Опишите примеры использования моделей для представления материальных. Моделирование и формализация. О классификации моделей

Какие примеры информационных моделей можно привести для образовательных учреждений? Как педагоги могут использовать их в своей работе? Попробуем вместе найти ответы на поставленные вопросы.

Что такое модель

Что такое знаковые информационные модели? Примеры их используют в своей работе все учителя, которые владеют современными информационными технологиями. В общем виде модель - это разные способы представления анализируемой реальности.

Разновидности

Можно привести примеры информационных моделей материального и идеального вида.

Натурные варианты базируются на объективном примере, они существуют независимо от человека, его сознания. В настоящее время их подразделяют на физические и аналоговые варианты, которые основываются на явлениях, связанных с изучаемым предметом.

Идеальные модели связаны с мышлением человека, его восприятием, воображением. Среди них можно отметить интуитивные, которые не подходят ни под один вариант классификации.

Приводя примеры образной информационной модели, можно упомянуть одну из таких моделей. Рассмотрим подробнее их классификацию.

Текстовые идеальные модели

Вербальные модели применяют преподаватели гуманитарного цикла. Они помогают описывать последовательными предложениями определенную область, явление, объект, событие. Как будет выглядеть такая информационная модель урока? Пример возьмем из курса литературы. При изучении романа Л. Н. Толстого «Война и мир», учитель описывает образ Наташи Ростовой. Для этого он пользуется именно текстовой моделью. Ребята, слушая педагога, создают на основе его восприятия образа этой героини, свой образ героини Толстого.

Если учитель истории просит своих воспитанников: «Приведите примеры образной информационной модели событий, произошедших во время Куликовской битвы, основываясь на просмотренных фрагментах», ребята создают свой образ того сражения. Они передают его в виде связанных в рассказ предложений.

Можно привести примеры информационных моделей вербального вида и из курса физики. При изучении темы «Давление твердых тел» в седьмом классе, учитель рассказывает детям, как сложно передвигаться по рыхлому снегу без лыж. Затем школьникам предлагается объяснить причину подобного явления, выявить параметры, от которых зависит изучаемая физическая величина. Образ, который возникает в сознание ребят после рассказа педагога, помогает им ответить на поставленный вопрос.

В качестве примеров подобной модели можно отметить учебник, правила дорожного движения.

Математические модели

Они считаются широким классом знаковых моделей. Основываются математические модели на использовании соотношений, сравнений, иных методах, применяемых в данной науке. Приводя примеры информационных моделей, основанных на математических методах, можно упомянуть решение квадратных уравнений, составление пропорций. Все разделы геометрии, предполагающие вывод и доказательство теорем, также связаны с построением математической модели. Не обходится без них и такой школьный предмет как экономика.

Информационные модели

Они считаются классом знаковых моделей, которые описывают любые информационные процессы: появление, передачу, изменение, применение информации в разных системах. Примеры табличных информационных моделей в школе можно найти в курсе географии 10 класса. При изучении экономической географии табличная модель помогает наглядно видеть основные характеристики страны, использовать материал для составления полного рассказа.

Кроме того примеры табличных информационных моделей можно найти в любом школьном курсе. В химии это таблица растворимости соединений, а также периодическая система Менделеева. В физике без таблиц учителю сложно объяснить основные термины, изучаемые в теме «Электричество». В истории с их помощью осуществляется систематизация знаний, ребята вписывают в один столбик важные исторические даты, а в другом - описывают события, которые им соответствуют.

Взаимосвязь моделей

Между информационными, математическими, вербальными моделями существует условная грань. Все 3 примера информационных моделей встречаются в школьных дисциплинах. Так, для математики, физики, информатики, самыми востребованными считают математические и информационные варианты. Но без вербальной модели ребята не смогут объяснить явления, алгоритмы, уравнения и неравенства.

Особенности моделирования

Прежде чем рассматривать примеры графических информационных моделей, выясним особенности моделирования. Модель представляет собой объект, созданный искусственно. Это необходимо для упрощения представления о настоящем объекте либо явлении. Модель в полной мере отражает все особенности самого исходного процесса. Если дано задание: «Приведите пример информационной модели», необходимо понимать суть процесса.

Речь идет о построении модели, которая предназначена для изучения информационных явлений, процессов. В информатике в качестве такого предмета можно рассматривать программирование. Используя определенный математический язык программирования, можно представить текстовый материал в графическом виде.

Моделирование предполагает построение той модели, которая предназначена для исследования и изучения исходного объекта, явления, процесса. Созданная копия лишь наделена теми качествами и свойствами, которые характерны для исходного предмета, но допускает некоторые отклонения от идеала.

Деятельностный подход

Полноценные модели можно получать при использовании системного подхода. Это особенно актуально в рамках образовательных учреждений. Преобразования, которые коснулись школ в последние годы, позволили установить логическую связь между отдельными дисциплинами.

Такой деятельностный вариант обучения способствует формированию гармонически развитой личности, понимающей единство живого мира, взаимосвязь отдельных процессов и явлений.

Если учителя просят: «Приведите пример информационной модели», он смело может выбирать любой учебный предмет. Нет такой дисциплины, в которой бы не применялись таблицы, графики, диаграммы, презентации.

Особенности современной школы

Новые стандарты, которые были введены в российские школы, предполагают рассмотрение одного явления с разных точек зрения. Например, из курса физики ребята узнают о том, что электроны необходимы для протекания в металлах электрического тока. Они получают информацию о заряде этой отрицательной частицы, определении их количества у разных металлов. На уроках химии школьникам рассказывают о вероятности размещения электронов на энергетических уровнях.

При изучении темы «Окислительно-восстановительные реакции» у школьников появляется информация о том, что происходит с этими отрицательными частицами при химическом взаимодействии. Несмотря на то что информация предоставляется с разных позиций, речь идет об одном объекте - электронах. Подобный системный подход позволяет формировать в сознании школьников полное представление о строении вещества, его превращениях.

В приведенном примере изучаемый объект рассматривается как полная система, составная часть единого целого (вещества). В зависимости от учебной дисциплины используют определенные характеристики, дополнения. В случае системного подхода на первое место выходят не причинные пояснения существования объекта, а необходимость включения с него иных составных частей.

Особое значение формирование универсальных моделей приобретает при экспериментальной деятельности. Используя персональный компьютер, можно провести вычисления параметров, которые будут связаны с анализируемым объектом.

Такое моделирование важно для научного познания природных явлений. В школьном курсе информатики такие действия именуют вычислительным экспериментом, который базируется на трех важных понятиях: модели, алгоритме, программе.

Использование в рамках школы персонального компьютера возможно по трем основным вариантам:

• проведение с помощью ПК прямых расчетов;
• создание базы данных, превращение ее в программу либо определенный алгоритм;
• поддержание между компьютером и школьником интерфейса.

Признаки моделей

Среди самых распространенных признаков, по которым можно провести классификацию всех моделей, выделим: цель применения, сферу знаний, временной фактор, вариант представления.

В зависимости от того, какая цель поставлена перед моделью, выделяют опытные, учебные, игровые, имитационные, научно-технические варианты моделей. Так, например, на начальной ступени школьного образования, наиболее применимыми и значимыми игровые технологии, позволяющие ребятам ощутить себя в роли учителя, врача, полицейского. Игровые модели у детей семи-восьми лет хорошо сформированы, поскольку в дошкольных образовательных учреждениях они применяются в качестве обязательного элемента при формировании личностных качеств ребенка.

Разновидности моделей

В зависимости от области знаний, для которых составляется модель, в настоящее время выделяют экономические, биологические, социологические, химические виды. К примеру, для естественнонаучного цикла важно сформировать такую модель, которая бы позволяла объяснять явления, происходящие в живой и неживой природе. В социологии акцент делают на процессы, происходящие в социуме.

По временному фактору выделяют статические и динамические варианты моделей. Статический вариант характеризует параметры и строение объекта, позволяет описывать выбранное явление (объект) в конкретный промежуток времени, помогает получать о нем достоверную и своевременную информацию.

У любой модели существует конкретная форма, вид, вариант представления, описание. В школе предполагается рассмотрение в большей степени материальных и нематериальных моделей, в зависимости от специфики учебной дисциплины.

Материальные модели предполагают реальное воплощение, они в полной мере повторяют внутреннее либо внешнее строение самого объекта. Например, в географии в качестве такой уменьшенной модели выступает макет земного шара (глобус), на котором нанесены все моря и океаны, материки и острова. Данные модели непосредственным образом связаны с исследовательским подходом к обучению современных школьников. Они необходимы при преподавании химии, физики, биологии, астрономии, географии.

Нематериальное моделирование предполагает использование теоретического способа познания.

Заключение

Любая информационная модель представляет собой совокупность информации об явлении, объекте, процессе. С ее помощью можно охарактеризовать любой процесс, происходящий в живой и неживой природе. Разнообразные графики, карты, таблицы, диаграммы, которые активно применяются педагогами на всех ступенях обучения, дают свой положительный результат.

Интуитивное (мысленное) моделирование способствует созданию первого впечатления о процессе, происходящем в химии или биологии. Благодаря совокупности всех вариантов информационных моделей, у подрастающего поколения нашей страны формируется адекватная оценка единства живого и неживого мира. Выпускники школ могут самостоятельно выстраивать любые модели, использовать их для изучения, анализа, оценки событий и явлений.

Человек стремится познать объекты окружающего мира, он взаимодействует с существующими объектами и создает новые объекты.

Одним из методов познания объектов окружающего мира является моделирование , состоящее в создании и исследовании «заместителей» реальных объектов. «Объ­ект-заместитель» принято называть моделью, а исходный объект - прототипом или оригиналом.

Например, в разговоре мы замещаем реальные объекты их именами, оформите­ли витрин используют манекен - модель человеческой фигуры, конструкторы стро­ят модели самолетов и автомобилей, а ар­хитекторы - макеты зданий, мостов и парков. Моделью является любое нагляд­ное пособие, используемое на уроках в школе: глобус, муляж, карта, схема, таб­лица и т. п.

Модель важна не сама по себе, а как инструмент, облегчающий познание или наглядное представление объекта.

К созданию моделей прибегают, когда исследуемый объект слишком велик (мо­дель Солнечной системы) или слишком мал (модель атома), когда процесс протекает очень быстро (модель двигателя внутреннего сгорания) или очень медленно (геологическая модель), когда исследование объек­та может оказаться опасным для окружающих (модель атомного взрыва), привести к разрушению его самого (мо­дель самолета) или создание реального объекта очень до­рого (архитектурный макет города) и т. д.

Что общего у всех моделей? Какими свойствами они обладают?

Во-первых, модель не является точной копией объек­та-оригинала: она отражает только часть его свойств, от­ношений и особенностей поведения. Например, на мане­кен можно надеть костюм, но с ним нельзя поговорить. Модель автомобиля может быть без мотора, а макет дома - без электропроводки и водопровода.

Во-вторых, поскольку любая модель всегда отражает только часть признаков оригинала, то можно создавать и использовать разные модели одного и того же объекта. Например: мяч может воспроизвести только одно свойст­во Земли - ее форму; обычный глобус отражает, кроме того, расположение материков; а глобус, входящий в со­став действующей модели Солнечной системы, - еще и траекторию движения Земли вокруг Солнца.

Чем больше признаков объекта отражает модель, тем она полнее. Однако отразить в модели все свойства объек­та-оригинала невозможно, а чаще всего и не нужно. Ведь при создании модели человек, как правило, преследует вполне определенную цель и стремится наиболее полно от­разить только те признаки объектов, которые кажутся ему важными, существенными для реализации этой цели. Если, например, модель самолета создается для кол­лекции, то в ней воспроизводится внешний вид самолета, а не его летные характеристики.

От цели моделирования зависят требования к модели: какие именно признаки объекта-оригинала она должна отражать.

Отразить в модели признаки оригинала можно одним из двух способов.

Во-первых, признаки можно скопировать, воспроизве­сти. Такую модель называют натурной (материальной). Примерами натурных моделей являются муляжи и маке­ты - уменьшенные или увеличенные копии, воспроизво­дящие внешний вид объекта моделирования (глобус), его структуру (модель Солнечной системы) или поведение (ра­диоуправляемая модель автомобиля).

Во-вторых, признаки оригинала можно описать на од­ном из языков кодирования информации - дать словес­ное описание, привести формулу, схему или чертеж. Та­кую модель называют информационной.

Модели используются человеком для:

· представления материальных предметов (макет за­стройки жилого района в мастерской архитектора);

· объяснения известных фактов (макет скелета челове­ка в кабинете биологии);

· проверки гипотез и получения новых знаний об иссле­дуемых объектах (модель полета самолета новой кон­струкции в аэродинамической трубе);

· прогнозирования (сделанные из космоса фотоснимки движения воздушных масс);

· управления (расписание движения поездов) и т. д.

і Коротко о главном

Модель - это объект, который используется в качест­ве «заместителя», представителя другого объекта (ори­гинала) с определенной целью. Модель не является точ­ной копией объекта-оригинала: она отражает только часть его свойств, отношений и особенностей поведения. Можно создавать и использовать разные модели одного и того же объекта. Процесс создания и использования модели назы­вают моделированием.

Различают натурные и информационные модели. На­турные модели - реальные предметы, в уменьшенном или увеличенном виде воспроизводящие внешний вид, структуру или поведение объекта моделирования. Инфор­мационные модели - описания объекта-оригинала на языках кодирования информации. Модели используются человеком для: представления материальных предметов, объяснения известных фактов, получения новых знаний об исследуемых объектах, прогнозирования и управления и т. д.

Вопросы и задания

1. Что такое модель?

2. Назовите основные свойства моделей.

3. Что такое моделирование?

4. Как можно назвать отношения между объектом-ори­гиналом и его моделью?

5. Какие модели называют натурными? Приведите 2-3 примера натурных моделей.

6. Какие модели называют информационными? Приве­дите 2-3 примера информационных моделей.

7. Для каждой из перечисленных моделей назовите дей­ствия, которые человек может выполнить и с ней, и с объектом-оригиналом:

· радиоуправляемая модель самолета;

· словесное описание куртки;

· план квартиры;

· чайник из пластилина в натуральную величину;

· мысленное представление о будущей поездке.

Какие действия могут быть выполнены только с ори­гиналом?

8. В какой ситуации искусственные цветы и муляжи фруктов могут использоваться в качестве моделей-«заместителей» настоящих цветов и фруктов? Какие свойства и отношения объектов отражают эти модели, а какие - нет?

9. Приведите примеры использования моделей для:

а) представления материальных предметов;

б) объяснения известных фактов;

в) проверки гипотез и получения новых знаний об исследуемых объектах;

г) прогнозирования;

д) управления.

§ 2.2. Информационные модели

Объект-оригинал можно заменить набором его свойств: названий (величин) и значений. Набор свойств, содержащий всю необходимую информацию об исследуе­мых объектах и процессах, называют информационной моделью.

В табл. 2.1 приведен пример информационной модели дачного дома - карточка из каталога, по которому заказ­чик строительной компании может выбрать подходящий проект. Каждая карточка в каталоге содержит названия (величины) свойств дома (слева) и значения этих свойств (справа).

Таблица 2.1

Все названия свойств в информационных моделях - это всегда знаковые элементы, потому что название может быть выражено только знаками. А вот значения величин могут нести как знаковую, так и образную информацию. Например, в табл. 2.1 значение величины «внешний вид» выражено образным элементом (рисунком), а значения остальных величин выражены с помощью знаков (чисел, слов, запятых).

Образным элементом информационной модели может быть не только рисунок или фотография, но и объемный макет или видеозапись. Однако при этом обязательно дол­жна иметься возможность связать этот элемент с характе­ристикой конкретного объекта. Например, в строке «Внешний вид» в каталоге домов может быть указан шифр макета. А чтобы сами макеты были элементами ин­формационной модели, а не украшением, их нужно снаб­дить ярлыками с шифрами.

Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме. По способу представления различают следующие виды информацион­ных моделей - рис. 2.1.

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 путем подачи на модель информации об изменениях входных величин моделировать возможные состояния объекта.

Информационные модели нельзя потрогать или увидеть, она не имеют материального воплощения, потому что строятся только на информации. Информационная модель – совокупность информации, характеризующая существенные свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.

Информационная модель – формальная модель ограниченного набора фактов, понятий или инструкций, предназначенная для удовлетворения конкретному требованию.

Для построения информационной модели необходимо пройти ряд стадий, представленных на схеме 3. Процесс, проводимый от «объекта познания» жл «формальной конструкции», носит название «формализация», а обратный процесс – «интерпретация» - чаще всего используется в познании мира и обучении.

В основе информационного моделирования лежат три постулата:

все состоит из элементов;

элементы имеют свойства;

элементы связаны между собой отношениями.

Объект, к которому применимы эти постулаты, может быть представлен информационной моделью.

Стадии построения информационной модели.

Ф Объект познания И

О Познающие субъекты Н

Р Личностное представление Т

М Сформировавшаяся мысль Е

А «Живое» слово Р

Л Записанное слово П

И Научный текст Р

З Формальные конструкции Е

Классификации информационных моделей:

-по способу описания:

С помощью формальных языков (язык математики, таблицы, языки программирования, расширение естественного языка человека и т.д.);

Графические (блок-схемы, диаграммы, графики и т.д.).

-по цели создания:

Классификационное (древовидные, генеалогическое дерево, дерево каталогов в компьютере);

Динамические (как правило, строятся на основе решения дифференциальных уравнений и служат для решения задач управления и прогнозирования).

- по природе моделируемого объекта:

Детерминированные (определенные), для которых известны законы, по которым изменяется или развивается объект;

Вероятностные (обработка статистической неопределенности и некоторых видов нечеткой информации).

Историческое происхождение и методологическое значение понятий модели и аналогии.

Слово «модель» произошло от латинского слова «modulus», означает «мера», «образец». Его первоначальное значение было связано со строительным искусством, и почти во всех европейских языках оно употреблялось для обозначения образа или прообраза, или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью.

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. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки принес методу моделирования ХХ век. Однако методология моделирования долгое время развивалась отдельными науками независимо друг от друга. Отсутствовала единая система понятий, единая терминология. Лишь постепенно стала осознаваться роль моделирования как универсального метода научного познания.

Термин «модель» широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений. В этом разделе мы будем рассматривать только такие модели, которые являются инструментами получения знаний.

Таким образом,модель – упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении. 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.Моделирование – построение моделей для исследования и изучения объектов, процессов, явлений.

Модели объектов должны отражать нечто реально существующее. Поэтому часто под моделями объектов понимают абстрактное обобщение реально существующих объектов. Например, моделями объектов могут быть копии архитектурных сооружений, Солнечной системы, структура парламентской власти в стране и т.д. Модель может описывать явления живой и неживой природы, причем не одно, а целый класс явлений с общими свойствами. В моделях объектов или явлений отражаются свойства оригинала – его характеристики, параметры.

Можно также создавать модели процессов, т.е. моделировать действия над материальными объектами: ход, последовательную смену состояний, стадий развития одного объекта или их системы. Примеры тому общеизвестны: это модели экономических или экологических процессов, развития Вселенной или общества и т. п.

Методологическая основа моделирования .

В основе теории моделирования лежит системный подход. Системный подход заключается в том, что исследователь пытается изучать поведение системы в целом, а не концентрировать свое внимание на отдельных ее частях. Такой подход основывается на признании того, что если даже каждый элемент или подсистема имеет оптимальные конструктивные или функциональные характеристики, то результирующее поведение системы в целом может оказаться лишь субоптимальным вследствие взаимодействия между ее отдельными частями.

Возрастающая сложность организационных систем и потребность преодолеть эту сложность привели к тому, что системный подход становится все более и более необходимым методом исследования.

Определенная совокупность элементов рассматриваемой системы может представляться как ее подсистема. Считается, что к подсистемам относят некоторые самостоятельно функционирующие части системы. Поэтому для упрощения процедуры исследования первоначально необходимо грамотно выделить подсистемы сложной системы, то есть – определить ее структуру. Структура системы – это устойчивая во времени совокупность взаимосвязей между ее компонентами (подсистемами). И при системном подходе важным этапом является определение структуры изучаемой, описываемой системы.

Система – целое, составленное из частей. Система – множество элементов находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенное целостность и единство.

Компьютерная модель.

Компьютерная модель – модель, реализованная средствами программной среды.

Имея дело с компьютером как с инструментом, нужно помнить, что он работает с информацией. Поэтому следует исходить из того, какую информацию и в каком виде может воспринимать и обрабатывать компьютер. Современный компьютер способен работать со звуком, видеоизображением, анимацией, текстом, схемами, таблицами и т.д. Но для использования всего многообразия информации необходимо как техническое (Hardware), так и программное (Software) обеспечение. И то и другое – инструменты компьютерного моделирования. Сейчас имеется широкий круг программ, позволяющих создавать различные виды компьютерных знаковых моделей: текстовые процессоры, редакторы формул, электронные таблицы, системы управления в базах данных, профессиональные системы проектирования, а также различные среды программирования.

Современные ЭВМ представляют широкие возможности для моделирования различных явлений и процессов. В учебном процессе ЭВМ не должна просто заменять классную доску, плакат, кино- и диапроектор, натуральный эксперимент. Такая замена целесообразна только тогда, когда использование ЭВМ даст весомый дополнительный эффект по сравнению с использованием других средств обучения.

компьютерное моделирование (КМ) является перспективным методом активизации учебного процесса. Оно приобретает все большее и большее значение в современном научном познании, и, кроме того, в настоящее время становится популярным дидактическим средством. Рассмотрим это направление подробнее.

Предметом КМ является изучение процессов и явлений с помощью компьютера, который при этом выступает в роли экспериментальной установки. При использовании КМ для решения задач выделяются этапы постановки задачи, разработки модели, компьютерного (вычислительного) эксперимента, анализа результатов моделирования. Если результаты моделирования не соответствуют цели, то возникает необходимость возвращения на предыдущие этапы.

Математические модели.

Математическое моделирование позволяет при помощи математических символов и зависимостей составить описание происходящего процесса.

Математическая модель - это совокупность математических объектов и соотношений между ними, адекватно отображающая свойства и поведение исследуемого объекта. Модель считается адекватной, если отражает исследуемые свойства с приемлемой точностью. Точность оценивается степенью совпадения предсказанных в процессе вычислительного эксперимента на модели значений выходных параметров с истинными их значениями.

Математическая модель охватывает класс неопределяемых (абстрактных, символических) математических объектов таких, как числа или векторы, и отношения между этими объектами.

Математическое отношение – это гипотетическое правило, связывающее два или более символических объекта. Многие отношения могут быть описаны при помощи математических операций, связывающих один или несколько объектов с другим объектом или множеством объектов (результатом операции).

Математическая модель будет воспроизводить подходящим образом выбранные стороны физической ситуации, если можно установить правило соответствия, связывающее специфические физические объекты и отношения с определенными математическими объектами и отношениями. Поучительным и/или интересным может также быть и построение математических моделей, для которых в физическом мире аналогов не существует. Наиболее общеизвестными математическими моделями являются системы целых и действительных чисел и евклидова геометрия; определяющие свойства этих моделей представляют собой более или менее непосредственные абстракции физических процессов (счет, упорядочение, сравнение, измерение).

Объекты и операции более общих математических моделей часто ассоциируются с множествами действительных чисел, которые могут быть соотнесены с результатами физических измерений.

В качестве математических объектов выступают числа, переменные, множества, векторы, матрицы и т.п.

Классификация математических моделей на основе особенностей применяемого математического аппарата .

Когда человек слышит слова «модель» и «моделирование», перед его мысленным взором обычно пробегают картинки из его детства: уменьшенные копии автомобилей и самолетов, глобус, манекен, макеты зданий... Эти и многие другие вещи часто отражают какие-то общие свойства или функции настоящих предметов или объектов, только в более упрощенном виде. Используя такие модели, можно проще объяснить особенности оригинала. Информационная модель, примеры которой наглядно и понятно объясняют многие сложные для понимания процессы, также подчиняется основным требованиям моделирования.

Цели

Вышесказанное может привести нас к такому выводу: модели, являясь подобием реальных предметов или процессов, не должны отображать все свойства оригиналов, а только те характеристики, которые в определенной ситуации более востребованы для их применения. Нет необходимости отображать все многообразие свойств объекта - это может привести к усложнению модели и неудобству ее использования. Поэтому очень важно понимать, с какой целью была создана модель, какие ее параметры должны быть отражены в данном конкретном случае. При моделировании необходимо строго придерживаться такой логической цепочки: «объект - цель - модель».

Информационная модель. Примеры. Системный анализ

При формировании цели моделирования встает вопрос правильности и полноты создания списка качеств и характеристик будущей модели. Описание объекта моделирования часто называют термином "информационная модель". Примеры ее использования можно видеть в различных формах: графических, словесных, табличных, математических и многих других. Чем точнее информационная модель, тем более качественно и полно она отображает совокупность свойств оригинального объекта. Поэтому необходимо выделить только самые необходимые параметры для моделирования и установить связи между ними. Этот процесс называется системным анализом.

Форма представления

Одной из характеристик информационной модели является форма ее представления, которая тесно связана с целью создания образа. Если одним из требований к проекту является его наглядность, то используется графическая информационная модель. Примеры таковой найти не сложно: электрические схемы, карты местности, различные графики и чертежи. Причем одни и те же данные, например, график изменения температуры в течение месяца, можно представить в различных формах, например, в табличной или текстовой.

Использование моделирования

Когда информационная модель сформирована, ее параметры можно использовать для изучения реального объекта, прогнозирования его поведения в различных условиях, проведения расчетов. Часто задействуют смешанные информационные модели. Примеры использования такой формы моделирования часто можно встретить в строительстве, когда формируются и отражаются отдельные характеристики сложного объекта, например, здания, в виде чертежей, математических расчетов прочности и допустимых нагрузок.

Еще одним ярким примером смешанной информационной модели служит географическая карта с ее топографическими символами, надписями, таблицами. Такая модель может также представляться в виде графиков, диаграмм, таблиц, схем. Последние условно разделяются на карты, блок-схемы и графы.

Классификация

Для удобства работы с информационными моделями их условно делят на несколько больших блоков: по области использования, по фактору времени, по отрасли знаний и по форме представления. Также их еще можно разделить по типу построения (табличные, иерархические и сетевые), по форме представления данных (знаковые и образно-знаковые) и по объекту (описание свойств объекта или процесса).

Типичные примеры образной информационной модели

Формы моделей этого типа отличаются графическим изображением объекта, зафиксированным на каком-либо носителе информации (пленке, бумаге, доске).

К такому типу моделей можно причислить различные фотографии, рисунки, графики. Примеры образной информационной модели часто встречаются в учебных заведениях, где на плакатах предоставляется много информации в графическом виде. Еще один вариант ее использования - иллюстрации в любом школьном учебнике, такие как схема построения войск на битве под Сталинградом. Примеры образной информационной модели можно увидеть и в научных организациях, где производится разделение объектов по их внешнему признаку.

Классификация моделей по времени

Модели могут быть статическими и динамическими. Характеристики объекта в определенный срез времени описывают статические информационные модели. Примеры их использования можно встретить при постройке дома, когда рассматриваются его прочность и устойчивость к статической нагрузке. Или в стоматологии, где описывается состояние полости рта пациента во время текущего приема: количество пломб, наличие дефектов и т. д.

Если рассматривать динамику изменения состояния пациента за несколько приемов или в течение нескольких лет, то при описании тех же характеристик будет использоваться динамическая модель.

Примеры динамических информационных моделей встречаются при работе с факторами или характеристиками, которые изменяются во времени. Среди них изменения температур, сейсмические колебания и пр.

Вербальные модели

К информационным относят и вербальные модели, которые представляются в разговорной или мысленной форме. Они еще имеют название "словесные информационные модели". Примеры такого моделирования можно наблюдать при управлении автомобилем: ситуация на дороге, показания светофоров, скорость соседних автомобилей и т. д. анализируются человеком. При этом вырабатывается определенная модель поведения. Если текущая ситуация смоделирована правильно, то данный отрезок пути будет безопасным. Если нет, велика вероятность аварии.

Также к вербальным моделям относят рифму, промелькнувшую в мозгу поэта, или пока еще не нанесенный на холст образ пейзажа перед мысленным взором художника.

К вербальному типу относят и описательную информационную модель, которая представляет собой письменное или устное описание объекта средствами языка. Пример описательной информационной модели: проза в художественных книгах, описания в художественной литературе, текстовое описание событий и объектов.

Знаковые модели

Если характеристики объекта предстают в виде специальных знаков, отображены средствами формального языка, то они являют собой знаковые информационные модели. Примеры оных окружают нас со всех сторон: графики, схемы, тексты и т. д.
Знаковые и вербальные модели тесно взаимосвязаны между собой: мысленный образ можно облечь в знаковую форму, а знаковая модель формирует определенный мысленный образ. Например, прочитав описание какого-либо явления, человек создает себе его модель, и и, встретив это явление в жизни, может его узнать по сформированной модели.

Знаковые информационные модели можно разделить на геометрические, словесные, математические, структурные, логические, специальные.

Математические модели

Как вариант знаковой можно рассмотреть математическую информационную модель. Ее особенность в том, что характеристики, параметры или процессы представлены математическими формулами. Также этот вид описывает соотношения между количественными характеристиками объектов. Например, зная массу тела, мы можем вычислить скорость его свободного падения в определенный момент времени. При этом информационные объекты обычно представлены в форме математических.

Математические модели можно разделить на множество типов: статические, динамические, дискретные, непрерывные, имитационные, вероятностные, логические, множественные, алгоритмические, игровые и т. д.

Табличные модели

Модель, объекты или свойства которой представляются в виде списка, а их значения располагаются в ячейках прямоугольной таблицы, называют табличной. Это один из самых часто встречающихся типов передачи информации. При помощи таблиц есть возможность сформировать статические и динамические информационные модели в различных прикладных областях. В жизни мы используем это, например, когда создаем расписание транспорта, программу телепередач, дневник погоды и т. д.

Виды табличных информационных моделей

Таблицы бывают трех видов: двоичные, «объект-свойство», «объект-объект». Для того чтобы привести примеры табличных информационных моделей, нужно разобрать их структуру.

В таблицах типа «объект-объект» в первой строке и в первом столбце перечисляются объекты. В остальных ячейках отражается взаимоотношение между ними. Таблица, в столбцах и строках которой находятся названия городов, а информационное наполнение показывает наличие качественного характера связи между ними (наличие прямой дороги), может служить образцом типа «объект-объект».

В таблицах типа «объект-свойство» в каждой строке размещаются параметры одного объекта или события, а в столбцах содержится информация об их характеристиках или свойствах. Примером структуры такого типа может быть информация об изменении состояния погоды в разные дни.

Иерархические и сетевые информационные модели

Табличные модели удобны для небольших систем объектов. При создании сложной системы модель может стать слишком большой и неудобной для использования именно из-за того, что она представлена в виде прямоугольной таблицы. Например, если создать в табличном виде схему линий метрополитена с объектами-станциями и указанием, есть ли между ними переход или пересечение, то такая таблица будет иметь огромную избыточность - более десяти тысяч значений, и пользоваться ей окажется очень сложно.

Иерархические системы обычно представлены в графическом виде, в форме графов - связей между объектами, распределенными по уровням. Все элементы верхних уровней состоят из элементов нижних, а элементы нижнего уровня принадлежат только одному элементу более высокого уровня. Частный пример модели такого типа - генеалогическое древо.

Сетевые модели более компактны, так как отражают наиболее важные связи между объектами. Чаще всего они представлены в наглядном графическом виде. Примером такой сетевой модели является схема линий метрополитена.

Использование информационных моделей в процессе моделирования на компьютере

Производить моделирование удобно с использованием вычислительной техники. Сам процесс можно условно разбить на несколько этапов.

Вначале производится построение информационной модели: определение проводимого исследования, выделение важных параметров объекта, соответствующих этой цели, удаление несущественных параметров.

На втором этапе происходит создание формализованной модели: производится выражение описательной информационной модели средствами формального языка, фиксируются отношения между величинами и ставятся необходимые ограничения на их изменение.

На следующем этапе осуществляется преобразование формализованной модели в компьютерную, то есть составление алгоритма, проведение расчетов, написание программ или использование специализированного ПО.

После проверки правильности создания модели и ее соответствия назначенной цели начинается непосредственное использование. При возникновении необходимости проводится коррекция.

Применение вычислительной техники заметно упрощает создание информационных моделей, их изменение, исправление. Имеется возможность поместить смоделированный объект в любое окружение и проверить его поведение или трансформацию характеристик в различных условиях, не подвергая его при этом воздействию данных факторов.

4. Моделирование и формализация (9 кл) .

4. 1 Модели и моделирование

Человек стремится познать объекты окружающего мира, он взаимодействует с существующими объектами и создает новые объекты.

Одним из методов познания объектов окружающего мира является моделирование, состоящее в создании и исследовании «заместителей» реальных объектов. «Объ­ект-заместитель» принято называть моделью , а исходный объект - прототипом или оригиналом.

Модель – это объект, который обладает некоторыми свойствами другого объекта (оригинала ) и используется вместо него.

Например, в разговоре мы замещаем реальные объекты их именами, оформите­ли витрин используют манекен - модель человеческой фигуры, конструкторы стро­ят модели самолетов и автомобилей, а ар­хитекторы - макеты зданий, мостов и парков. Моделью является любое нагляд­ное пособие, используемое на уроках в школе: глобус, муляж, карта, схема, таб­лица и т. п.

Что можно моделировать?

Можно строить модели объектов. Например,

Уменьшенные копии зданий, кораблей, самолетов, …

Модели ядра атома, кристаллических решеток

Чертежи

Можно строить модели процессов. Например,

Изменение экологической обстановки

Экономические модели

Исторические модели

Можно строить модели явлений. Например,

Землетрясение

Солнечное затмение

Модели используются человеком для:

Представления материальных предметов (макет за­стройки жилого района в мастерской архитектора);

Объяснения известных фактов (макет скелета челове­ка в кабинете биологии);

Проверки гипотез и получения новых знаний об иссле­дуемых объектах (модель полета самолета новой кон­струкции в аэродинамической трубе);

Прогнозирования (сделанные из космоса фотоснимки движения воздушных масс);

управления (расписание движения поездов) и т. д.

Модель важна не сама по себе, а как инструмент, облегчающий познание или наглядное представление объекта. Моделирование – это процесс создания и использования моделей для изучения оригиналов.

Когда используют моделирование:

оригинал не существует

Древний Египет

Последствия ядерной войны

исследование оригинала опасно для жизни или дорого:

Испытание нового скафандра для космонавтов

Разработка нового самолета или корабля

оригинал сложно исследовать непосредственно:

Солнечная система, галактика (большие размеры)

Атом, нейтрон (маленькие размеры)

Процессы в двигателе внутреннего сгорания (очень быстрые)

Геологические явления (очень медленные)

интересуют только некоторые свойства оригинала

Проверка краски для фюзеляжа самолета

Чем больше признаков объекта отражает модель, тем она полнее. Отразить в модели все признаки объекта - оригинала невозможно, да и не нужно. Признаки объекта – оригинала, которые должны быть воспроизведены в модели, определяются целью моделирования – назначением будущей модели. Эти признаки являются существенными для данной модели с точки зрения цели моделирования.

Цели моделирования

исследование оригинала изучение сущности объекта или явления

анализ («что будет, если …») научиться прогнозировать последствия различных воздействиях на оригинал

синтез («как сделать, чтобы …») научиться управлять оригиналом, оказывая на него воздействия

оптимизация («как сделать лучше») выбор наилучшего решения в заданных условиях

Что общего у всех моделей? Какими свойствами они обладают?

Во-первых, модель не является точной копией объек­та-оригинала: она отражает только часть его свойств, от­ношений и особенностей поведения. Например, на мане­кен можно надеть костюм, но с ним нельзя поговорить. Модель автомобиля может быть без мотора, а макет дома - без электропроводки и водопровода .

Во-вторых, поскольку любая модель всегда отражает только часть признаков оригинала, то можно создавать и использовать разные модели одного и того же объекта. Например: мяч может воспроизвести только одно свойст­во Земли - ее форму; обычный глобус отражает, кроме того, расположение материков; а глобус, входящий в со­став действующей модели Солнечной системы, - еще и траекторию движения Земли вокруг Солнца. Оригиналу может соответствовать несколько разных моделей и наоборот!

Чем больше признаков объекта отражает модель, тем она полнее. Однако отразить в модели все свойства объек­та-оригинала невозможно, а чаще всего и не нужно. Ведь при создании модели человек, как правило, преследует вполне определенную цель и стремится наиболее полно от­разить только те признаки объектов, которые кажутся ему важными, существенными для реализации этой цели. Если, например, модель самолета создается для кол­лекции, то в ней воспроизводится внешний вид самолета, а не его летные характеристики.

От цели моделирования зависят требования к модели: какие именно признаки объекта-оригинала она должна отражать. Тип модели определяется целями моделирования.

Отразить в модели признаки оригинала можно одним из двух способов. Природа моделей может быть двух видов. Во-первых, материальные (натурные, физические, предметные) модели. Они копируют, воспроизводят признаки оригинала. Примерами натурных моделей являются муляжи и маке­ты - уменьшенные или увеличенные копии, воспроизво­дящие внешний вид объекта моделирования (глобус), его структуру (модель Солнечной системы) или поведение (ра­диоуправляемая модель автомобиля).

Во-вторых, информационные модели – описание признаков оригинала на од­ном из языков кодирования информации (в виде словес­ного описания, формул, схем или чертежей).

Информатика рассматривает построение информационных моделей с помощью компьютерной техники . Информационно культурный человек должен уметь строить различные информационные модели, как с помощью компьютера, так и без него.

4.2 Классификация моделей

Существует множество вариантов классификации информационных моделей. Рассмотрим некоторые из них.

Если взять за основу классификации предметную область , то можно выделить физические, экологические, экономические, социологические и другие модели.

В зависимости от учёта фактора времени выделяют динамические (изменяющиеся с течением времени) и статические (не изменяющие­ся с течением времени) модели.

Модели по области применения бывают учебные (в т. ч. тренажеры), опытные – при создании новых технических средств, научно-технические.

В зависимости от формы представления информации об объекте моделирования различают знаковые, образные и смешанные (образно-знаковые) виды информационных моделей.

Модели по структуре бывают

Табличные модели (пары соответствия)

Существуют специальные виды моделей . К ним относятся:

- имитационные - нельзя заранее вычислить или предсказать поведение системы, но можно имитировать её реакцию на внешние воздействия. Задача – найти лучшее решение методом
проб и ошибок (многократные эксперименты)

Примеры: испытания лекарств на мышах, обезьянах, … модели процесса обучения

- игровые – учитывающие действия противника. Задача – найти лучший вариант действий в
самом худшем случае.

Примеры: модели экономических ситуаций; модели военных действий; спортивные игры; тренинги персонала

4.3 Информационные модели

Объект-оригинал можно заменить набором его свойств: названий (величин) и значений. Набор свойств, содержащий всю необходимую информацию об исследуе­мых объектах и процессах, называют информационной моделью.

Например, информационная модель дачного дома - карточка из каталога, по которому заказ­чик строительной компании может выбрать подходящий проект. Каждая карточка в каталоге содержит таблицу с названиями (величинами) свойств дома и значениями этих свойств.

Все названия свойств в информационных моделях - это всегда знаковые элементы, потому что название может быть выражено только знаками. А вот значения величин могут нести как знаковую, так и образную информацию. Например, значение величины «внешний вид» может быть выражено образным элементом (рисунком), а значения остальных величин выражены с помощью знаков (чисел, слов, запятых). Образным элементом информационной модели может быть не только рисунок или фотография, но и объемный макет или видеозапись . Однако при этом обязательно дол­жна иметься возможность связать этот элемент с характе­ристикой конкретного объекта. Например, в строке «Внешний вид» в каталоге домов может быть указан шифр макета. А чтобы сами макеты были элементами ин­формационной модели, а не украшением, их нужно снаб­дить ярлыками с шифрами.

Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме. По способу представления различают следующие виды информацион­ных моделей:

Образные модели (рисунки, фотографии и др.) пред­ставляют собой зрительные образы объектов, зафиксиро­ванные на каком-либо носителе информации (бумаге, фо­то - и кинопленке и др.). Много информации дают специалистам полученные со спутников фотографии поверхности Земли.

Знаковые информационные модели строятся с использованием различных естественных и формальных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в фор­ме текста на естественном языке или программы на языке программирования, формулы (например, площади прямо­угольника S = а b ) и т. д.

В смешанных информационных моделях сочетаются образные и знаковые элементы. Примерами смешанных информационных моде­лей могут служить географические карты, графики, диаграммы и пр. Во всех этих моделях используются одновременно и графические элементы, и знаки.

4.4 Этапы построения информационной модели

Любая модель строится для решения некоторой задачи. Построе­ние информационной модели начинается с анализа условия этой за­дачи, выраженного на естественном языке (рис. 2.2).

В результате анализа условия задачи определяется объект модели­рования и цель моделирования.

После определения цели моделирования в объекте моделирования выделяются свойства, основные части и связи между ними, сущест­венные с точки зрения именно этой цели. При этом должно быть чётко определено, что дано (какие исходные данные известны, какие данные допустимы) и что требуется найти в решаемой задаче. Также должны быть указаны связи между исходными данными и результа­тами.

Следующим этапом построения информационной модели являет­ся формализация - представление выявленных связей и выделен­ных существенных признаков объекта моделирования в некоторой форме (словесное описание, таблица, рисунок, схема, чертёж, фор­мула, алгоритм, компьютерная программа и т. д.).

Формализация - это замена реального объекта его формальным опи­санием, т. е. его информационной моделью.

Информационные модели существуют отдельно от объектов моделирования и могут подвергаться обработке независимо от них. Построив информационную модель, человек использует её вместо объекта-оригинала для исследования этого объекта, решения поставленной задачи.

4.5 Словесные модели.

Один из видов информационных знаковых моделей – это словесные модели. Словесные модели - это описания предметов, явлении, событий, про­цессов на естественных языках. Ещё их называют текстовыми моделями. Например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник, словесно описывалась следующим образом:

· Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца:

· орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.

Словесная модель состоит из отдельных элементов – слов, взаимосвязанных между собой по смыслу. В свою очередь слова состоят из элементов – букв, связанных между собой правилами правописания. Слова являются подсистемами для текста и надсистемами для букв. Текст в целом является моделью – описанием оригинала. Он может отражать различные свойства описываемого объекта. Качество словесной информационной модели зависит от правильности написания слов, точности их подбора, правильности соединения слов в предложения и порядка следования слов и предложений в тексте.

Словесные модели могут описывать ситуации, события, процессы. Множество словесных моделей содержится в школьных учебниках, энциклопедиях. Словесными описаниями мы пользуемся в общении (в письмах, при разговоре…) Для построения этих моделей мы используем обычный привычный нам разговорный язык.

Есть некоторые особенности у разговорных языков:

Многозначность, синонимия, омонимия – одно и то же слово может иметь несколько значений, несколько слов могут иметь один и тот же смысл, одно и то же значение.

Слова могут быть использованы и в прямом, и в переносном смысле.

Эти особенности делают человеческую речь выразительной, красочной, эмоциональной. Но их наличие делает невозможным использование разговорного языка во многих науках, при создании словесных (знаковых) информационных моделей для точных наук. Математика, химия, информатика и др. науки на основе разговорного языка создают свой, формализованный научный язык, содержащий множество терминов (слов, свойственных только данной науке). Формализованный – значит не имеющий многозначности, синонимов, омонимов. В формализованном языке за каждым словом закреплено ровно одно значение и смысл.

Словесные описания весьма разнообразны, они могут быть выполнены в разных стилях. Прежде всего, различают разговорный и книжный стили. Книжный стиль имеет следующие разновидности: научный, официально-деловой, публицистический, художественный.

Научный стиль используется для передачи точной научной информации. Наиболее важными качествами научного стиля являются логичность и четкость изложения. В текстах научного стиля присутствует большое количество слов-профессионализмов, терминов.

Художественный стиль – это стиль художественных произведений. Его основное назначение – воздействовать на читателя или слушателя с помощью образных средств языка (сравнений, метафор, эпитетов и др.)

Официально-деловой стиль используется при оформлении документов.

Публицистический стиль используется при написании статей, заметок в журналах и газетах.

Работа со словесными информационными моделями (историческими, биологическими, географическими, художественными и иными текстами-описаниями) требует вдумчивого отношения к прочитанному. Чем лучше оформлен текст, чем лучше он отформатирован, тем легче его читать и анализировать.

Произведения художественной литературы - это тоже модели, так как они фиксируют внимание читателя на определенных сторо­нах человеческой жизни. Анализируя литературное произведение, вы выделяете в нём объекты и их свойства, отношения между героя­ми, связи между событиями, проводите параллели с другими произ­ведениями и т. п. Самое непосредственное отношение к понятию мо­дели имеет такой литературный жанр, как басня. Смысл этого жанра состоит в переносе отношений между людьми на отношения между вымышленными персонажами, например животными.

4.6 Математические модели

Основным языком информационного моделирования в науке яв­ляется язык математики. Информационные модели, построенные с использованием математичес­ких понятий и формул, называются математическими моделями.

Пример 1. На рис. 2.3 приведена геометрическая модель доказа­тельства теоремы Пифагора. Она столь проста, что доказательство равенства с2 = а2 + b2 становится очевидным.

Международные соревнования" href="/text/category/mezhdunarodnie_sorevnovaniya/" rel="bookmark">международных соревнованиях по прыжкам в воду первые пять мест заняли спортсмены из Германии, Италии, Китая, Рос­сии и Украины. Ещё до начала соревнований эксперты высказа­ли свои предположения об их итогах:

1) Первое место займёт спортсмен из Китая, а спортсмен из Украины будет третьим.

2) Украина будет на последнем месте, а Германия - на пред­последнем.

3) Германия точно будет четвёртой, а первое место займёт Ки­тай.

4) Россия будет первой, а Италия - на втором месте.

5) Нет, Италия будет пятой, а победит Германия.

По окончании соревнований выяснилось, что каждый эксперт был прав только в одном утверждении. Какие места в соревнова­нии заняли участники?