Конспект урока по информатике Модель. Моделирование

Цели урока:

Образовательные:

1. Познакомить учащихся с понятиями: «модель», «моделирование», с формами и структурами представления моделей, основными этапами моделирования.

2. Обсудить роль моделирования в научных и практических исследованиях.

Развивающие:

Создать условия для развития умения выделять главное, сравнивать, анализировать, обобщать.

Воспитательные:

1. Воспитывать внимательность, стремление довести дело до намеченного результата;

2. Установление взаимных контактов и обмен опытом между учащимися и преподавателем.

Оборудование: компьютер учителя с мультимедийным проектором.

План урока

1. Организационный момент (2 мин)

2. Беседа о роли моделирования в научных и практических исследованиях (5 мин)

3. Объяснение нового материала. (20 мин)

4. Закрепление нового материала (10 мин)

5. Подведение итогов (5 мин)

6. Задание на дом ( 3 мин)

Ход урока

1. Сообщить учащимся тему урока.

2. Беседа о роли моделирования в научных и практических исследованиях.

С понятием «модель» мы сталкиваемся с детства. Игрушечный автомобиль, самолёт или кораблик для многих были любимыми игрушками, равно как и плюшевый медвежонок, кукла. Дети часто моделируют (строят города из кубиков и т.д.) Модели и моделирование используются человечеством с незапамятных времен. 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.

Приведём 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.

Для того чтобы объяснить, как функционирует система кровообращения, лектор демонстрирует плакат, на котором стрелочками изображены направления движения крови. Это модель.

Перед тем, как запустить самолёт в производство, его помещают в аэродинамическую трубу и с помощью соответствующих датчиков определяют величины напряжений, возникающих в различных местах конструкции. Это модель.

Глобус - модель земного шара. Манекен в магазине - модель человека.

Предложить учащимся привести примеры моделей.

Попытаемся понять, зачем нужны модели, какова их роль в приведённых 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 недостаточно красивым, то многие годы оно будет немым укором своему создателю. Лучше уж поэкспериментировать с кубиками. Конечно, лектор мог бы просто рассказать о системе кровообращения, описать её словами, но это будет недостаточно хорошо восприниматься слушателями. Лучше уж воспользоваться плакатом. Конечно, можно запустить самолёт в производство и, не зная, какие напряжения возникают, скажем, в крыльях. Но эти напряжения, если они окажутся достаточно большими, могут привести к разрушению всего самолёта. Лучше уж сначала исследовать самолёт в трубе. Во всех перечисленных примерах имеет место сопоставление некоторого объекта с другим, его заменяющим: реальное здание - здание из кубиков, серийный самолёт - единичный самолёт в трубе; система кровообращения - схема на плакате.

3. Объяснение нового материала:

Итак, можем дать определение модели;

Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его свойства. Под объектом в данном случае понимается любой материальный предмет, процесс, явление.

Как мы уже говорили, человек применяет модели с незапамятных времён при изучении сложных явлений, процессов, конструировании новых сооружений. Хорошо построенная модель, как правило, доступнее для исследователя, нежели реальный объект. Модель позволяет научиться правильно управлять объектом, апробируя различные варианты управления на модели объекта. Экспериментировать в этих целях с реальным объектом в лучшем случае бывает неудобно, а зачастую просто вредно или вообще невозможно в силу ряда причин.

Процесс построения модели называется моделированием.

Разные науки исследуют объекты и процессы под разным углом зрения и строят различные типы моделей. Возьмём 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 и т.д. 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.

Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели знаковые (информационные). Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и др. свойства объекта в материальной форме. Это может быть глобус, муляжи, модель кристаллической решётки. Громоздкие объекты (корабли, самолёты, здания) представляются обычно в уменьшенном виде, а мелкие (атомы, молекулы), наоборот, в сильно увеличенном. Модели информационные представляют объекты и процессы в форме рисунков, схем, чертежей, таблиц, формул, текстов и т.д. В школе вы часто используете такие модели: рисунок цветка (ботаника), карта (география), формула (физика), блок-схема алгоритма (информатика), периодическая система элементов Менделеева (химия), уравнение (математика) и т.д. Никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас интересует определённое свойство изучаемого объекта, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования.

Процесс моделирования состоит из следующих этапов:

Объект -> Модель ->Изучение модели -> Знания об объекте

Основной задачей моделирования является выбор наиболее адекватной к оригиналу модели и перенос результатов исследования на оригинал. Существуют достаточно общие методы и способы моделирования. В настоящее время весьма эффективным и значимым является метод компьютерного моделирования. Компьютерная модель - это модель реального процесса или явления, реализованная компьютерными средствами.

Компьютерное моделирование начинается как обычно с объекта изучения, в качестве которого могут выступать: явления, процесс, предметная область, жизненные ситуации, задачи. После определения объекта изучения строится модель. При построении модели выделяют основные, доминирующие факторы, отбрасывая второстепенные. Информационные модели. Понятие о системе. Окружающий нас мир состоит из множества различных объектов, каждый из которых имеет разнообразные свойства, и при этом объекты взаимодействуют между собой. Например, такие объекты, как планеты нашей Солнечной системы имеют различные свойства. Предложить учащимся назвать их (масса, геометрические размеры и т.д.). По закону всемирного тяготения планеты взаимодействуют с Солнцем и друг с другом.

Планеты входят в состав более крупного объекта - Солнечную систему, а Солнечная система в состав нашей галактики. 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, т.е. представляет собой систему.

Система состоит из объектов, которые называются элементами системы. Например, компьютер является системой, состоящей из различных устройств, при этом устройства связаны между собой и аппаратно и функционально.

Важным признаком системы является её целостное функционирование. Компьютер исправно работает до тех пор, пока в его состав входят и исправны основные устройства.

Статические информационные модели. Любая система существует в пространстве и времени. Состояние системы в каждый момент времени характеризуется её структурой, т.е. составом, свойствами элементов, их отношениями и связями между собой. Модели, описывающие систему в определённый момент времени, называют статическими информационными моделями. В физике, например, статические информационные модели описывают простые механизмы, в биологии - классификацию животного мира, в химии - строение молекул.

Динамические информационные модели. Состояние системы изменяется во времени. Модели, описывающие процессы изменения и развития систем, называются динамическими информационными системами. В физике динамические информационные модели описывают движение тел, в биологии - развитие организмов, в химии - процессы прохождения химических реакций.

Формы представления информационных моделей. Естественные языки используют для создания текстовых описательных информационных моделей. Например, такой литературный жанр, как басня, имеет непосредственное отношение к понятию модели, поскольку смысл этого жанра состоит в переносе реальных отношений между людьми на отношения между животными. Более того, всякое литературное произведение может рассматриваться как модель, ибо фокусирует внимание читателя на определённых сторонах человеческой жизни. С помощью формальных языков строятся модели определённого типа. Например, с помощью алгебры логики можно построить модели логических элементов компьютера. Одним из наиболее распространенных формальных языков является алгебраический язык формул в математике, который позволяет описывать функциональные зависимости между величинами. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называются математическими моделями.

Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией.

Структуры информационных моделей. Одной из наиболее часто встречающихся структур информационной модели является таблица. В табличной информационной модели элементы информации размещаются в отдельных ячейках.

С помощью таблиц могут быть выражены как статические, так и динамические информационные модели. Например, рассмотри компьютер с точки зрения стоимости его отдельных устройств и изменения его цены во времени.

Построим сначала статическую информационную модель, отражающую стоимость отдельных устройств компьютера. В первом столбце таблицы содержится перечень объектов (устройств), входящих в состав компьютера, а во втором - их цена.Динамическая информационная модель содержит изменение цены компьютеров по годам для двух различных моделей.

Компьютеры, входящие в подкласс Суперкомпьютеры, отличаются сверхвысокой производительностью и надёжностью и используются в крупных научно-технических центрах для управления процессами в реальном масштабе времени. Компьютеры, входящие в подкласс Рабочие станции, обладают высокой производительностью и надёжностью и используются в качестве серверов в локальных и телекоммуникационных сетях. Компьютеры, входящие в подкласс Персональные компьютеры, обладают средней производительностью и надёжностью и используются в офисах и дома для работы с документами. Подкласс Персональные компьютеры делится, в свою очередь, на Настольные, Портативные и Карманные. В структуре чётко просматривается три уровня. Основное отношение между уровнями состоит в том, что элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов верхнего уровня. Графическое изображение иерархической структуры называется графом. Вершины графа (овалы) отображают элементы системы. Связь между элементами отображается в форме дуги графа (направленной стрелки, означает «состоять из»). Такой граф называется ориентированным. Сетевые информационные модели. Применяется для отображения таких систем, в которых связь между элементами имеет сложную структуру. Например, различные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, российская и т.д.) связаны между собой высокоскоростными линиями связи. При этом какие-то части имеют прямые связи со всеми региональными частями, в то время как другие могут обмениваться информацией только через американскую часть. Связи между вершинами носят двусторонний характер и поэтому изображаются ненаправленными линиями (ребрами), а сам граф называется неориентированным. Представленная сетевая модель является статической.

Основные этапы компьютерного моделирования (рис. 2)

4. Закрепление полученных знаний. Тестирование.

5. Подведение итогов.

В настоящее время компьютерное моделирование в научных и практических исследованиях является одним из основных элементов познания. 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. При этом исследователь не только достигает целей исследования, но и развивает в себе все перечисленные качества, приобретая навыки, умения и знания в большом спектре фундаментальных и прикладных наук. Навыки моделирования очень важны человеку в жизни. Они помогут разумно планировать свой распорядок дня, учёбу, труд, выбирать оптимальные варианты при наличии выбора, разрешать удачно различные ситуации

6. Задание на дом. Указать номер параграфа.