Интегрированный урок

«Информатика – наука о живой природе и обществе».  

Информатика, биология, история.

Тип урока: комбинированный.

Цель урока: В целях становления системного мышления сформировать  у учащихся представление о нелинейных алгоритмах управления с обратной связью как универсальных форм взаимодействия в живой природе, технике и обществе.

Задачи урока:

Образовательные: 

• на основе учебного курса «Информатика и ИКТ» познакомить учащихся с понятиями «нелинейный алгоритм» и «обратная связь»;
• научить учащихся, опираясь на полученные при освоении одних школьных дисциплин знания (информатика), распознавать прямые и обратные связи в системах коммуникации и управления, изучаемых другими дисциплинами (биология, физика, история); 
• обучить учащихся строить простейшие модели управления с обратными связями на известных им примерах из других учебных курсов;

Развивающие:

• формировать у учащихся умение сравнивать, оценивать, обобщать, самостоятельно приходить к логическим выводам;
• развивать умение распознавать и моделировать алгоритмы нелинейных взаимодействий, определять механизмы обратных связей;
• формировать у учащихся системное мышление, прививая восприятие мира как единой системы, состоящей из множества систем различных размеров, видов и сложностей;

Воспитательные: 

• повышать мотивацию к учебе за счет нестандартной формы урока;
• развивать стремление к научным знаниям как инструменту, помогающему понять окружающий мир во всем его единстве и многообразии;
• формировать предоставление о человека как одной из сложных живых систем в единой системе мира, способной познавать и себя, и окружающий мир.

Сверхзадача: Воспитывать граждан, осознающих и принимающих свою долю ответственности за те изменения в окружающем мире, которые могут произойти в результате их деятельности.

Межпредметные связи: информатика, биология, физика, история.

Оборудование: компьютер, медиапроектор, электронная презентация «Нелинейные алгоритмы на основе обратных связей как одно из ключевых свойств окружающей реальности», раздаточный материал: памятки с понятиями и определениями (обратная связь, линейный и нелинейный алгоритм управления) в информатики.

Управление – это целенаправленное воздействие одних объектов, которые являются управляющими, на другие объекты – управляемые.

Алгоритм – это конечная последовательность шагов в решении задачи, приводящая от исходных данных к требуемому результату.

Алгоритм, где каждая команда выполняется последовательно в том порядке в каком  она записана и только один раз называется линейным. 

Циклическим или нелинейным называется алгоритм, предусматривающий многократное повторение одного и того же действия над новыми данными.

Прямая связь – это процесс передачи команд управления (сигнала) от управляющего объекта управляемому.  

Обратная связь – это процесс передачи информации о состоянии исполнителя.  

Блок-схема или модель – это наглядная графическая форма для записи алгоритма.

Словарь урока: обратные связи, нелинейные алгоритмы, модель коммуникации с обратной связью, рефлекторная дуга, Первая и Вторая мировые войны, информатика, биология, физика, история.

Ι. Информатика и  ИКТ 

Тема: Управление и кибернетика. Управление с обратной связью.

Учитель: Ребята, на уроках информатики вам рассказывали о том, что компьютерная техника широко используется для управления сложными искусственными системами, применяющимися в самых разных отраслях науки и техники.  Ответьте, пожалуйста на вопрос, что такое управление?

Ожидаемый ответ: Управление – это целенаправленное воздействие одних объектов, которые являются управляющими, на другие объекты – управляемые.

Учитель: Правильно, пример простейшей ситуации управления – два объекта, один из которых управляющий, второй – управляемый. Например, человек и компьютер, собака и хозяин, светофор и автомобиль. И т.п.

Управляющее воздействие, как правило, производится в форме команд: - человек управляет компьютером с помощью кнопок клавиатуры;  хозяин собаки подает ей команду голосом; светофор, переключает цвет, управляя движением автомобилей и пешеходов.

В простейшем случае цель управления может  быть достигнута после выполнения одной команды. Такой алгоритм управления называется последовательным и линейным. Его модель представлена на рисунке 1.

Рис 1.  Линейный алгоритм управления 

В приведенных выше примерах строго по линейному алгоритму работает только система «светофор-автомобиль». Светофор не реагирует на обстановку на дороге. Алгоритм его действий неизменен: красный – желтый – зеленый – красный – желтый – зеленый …  Даже если дорогу будет очень медленно переходить старенькая бабушка, он все равно переключит свет с зеленого на красный.

Для достижения более сложной цели бывает необходимо выполнить целую серию команд. Человек, прежде чем отдать очередную команду телевизору или собаке, смотрит на результат выполнения предыдущей команды. Если нужный канал на TV не найден, то человек нажимает другую кнопку, если собака не выполнила команду, то повторяет команда повторяется снова. В случае со старушкой водитель на сразу поедет на зеленый свет, а подождет пока бабушка перейдет дорогу.

Управление достигает цели, если управляющий не только отдает команды – это прямая связь, но и принимает информацию о состоянии управляемого субъекта или внешней ситуации – это обратная связь.

ΙΙ. Биология.

Учитель: Очевидно, что самыми сложными системами являются живые системы, которые изучает наука биология. Жизнедеятельность живого организма невозможна без механизмов обратной связи. Чтобы убедиться в этом давайте вспомним, что такое рефлекторная дуга и из каких элементов состоит схема рефлекторной дуги, которую вы изучали в 8 классе. Кто ответит на этот вопрос?

Ответ учащихся: Рефлекторная дуга – это один из самых простых приспособительных механизмов живого организма. Рефлекторная дуга состоит из рецептора, афферентного (входящего) пути, центрального звена, эфферентного (выходящего) пути и из эффектора (органа совершающего действие).

Рис. 2. Рефлекторная дуга

Учитель: Молодцы, ребята, вы также знаете, что с помощью схемы рефлекторной дуги можно описать только самые простые рефлекторные действия. А кто, вспомнив сведения полученные сегодня из курса информатики, может ответить на вопрос какого рода эта схема?

Правильный ответ учащихся: Схема рефлекторной дуги – это простейшая линейная схема управления без обратной связи.  

Рис. 3. Модель или Блок-схема линейного алгоритма управления

Учитель: Правильно. Это простейшая линейная схема управления. Любое целенаправленное действие, даже такое как нахождение выключателя в темной комнате, нельзя описать схемой рефлекторной дуги. Ведь для того, чтобы убедиться, что выключатель найден, мы должны получить от чувствительных рецепторов, находящихся на кончиках пальцев, соответствующие сигналы. Если цель не достигнута, то в нервный центр мозга, контролирующий процесс достижения намеченной цели, поступает обратный сигнал (восходящий, афферентный), указывающий на то, что  выключатель не найден. После этого из центра в мозге снова бежит сигнал к исполнительному органу (эфферентный сигнал), направляющий руку правее, левее, выше или ниже.  И так вплоть до достижения цели.

Рис. 3. «Модель или Блок-схема нелинейного алгоритма управления» или «Модель управления с обратной связью»

Подытожим: Рефлекторная дуга замыкается в рефлекторное кольцо посредством обратной связи, идущей от исполняющего органа в тот нервный центр мозга, который контролирует процесс достижения намеченной цели.  Теперь мы можем с уверенностью сказать, что обратная связь играет важную роль в сложной жизнедеятельности живого организма. Посредством обратной связи управляющий центр в головном мозге не только отдает команды – это прямая связь, но и принимает информацию о достижении поставленной цели – это обратная связь.

Петли обратной связи можно наблюдать не только в работе нервной системы. Посредством обратных связей замыкаются также и пищевые цепи в живой природе. К примеру, численность зайцев в лесу зависит от количества травы, которой они питаются. Можно сказать, что волки, поедая зайцев, «спасают» траву от полного уничтожения. «Сбереженная» волками трава спасает популяцию зайцев. От численности зайцев, в свою очередь, зависит численность волков. Здесь обратная связь нужна для поддержания равновесия в природе.

Практически все циклические процессы в природе посредством обратных связей.

ΙΙΙ. Физика.

Учитель: Основным достижениям цивилизации люди обязаны прежде всего матушке-природе. Трудно сказать, могли бы появиться такие важные для технического оснащения нашей жизни изобретения как колесо, деревянные или кирпичные жилища, самолеты и многое другое без ее подсказки.

Ответьте, пожалуйста, какие еще изобретенные механизмы напоминают механизмы природные?

Примеры: На изобретения радара ученых вдохновили летучие мыши, способные умело парить среди ночного мрака и безошибочно находить дорогу в свои убежища. Изучив скелеты морских одноклеточных радиолярий (лучевиков) ученые инженеры поняли почему так прочны их ткана и начали воздвигать мосты, построили Эйфелеву башню.

То же самое произошло и с пониманием механизма обратных связей. Обратные связи нужны не только живым системам для самоуправления, но и для управления любыми сколько-нибудь сложными механическими, электронными и другими системами, которые создают люди. На уроках физики вы изучали устройство и историю создания паровой машины. Как вы помните, шотландский изобретатель Джеймс Уатт несколько лет посвятил усовершенствованию  паровой машины. В числе новшеств, изобретенных им для парового двигателя, был и центробежный регулятор пара.

Регулятор пара  Уатта – это один из самых простых примеров обратной связи в технике.  Данный регулятор создает петлю обратной связи, которая позволяет регулировать подачу пара для стабилизации скорости вращения двигателя.  Происходит это следующим образом:

Рис. 4-1. – Центробежный регулятор пара Дж.Уатта Рис. 4-2. Петля обратной связи для центробежного регулятора.      

Увеличение скорости двигателя приводит к увеличению скорости вращения регулятора. В результате увеличивается расстояние между грузами, что приводит к поднятию поршня и уменьшению подачи пара. Когда подача пара падает, скорость двигателя также снижается. Следом замедляется вращение регулятора, грузы сближаются, подача пара возрастает и двигатель опять набирает обороты и т. д.

Уравновешивающая (отрицательная [–]) обратная связь в этой петле находится между «расстоянием между отвесами» и «подачей пара». При отсутствии регулятора подачи пара машинисту паровоза для того, чтобы двигатель работал равномерно, пришлось бы непрерывно менять скорость подачи пара вручную.    

Без преувеличения можно сказать, что механизмы обратных связей в сложных искусственных системах применяются практически повсеместно.  

ΙV. Информатика и ИКТ. 

Тема: Понятие обратной связи в коммуникации.

Учитель: Как вы уже поняли, мы используем одну схему для описания взаимодействие разных систем.

Сегодня мы рассматриваем кибернетическую модель, объясняющую один из важных системных принципов, который  существует не только в компьютерных системах, но и в тех системах, которые изучают биологи, физики, химики и т.п.  Как вы уже догадались, – это принцип обратной связи.

Этот принцип играет важную роль также и в отношениях между людьми, которые изучают психологи и социологи.  

С точки зрения кибернетики взаимодействие между управляемым и управляющим объектами рассматривается как информационный процесс. 

Рис. 5. Модель коммуникации с обратной связью.

Цель обратной связи в коммуникации – проверить, совпадает ли отклик на сообщение с ожидаемой реакцией, правильно ли было понятно и интерпретировано сообщение.

В повседневной жизни коммуникация между людьми представляет собой не только обмен информацией. Большое значение имеют действия и эмоции. Эмоции отражают наше отношение к информации и действиям других людей.  

А сейчас, ребята, построим модель взаимоотношений с обратными связями между людьми на примере из повседневной жизни. Кто расскажет, как начинается и развивается дружба и как начинается обычная ссора?  Ожидаемый ответ: Обычно один человек делает что-то хорошее другому, этот другой отвечает добром на добро. Так начинается дружба. Если кто-то делает нечто неприятное другому, и этот другой отвечает злом на зло, то часто возникает ссора и вражда.    

Учитель: Чтобы прояснить развитие ссоры или дружбы, нарисуем модель отношений с обратной связью. Поведение одного человека (А) влияет на чувства и мысли другого человека (Б), чувства и мысли Б влияют на его поведение, которое, в свою очередь, отражается на чувствах и мыслях А. Эти чувства и мыли А вызывают у него желание действовать соответствующим образом. И так по кругу.

Рис. 6. Модель коммуникации с обратной связью.

Итак, мы убедились, что обратная связь может создавать и поддерживать как хорошие так и плохие  отношения между людьми. Кто скажет, что нужно сделать, чтобы дружба крепла, а ссора прекратилась?

Ожидаемый ответ: Дружбу нужно поддерживать, вызывая своими поступками положительные эмоции, а ссору можно закончить, прекратив вызывать отрицательные эмоции своим поведением и словами.  

Учитель: Правильно. Чтобы прекратить ссору, нужно разорвать «порочный круг», то есть постараться понять другого человека, простить его и не отвечать на зло злом.

V. История 

Тема: Первая и Вторая мировые войны.

Учитель: Еще в начале зарождения кибернетики Норберт Винер утверждал, что обратная связь – это важнейший компонент моделирования не только живых организмов, но также и социальных систем. В книге «Кибернетика» он писал: «Не подлежит сомнению, что социальная система является организационной структурой, … она обладает динамикой, в которой круговые процессы типа обратной связи играют важную роль». (Ф.Капра. Стр. 79)

Вопрос: Можно ли говорить, что механизмы обратных связей имеют место и в отношениях между странами? 

Ожидаемый ответ учащихся: Думаем, что можно.

Учитель: Как вы думаете, почему известный российский историк В.О.Ключевский писал: «История ничему не учит, а только наказывает за незнание предмета»?

Ответ учащихся:…???  

Учитель: Попробуем вместе обнаружить механизмы обратных связей, рассмотрев события Первой и Второй мировой войн.  

Как мы знаем из курса истории, Первая мировая война началась 1 августа 1914 года. Она продолжалась более 4 лет (закончилась 11 ноября 1918 года), в ней участвовало 38 государств, на ее полях сражалось свыше 74 млн. человек, из которых 10 млн. было убито и 20 млн. искалечено. Как мы видим, эта война принесла много бед. Пострадали и нападающая сторона, и оборонявшаяся.

Скажите пожалуйста, каковы были цели стран-участниц в Первой мировой войне 1914 - 1918гг?

Правильный ответ:   

1. Германия : колонии, лидерство на большей части Европы., контроль над Ближним Востоком : т.е. практически мировое господство.

2. Австро-Венгрия : контроль над Балканами => контроль над движением судов в Адриатическом море.

3.  Англия : ослабить Германию => захват германской колонии на Среднем Востоке; ослабить Турцию => раздел Турции и захват ее колоний.

4. Франция : ослабить Германию, вернуть Эльзас и Лотарингию (земли); захватить Саарский угольный бассейн, претендует на роль гегемона в Европе.

5. Россия : усиление влияния на Балканах ( путем ослабления влияния Германии  на Турцию ) .

6. Турция : оставить под своим влиянием Балканы, захватить Крым и Иран ( сырьевая база ).

7. Италия : господство на Средиземном море и Юге Европы.

Учитель: Теперь вспомним, каковы были цели стран-участниц во Второй мировой войне?

Правильный ответ учащихся: Цели стран-участниц во Второй мировой войны были сходны с целями Первой мировой воны.

Подробный ответ: 

Цели Германии в развязывании Второй мировой войне:
1. Ликвидация СССР и социализма, как государства, системы и идеологии. Колонизация страны. Уничтожение 140 млн. «лишних людей и народов».
2. Ликвидация демократических государств Западной Европы, лишение их национальной независимости и подчинение Германии.
3. Завоевании мирового господства. Предлог агрессии - неминуемая угроза нападения со стороны СССР.

Цели СССР определились в ходе войны:
1. Защита свободы и независимости страны и социалистических идей.
2. Освобождение порабощенных фашизмом народов Европы.
3. Создание демократических или социалистических правительств в соседних странах.
4. Ликвидация германского фашизма, прусского и японского милитаризма.

Учитель: Хорошо. Теперь выделим вместе самые основные цели государств, развязавших эти войны.

Ответы учащихся: …  

Учитель: Действительно, главные цели любых захватчиков – это завоевание чужих территорий, обретение колоний, ослабление других государств, усиление собственного влияния и достижение мирового господства, ведущие к обогащению страны-захватчика.  

А теперь подумаем, что в результате каждой из войн получили страны, развязавшие их?

Ожидаемый ответ: И Первая и Вторая мировые войны превратились в глобальные вооруженные конфликты, поставившие на грань уничтожения цивилизацию. Погибли десятки миллионов людей, еще больше искалечено, многие города разрушены, экономика большинства воевавших стран была подорвана.

Учитель:  Несмотря на эти страшные итоги Второй мировой войны, поставившие на грань уничтожения цивилизацию, они заставили активизироваться ее жизнеспособные силы. Стала действенной структура мирового сообщества – Организации Объединенных Наций (ООН), противостоящей имперским амбициям отдельных государств. Прошли Нюрнбергский и Токийский процессы, осудившие фашизм, тоталитаризм, наказавшие главарей преступных режимов. Были приняты международные пакты о запрете на производство, распространение и применение оружия массового поражения и т. д.

Все это так. Однако, к сожалению, все это не вернет погибших людей, не облегчит страдания многих народов, не полного вернет доверия стран друг к другу. 

Мы с сегодня говорили о том, что в отношениях между людьми обратная связь может создавать и поддерживать как хорошие, так и плохие отношения. То же получается и в отношениях между странами. Страны- захватчики, забыв уроки Первой мировой, позволили фашисткой клики развязать Вторую.  Можно сказать, что война пошла по второму кругу в результате усиливающей обратной связи.

Рисунок 6. Модель непрекращающихся войн с усиливающей обратной связью.

Вопрос: Что должны были предпринять правители стран-захватчиков по итогам Первой мировой войны,  чтобы она осталась  в памяти всех народов Европы не только Первой, но и Последней?  

Ответ очевиден: Руководители, политологи и социологи этих стран должны были провести анализ целей войны, способов их достижения и полученных результатов. Сопоставить полученные данные, сделать соответствующие выводы и донести их до народа. Говоря школьным языком, должны были провести «работу над ошибками». Эта работа над ошибками и была бы обратной связью, которая не позволила бы фашисткой Германии начать Вторую мировую войну.

Информационная модель самой эффективной обратной связи в данном случае должна выглядеть следующим образом.

Рис... Уравновешивающая петля обратной связи, направленная на мирное решение экономических проблем.    

Заключение: Думается, что теперь мы с полной уверенностью можем сказать, что понимание регулирующей роли механизма обратных связей в работе любых систем очень полезно. Умение использовать эти знания позволит не только правильно понимать сложную деятельность живого организма и создавать эффективные искусственные приборы и механизмы. Понимание принципа обратных связей позволит провести «работу над ошибками» и в личных отношениях, и при анализе глобальных исторических процессов. Такая работа над ошибками дает возможность не повторять ни свои, ни чужие ошибки. Что и будет для нас самой правильной и выгодной обратной связью с окружающим миром. 

Литература и источники

1. Информатика и ИКТ: Учебник 9 класс. Семакин И.Г., Залогова Л.А., Русаков С.В., Шестакова Л.В.
2. Биология: Человек. 8 кл. : учебник / Н.И.Сонин, М.Р.Сапин. – М. : Дрофа, 2014. – 302, [2] с.
3. Физика. 10 класс. Учебник. Механика, термодинамика и молекулярная физика. Анциферов Л.И. (Глава 33. Тепловые двигатели.)
4. Сайт Школа ТРИЗ - http://triz.natm.ru/sistem/sis_01.htm
5. Ф.Капра. Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем. Пер. с англ. Под ред. В.Г.Тридиса. – К. София; М.: ИД. «Гелиос», 2002. – 336 с. (Глава 4. Логика разума. Обратные связи)

ПРИМЕРЫ  ЛИНЕЙНОГО И НЕЛИНЕЙНОГО АЛГАРИТМОВ.  

ИЗ УЧЕБНИКА «ИНФОРМАТИКА-БАЗОВЫЙ КУРС», 9 КЛАСС, СЕМАКИНА И., ЗАЛОГОВОЙ Л., РУСАКОВА С., ШЕСТАКОВОЙ Л.

1. Первоклассник пришёл домой и увидел, что мама оставила ему записку с информацией о том, как разогреть обед:

- открой холодильник,

- достань из холодильника жёлтую кастрюлю,

- поставь кастрюлю на газовую плиту,

- зажги газ,

- подожди 5 минут,

- выключи газ,

- налей из кастрюли суп в тарелку.

К какому типу относится данный алгоритм (с обратной связью или без обратной связи?) Поясните свой ответ.

2. Внесите изменения в алгоритм, приведённый в задаче 2, таким образом, чтобы мама предусмотрела следующие ситуации, когда: а) в холодильнике две жёлтых кастрюли, б) дома нет спичек и нечем зажечь газ, в) газ вообще отключен из-за аварии, г) часы остановились.