Разработка уроков по теме «Информационные системы и системология»

Продолжительность: 3 урока по 45 минут.

Основные задачи:

• познавательные: познакомить учащихся с понятиями “система”, “системный анализ”, “системный подход”.
• развивающие: способствовать формированию у школьников системного мышления для эффективной работы с информацией, определения состава, структуры системы.
• мотивационные: развивать познавательный интерес, речь и внимание учащихся, формировать у них информационную культуру и потребность в приобретении знаний;
• воспитательные: усиление познавательной мотивации осознанием ученика своей значимости в образовательном процессе.

Тип уроков: комбинированный – объяснение нового материала с элементами самостоятельной работы для закрепления понятий.

Оборудование: рабочее место учителя (компьютер + проектор), 10 рабочих мест учеников.

Презентации в Microsoft PowerPoint

Тема урока 1: Система: понятие, свойства.

План урока:

1. Организационная часть – 1 мин.
2. Сообщение темы и постановка целей урока – 2 мин.
3. Беседа с учащимися, подводящая к изучению новой темы – 5 мин.
4. Объяснение нового материала – 16 мин.
5. Практическая работа – 16 мин.
6. Подведение итогов урока – 3 мин.
7. Домашнее задание – 2   мин.

Ход урока

I. Организационная часть

II. Сообщение темы и постановка целей урока

Продолжим изучение темы “Информационное моделирование” и познакомимся с азами и основными понятиями системологии.

Системология (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из частей; λόγος — «слово», «мысль», «смысл», «понятие») - наука о системах и системной организации процессов и явлений природы, науки, техники, общественных формаций, функциональных образований и структур. В ходе трёх уроков мы получим начальное представление об этой науке, найдем ответы на следующие вопросы:

• на первом уроке – Что такое система? Свойства системы?
• на втором уроке – Что такое структура? Что такое граф, дерево?
• на третьем уроке – Что такое системный анализ?

оценим масштаб и объём работы в изучаемой области – при создании информационных моделей исследуемого объекта.

III. Беседа с учащимися, подводящая к изучению новой темы

С термином “система” вам приходилось встречаться и на уроках, и в повседневной жизни.

Вопрос. Вспомните и приведите примеры словосочетаний, где используется слово “система”.

Ответы. Примеров достаточно много: Солнечная система, периодическая система химических элементов, система уравнений, система классификации растений и животных, система образования, система здравоохранения, система водоснабжения, система городского транспорта, операционная система Windows, файловая система и другие. Каждый из вас имеет представление о том, что кроется за каждым из этих словосочетаний. А задумывались ли вы о смысле слова “система”, и почему это слово используют в различных сферах деятельности.

IV. Объяснение нового материала

Окружающий нас мир состоит из множества различных объектов, каждый из которых имеет разнообразные свойства, и при этом объекты взаимодействуют между собой. Например, планеты Солнечной системы имеют различные свойства (массу, геометрические размеры) и по закону всемирного тяготения взаимодействуют с Солнцем и друг с другом.

Планеты входят в состав более крупного объекта – Солнечной системы, а Солнечная система – в состав нашей галактики “млечный путь”. С другой стороны, планеты состоят из атомов различных химических элементов, а атомы из элементарных частиц. Можно сделать вывод, что практически каждый объект состоит из других объектов, то есть представляет собой систему.

Система (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из частей; соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.

В информатике понятие “система” мы использовали для обозначения:

• совокупности взаимосвязанных данных, предназначенных для обработки на компьютере – система данных,
• совокупности взаимосвязанных программ – программные системы(операционные системы, системы программирования, пакеты прикладных программ),
• организованной совокупности файлов и папок на дисках компьютера – файловая система.

Проведём классификацию систем: 

• естественные системы (созданные природой),
• искусственные системы (созданные человеком с определённой целью).

Естественные системы:

• живая природа (животные, растения, микроорганизмы),
• неживая природа (космические системы, материальные природные объекты).

Искусственные системы:

• материальные системы (искусственные материалы, строительные сооружения, технические системы),
• общественные системы (производственные коллективы, политические партии).

В естественных системах неживой природы связи носят только материальный характер. В системах живой природы и искусственных системах существуют связи материальные и информационные. Для общественных систем очень большое значение имеют информационные связи.

Вопрос. Приведите примеры естественных и искусственных (материальных и общественных) систем.

Ответы. Солнечная система, горная система, речная система – естественные системы, а искусственные – школьная система, промышленная система, правительственная система.

Перейдём к рассмотрению следующего вопроса нашего урока.

Какими свойствами обладает система?

Главный признак любой системы – это возникновение “системного эффекта” или ‘принцип эмерджентности». Заключается оно в том, что при объединении элементов в систему у системы появляются новые свойства, которыми не обладал ни один из элементов в отдельности. Другая формулировка принципа эмерджентности: целое  – больше суммы своих частей.

Первое свойство системы – целостность. Система – объект, часть окружающего мира рассматривается как единое целое. Свойства целого не являются суммой свойств составляющих его элементов.

Состояние системы характеризуется её структурой, то есть составом и свойствами элементов, их отношениями и связями между собой. Система сохраняет свою целостность под воздействием различных внешних воздействий и внутренних изменений до тех пор, пока она сохраняет неизменной свою структуру. Если структура системы меняется (например, удаляется один из элементов), то система может перестать функционировать как целое. Так, если удалить одно из устройств компьютера (например, процессор), компьютер выйдет из строя, то есть прекратит своё существование.

Второе свойство системы – структурность. Поведение системы обусловлено свойствами её структуры – определённого способа объединения составляющих систему элементов.

Взаимозависимость системы и среды. Система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой.

Иерархичность. Каждый компонент системы может быть рассмотрен как система, а исследуемая система – элемент более широкой системы (надсистемы).

Множественность описаний. Адекватное познание системы требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определённый аспект системы.

V. Практическая работа

Решение задач №1-4. Задачник-практикум Семакина И., стр. 61.  

VI. Подведение итогов урока

На этом уроке вы узнали:

• Что такое система?
• Как классифицируют системы? Естественные и искусственные системы.
• В чем заключается принцип “эмерджентности’
• Какими свойствами обладает система?

VII. Домашнее задание

Учебник Семакина И. “Информатика. Базовый курс. 8” Дополнение к главе II. Раздел 2.1.

Задачник-практикум Семакина И. Раздел 2.1.1. Задачи №5-6, стр. 61

Тема урока 2: Состав и структура системы.

План урока:

1. Организационная часть – 1 мин.
2. Сообщение темы и постановка целей урока – 2 мин.
3. Беседа с учащимися по пройденному материалу – 5 мин.
4. Объяснение нового материала – 16 мин.
5. Практическая работа – 16 мин.
6. Подведение итогов урока – 3 мин.
7. Домашнее задание – 2 мин.

Ход урока

I. Организационная часть

II. Сообщение темы и постановка целей урока

На предыдущем уроке мы с вами приступили к изучению новой темы и познакомились с понятием “система”. На этом уроке мы продолжим знакомство с азами системологии и разберёмся в вопросе о структуре систем.

III. Беседа с учащимися по пройденному материалу

Но сначала вспомним то, что мы изучали на предыдущем уроке.

Вопросы для повторения:

1. Что такое система?

2. Какими свойствами обладает система?

3. Что такое системный эффект?

4. Как классифицируют системы?

IV Объяснение нового материала

Функция системы.

Для всякой искусственной системы можно определить цель её создания человеком: автомобиль – перевозка людей и грузов, сборочный конвейер – сборка автомобилей или других изделий. Этой целью и определяется функция системы. Учащиеся приводят примеры систем и называют их функции.

Состав системы. Подсистемы.

Состав системы – это множество входящих в неё частей. Состав описывают с помощью схемы состава. В состав системы может входить другая система. Первую называют надсистемой, вторую – подсистемой.

Структура системы.

Всякая система определяется не только своим составом, но также порядком и способом объединения своих отдельных частей в единое целое. Таким образом, возникает понятие структуры системы.

Структура – это совокупность связей между элементами системы. Или: структура – внутренняя организация системы.

Далее учитель вместе с учащимися приводит простые примеры:

• из одних и тех же деталей детского конструктора можно собрать разные изделия;
• из уроков черчения дети знают, что набор простейших объёмных тел весьма ограничен (куб, параллелепипед, цилиндр, конус, шар, пирамиды, призмы), но в различном сочетании одни и те же тела дают огромное многообразие деталей, с совершенно различными геометрическими свойствами, и чертежи у них будут совсем разные.

  Граф – это средство для наглядного представления состава и структуры системы. Граф состоит из вершин, связанных дугами или ребрами. Вершины могут быть изображены кругами, овалами, точками, прямоугольниками и пр. Связи между вершинами изображаются линиями. Если линия направленная (т. е. со стрелкой), то она называется дугой, если не  направленная  (без стрелки),  то ребром.

Две вершины, соединенные ребром или дугой, называются смежными.

  Графы используются во многих областях практической и научной деятельности людей. Например, схема линий метрополитена, изображение структуры молекул в химии и др. Таким образом, граф представляет собой совокупность непустого множества вершин и множества связей между вершинами.

Граф, у которого все связи изображены дугами, называется ориентированным графом.

Количество вершин графа называют его порядком. Количество ребер называют размером графа.

Ребрам графа могут быть сопоставлены числовые значения, которые называют весами ребер. В качестве весов ребер могут использоваться, например, расстояния между населенными пунктами, представленными вершинами графа; стоимость перевозки груза между этими пунктами или затраты времени на дорогу. Граф, ребрам которого назначены размеры весов, называется взвешенным.

Путь (цепь) в графе – конечная последовательность вершин, каждая из которых (кроме последней) соединена со следующей вершиной ребром.

Циклом называют путь, в котором первая и последняя вершины совпадают. Путь (или цикл) называют простым, если ребра в нем не повторяются. Граф, в котором для любых двух вершин существует связывающий их путь, называют связным.

Всем знакомые блок-схемы являются графами, выражающими структуру алгоритма. Вершины этих графов неравноправны. Они делятся на несколько типов (вычислительный блок, развилка, начало/конец). Информация о типе блока передается через его форму (прямоугольник, ромб, овал). Конкретное содержимое каждого блока задается надписью внутри этого блока. Дуги, выходящие из вершины развилки, имеют пометки «да», «нет».

Дерево – это граф, предназначенный для отображения таких связей между объектами, как вложенность, подчиненность, наследование и т. п. В виде дерева удобно изображать системы, в которых нижние вершины в каком-то смысле подчинены верхним. Например, родословное дерево первых русских князей, дерево каталогов жесткого диска на ПК.

Сеть  – это граф системы с произвольным принципом связи.

На этом объяснение нового материала на втором уроке заканчивается.

V. Практическая работа

Решение задач №1,3-5. Задачник-практикум Семакина И., стр. 82.  

VI. Подведение итогов урока

Графы и деревья помогают получить наглядное представление о структуре системы.

VII. Домашнее задание

Учебник Семакина И. “Информатика. 8 класс. Дополнение к главе II. Раздел 2.1.

Вопросы и задания. Стр. 67

Тема урока 3: Системный анализ.

План урока:

1. Организационная часть – 1 мин.
2. Сообщение темы и постановка целей урока – 2 мин.
3. Беседа с учащимися по пройденному материалу – 12 мин.
4. Объяснение нового материала – 15 мин.
5. Решение задач – 10 мин.
6. Подведение итогов уроков – 3 мин.
7. Домашнее задание – 2 мин.

Ход урока

I. Организационная часть

II. Сообщение темы и постановка целей урока

Важным аспектом системологии является системный анализ. Изучению данного вопроса мы посвятим наш урок.

III. Беседа с учащимися по пройденному материалу

Вспомним определения терминов, связанных с понятием “система”.

Вопросы для повторения:

1. Что такое структура? Определённый порядок объединения элементов в системе.
2. Что такое граф? Графическое отображение состава и структуры системы.
3. Что такое дерево? Граф иерархической системы. От корня дерева к любому элементу существует единственный путь.

Проверим выполнение домашнего задания.

В форме беседы проходит обсуждение ответов на вопросы. Задача этапа: добиться глубины понимания материала, провести работу по развитию речи учащихся, привлечь внимание всех учащихся к ответу для дополнения, уточнения и исправления.

IV. Объяснение нового материала

Системный подход – научный метод изучения действительности, при котором любой объект исследования рассматривается как система, при этом учитываются его наиболее существенные связи с внешней средой.

Для того чтобы получить информационную модель любого реального объекта или процесса, необходимо рассмотреть его с системной точки зрения. Объект моделирования рассматривается в качестве системы. Далее необходимо четко определить цели моделирования. Из всего множества элементов, свойств и связей выделяются лишь те, которые являются существенными для целей моделирования. Далее производится описание информационной модели в разной форме: графической, математической, табличной и др. Наиболее часто используемой описания являются графы.

Таким образом исследование некоторой реальной системы состоит из двух этапов: анализа и синтеза.

Анализ системы – это выделение её частей с целью прояснения состава системы.

Однако невозможно понять механизм функционирования системы, выяснив только её состав. Необходимо знать структуру связей между частями системы. Только в совокупности состава и структуры можно понять состояние и поведение системы. Поэтому анализ системы  – это первый этап в ее исследовании. Второй этап называется синтезом. Слово “синтез’ означает соединение.

 Синтез – это мысленное или реальное соединение частей системы в единое целое. В результате синтеза создается целостное представление о системе, объясняется механизм системного эффекта.  

Таким образом, просматривается следующий порядок этапов перехода от реального объекта к информационной модели.

При выполнении домашнего задания каждый из вас прикоснулся основам системного анализа, проявил себя в роли системного аналитика, создающего информационную модель исследуемого объекта, подошёл к пониманию ответственности представителей данной профессии, оценил масштаб и объём работы в исследуемой области.

V. Практическая работа

Решение задач. Задачник-практикум Семакина И. Задачи №7.1-3, стр. 84

VI. Подведение итогов

Отмечаются наиболее активные ученики, выставляются оценки.

VII. Домашнее задание

1. Учебник Семакина И. “Информатика. 8 класс. Дополнение к главе II. Раздел 2.1.
2. Выучить определения понятий, связанных с системологией.
3. Подготовить рабочие тетради на проверку.

При подготовке уроков использовалась литература.

1. Семакин И. Г.  и др. Информатика. 8 класс. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.
2. Семакин И. Г. Информационные системы в базовом и профильном курсах информатики.
   Лекции 1 – 3. Дистанционный курс повышения квлификации.