ на вопрос: «является ли база данных информационной моделью?» будем искать, исходя их сформулированных выше критериев.

Первый критерий: наличие предметной области, некоторого реального объекта (системы), к которым относится БД, практически всегда выполняется. Например, если в БД содержатся сведения о книгах в библиотеке, значит, объектом моделирования является книжный фонд библиотеки. Если БД содержит анкетные данные сотрудников предприятия, значит, она моделирует кадровый состав этого предприятия. Если в БД хранятся сведения о результатах сдачи экзаменов абитуриентами в институт, следовательно, она моделирует процесс вступительных экзаменов и т. п.

Удовлетворение второму критерию также несложно обосновать. Каждый из моделируемых объектов (как перечисленные выше, так и любые другие) обладает гораздо большим числом свойств, характеристик, атрибутов, чем те, что отражены в БД. Отбор атрибутов, включаемых в БД, происходит в процессе проектирования базы, когда главным критерием является критерий целесообразности, т. е. соответствия цели создания БД, требованиям к ее последующим эксплуатационным свойствам. Например, в БД книжного фонда библиотеки не имеет смысла вносить такие характеристики книги, как ее вес, адрес типографии, где была напечатана книга, годы жизни автора и пр.

Третий критерий, очевидно, выполняется, поскольку речь идет о компьютерной базе данных, созданной в среде некоторой СУБД.

База данных — не «мертвое хранилище» информации. Она создается для постоянного, активного использования хранящейся в ней информации. Прикладные программы или СУБД, обслуживающие базу данных, позволяют ее пополнять, изменять, осуществлять поиск информации, сортировку, группировку данных, получение отчетных документов и пр. Таким образом, четвертый критерий компьютерной информационной модели также справедлив для БД.

В рамках обсуждаемой темы перед учителем информатики стоят две педагогические задачи: научить использовать готовые информационные модели; научить разрабатывать информационные модели. В минимальном варианте изучения базового курса предпочтение отдается первой задаче. В таком варианте ученикам могут быть предложены задачи следующего типа: имеется готовая база данных; требуется осуществить поиск нужной информации;

выполнить сортировку данных по некоторому ключу; сформировать отчет с нужной информацией. Решение этой задачи не требует вмешательства в готовую модель.

Другой тип задач: расширить информационное содержание базы данных. Например, имеется реляционная база данных, содержащая сведения о книгах в библиотеке:

БИБЛИОТЕКА(НОМЕР, ШИФР, АВТОР, НАЗВАНИЕ)

Требуется изменить структуру БД таким образом, чтобы из нее можно было узнать, находится ли книга в настоящее время в библиотеке, и если книга выдана, то когда и кому.

Новые цели требуют внесения изменений в модель, в структуру базы данных. Ученики должны спланировать добавление новых полей, определить их типы. Решение может быть таким: после добавления полей база данных будет иметь следующую структуру:

БИБЛИОТЕКА(НОМЕР, ШИФР, АВТОР, НАЗВАНИЕ, НАЛИЧИЕ, ЧИТАТЕЛЬ, ДАТА)

Здесь добавлены поля:

— НАЛИЧИЕ — поле логического типа; принимает значение True, если книга находится в библиотеке, и значение False, если выдана читателю;

— ЧИТАТЕЛЬ — поле числового (или символьного) типа; содержит номер читательского билета человека, взявшего книгу;

— ДАТА — поле типа «дата»; указывает день выдачи книги.

Несмотря на все сказанное выше, не следует преувеличивать в интерпретации каждого задания на работу с базой данных, как задачи моделирования. И на минимальном уровне изучения темы можно предлагать ученикам простые задачи на разработку баз данных, решение которых очевидно. К числу таких задач, например, относится задача разработки баз данных типа записной книжки с адресами знакомых, телефонного справочника и пр.

· Информационное моделирование и электронные таблицы.

• Что такое математическая модель.

• Понятия: компьютерная математическая модель, численный эксперимент.

• Пример реализации математической модели на электронной таблице.

Электронные таблицы являются удобной инструментальной средой для решения задач математического моделирования.

Что же такое математическая модель? Это описание состояния или поведения некоторой реальной системы (объекта, процесса) на языке математики, т.е. с помощью формул, уравнений и других математических соотношений. Характерная конфигурация всякой математической модели представлена. Обобщенная структура математической модели

Здесь Х и У — некоторые количественные характеристики моделируемой системы.

Реализация математической модели — это применение определенного метода расчетов значений выходных параметров по значениям входных параметров. Технология электронных таблиц — один из возможных методов реализации математической модели. Другими методами реализации математической модели может быть составление программ на языках программирования, применение математических пакетов (MathCAD, Математика и др.), применение специализированных программных систем для моделирования. Реализованные такими средствами математические модели будем называть компьютерными математическими моделями.

Цель создания компьютерной математической модели — проведение численного эксперимента, позволяющего исследовать моделируемую систему, спрогнозировать ее поведение, подобрать оптимальные параметры и пр.

Итак, характерные признаки компьютерной математической модели следующие:

• наличие реального объекта моделирования;

• наличие количественных характеристик объекта: входных и выходных параметров;

• наличие математической связи между входными и выходными параметрами;

• реализация модели с помощью определенных компьютерных средств.

В качестве примера использования электронных таблиц для математического моделирования рассмотрим задачу о выборе места строительства железнодорожной станции из учебников.

· Моделирование знаний в курсе информатики.

• Что такое база знаний.

• Различные типы моделей знаний.

• Логическая модель знаний и Пролог.

Среди разнообразных систем искусственного интеллекта наиболее распространенными являются экспертные системы. В основе экспертной системы лежит база знаний — модель знаний в определенной предметной области, представленная в формализованном виде и сохраненная в памяти компьютера.

Существуют различные типы моделей знаний. Наиболее известные из них — продукционная модель, семантическая сеть, фреймы, логическая модель.

Продукционная модель знаний построена на правилах (они называются продукциями), представляемыми в форме:

ЕСЛИ выполняется некоторое условиеТО выполняется некоторое действие

На основе поступающих данных экспертная система, анализируя имеющиеся правила, принимает решение о необходимых действиях. Например:

Продукционные модели часто используются в промышленных экспертных системах.

Семантические сети. Семантической сетью называется система понятий и отношений между ними, представленная в форме ориентированного графа. Это одна из наиболее гибких и универсальных форм моделей знаний. На рис. 3 приведен пример, представляющий в форме графа сведения, заключенные в предложении: «Петух Петя является птицей, и он умеет кукарекать».

Фреймы. Фрейм — это некоторый абстрактный образ, относящийся к определенному типу объектов, понятий. Фрейм объединяет в себе атрибуты (характеристики), свойственные данному объекту. Фрейм имеет имя и состоит из частей, которые называются слотами. Изображается фрейм в виде цепочки:

Имя фрейма = <слот 1><слот 2>. <слот N>

Вот пример фрейма под названием «Битва»:

Такое представление называется прототипом фрейма. Если же в слоты подставить конкретные значения, то получится экземпляр фрейма. Например:

Битва = <Царевич><Кощей Бессмертный><утром><в чистом поле><победил>

Слоты сами могут быть фреймами. Таким образом, возможны иерархии фреймов, сети фреймов. К фреймам применимо понятие наследования свойств. Для реализации моделей знаний с использованием фреймов хорошо подходит технология объектно-ориенированного программирования.

Логическая модель знаний представляет собой совокупность утверждений. О каждом утверждении можно сказать: истинно оно или ложно. Утверждения делятся на факты и правила. Совокупность фактов представляет собой базу данных, лежащую в основе базы знаний. Правила имеют форму «ЕСЛИ А, ТО Б» (здесь есть сходство с продукционной моделью). Механизм вывода основан на аппарате математической логики (он называется исчислением предикатов первого порядка). Прикладные возможности этой модели весьма ограничены. Логическая модель знаний лежит в основе языка ПРОЛОГ.

ПРОЛОГ является языком логического программирования. Как известно, в программировании для ЭВМ существует несколько различных направлений (парадигм): процедурное программирование, функциональное программирование, логическое программирование, объектно-ориентированное программирование. В языке Пролог реализована логическая парадигма. Однако в рамках базового курса информатики использование Пролога очень ограничено и о программировании, в полном смысле этого слова, здесь речи не идет. Пролог рассматривается лишь как средство построения несложных баз знаний логического типа. При таком подходе систему Пролог можно рассматривать как своеобразную систему управления базами знаний (по аналогии с СУБД). Она позволяет создавать базу знаний и обращаться к ней с запросами.

Реализации Пролога существуют для большинства компьютеров, доступных школам. Поэтому представляется возможным предлагать Пролог в качестве средства для практической работы по теме «Искусственный интеллект и моделирование знаний».

2) Выписать определения основных понятий по темам.

Математическое моделирование, модель, моделирование, адекватность модели, математический метод, оптимизационная модель, допустимое решение модели, область допустимых решений модели, оптимальное решение модели.

Задание 3. Разработка практического задания.

Предложить 2 практических задания для 9 класса и 2 задания для 10-11 класса с базовым уровнем изучения курса для формирования умений, представленных в требованиях стандарта.

Задание 4. Конспект.

Разработать конспект урока в соответствии с вариантом:

1) Понятие модели. Урок усвоения нового материала.

2) Моделирование. Урок обобщения.

3) Виды моделирования. Урок закрепления.

4) Моделирование в ЭТ. Урок применения знаний, умений и навыков.

5) Этапы моделирования. Урок усвоения нового материала.

6) Математические модели в биологии. Урок применения знаний, умений и навыков.

7) Виды моделей. Урок применения знаний, умений и навыков.

8) Решение задач с использованием графов. Урок применения знаний, умений и навыков.

9) База данных как модель предметной области. Урок усвоения нового материала.

Читайте также: