Конспект урока «Основные этапы моделирования» по информатике

Конспект урока информатики

по теме «Основные этапы моделирования»

Тема: Основные этапы моделирования

Цель:

Образовательная: познакомить студентов с основными этапами моделирования; сформулировать основные задачи на каждом этапе моделирования; научить обобщать материал и выделять главное; применять полученные знания на практике;

Развивающая: способствовать развитию логического мышления, памяти;обогащению и усложнению речи, ее словарного запаса;

Воспитательная: способствовать воспитанию информационной культуры, аккуратности, усидчивости, бережного отношения к вычислительной технике; формирование самостоятельности и ответственности при изучении нового материала;

Тип урока: урок изучения нового материала

Методы: объяснительно-иллюстративный

Формы:

• Рассказ

• Демонстрация

• Коллективная и индивидуальная (по количеству учащихся)

Оборудование и наглядность: проектор, мультимедийная презентация

Литература:

• Информатика и информационные технологии. Учебник для 10-11 классов/ Н.Д.Угринович.- 3-е изд .- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 511 с.:ил.

Структура урока:

1. Оргмомент и целеполагание(2мин)

2. Проверка домашнего задания (3мин)

3. Объяснение материала (35мин)

4. Подведение итогов урока (3 мин)

5. Задание домашнего задания (2 мин)

Оформление доски

Дата:__24.11.09_______________

Тема: Основные этапы моделирования

Виды проекционного экрана

Слайд №1

Слайд №4

Слайд №7

Слайд №10

Ход урока

1)Оргмомент и целеполагание: Приветствие и проверка отсутствующих. На прошлых уроках вы познакомились с понятием «моделирование» в информатике. Сегодняшняя наша тема будет являться одновременно новой, но и продолжением старой темы. Но прежде чем познакомиться с ней давайте проверим как вы усвоили материал предыдущей темы.

2)Проверка домашнего задания: Вопросы:

1. Что такое модель?(это некий объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса)

2. Что такое моделирование?(это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей )

3. Виды моделей (предметные(материальные ) и информационные)

3)Объяснение материала:

Поскольку мы занимаемся изучением информатики и компьютерных технологий, то и в моделировании нас интересует ответ на вопрос: как создать компьютерную модель? Представим этот вопрос поэтапно в виде схемы.

При решении конкретной задачи она может уточняться и корректироваться в зависимости от поставленной задачи и цели моделирования.

1. Место моделирования в жизни человека

Итак, какое же место занимает моделирование в деятельности человека?

С понятием “модель” мы сталкиваемся с детства. 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.).

Модели и моделирование используются человечеством давно. С помощью моделей и модельных отношений развились разговорные языки, письменность, графика. Наскальные изображения наших предков, затем картины и книги - это модельные, информационные формы передачи знаний об окружающем мире последующим поколениям.

Технология моделирования требует от исследователя умения ставить корректно проблемы и 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. Для успешной работы исследователю необходимо проявлять активный творческий поиск, любознательность и обладать максимумом терпения и трудолюбия.

2) Прототип моделирования – принятие решений

Прежде чем браться за какую-либо работу, нужно четко представить себе отправной и конечный пункт деятельности, а также примерные ее этапы. То же самое можно сказать и о моделировании. Отправной пункт здесь — прототип. Им может быть существующий или проектируемый объект или процесс. Конечный этап моделирования — принятие решения на основании знаний об объекте.

Цепочка выглядит следующим образом:

Прототип (объект, процесс) Моделирование Принятие решения

3) Этапы постановки задач

Под задачей понимается некая проблема, которую надо решить. На этапе постановки задачи необходимо:

- описать задачу,

- определить цели моделирования,

- формализация задачи

- проанализировать объект или процесс.

Описание задачи.

Задача формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное здесь — определить объект моделирования и понять, что должен представлять собой результат.

Цели моделирования.

- Познание окружающего мира.

Зачем человек создает модели? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть в далекое прошлое. Несколько миллионов лет назад, на заре человечества, первобытные люди изучали окружающую природу, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными благами, просто выживать. Накопленные знания передавались из поколения в поколение устно, позже письменно, наконец с помощью предметных моделей. Так родилась, к примеру, модель земного шара — глобус, — позволяющая получить наглядное представление о форме нашей планеты, ее вращении вокруг собственной оси и расположении материков. Такие модели позволяют понять, как устроен конкретный объект, узнать его основные свойства, установить законы его развития и взаимодействия с окружающим миром моделей.

- Создание объектов с заданными свойствами (задача типа «Как сделать, чтобы...»).

Накопив достаточно знаний, человек задал себе вопрос: «Нельзя ли создать объект с заданными свойствами и возможностями, чтобы противодействовать стихиям или ставить себе на службу природные явления?» Человек стал строить модели еще не существующих объектов. Так родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов, даже обыкновенного зонтика. Многие из этих моделей стали в настоящее время реальностью. Это объекты, созданные руками человека.

- Определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения (задача типа «Что будет, если...»: что будет, если увеличить плату за проезд в транспорте, или что произойдет, если закопать ядерные отходы в такой-то местности?)

Например, для спасения Петербурга от постоянных наводнений, приносящих огромный ущерб, решено было возвести дамбу. При ее проектировании было построено множество моделей, в том числе и натурных, именно для того, чтобы предсказать последствия вмешательства в природу.

- Эффективность управления объектом (или процессом).

Поскольку критерии управления бывают весьма противоречивыми, то эффективным оно окажется только при условии, если будут «и волки сыты, и овцы целы». Например, нужно наладить питание в школьной столовой. С одной стороны, оно должно отвечать возрастным требованиям (калорийное, содержащее витамины и минеральные соли), с другой — нравиться большинству ребят и к тому же быть «по карману» родителям, а с третьей — технология приготовления должна соответствовать возможностям школьных столовых. Как совместить несовместимое? Построение модели поможет найти приемлемое решение.

Формализация – процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков; является этапом перехода от словесного описания связей между признаками объекта к описанию, использующему некоторый формальный язык кодирования.

При формализации модели осуществляется переход от описательной модели к конкретному математическому наполнению. Указывается перечень параметров, которые влияют на поведение объекта – исходные данные, и которые желательно получить – результат. Формализуются зависимости между выделенными параметрами, накладываются ограничения на их допустимые значения.

Как правило, результатом формализации является математическая модель. помимо алгебраических зависимостей, математическая модель может иметь геометрическое или логическое представление. Другими знаковыми формами модели, возможными здесь, являются таблицы, схемы, чертежи и пр. – все, что способствует лучшему представлению задачи.

Анализ объекта.

На этом этапе четко выделяют моделируемый объект, его основные свойства, его элементы и связи между ними. Простой пример подчиненных связей объектов — разбор предложения. Сначала выделяются главные члены (подлежащее, сказуемое), затем второстепенные члены, относящиеся к главным, затем слова, относящиеся к второстепенным, и т. д.м

4) Основные типы задач для моделирования

Это задачи которые предлагаются нам в курсе биологии, химии, физики, математики и т.д.

5) Рекомендации по формализации задачи

При формализации задачи отталкиваются от ее общего описания. Это позволяет четко выделить прототип моделирования и его основные свойства. Как правило, этих свойств довольно много, причем некоторые невозможно описать количественными соотношениями. Кроме того, в соответствии с поставленной целью необходимо выделить параметры, которые известны (исходные данные) и которые следует найти (результаты).

Прототипом моделирования может быть объект, процесс или система. Если моделируется система, производится ее анализ: выявляются составляющие системы (элементарные объекты) и определяются связи между ними. При анализе необходимо также решить вопрос о степени детализации системы.

Формализацию проводят в виде поиска ответов на вопросы, уточняющие общее описание задачи.

Проведем формализацию следующей задачи. Набор текста.

Что моделируется? Объект «текст»

Где взять содержание текста? Имеется в виде черновиках

Каков предполагаемый тип печати? Черно-белая

Каковы параметры текста? Абзацный отступ, правая и левая границы,

гарнитура, размер и начертание шрифта, цвет

(черный)

Что надо получить? Набранный, отредактированный и оформленный

текст

6) Этапы разработки модели(информационная и компьютерная)

- Информационная модель.

На этом этапе выясняются свойства, состояния, действия и другие характеристики элементарных объектов в любой форме: устно, в виде схем, таблиц. Формируется представление об элементарных объектах, составляющих исходный объект, т. е. информационная модель. Модели должны отражать наиболее существенные признаки, свойства, состояния и отношения объектов предметного мира. Именно они дают полную информацию об объекте.

Информационные модели играют очень важную роль в жизни человека.

Знания, получаемые вами в школе, имеют вид информационной модели, цель которой — изучение предметов и явлений.

Информационная модель никогда не характеризует объект полностью. Для одного и того же объекта можно построить различные информационные модели.

- Компьютерная модель

Это модель, реализованная средствами программной среды.

7) Этапы компьютерного эксперимента

- планирование

- тестирование

- проведение исследований

Чтобы дать жизнь новым конструкторским разработкам, внедрить новые технические решения в производство или проверить новые идеи, нужен эксперимент. Эксперимент — это опыт, который производится с объектом или моделью. Он заключается в выполнении некоторых действий и определении, как реагирует экспериментальный образец на эти действия.

Эксперименты проводят при испытании новых образцов продукции на предприятиях. Обычно для этого используется специально создаваемая установка, позволяющая провести эксперимент в лабораторных условиях, либо сам реальный продукт подвергается всякого рода испытаниям (натурный эксперимент). Для исследования, к примеру, эксплуатационных свойств какого-либо агрегата или узла его помещают в термостат, замораживают в специальных камерах, испытывают на вибростендах, роняют и т. п. Хорошо, если это новые часы или пылесос — не велика потеря при разрушении. А если самолет или ракета?

С развитием компьютерной техники появился уникальный метод исследования — компьютерный эксперимент. В помощь, а иногда и на смену экспериментальным образцам и испытательным стендам во многих случаях пришли компьютерные исследования моделей. Этап проведения компьютерного эксперимента включает две стадии: составление плана эксперимента и проведение исследования.

План эксперимента

План эксперимента должен четко отражать последовательность работы с моделью. Первым пунктом такого плана всегда является тестирование модели.

Тестирование

Процесс проверки правильности построения модели.

Тест — набор исходных данных, позволяющий определить правильность построения модели.Чтобы быть уверенным в правильности получаемых результатов моделирования, надо:

• проверить разработанный алгоритм построения модели;

• убедиться, что построенная модель правильно отражает свойства оригинала, которые учитывались при моделировании.

Для проверки правильности алгоритма построения модели используется тестовый набор исходных данных, для которых конечный результат заранее известен или предварительно определен другими способами.

Чтобы убедиться, что построенная модель отражает свойства оригинала, которые учитывались при моделировании, надо подобрать тестовый пример с реальными исходными данными.

Проведение исследования

После тестирования, когда у вас появилась уверенность в правильности построенной модели, можно переходить непосредственно к проведению исследования.

В плане должен быть предусмотрен эксперимент или серия экспериментов, удовлетворяющих целям моделирования. Каждый эксперимент должен сопровождаться осмыслением итогов, что служит основой анализа результатов моделирования и принятия решений.

8) Анализ результатов моделирования

Конечная цель моделирования — принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа полученных результатов. Этот этап решающий — либо вы продолжаете исследование, либо заканчиваете. Возможно, вам известен ожидаемый результат, тогда необходимо сравнить полученный и ожидаемый результаты. В случае совпадения вы сможете принять решение.

Основой для выработки решения служат результаты тестирования и экспериментов. Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, значит, допущены ошибки на предыдущих этапах. Это может быть либо слишком упрощенное построение информационной модели, либо неудачный выбор метода или среды моделирования, либо нарушение технологических приемов при построении модели. Если такие ошибки выявлены, то требуется корректировка модели, т. е. возврат к одному из предыдущих этапов. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты эксперимента не будут отвечать целям моделирования. Главное, надо всегда помнить: выявленная ошибка — тоже результат.

Показ презентации и запись учащимся материала

1) Описание задачи. (Слайд №2.)

Задача формулируется на обычном языке. Главное здесь – определить объект моделирования и представить конечный результат.

2) Определение целей моделирования.( Слайд №3.)

Прежде всего, необходимо определить цели моделирования в соответствии с поставленной задачей, которые оказывают направляющее влияние на весь процесс моделирования.

3) Разработка информационной модели.( Слайд №4, №5)

Этот этап включает содержательное описание объекта с дальнейшей его формализацией.

Выделяются объекты моделирования, и дается их развернутое содержательное Описание. Описание включает сведения о природе объектов, из зависимости и связи, перечисление свойств и характеристик отдельных объектов и моделируемой системы в целом. Свойства учитываются не все, а лишь те, которые можно считать существенными в зависимости от выбранной цели. В результате выстраивается описательная информационная модель объекта, которую называют вербальной.

4) Разработка компьютерной модели.( Слайд №6.)

На этом этапе формализованная модель преобразуется в компьютерную. Существует множество программных комплексов и сред, которые позволяют проводить построение и исследование моделей. Одну и ту же задачу можно решить, используя различные среды. От выбора программы зависит алгоритм построения компьютерной модели и форма его представления. Это может быть программа, реализуемая в какой-то среде программирования, или последовательность технологических приемов в прикладной среде. Выполняется реализация компьютерной модели по законам выбранной среды.

5) Тестирование модели.( Слайд №7.)

В программировании этот этап состоит из процессов трансляции и отладки программы. В других случаях с целью устранения грубых ошибок используется тестовый набор исходных данных, для которых конечный результат заранее известен. Уже на этапе тестирования может выявиться необходимость изменения исходной модели, прежде всего в той части, где заложено смысловое содержание. Чтобы убедиться, что построенная модель адекватна оригиналу, то есть отражает свойства оригинала, которые учитывались при моделировании, надо подобрать тестовые наборы с реальными разнообразными исходными данными.

6) Исследование модели. (Слайд №8)

Исследование заключается в проведении экспериментов, удовлетворяющих целям моделирования, и накопления результатов. Эксперимент – это опыт, который проводится с объектом или моделью. Он заключается в выполнении некоторых действий, чтобы определить, как реагирует экспериментальный образец на эти действия. Каждый эксперимент должен сопровождаться осмыслением итогов, что служит основой для анализа результатов и принятия решений..

7) Анализ результатов моделирования.( Слайд №9.)

Решающий этап – ответить на вопрос: «Продолжать исследование, либо заканчивать?» Полученные выводы часто способствуют проведению дополнительной серии экспериментов, подчас и изменению задачи. Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. Это может быть:

• Неправильно отобранные существенные свойства объекта;

• Ошибки в формулах на этапе формализации;

• Неудачный выбор метода или среды моделирования;

• Нарушение технологических приемов при построении модели.

Если такие ошибки выявлены, то требуется корректировка модели, то есть возврат к одному из предыдущих этапов. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты эксперимента не будут отвечать целям моделирования.

8) Схема этапов моделирования(Слайд №10)

4) Подведение итогов урока: (Слайд №11)

Итак, наше занятие подходит к концу. Весь материал который вы должны знать по этой теме был мною сегодня изложен. Давайте подведем итоги. Что вы усвоили и ответим на вопросы:

1. Сколько же основных этапов выделяют в моделировании?(назвать сами этапы)

2. Какое место занимает моделирование в жизни человека?

3. Что понимают под постановкой задачи?

4. Виды моделей?

5. Что значит провести компьютерный эксперимент?

6. Что происходит на этапе анализа результатов моделирования?

5)Постановка домашнего задания: Выучить лекцию