На начальном этапе моделирования выделяются существенные признаки изучаемого объекта и дается развернутое содержательное описание связи между ними (системный анализ), то есть осуществляется неформальная постановка задачи. Следующим важным этапом моделирования является формализация содержательного описания связей между выделенными признаками с помощью некоторого языка кодирования: языка схем, языка математики и т.д. ("перевод " полученной структуры в какую- либо заранее определенную форму).
Естественные языки используются для создания текстовых описательных информационных моделей. Например, такой литературный жанр, как басня или притча, имеет непосредственное отношение к понятию модели, поскольку смысл этого жанра состоит в переносе отношений между людьми на отношения между животными, между вымышленными людьми и пр.
С помощью формальных языков строятся информационные модели определенного типа - формально-логические модели. Например, с помощью алгебры логики можно построить логические модели основных узлов компьютера.
Формализация – этап перехода от содержательного описания связей между выделенными признаками объекта (словесного или в виде текста) к описанию, использующему некоторый язык кодирования(языка схем, языка математики и т. д.).
Формализация - процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков.
Одним из наиболее распространенных формальных языков является алгебраический язык формул в математике , который позволяет описывать функциональные зависимости между величинами. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называютсяматематическими моделями.
Моделирование любой системы невозможно без предварительной формализации. По сути, формализация – это первый и очень важный этап процесса моделирования.
Примером неформального описания модели является кулинарный рецепт или словесное описание модели парусника, или словесная формулировка второго закона Ньютона.
В тех случаях, когда моделирование ориентировано на исследование моделей с помощью компьютера, результатом формализации моделей должно быть программное средство. Поэтому принципы формализации можно сформулировать в следующем виде:
разработка неформального описания модели (словесное описание существенных для рассматриваемой задачи характеристик изучаемого объекта и связей между ними);
составление формализованного описания на некотором языке кодирования (с использованием математических соотношений и текстов);
реализация формализованного описания в виде программы на некотором языке программирования.
Например, формула F=m*a является формализованным описанием второго закона Ньютона.
Модель – некоторое упрощенное подобие реального объекта, который отражает существенные особенности (свойства) изучаемого реального объекта, явления или процесса.
Моделирование – метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей. Т.е. исследование объектов путем построения и изучения моделей.
Формализация – процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков.
Объект – некоторая часть окружающего мира, рассматриваемого человеком как единое целое. Каждый объект имеет имя и обладает параметрами.
Параметр – признак или величина, характеризующая какое-либо свойство объекта и принимаемая различные значения.
Среда – условие существование объекта.
Операция – действие, изменяющее свойство объекта.
Система – совокупность взаимосвязанных объектов, воспринимаемая как единое целое.
Структура – состав системы, свойства её элементов, их отношения и связи между собой.
Этапы моделирования :
Постановка задачи : описание задачи, цель моделирования, формализация задачи
Разработка модели : информационная модель, компьютерная модель
Компьютерный эксперимент – план эксперимента, проведение исследования
Анализ результатов моделирования
Начиная с древнейших времен, становление человеческой цивилизации неразрывно связано с моделированием, то есть с построением, изучением и использованием моделей различных объектов, процессов и явлений. Например, в разговоре мы как бы замещаем реальные объекты их именами. И от имени не требуется ничего, кроме того, чтобы однозначно обозначить необходимый объект.
В своей деятельности – в практической сфере, художественной, научной - человек всегда создает некий слепок, заменитель того объекта, процесса или явления с которым ему приходится иметь дело:
это может быть натурная копия – картина или скульптура;
это может быть модель самолета (например для изучения его аэродинамических характеристик);
это может быть макет какого-либо изделия, по которому в дальнейшем будет изготавливаться оригинал;
математическая формула, описывающая некий процесс (например, закона тяготения).
Таким образом, мы с детства сталкиваемся с понятием "модель". Модель дает нам образ реального объекта или явления, то есть модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования. Модель – это мощное орудие познания.
К созданию моделей прибегают, когда исследуемый объект либо очень велик (модель солнечной системы), либо очень мал (модель атома), когда процесс пробегает очень быстро (модель двигателя внутреннего сгорания) или очень медленно (геологические модели), исследование объекта может привести к его разрушению (модель самолета) или создание модели очень дорого (архитектурный макет города) и т. д.
Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства, те которые интересуют исследователя. В этом главная особенность и главное назначение моделей.
Таким образом, под моделью мы будем понимать некоторый объект, замещающий реальный исследуемый объект с сохранением наиболее существенных его свойств
Не бывает просто модели, «модель» - это термин, требующий уточняющего слова или словосочетания, например: модель атома, модель Вселенной. В каком-то смысле моделью можно считать картину художника или театральный спектакль (это модели, отражающий ту или иную сторону духовного мира человека).
Основные цели моделирования:
1.понять как устроен конкретный объект , какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (ПОНИМАНИЕ).
2. научиться управлять объектом (процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (УПРАВЛЕНИЕ).
3. прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (ПРОГНОЗИРОВАНИЕ).
Еще раз отметим, что любая модель не является копией объекта, а отражает лишь наиболее важные, существенные для объекта черты и свойства, пренебрегая остальными характеристиками объекта, которые несущественны в рамках поставленной задачи.
Различают модели:
1. материальные (натурные) – основываются на чем-то объективном, существующем независимо от человеческого сознания (на каких-то телах или процессах). Их делят на физические (например авиамодели) и аналоговые, основанные на процессах, аналогичных в каком-то отношении изучаемому (например процессы в электрических цепях оказываются аналогичными многим механическим, химическим и другим процессам и могут быть использованы для их моделирования). Граница между физическими и аналоговыми условна.
2. идеальные –неразрывным образом связаны с человеческим мышлением, воображением, восприятием. Можно выделить интуитивные модели –театр, литература, живопись и т.п. Единого подхода к классификации идеальных моделей нет. Можно так:
вербальные (текстовые) модели – используют последовательности предложений на диалектах естественного языка для описания той или иной области действительности. Например, милицейский протокол.
математические модели – широкий класс моделей, использующих математические методы.
информационные модели – класс моделей, описывающих информационные процессы (возникновение, передачу, преобразование и использование информации) в системах разнообразной природы.
Разделение опять же условно – информационные могут быть подклассом математических. Информатика имеет самое непосредственное отношение к информационным и математическим моделям, поскольку они – основа применения компьютера при решении задач различной природы (ядерная зима).
Что касается компьютерного моделирования – компьютер не «мыслит» - он способен реализовывать программы, составленные человеком. Поэтому, чтобы использовать компьютер в своих целях человеку необходимо:
четко поставить проблему;
разработать модель исходных данных;
определить модель представления результатов;
разработать алгоритм решения задачи;
написать программу;
ввести программу и исходные данные в память;
отладить программу, запустить на выполнение и вывести на принтер или экран результаты.
Приведите классификацию информационных моделей.
Все многообразие моделей делится на три класса:
· материальные (натурные) модели (некие реальные предметы – макеты, муляжи, эталоны) – уменьшенные или увеличенные копии, воспроизводящие внешний вид моделируемого объекта, его структуру или поведение;
· воображаемые модели (геометрическая точка, математический маятник, идеальный газ, бесконечность);
· информационные модели – описания моделируемого объекта на одном из языков кодирования информации (словесное описание, схемы, чертежи, карты, рисунки, научные формулы, программы и пр.).
Полная классификация информационных моделей:
Информационная (абстрактная) модель – описание объекта на каком-либо языке. Абстрактность модели проявляется в том, что ее компонентами являются сигналы и знаки (вернее, заложенный в них смысл), а не физические тела.
Дескриптивная модель – словесное описание объекта, выраженное средствами того или иного языка.
Математическая модель – 1) совокупность записанных на языке математики соотношений (формул, неравенств, уравнений, логических соотношений), определяющих характеристики состояния объекта в зависимости от его элементов, свойств, параметров, внешних воздействий, 2) приближенное описание объекта, выраженное с помощью математической символики.
Статические модели отображают объект в какой-то момент времени без учета происходящих с ним изменений, как находящийся в состоянии покоя или равновесия (отсутствует параметр времени).
Динамические модели описывают поведение объекта во времени.
Детерминированные модели отображают процессы, в которых отсутствуют случайные воздействия.
Вероятностные (стохастические) модели – описание объектов, поведение которых определяется случайными воздействиями (внешними или внутренними); описания вероятностных процессов и событий, характер изменения которых во времени точно предсказать невозможно.
Имитационная компьютерная модель – отдельная программа, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных факторов.
Имитационная алгоритмическая модель - содержательное описание объекта в форме алгоритма, отражающее структуру и процессы функционирования объекта во времени, учитывающее воздействие случайных факторов.
Гносеологическая модель – описание объективных законов природы.
Концептуальная модель описывает выявленные причинно-следственные связи и закономерности, присущие исследуемому объекту и существенные в рамках определенного исследования.
Сенсуальные модели – модели чувств, эмоций, либо модели, оказывающие воздействие на чувства человека (музыка, поэзия, живопись, танец).
Аналоговая модель – аналог объекта, который ведет себя как реальный объект, но не выглядит как таковой.
15. Что такое моделирование? Назовите его этапы.
Моделирование – это:
· построение моделей реально существующих объектов (предметов, явлений, процессов);
· замена реального объекта его подходящей копией;
· исследование объектов познания на их моделях.
Этапы моделирования:
1. Постановка целей моделирования.
2. Анализ моделирования объекта и выделение всех его известных свойств.
3. Анализ выделенных свойств и определение существенных из них.
4. Выбор формы представления модели.
5. Формализация.
6. Анализ полученной модели на противоречивость.
7. Анализ адекватности полученной модели объекту и цели моделирования.
16. В чем заключается суть формализации?
Формализация – это приведение существенных свойств и признаков объекта моделирования к выбранной форме.
Чтобы построить модель, необходимо придать объекту форму. Суть формализации состоит в принципиальной возможности разделения объекта и его обозначения. Для того, чтобы обозначить объект, нужно ввести некоторый набор знаков.
Для того, чтобы обозначить объект, нужно ввести некоторый набор знаков.
Знак – это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов. Следует обратить внимание на то, что понятие знака является одним из базисных понятий науки. Точного определения дать невозможно. Поэтому стоит ограничиться указанием основных черт знака:
1. Способность знака выступать в качестве заместителя денотата (объекта).
2. Нетождественность знака и денотата – знак никогда не может полностью заменить обозначаемое.
3. Многозначность соответствия «знак – денотат».
Язык – знаковая система, используемая в целях познания и коммуникации. Следует рассмотреть характеристики языка и указать, что языки могут быть естественными и искусственными. Правила искусственного языка являются строго и однозначно определенными, поэтому такой язык называется формализованным.
Процесс формализации текстовой информации (представление информации в форме графа, чертежа, схемы и т.д.) осуществляется с целью ее однозначного понимания, облегчения и ускорения ее обработки. Формализовать можно и оформление текста. Этот процесс заключается в использовании бланков, формуляров, шаблонов заранее определенной и часто законодательно утвержденной формы.
Таблицы – форма представления информации в удобном для анализа и обработки виде. Таблицы бывают типа «объект – объект», «объект – свойство», «объекты – свойства – объекты». Таблица характеризуется названием, количеством столбцов и их названиями, количеством строк и их названиями, содержимым ячеек.
Граф – совокупность точек, соединенных между собой линиями. Эти точки называются вершинами графа. Линии, соединяющие вершины, называются дугами, если задано направление от одной вершины к другой, или ребрами, если направленность двусторонняя.
18. Определите понятие «информационный процесс».
Информация не существует сама по себе, она проявляется в информационных процессах. В наиболее общем виде информационный процесс определяется как совокупность последовательных действий (операций), производимых над информацией (в виде данных, сведений, фактов, идей, гипотез, теорий и пр.) для получения какого-либо результата (достижения цели). Информационные процессы могут быть целенаправленными или стихийными, организованными или хаотичными, детерминированными или вероятностными. Следует обратить внимание на то, что информационный процесс всегда протекает в какой-либо информационной системе – биологической, социальной, технической, социотехнической.
В зависимости от того, какого рода информация является предметом информационного процесса и кто является его субъектом (техническое устройство, человек, коллектив, общество в целом), можно говорить о глобальных информационных процессах, или макропроцессах, и локальных информационных процессах, или микропроцессах.
19. Какие виды информационных процессов вам известны?
Наиболее общими информационными процессами являются три процесса: сбор , преобразование , использование информации. Каждый из этих процессов распадается, в свою очередь, на ряд процессов, причем некоторые из последних могут входить в каждый из выделенных обобщенных процессов.
Так, сбор информации состоит из процессов поиска и отбора . В то же время поиск информации осуществляется в результате выполнения процедур целеполагания и использования конкретных методов поиска .
Методы поиска бывают «ручные» или автоматизированные. Они включают в себя такие процедуры, как формирование поискового образа (в явном или неявном виде), просмотр поступающей информации с целью сравнения ее с поисковым образом.
Отбор информации производится на основе ее анализа и оценки ее свойств в соответствии с выбранным критерием оценки. Отобранная информация сохраняется.
Хранение информации – это распространение ее во времени. Хранение информации невозможно без выполнения процессов кодирования, формализации, структурирования, размещения, относящихся к общему процессу преобразования информации.
В свою очередь кодирование, формализацию, структурирование вполне обоснованно можно отнести к процессам обработки информации. Наряду с вышеперечисленными к процессам обработки информации относятся также информационное моделирование, вычисления по формулам (численные расчеты), обобщение, систематизация, классификация, схематизация и т. п.
Обработка информации составляет основу процесса преобразования информации.
Информация может быть передана (распространена в пространстве) для ее последующего использования, обработки или хранения. Процесс передачи информации включает в себя процессы кодирования, восприятия, расшифровки и пр.
Важнейшим процессом использования информации субъектом является процесс подготовки и принятия решений. Наряду с этим часто использование информации сводится к процессам формирования документированной информации с целью подготовки информационного или управляющего воздействия.
В реальной практике широко используются процедуры, входящие в процесс защиты информации. Защита информации – важный компонент процессов хранения, обработки, передачи информации в системах любого типа, особенно в социальных и технических. К ней относятся разработка кода (шифра), кодирование (шифрование), сравнение, анализ, паролирование и т. п.
ФГКОУ СОШ № 8
Класс: 9
Предмет: информатика
Тема мероприятия: «Формализация описания реальных объектов и процессов. Виды информационных моделей. Табличные модели».
Форма мероприятия: урок.
Методическое обеспечение урока: на основе информационно-коммуникативных, личностно-ориентированных, технологии развивающего обучения, создаются условия для формирования познавательных, регулятивных, коммуникативных и личностных УУД с целью формирования у учащихся понятий формализация, информационная модель, научить строить табличную информационную модель с помощью электронных таблиц и осуществлять визуализацию модели. Развивать исследовательскую компетентность учащихся при формализации модели через структурирование учебного материала с помощью электронных таблиц.
Для слабых учащихся: Пробудить интерес к процессу моделирования путем использования посильных задач, учебных программных средств, позволяющих ученику работать в соответствии с его индивидуальными способностями.
Для средних учащихся: Развить устойчивый интерес к предмету, через построение табличных моделей.
Для сильных учащихся: Развить устойчивый интерес к процессу моделирования, через решение различных задач в Excel.
Способствовать обогащению внутреннего мира учащихся, повышению интереса к изучению предмета, воспитание культуры поведения и компьютерной грамотности.
Тип урока: Урок формирования первоначальных предметных навыков, овладения предметными умениями.
Средства обучения: мультимедийный проектор, презентация в Power Point.
Приемы для формирования общеучебных умений и навыков: фронтальная беседа, самостоятельная индивидуальная работа, самоконтроль, групповая рефлексия.
Ход урока
Этапы урока. Цели
Деятельность учителя
Деятельность ученика
Планируемые результаты
I. Орг. момент.
Цель: Формирование навыка научной организации труда
1. Учитель проверяет готовность класса к уроку.
2. Совместно с учениками формулирует цель урока.
3. Настраивает класс на продуктивную деятельность
1.Готовятся к работе: организуют рабочее место.
2. Совместно с учителем формулируют цель урока, исходя из формулировки поставленной темы.
Регулятивные УУД (универсальные учебные действия) на основе умения организовать рабочее место
Коммуникативные УУД на основе инициативного сотрудничества в поиске информации, умения выражать свои мысли
II. Актуализация прежних знаний:
Цель:
Мотивация учащихся на предстоящую деятельность.
Фронтальное обсуждение материала, изученного на прошлом уроке.
На прошлом уроке мы познакомились с понятием модель, моделирование, формализация.
Итак, что такое модель? (Слайд 1 )
Поставьте в соответствие оригинал и модель.
Какая связь существует между количеством моделей и количеством оригиналов?
Зачем нужно изучать и рассматривать много моделей? От чего зависит выбор модели?
Отвечают на вопросы, воспроизводя изученный материал прошлого урока, устанавливают причинно-следственные связи между объектами.
Модель – это объект, который обладает некоторыми свойствами другого объекта (оригинала) и используется вместо него.
(Слайд 2 )
(Слайд 3 )
Познавательные УУД на основе умения извлекать необходимую информацию из прослушанной и увиденной информации, умения определять основное и второстепенное, устанавливать причинно-следственные связи
Цель: 1) первичная проверка усвоения пройденного материала, необходимого и достаточного для усвоения нового
Организует индивидуальную самостоятельную работу в тестовой форме. Вопросы демонстрируются на интерактивной доске.
Слайд 4-8
Учащиеся отвечают на вопросы теста. Проверяют правильность выполнения работы
Познавательные УУД на основе поиска и отбора необходимой информации и способов решения задач. Самооценка и самоанализ собственных учебных достижений.
Коммуникативные УУД на основе контроля друг друга.
III. Первичное восприятие и усвоение теоретического материала
2) Предоставить учащимся информацию по теме «Табличные модели»
Представляет новый материал в виде опорных схем, иллюстративного материала.
Слайд 9-11
Познавательные УУД на основе умения извлекать необходимую информацию из прослушанного материала. Коммуникативные УУД на основе инициативного сотрудничества совершенствуют владение диалогической формой речи
IV. Применение теоретических положений
Цель: первичное применение технологии решения задач на составление табличных моделей
Организует закрепление учебного материала, демонстрирует презентацию с технологией решения задач на структурирование текста, представление информации в табличной форме. Ставит проблему о результатах решения задачи.
Инструктирует о правилах ТБ при работе за компьютером
Организует деятельность учащихся по выполнению самостоятельной работы за компьютером с составлением таблицы в среде табличного процессора Excel .
Проводит гимнастику для глаз
Воспринимают полученную информацию, работают по образцу, предложенному учителем, задают вопросы, уясняют основные этапы технологии решения задач за компьютером при создании и реализации математической модели
Слайд 12-14
Правильное воспроизведение образцов выполнения заданий, безошибочное применение алгоритмов и правил при решении учебных задач
Регулятивные УУД через усвоение стандартных технологий решения, познавательные УУД на основе понимания сущности решения задач за компьютером в среде табличного процессора Excel , коммуникативные – общение с учителем на основе умения задавать «умные вопросы»
V . Закрепление знаний и способов деятельности
Цель: самооценка и самоанализ результатов деятельности
Проводит проверку результатов с/р, выявляет уровень знаний учащихся по теме. Организует коррекцию на основе индивидуальной работы с учащимися по технологическим карточкам
Осуществляют анализ и самоанализ результатов с/р, соотносят результат своих достижений с образцом, выполняют задания по индивидуальным карточкам
Познавательные УУД – формирование прочных знаний и умений структурировать текст, составлять табличную модель, диаграмму. Личностные УУД на основе самооценки и самоанализа собственный учебных достижений
VI .Подведение итогов, домашнее задание
Цель: подведение итогов и самооценка полученного результата
Консультирует учащихся по решению домашнего задания (Слайд 15 )
Проводит промежуточную рефлексию.
Записывают домашнее задание, комментируют, фиксируют рекомендации.
Формулируют свое отношение к уроку, используя предложенные высказывания.
Регулятивные УУД – на основе самоанализа выявить пробелы в знаниях и планирование деятельности по устранению этих пробелов
Литература: http://kpolyakov.narod.ru/
Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью. География- различные типы географических карт (политические, физические, и т.д.) представляют один объект- землю, но отражают различные модели. Физика- все материальные тела (человек, машина и т.д.) рассматриваются как материальная точка Модель материальной точки Модель Земли Объект- Земля
Постановка задачи начинается с ее описания. Цель описания задачи - подробно описать исходный объект, условия, в которых он находится, и желаемый результат (отправной и конечный пункты моделирования). Процесс построения информационной модели с помощью формальных языков называется формализацией Что моделируется? Процесс движения объекта «автомобиль» Вид движенияРавноускоренное Что известно о движении? Начальная скорость (V0), ускорение (а), максимально развиваемая скорость (Vmax) Что надо найти? Скорость (Vi) в заданные моменты времени (ti). Как задаются моменты времени? От нуля через равные интервалы (t)? Что ограничивает расчеты? Vi
