Моделирование как метод познания. Метод моделирования и его значение при разработке новых технологий и конструкций

Моделирование (в широком смысле) – основной метод исследований во всех областях знаний, в различных сферах человеческой деятельности .

Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности. Элементы моделирования использовались с самого начала появления точных наук, и не случайно, некоторые математические методы носят имена таких великих ученых, как Нью-тон и Эйлер, а слово «алгоритм» происходит от имени средневекового арабского ученого Аль-Хорезми .

Постепенно моделирование захватывало все новые области научных знаний: техническое конструирование, строительство и архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. 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. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки принес методу моделирования ХХ век. В конце 40-х начале 50-х годов ХХ века бурное развитие методов моделирования было обусловлено появлением ЭВМ (компьютеров), которые избавили ученых, исследователей от огромной по объему рутинной вычислительной работы. Компьютеры первого и второго поколений использовались для решения вычислительных задач, для инженерных, научных, финансовых расчетов, для обработки больших объемов данных. Начиная с третьего поколения, область применения ЭВМ включает и решение функциональных задач: это обработка баз данных, управление, проектирование. Современный компьютер – основное средство решения любых задач моделирования.

Приведем основные понятия, связанные с моделированием ,,.

Объект (от лат. objectum – предмет) исследования – все то, на что направлена человеческая деятельность.

Модель (объекта - оригинала) (от лат. modus – «мера», «объем», «образ») – вспомогательный объект, отражающий наиболее существенные для исследования закономерности, суть, свойства, особенности строения и функционирования объекта-оригинала.

Первоначальное значение слова «модель» 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.

В настоящее время термин «модель» широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений. В этом учебнике рассматриваются только такие модели, которые являются инструментами получения знаний.

Моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его моделью и на работе с ней (вместо объекта).

Теория моделирования – теория замещения объекта-оригинала его моделью и исследования свойств объекта на его модели.

Как правило, в качестве объект моделирования выступает некоторая система.

Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. В выделено 15 основных системных свойств, среди которых: эмергентность (эмерджентность); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность; бесконечность; эргатичность.

Свойства систем:

1. Эмерджентность (эмергентность). Это системное свойство, согласно которому результат поведения системы дает эффект, отличный от «сложения» (независимого соединения) любым способом результатов поведения всех входящих в систему «элементов». Иными словами, согласно этой особенности системы ее свойства не сводятся к совокупности свойств частей, из которых она состоит, и не выводятся из них.

2. Свойство цельности, целевости. Система всегда рассматривается как нечто целое, цельное, относительно обособленное от окружающей среды.

3. Свойство структурированности. Система имеет части, целесообразно связанные между собой и средой.

4. Свойство целостности. В отношении к другим объектам или с окружающей средой система выступает как нечто неразделимое на взаимодействующие между собой части.

5. Свойство подчиненности цели. Вся организация системы подчинена некоторой цели или нескольким различным целям.

6. Свойство иерархичности. Система может иметь несколько качественно разных уровней строения, несводимых один к другому.

7. Свойство бесконечности. Невозможность полного познания системы и ее всестороннего представления любым конечным множеством моделей, в частности, описаний, качественных и количественных характеристик и т.д.

8. Свойство эргатичности. Система, имеющая части, может в качестве одной из своих частей включать человека.

По сути, под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей объекта (системы). 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.

Гипотеза – определенное предсказание (предположение), основывающееся на опытных данных, наблюдениях ограниченного объема, догадках. Проверка выдвигаемых гипотез может быть проведена в ходе специально поставленного эксперимента. При формулировании и проверке правильности гипотез большое значение в качестве метода суждения имеет аналогия.

Аналогией называют суждение о каком-либо частном сходстве двух объектов. Современная научная гипотеза создается, как правило, по аналогии с проверенными на практике научными положениями. Таким образом, аналогия связывает гипотезу с экспериментом.

Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью вспомогательных объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом, и с помощью которого изучает интересующий его объект.

В самом общем случае при построении модели исследователь отбрасывает те характеристики, параметры объекта-оригинала, которые несущественны для изучения объекта. Выбор характеристик объекта-оригинала, которые при этом сохраняются и войдут в модель, определяется целями моделирования. Обычно такой процесс абстрагирования от несущественных параметров объекта называют формализацией. Более точно, формализация – это за-мена реального объекта или процесса его формальным описанием.

Основное требование, предъявляемое к моделям – это их адекватность реальным процессам или объектам, которые замещает модель.

Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей – мощное орудие познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим (а иногда и единственным) способом их изучения часто является построение и исследование модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода. Более конкретно, необходимость использования метода моделирования определяется тем, что многие объекты (системы) непосредственно исследовать или вовсе невозможно, или же это исследование требует слишком много времени и средств.

Модель - формализованное представление реального объекта, процесса или явления, выраженное различными средствами: математическим соотношением, числами, текстами, графиками, рисунками, словесным описанием, материальным объектом. Модель должна отражать существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Цели моделирования:

1. Понять сущность изучаемого объекта;

2. Научиться управлять объектом и определять наилучшие способы управления;

3. Прогнозировать прямые или косвенные последствия;

4. Решать прикладные задачи.

2. Классификация и формы представления моделей

В зависимости от поставленной задачи, способа создания модели и предметной области различают множество типов моделей:

· По области использования выделяют учебные, опытные, игровые, имитационные, научно-исследовательские модели.

· По временному фактору выделяют статические и динамические модели.

· По форме представления модели бывают математические, геометрические, словесные, логические, специальные (ноты, химические формулы и т.п.).

· По способу представления модели делят на информационные (нематериальные, абстрактные) и материальные. Информационные модели, в свою очередь, делят на знаковые и вербальные, знаковые – на компьютерные и некомпьютерные.

Информационная модель – это совокупность информации, характеризующая свойства и состояние объекта, процесса или явления.

Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме.

Знаковая модель - информационная модель, выраженная специальными знаками, то есть средствами любого формального языка.

Математическая модель – система математических соотношений, описывающих процесс или явление.

Компьютерная модель - математическая модель, выраженная средствами программной среды.

Опытные модели– это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Их называют также натурными и используют для исследования объекта и прогнозирования его будущих характеристик.

Научно-технические модели создают для исследования процессов и явлений.

Имитационные модели не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперимент либо много­кратно повторяется, чтобы изучить и оценить последствия каких-либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами, но поставленными в разные условия. Подобный метод выбора правильного решения называется методом проб и ошибок.

Статическая модель – это как бы одномоментный срез информации по объекту.

Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во вре­мени.

Как видно из примеров, один и тот же объект, возможно, изучать, применяя и статическую и динамическую модели.

Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение.

Информационные модели нельзя потрогать или увидеть воочию, они не имеют материального воплощения, потому что они строятся только на информации. В основе этого метода моделирования лежит информационный подход к изучению окружающей действительности.

Тема 1. Моделирование как метод познания

План:

1. Модель, моделирование

2. Классификация моделей. Материальные и информационные модели

1.Модель, моделирование

У американского писателя-фантаста Рея Брэдбери есть рассказ «И грянул гром». В нем повествуется о фирме, организующей путешествия на 60 миллионов лет в прошлое. Все посетители прошлого должны передвигаться только по специально проложенной тропе, ибо один неосторожный шаг уже способен нарушить последу­ющую Историю. Устами одного из служащих фирмы это описано так:

«Допустим, мы случайно убили здесь мышь. Это значит, что всех будущих потомков этой мыши не будет... Вы уничтожите не одну, а миллион мышей... А как с лисами, для питания которых нужны были именно эти мыши? Не хватит десяти мышей - умрет одна лиса. Десятью лисами меньше - подохнет от голода лев... И вот итог: через 59 миллионов лет пещерный человек, один из дюжины, населяющей весь мир, выходит на охоту за кабаном или саблезубым тигром. Но вы, раздавив одну мышь, раздавили всех тигров в этих местах. И пещерный чело­век умирает от голода... Это смерть миллиарда его потомков. Может быть, Рим не появится на своих семи холмах...»

Напрасно один из героев рассказа умолял вернуть его на 60 миллионов лет назад, чтобы оживить случайно раздавленную им бабочку. Он оказался уже совсем в иной Истории и погиб.

Это, конечно, всего лишь фантастика, сказка, смоделированная автором ситуа­ция, но в ней намек всем нам, как осторожны должны мы быть в нашем общении с природой. Как часто наши решения оказываются непродуманными: то мы вдруг решаем уничтожить всех волков, якобы приносящих только вред, то заселяем весь материк кроликами (так случилось в Австралии) и потом не знаем, как от них избавиться. Каждый раз хочется вернуться в тот роковой миг и сделать более пра­вильный, как нам кажется, шаг. Но это, увы, невозможно - нет такой машины времени, которая перенесла бы нас в прошлое.

Есть, однако, «машина времени», позволяющая заглянуть в будущее, проана­лизировать, смоделировать процесс, ситуацию, - это наука.

Рассмотрим пример из жизни. В 1870 г. английское Адмиралтейство спустило на воду новый броненосец «Кэптен». Корабль вышел в море и перевернулся. Погиб корабль, погибли 523 человека.

Это было совершенно неожиданно для всех. Для всех, кроме одного человека. Им был английский ученый-кораблестроитель В. Рид, который предварительно провел исследования на модели броненосца и установил, что корабль опрокинется даже при небольшом волнении. Но ученому, проделывающему какие-то «несерьез­ные» опыты с «игрушкой», не поверили лорды из Адмиралтейства. И случилось непоправимое.

С различными моделями мы сталкиваемся еще в раннем детстве: игрушечный автомобиль, самолет или кораблик для многих были любимыми игрушками, равно как и плюшевый медвежонок или кукла. Дети часто моделируют (играют в кубики, обыкновенная палка им заменяет коня и т. д.).

В развитии ребенка, в процессе познания им окружающего мира такие игруш­ки, являющиеся, по существу, моделями реальных объектов, играют важную роль. В подростковом возрасте для многих увлечение авиамоделированием, судомоделированием, собственноручным созданием игрушек, похожих на реальные объекты, оказывает влияние на выбор жизненного пути. Модели и моделирование используются человечеством давно. По сути, именно модели и модельные отношения обусловили появление разговорных языков, пись­менности, графики. Наскальные изображения наших предков, затем картины и книги - это модельные, информационные формы передачи знаний об окружаю­щем мире последующим поколениям.

Попробуем разобраться в том, что такое модель.

Казалось бы, что общего между игрушечным корабликом и рисунком на экране компьютера, изображающим сложную математическую абстракцию? И все же об­щее есть: и в том, и в другом случае мы имеем образ реального объекта, представ­ляющий собой «заместитель» некоторого оригинала, воспроизводящий оригинал с той или иной степенью достоверности или детализации. Другими словами: модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования.

Практически во всех науках о природе (живой и неживой) и обществе постро­ение и использование моделей являются мощным орудием познания. Реальные объек­ты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения является такой: построить модель, отображающую лишь какую-то грань реальности и потому несравнимо более простую, чем эта реальность, и исследовать сначала эту модель. Многовековой опыт развития науки доказал на практике пло­дотворность такого подхода. Модель - неоценимый и бесспорный помощник ин­женеров и ученых.

Приведем несколько примеров, поясняющих, что такое модель.

Архитектор готовится построить здание невиданного доселе типа. Но прежде чем воздвигнуть его, он сооружает это здание из кубиков на столе, чтобы посмот­реть, как оно будет выглядеть. Это модель здания.

Для того чтобы объяснить, как функционирует система кровообращения, лек­тор демонстрирует плакат со схемой, на которой стрелочками изображены направ­ления движения крови. Это модель функционирования системы кровообращения.

На стене висит картина, изображающая яблоневый сад в цвету. Это модель яблоневого сада.

Литературный жанр, такой, как басня или притча, имеет непосредственное отношение к понятию модели, поскольку смысл этого жанра состоит в переносе отношений между людьми на отношения между животными.

Попытаемся понять, какова роль моделей в приведенных примерах.

Конечно, архитектор мог бы построить здание без предварительных экспери­ментов с кубиками. Но он не уверен, что здание будет выглядеть достаточно хоро­шо. Если оно окажется некрасивым, то многие годы будет немым укором своему создателю. Лучше уж поэкспериментировать с кубиками.

Разумеется, лектор мог бы воспользоваться для демонстрации подробным ана­томическим атласом. Но подобная степень детализации ему совершенно не нужна при изучении системы кровообращения. Более того, она мешает изучению, так как не дает сосредоточиться на главном. Гораздо эффективнее воспользоваться плакатом.

Естественно, гуляя в благоухающем яблоневом саду, можно получить богатей­шие эмоциональные впечатления. Но если мы живем на Крайнем Севере и у нас нет возможности увидеть яблоневый сад в цвету, можно посмотреть на картину и представить этот сад.

Во всех перечисленных примерах имеет место сопоставление некоторого объек­та с другим, его заменяющим: реальное здание - постройка из кубиков; система кровообращения - схема на плакате; яблоневый сад - картина, его изображающая.

Итак, дадим следующее определение модели:

Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные черты этого оригинала.

Или можно сказать другими словами: модель - это упрощенное представле­ние о реальном объекте, процессе или явлении.

Модель позволяет научиться правильно управлять объектом посредством апро­бации различных вариантов управления на модели этого объекта. Экспериментиро­вать в этих целях с реальным объектом в лучшем случае бывает неудобно, а как правило, просто вредно или вообще невозможно в силу ряда причин (большой про­должительности эксперимента во времени, риска привести объект в нежелательное и необратимое состояние и т. п.)

Итак, сделаем выводы: модель необходима, для того чтобы:

Понять, как устроен конкретный объект - каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;

Научиться управлять объектом или процессом и определять наилучшие спосо­бы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);

Прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных спосо­бов и форм воздействия на объект.

Никакая модель не может заменить само явление, но при решении задачи, когда нас интересуют определенное свойство изучаемого процесса или явления, модель ока­зывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования, познания.

Моделированием называется как процесс построения модели, так и процесс изучения строения и свойств оригинала с помощью построенной модели.

Технология моделирования требует от исследователя умения определять про­блемы и ставить задачи, прогнозировать результаты исследования, проводить разум­ные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моде­лей, выбирать аналогии и математические формулировки, решать задачи с исполь­зованием компьютерных систем, проводить анализ компьютерных экспериментов.

Навыки моделирования очень важны для человека в его повседневной деятель­ности. Они помогают разумно планировать распорядок дня, учебу, труд, выбирать оптимальные варианты при наличии выбора, удачно разрешать различные жиз­ненные проблемы.

Материальным (предметным, физическим) принято называть моделиро­вание, при котором реальному объекту сопоставляется его увеличенная или уменьшенная копия, допускающая исследование (как правило, в лабораторных условиях) с помощью последующего перенесения свойств изучаемых процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия.

Примеры: в астрономии - планетарий, в архитектуре - макеты зданий, в самолетостроении - модели летательных аппаратов.

От материального моделирования принципиально отличается идеальное моде­лирование, которое основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на идеальной, мыслительной.

18.1 Классификация и формы представления моделей

Моделирование - исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

Модель - объект произвольной природы, который отражает главные, с точки зрения решаемой задачи, свойства объекта моделирования.

Моделирование - создание, применение, использование модели.

Главные функции модели - упрощение получения информации о свойствах объекта; передача информации и знаний; управление и оптимизация объектами и процессами; прогнозирование; диагностика.

18.1.1. Виды моделирования

Пример научного моделирования. Схема химических процессов и процессов переноса в атмосфере.

В силу многозначности понятия «модель» в науке и технике не существует единой классификации видов моделирования: классификацию можно проводить по характеру моделей, по характеру моделируемых объектов, по сферам приложения моделирования (в технике, физических науках, кибернетике и т. д.). Например, можно выделить следующие виды моделирования:

* Информационное моделирование

* Компьютерное моделирование

* Математическое моделирование

* Математико-картографическое моделирование

* Молекулярное моделирование

* Цифровое моделирование

* Логическое моделирование

* Педагогическое моделирование

* Психологическое моделирование

* Статистическое моделирование

* Структурное моделирование

* Физическое моделирование

* Экономико-математическое моделирование

* Имитационное моделирование

* Эволюционное моделирование

18.1.2. Процесс моделирования

Процесс моделирования включает три элемента:

* субъект (исследователь),

* объект исследования,

* модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.

Первый этап построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обусловливаются тем, что модель отображает (воспроизводит, имитирует) какие-либо существенные черты объекта-оригинала. Вопрос о необходимой и достаточной мере сходства оригинала и модели требует конкретного анализа. Очевидно, модель утрачивает свой смысл как в случае тождества с оригиналом (тогда она перестает быть моделью), так и в случае чрезмерного во всех существенных отношениях отличия от оригинала. Таким образом, изучение одних сторон моделируемого объекта осуществляется ценой отказа от исследования других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть построено несколько «специализированных» моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.

На втором этапе модель выступает как самостоятельный объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение "модельных" экспериментов, при которых сознательно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о ее «поведении». Конечным результатом этого этапа является множество (совокупность) знаний о модели.

На третьем этапе осуществляется перенос знаний с модели на оригинал - формирование множества знаний. Одновременно происходит переход с «языка» модели на «язык» оригинала. Процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели.

Четвертый этап - практическая проверка получаемых с помощью моделей знаний и их использование для построения обобщающей теории объекта, его преобразования или управления им.

Моделирование - циклический процесс. Это означает, что за первым четырехэтапным циклом может последовать второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта или ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах.

Сейчас трудно указать область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов человека, жизнедеятельности Азовского моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование.

Модель - описание объекта (предмета, процесса или явления) на каком-либо формализованном языке, составленное с целью изучения его свойств. Такое описание особенно полезно в случаях, когда исследование самого объекта затруднено или физически невозможно. Чаще всего в качестве модели выступает другой материальный или мысленно представляемый объект, замещающий в процессе исследования объект-оригинал. Соответствие свойств модели исходному объекту характеризуется адекватностью. Процесс построения и исследования модели называется моделированием.

Таким образом, модель выступает как своеобразный инструмент для познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект.

Модель представляет собой отображение одного множества объектов (явлений) на другое. Например, набор нуклеотидов генома является отображением модели среды их существования на геном.

Предметные модели. Обычно являются уменьшенной копией оригинала. Примеры:

* Глобус как модель Земли

* Игрушечный автомобиль как модель настоящего

Информационные модели. Являются описанием объекта естественным языком (вербальная или словесная модель) и формальными системами представления информации (математические, программные и др. модели)

18.1.3. Виды моделей

Статические : модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). Примеры моделей: классификация животных, строение молекул, список посаженных деревьев, отчет об обследовании состояния зубов в школе и тд.

Динамические : модели, описывающие процессы изменения и развития системы (изменения объекта во времени). Примеры: описание движения тел, развития организмов, процесс химических реакций.

Функальные .

Концептуальные .

Топологические .

Информационные .

Логико-лингвистические .

Семантические .

Теоретико-множественные .

Физические : Физическая модель представляет собой аналоговую модель, в которой между параметрами объекта и модели одинаковой физической природы существует однозначное соответствие. В этом случае элементом системы ставятся в соответствие физические эквиваленты, воспроизводящие структуру, основные свойства и соотношения изучаемого объекта. При физическом моделировании, основой которого является теория подобия, сохраняются особенности проведения эксперимента в натуре с соблюдением оптимального диапазона изменения соответствующих физических параметров моделей.

Экономические .

Математические : в виде различных уравнений или систем уравнений.

18.2. Информационная модель объекта

Информация об объекте представляется в виде данных: вид объекта или класс принадлежности, его размеры, цвет, вес и ряд других свойств, - все это может быть представлено в формализованном виде, точнее, в виде отдельной записи некоторой базы данных.

Любая информационная система должна отображать те или иные стороны окружающего нас реального мира или, как иногда говорят, проблемной или предметной области. Мы воспринимаем окружающий мир состоящим из объектов, которые человек, по совокупности определенных достаточно устойчивых свойств, группируют в наборы (классы) объектов, которым он присваивает имя. Например, в реальном мире есть конкретные собаки, но нет собаки "вообще". Понятие "собаки" описывает целый класс в каком-то смысле однородных реальных объектов.

Проблемная среда изменяется со временем, что выражается в изменении свойств объектов, возникновении новых и исчезновении старых объектов. Эти изменения происходят в результате событий. Временная последовательность событий образует процесс.

Всякая информационная система имеет дело не с самими объектами, как реальными сущностями, а с их знаковыми отображениями-идентификаторами. Главная функция знака-идентификатора – отличить объект в группе однородных объектов. Идентификатор объекта, вообще говоря, может не нести никакой информации о свойствах объекта или, что то же самое, об его принадлежности к тому или иному классу.

Например, 11591 – табельный номер служащего – является числовым идентификатором. Этот идентификатор не описывает свойства, их приходится задавать дополнительно.

Более полно объект описывается записью об объекте, которая обычно состоит из идентификатора объекта-знака, позволяющего отличить один объект от другого среди однородных объектов, и идентификаторов (значений) свойств (атрибутов). Например, запись о служащем некоторой организации имеет табельный номер служащего в качестве идентификатора и такие элементы данных, как должность, заработная плата, льготы и т.д., рассматриваемые как идентификаторы (значения) свойств служащего.

Следует подчеркнуть, что понятие объекта и свойства относительны. Если речь идет о служащем, то естественно понимать должность как свойство служащего. Но если речь идет о должности, например, в смысле должностных инструкций, то уже сама должность выступает в качестве объекта, который может иметь свойства. В частности, табельный номер служащего может рассматриваться как свойство должности.

Поэтому при информационном отображении предметных сред можно (а иногда и нужно) говорить не об объектах и их свойствах, а об отношениях объектов, ибо в этом случае все идентификаторы в записи можно рассматривать симметрично, а не в ориентации на один специально выделенный объект. Это соответствует так называемой реляционной точке зрения на базу данных.

При информационном отображении реального мира весьма важно, в каких количественных пропорциях могут осуществляться отношения объектов. Четкое понимание того, к какой категории относится отношение объектов, позволяет сделать заключение о возможном характере связи между соответствующими данными. Важно подчеркнуть, что характер отношений одних и тех же объектов не есть нечто застывшее. Оно может изменяться и тогда изменится характер связей между элементами данных, который может оказать существенное влияние на структуру банка данных, как логическую, так и физическую. Усложнение характера связей между данными делает более сложными программы их обработки.

Цель: сформировать у учащихся понятие моделирования как метода познания; рассмотреть формы представления моделей.

Тип урока: урок объяснения нового материала и первичного закрепления знаний.

Задачи урока:

• Обучающие :
  • применение теоретических знаний на практике; организация деятельности учащихся по
  • изучению и первичному закреплению способов действий.
• Развивающие :
  • помощь учащимся в осознании социальной и практической значимости учебного материала;
  • обеспечение развития у школьников умений сравнивать и классифицировать познавательные объекты;
  • создание условий для развития у школьников умения работать во времени.
• Воспитывающие :
  • осуществление эстетического воспитания;
  • способствовать обогащению внутреннего мира школьников.

Требования к знаниям и умениям:

• Учащиеся должны знать :
  • основные понятия «модель», «моделирование»;
  • виды моделей.
• Учащиеся должны уметь :
  • приводить примеры различных моделей;
  • знать отличительные признаки различных моделей.

Методы:

• информационный (словесный);
• наглядный;
• иллюстративный;
• репродуктивный.

Формы организации учебной деятельности: фронтальная, индивидуальная.

Программно-дидактическое обеспечение: ПК, программы Power Point и Excel, авторская презентация по данной теме (используется в качестве сопроводительного материала лекции учителя) электронный тест (авторская разработка), проектор, навесной экран, памятка (Приложение 5 )

Этапы урока:

• постановка цели урока и мотивация учебной деятельности;
• объяснение нового материала, сопровождающееся электронным пособием;
• воспроизведение и коррекция опорных знаний;
• обобщение и систематизация понятий для выполнения практической работы;
• электронное тестирование учащихся;
• подведение итогов;
• разноуровневое домашнее задание.

ХОД УРОКА

I. Постановка целей урока

1. Детская игрушка, часы на стене, глобус, кристаллическая решетка, формула квадратного уравнения – это все модели. Как можно назвать такие разные понятия одним словом?
2. Существует огромное количество моделей. Как понять к какому типу они относятся? Как отличить их по разным признакам?

II. Изложение нового материала

1. Моделирование

Объяснение материала сопровождается показом электронного пособия, созданного учителем (Приложение 1 , слайд 2)

– В своей деятельности человек очень часто использует модели окружающего мира. Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия: очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы. (Приложение 1 , слайд 3)

Наглядные модели часто используются в процессе обучения. В курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель – глобус, в курсе физики изучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем модели молекул и кристаллических решеток, в биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам. (Приложение 1 , слайд 4)

Модели играют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании различных технических устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т. д. Без предварительного создания чертежа невозможно изготовить даже простую деталь, не говоря уже о сложном механизме.

В процессе проектирования зданий и сооружений кроме чертежей часто изготавливают макеты. В процессе разработки летательных аппаратов поведение их моделей в воздушных потоках исследуют в аэродинамической трубе.
Разработка электрической схемы обязательно предшествует созданию электрических цепей. (Приложение 1 , слайд 5)

Развитие науки невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов. Создание новых теоретических моделей иногда коренным образом меняет представление человечества об окружающем мире: гелиоцентрическая система мира Коперника, модель атома Резерфорда-Бора, модель расширяющейся Вселенной, модель генома человека. (Приложение 1 , слайд 6)

Все художественное творчество фактически является процессом создания моделей. Например, такой литературный жанр, как басня, переносит реальные отношения между людьми на отношения между животными и фактически создает модели человеческих отношений.

Практически любое литературное произведение может рассматриваться как модель реальной человеческой жизни. Моделями, в художественной форме отражающими реальную действительность, являются также живописные полотна, скульптуры, театральные постановки и т.д. (Приложение 1 , слайд 7)

Моделирование – это метод познания, состоящий всоздании и исследовании моделей. (Приложение 1 , слайд 8)

Вопрос учащимся: Как Вы думаете, что можно моделировать?

Ответ: Объекты, явления, процессы, поведение.

Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследования свойства.
Например : В процессе исследования аэродинамических качеств модели самолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическое подобие оригинала, но не важен, например, ее цвет.

Разные науки исследуют объекты и процессы под разными углами зрения и строят различные типы моделей. В физике изучаются процессы взаимодействия и изменения объектов, в химии – их химический состав, в биологии – строение и поведение живых организмов и так далее.

Возьмем в качестве примера человека: в разных науках он исследуется в рамках различных моделей. В рамках механики его можно рассматривать как материальную точку, в химии – как объект, состоящий из различных химических веществ, в биологии – как систему, стремящуюся к самосохранению.

Модель – это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса .

Для закрепления выполним задание 1. (Приложение 2 )

География, военное дело, судоходство невозможны без информационных моделей поверхности Земли в виде карт. Различные типы географических карт (политические, физические и пр.) представляют информационные модели, отражающие различные особенности земной поверхности, то есть один и тот же объект отражают несколько моделей.

С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью. Так, в механике различные материальные тела (от планеты до песчинки) могут рассматриваться как материальные точки.

Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью. (Приложение 1 , слайд 10)

Конечно, никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас интересуют определенные свойства изучаемого объекта, модель оказывается иногда единственным инструментом исследования.

Формы представления моделей

Как мы убедились, существует огромное количество объектов моделирования. Для того чтобы ориентироваться в их многообразии, необходимо их все классифицировать, то есть упорядочить, систематизировать.

Классификация по способу представления:

Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели информационные. (Приложение 1 , слайд 11)

Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи, модели кристаллических решеток, макеты зданий и сооружений и др.).
Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме .
Образная модель – это модель в мысленной или разговорной форме.
Знаковая модель – это модель, выраженная средствами формального языка (графики, таблицы, тексты и т.д.). (Приложение 1 , слайд 12)
Образные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в голове человека, может быть облечен в знаковую форму.

Например: Мелодия, родившаяся в голове композитора, будет представлена в виде нот на бумаге.

Вопрос к учащимся: П рограмма, написанная на языке программирования, к какому классу относится эта модель? (Приложение 1 , слайд 13)

На протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, в настоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий. В дальнейшем мы рассмотрим основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере.

III. Закрепление изученного

IV. Домашнее задание: (Приложение 1 , слайд 16)

Уровень знания: выучить определения основных терминов и понятий.

5.3, 5.4 Н.Угринович «Информатика и информационные технологии».

Творческий средний уровень: создать любую предметную модель.

Творческий повышенный уровень: создать иерархическую информационную модель своей семьи (родословную), начиная с себя.

Использованная литература :

1. Н.Угринович “Информатика и информационные технологии”, Москва, Бином, Лаборатория знаний, 2003;
2. «Информатика». Приложение к 1 сентября журнала «Информатика»