Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере (11 класс)
учебно-методический материал по информатике и икт (11 класс) по теме

1. Организационный момент

1мин.

2. Проверка усвоения ранее изученного материала (тест)

7 мин.

3. Актуализация ранее изученного и мотивация к изучению новой темы.

3 мин.

4. Изучение нового материала:

4.1. Основные этапы моделирования

          4.2. Текстовые задачи на формализацию

25мин.

5. Закрепление полученных знаний, подведение итогов урока.

4 мин.

1.

2.

3.

4.

4.1.

4.2.

5.

Организационный момент.

• приветствовать учеников;
• отметить отсутствующих.

Ребята, на предыдущем уроке вы начали изучать тему «Моделирование и формализация». Перед тем, как приступить к изучению новой темы, давайте повторим уже известные вам факты.

Итак, откроем тетради и запишем тему сегодняшнего урока «Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере»

Использование компьютера в различных исследованиях позволяет значительно упростить изучение изменений характеристик объектов  или их иных параметров.

Как известно, при моделировании мы имеем объект исследования и конкретные цели. Итак, теперь перед нами стоит вопрос: а чем же мы будем заниматься дальше? С чего в частности начинается процесс моделирования?? Этим вопросом мы и займемся с вами сегодня на уроке.

Весь процесс разработки моделей и их исследование на компьютере мы можем подразделить на следующие этапы:

1. Построение описательной информационной модели:

1-е, что нужно сделать, это проанализировать объект с точки зрения цели моделирования. На этом этапе мы выделяем свойства объекта, а затем с учетом поставленной цели моделирования среди многих свойств и признаков объекта выделяем СУЩЕСТВЕННЫЕ. Тем самым мы описываем наш объект, т.е. создаем описательную модель.

Выбор существенных признаков зависит от поставленной цели моделирования.

Например, рассмотрим модель поезда.

• Для кассира ЖД вокзала существенными признаками будут расположение мест в вагоне, стоимость билета для каждого места, направление движения (маршрут).
• Для технолога цеха по производству вагонов для поездов существенные признаки – наименование и количество деталей, порядок и способ их соединения, необходимое оборудование для обеспечения заданной надежности.

Мы можем продолжать перечислять примеры, если рассмотреть самолет с т.з. разных людей. Но самое важное стоит запомнить: необходимо выделять СУЩЕСТВЕННЫЕ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЦЕЛЕЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ признаки моделируемого объекта.

Стоит также отметить, от того, насколько правильно и полно выделены существенные признаки, зависит соответствие построенной модели заданной цели, т.е. ее адекватность цели моделирования.

Но адекватность цели моделирования зависит еще и от того, как эти выделенные существенные признаки мы сможем выразить, в какой форме их отобразим.

Формы представления моделей могут быть различны: от схем, алгоритмов до компьютерных программ.

Как только форма представления признаков и свойств выбрана, можно приступать ко 2-му этапу моделирования – это формализации модели.

2. Построение формализованной информационной модели:

Для начала нам нужно вспомнить, что же такое формализация???

После того, как мы построим описательную модель на естественном языке, мы должны ее выразить с использованием формальных языков (математики, логики…). Таким образом, в результате данного этапа и должна получиться формализованная информационная модель.

В такой модели с помощью уравнений, неравенств, формул фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств и объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.

Например, рассмотрим задачу о пути, пройденным автомобилем за x часов со скоростью

 y км\ч.

В ней объектом будет являться «пройденный путь». Для того чтобы его отыскать, нам потребуется сперва записать исходные данные в формулы вычисления пути (расстояние это произведение скорости автомобиля на временя, затраченное в пути)

Итак, на формальном языке математики это выразится следующим образом:   s=v*t

Следующим этапом процесса моделирования является этап построения компьютерной модели.

3. Построение компьютерной модели

Мы преобразовываем полученную на предыдущем этапе формальную ИМ в компьютерную (т.е. преобразуем ее на язык, понятный компьютеру).

 Существует 2 пути построения КМ:

 - в форме проекта на любом языке программирования (программа на языке Pascal, Delphi…);

- с использованием приложений (пакет Microsoft, редакторы…).

Так, например, если нам требуется найти значения пройденного пути (см.предыдущий пример на 2м этапе) с той же скоростью, но с разным интервалом  временных промежутков, то наиболее подходящим способом получения искомого результата будет работа в таблицах Excell.

Исходные данные заносятся в соответствующие ячейки таблицы.

После того, как пройдены первые 3 этапа моделирования (выделили существенные свойства, создали описательную модель, формализовали ее, а затем преобразовали в компьютерную модель), мы уже можем непосредственно переходить к компьютерному эксперименту.

4. Компьютерный эксперимент

На данном этапе мы непосредственно вводим исходные данные, получаем результаты и при необходимости наблюдаем за изменением объекта и изменением его характеристик и величин. Как правило, компьютерный эксперимент помогает наиболее наглядно отразить процесс моделирования.

Например, для задачи о пути автомобиля в качестве компьютерного эксперимента может быть построение графика зависимости скорости движения автомобиля от времени, проведенного в пути.

На этом процесс моделирования не заканчивается. Построенную модель необходимо проверить на непротиворечивость и проанализировать, насколько она адекватна объекту и цели моделирования. Последний этап моделирования будет заключаться именно в этом.

5. Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели.

После того, как пройдены основные этапы моделирования мы возможно столкнемся с тем, что результат будет получен абсолютно противоположный желаемому, т.е. получившаяся модель не будет соответствовать поставленной цели моделирования. В таком случае  делается вывод о допущении ошибок (неточностей) на предыдущих этапах

Причины неточностей:

- неправильно отобраны существенные свойства объекта при построении описательной ИМ;

- в процессе формализации были допущены ошибки в формулах.

В данном случае необходимо провести корректировку модели, т.е. вернуться на предыдущие этапы, вновь их проработать и понять в ЧЕМ ИМЕННО была допущена ошибка (уточнение модели может быть многократным до получения необходимого соответствия).

Этапы моделирования проще всего представить в виде схемы.

Отметим, что все этапы (как показано на схеме) взаимосвязаны между собой и идут в определенной последовательности (все последовательности прорисованы стрелочками).

И наконец, после анализа полученных результатов, делается вывод о соответствии или несоответствии поставленной цели моделирования. Если результат нас удовлетворяет, то процесс моделирования полностью закончен успешно (например, требовалось вычислить скорость движения автомобиля, зная что он прошел расстояние в 200км за 5часов. В итоге мы получим скорость движения 40 км\ч. Это верно!).

Если полученный результат абсолютно противоречив (например, в процессе вычислений мы получим отрицательное значение скорости??!!. Это невозможно!!!  -значит, была допущена  ОШИБКА ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ФОРМАЛИЗОВАННОЙ МОДЕЛИ!!!), то необходимо вернуться на предыдущие этапы (пунктирные стрелки на схеме), вновь проработать те «места», где возможно было допустить ошибки, и уже после этого проделать всю последовательность действий заново и сделать соответствующие выводы.

А теперь для закрепления давайте вместе с вами  рассмотрим несколько задач на формализацию. Они помогут нам разобраться с основным механизмом составления информационных моделей.

В 1й задаче я назову вам объект и цель моделирования, а вы в свою очередь постараетесь назвать его свойства, форму представления и предложить модель моделирования.

ЗАДАЧА 1.

Объект моделирования – земельный участок.

Цель моделирования – определить площадь участка.

 - назовите существенные признаки?

- форма представления модели?

- что будет являться моделью в данной задаче?

В данной задаче мы опустили некоторые этапы моделирования. Какие, как вы думаете??? Почему? (п.ч. вычисления не сложные, не требовалось по условию использование техники в вычислениях)

ЗАДАЧА 2.        

Требуется смоделировать наиболее удобный вариант расстановки мебели в квартире.

Что является объектом моделирования?

Цель моделирования?

Назовите существенные признаки?

Форма представления модели?

Связи между предметами можно не учитывать. Все предметы могут располагаться как угодно по отношению друг к другу. Это значительно упрощает нашу задачу.

Что будет являться моделью в данной задаче?

При решении данной задачи нам также не понадобятся ни компьютерная модель, ни компьютерный эксперимент. Анализ результатов каждый для себя определяет по своему усмотрению, по своему понятию «удобная расстановка мебели».

А теперь немного послушайте.

Практически у каждого объекта много самых разных свойств. Если они известны, то можно оценить существенность, не существенность каждого из них для моделирования в каждом конкретном случае. А если объект только познается, то многие его свойства совсем неизвестны, неизвестно даже сколько их. Как в этом случае выделить существенные свойства??? Можно ли вообще моделировать неизученный объект? Как вы думаете?

Другими словами можно выдвинуть гипотезу и в процессе исследования объекта либо опровергнуть ее, либо попытаться выявить в ней рациональное начало.

Хорошо, сегодня на уроке мы с вами познакомились с основными этапами разработки моделей на компьютере (давайте их еще раз повторим),

научились самостоятельно моделировать искомый результат по данным условиям. В дальнейшем это нам пригодится при рассмотрении конкретных компьютерных моделей (физических, биологических и т.д.).

А теперь запишем домашнее задание:

Построить информационную модель исследования ассортимента молочных товаров продуктового магазина. Составить таблицу, в которой будут отражены следующие параметры: название, количество в наличии, цена, производитель, срок изготовления и срок годности.

Спасибо за урок, вы можете быть свободны!

Ученики сидят за       партами

Письменный опрос

(тест с выбором ответа)

Приложение 1

Ученики внимательно слушают новый материал, делают соответствующие пометки

Тетрадь! (название этапов записывается в тетрадь)

Ученики устно отвечают на вопрос.

 - процесс построения моделей с использованием формальных языков.

Заготовка с данными электронной таблицы показывается на экране

Тетрадь!

Приложение 3.

(распечатка для каждого ученика)

Учащиеся устно обсуждают вопросы

 - существенный признак – форма участка (квадратная, прямоугольная).

Если прямоугольная форма – значения длины и ширины; если квадратная – длина.

 - прямоугольная

 - формула S=a*b

- компьютерная модель и компьютерный эксперимент

- система «комната -  мебель» (система потому, что все рассматривается в совокупности)

- наиболее удобный вариант расстановки мебели в квартире

- параметры комнаты (высота потолков, ширина, длина); параметры мебели (высота, ширина, длина); расположение окна и дверного проема в комнате; общее количество предметов мебели; высота мебели должна быть меньше высоты комнаты; если в наличии есть письменный стол, то он должен стоять недалеко от окна или так, чтоб свет падал с левой стороны; кроме того, предметы мебели не должны заслонять ни окно, ни дверной проем и должны располагаться лицевой стороной внутрь комнаты.

- словесное описание, геометрический чертеж с указанием размеров комнаты  и расположения окна и двери

- эскиз комнаты с мебелью (фото, наглядное изображение)

Думаем, что да. У любого неизученного и малоизученного объекта можно предположить о его строении, формах и размерах, свойствах и прочих важных признаков моделирования.

Устно проговаривают этапы все вместе:

Построение описательной ИМ

Построение формализованной ИМ

Построение компьютерной ИМ

Компьютерный эксперимент

Анализ полученных результатов

Мотивация на будущее

Домашнее задание

Тетрадь!

Сдать отчет в распечатанном варианте.