МОДЕЛИРОВАНИЕ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ

РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В ОБРАЗОВАНИИ»
Начиная с древнейших времен, становление человеческой цивилизации неразрывно связано с моделированием, то есть с построением, изучением и использованием моделей различных объектов, процессов и явлений.
В своей деятельности – в практической сфере, художественной, научной – человек всегда создает некий слепок, заменитель того объекта, процесса или явления с которым ему приходится иметь дело:
– это может быть натурная копия – картина или скульптура;
– это может быть модель самолета;
– это может быть макет какого-либо изделия, по которому в дальнейшем будет изготавливаться оригинал;
– математическая формула, описывающая некий процесс.
Модель дает нам образ реального объекта или явления, то есть модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования. Модель – это мощное орудие познания.
Важной содержательной линией в курсе информатики является линия «Формализация и моделирование». Линия моделирования, наряду с линией информации и информационных процессов, является теоретической основой базового курса информатики.
Уроки, ориентированные на моделирование выполняют развивающую, общеобразовательную функцию, поскольку при их изучении учащиеся продолжают знакомство еще с одним методом познания окружающей действительности - методом компьютерного моделирования.
Модель — способ замещения реального объекта, используемый для его изучения. Модель вместо исходного объекта используется в случаях, когда эксперимент опасен, дорог, происходит в неудобном масштабе пространства и времени (долговременен, слишком кратковременен, протяжен…), невозможен, неповторим, ненагляден и т. д. Проиллюстрируем это:
«эксперимент опасен» — при деятельности в агрессивной среде вместо человека лучше использовать его макет; примером может служить луноход;
«дорог» — прежде чем использовать идею в реальной экономике страны, лучше опробовать её на математической или имитационной модели экономики, просчитав на ней все «за» и «против» и получив представление о возможных последствиях;
«долговременен» — изучить коррозию — процесс, происходящий десятилетия, — выгоднее и быстрее на модели;
«кратковременен» — изучать детали протекания процесса обработки металлов взрывом лучше на модели, поскольку такой процесс скоротечен во времени;
«протяжен в пространстве» — для изучения космогонических процессов удобны математические модели, поскольку реальные полёты к звёздам (пока) невозможны;
«микроскопичен» — для изучения взаимодействия атомов удобно воспользоваться их моделью;
«невозможен» — часто человек имеет дело с ситуацией, когда объекта нет, он ещё только проектируется. При проектировании важно не только представить себе будущий объект, но и испытать его виртуальный аналог до того, как дефекты проектирования проявятся в оригинале.
«неповторим» — это достаточно редкий случай, когда эксперимент повторить нельзя; в такой ситуации модель — единственный способ изучения таких явлений. Пример — исторические процессы, — ведь повернуть историю вспять невозможно;
«ненагляден» — модель позволяет заглянуть в детали процесса, в его промежуточные стадии; при построении модели исследователь как бы вынужден описать причинно-следственные связи, позволяющие понять все в единстве, системе. Построение модели дисциплинирует мышление.
Важно: моделирование теснейшим образом связано с проектированием. Обычно сначала проектируют систему, потом её испытывают, потом снова корректируют проект и снова испытывают, и так до тех пор, пока проект не станет удовлетворять предъявляемым к нему требованиям. Процесс «проектирование-моделирование» цикличен. При этом цикл имеет вид спирали — с каждым повтором проект становится все лучше, так как модель становится все более детальной, а уровень описания точнее;
Важно: модель играет системообразующую и смыслообразующую роль в научном познании, позволяет понять явление, структуру изучаемого объекта. Не построив модель, вряд ли удастся понять логику действия системы. Это означает, что модель позволяет разложить систему на элементы, связи, механизмы, требует объяснить действие системы, определить причины явлений, характер взаимодействия составляющих.
Модель – это искусственно создаваемый объект, заменяющий некоторый объект реального мира (объект моделирования) и воспроизводящий ограниченное число его свойств. Понятие модели относится к фундаментальным общенаучным понятиям, а моделирование – это метод познания действительности, используемый различными науками.
Объект моделирования – широкое понятие, включающее объекты живой или неживой природы, процессы и явления действительности. Сама модель может представлять собой либо физический, либо идеальный объект. Первые называются натурными моделями, вторые – информационными моделями. Например, макет здания – это натурная модель здания, а чертеж того же здания – это его информационная модель, представленная в графической форме (графическая модель).
Процесс моделирования схематично выглядит в следующем виде:
– Объект – Модель –
– Изучение модели – Знания об объекте –
Основной задачей процесса моделирования является выбор наиболее адекватной к оригиналу модели и перенос результатов исследования на оригинал. Существуют достаточно общие методы и способы (технологии) моделирования. В настоящее время весьма эффективным и значимым является метод компьютерного моделирования.
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. Выделенные факторы перекладывают на понятный машине язык. Строят алгоритм, программу. Когда программа готова, проводят компьютерный эксперимент и анализ полученных результатов моделирования при вариации модельных параметров.
И уже в зависимости от этих выводов делают нужные коррекции на одном из этапов моделирования, либо уточняют модель, либо алгоритм, либо точнее, более корректнее определяют объект изучения.
В методе компьютерного моделирования присутствуют все важные элементы развивающего обучения и познания: конструирование, описание, экспериментирование и т.д. В результате добываются знания об исследуемом объекте-оригинале.
Однако важно не путать компьютерную модель (моделирующую программу) с самим явлением. Модель полезна, когда она хорошо согласуется с реальностью. Но модели могут предсказывать и те вещи, которые не произойдут, а некоторые свойства действительности модель может и не прогнозировать. Тем не менее, полезность модели очевидна, в частности, она помогает понять, почему происходят те или иные явления.
Современное компьютерное моделирование выступает как средство общения людей (обмен информационными, компьютерными моделями и программами), осмысления и познания явлений окружающего мира (компьютерные модели солнечной системы, атома и т.п.), обучения и тренировки (тренажеры), оптимизации (подбор параметров).
Компьютерная модель – это модель реального процесса или явления, реализованная компьютерными средствами. Компьютерные модели, как правило, являются знаковыми или информационными.
К знаковым моделям в первую очередь относятся математические модели, демонстрационные и имитационные программы.
Информационная модель – набор величин, содержащий необходимую информацию об объекте, процессе, явлении. Главной задачей компьютерного моделирования выступает построение информационной модели объекта, явления.
Некоторые характеристики моделей являются неизменными, не меняют своих значений, а некоторые изменяются по определенным законам. Если состояние системы меняется со временем, то модели называют динамическими, в противном случае статическими.
При построении моделей используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему).
Основные направления развития компьютерного моделирования.
1. Моделирование реально протекающих явлений и процессов (математическое моделирование, численный эксперимент).
2. Конструирование реальных или виртуальных объектов в двух, или трехмерном пространстве (компьютерная графика).
3. Моделирование и визуализация явлений и процессов протекающих в сложных системах (имитационный эксперимент, демонстрационные модели).
4. Моделирование работы реальных систем, управление этой системой.
Названные направления компьютерного моделирования предоставляют широкий спектр для выбора курсовых и выпускных квалификационных работ студентов, организации научно-исследовательской работы студенческих и школьных обществ.
К предметной области информатики относятся средства и методы компьютерного моделирования. Компьютерная модель может быть создана только на основе хорошо формализованной информационной модели. Что же такое формализация?
Формализация информации о некотором объекте – это ее отражение в определенной форме. Можно еще сказать так: формализация – это сведение содержания к форме. Формулы, описывающие физические процессы, – это формализация этих процессов. Радиосхема электронного устройства – это формализация функционирования этого устройства. Ноты, записанные на нотном листе, – это формализация музыки и т.п.
Формализованная информационная модель – это определенные совокупности знаков (символов), которые существуют отдельно от объекта моделирования, могут подвергаться передаче и обработке. Реализация информационной модели на компьютере сводится к ее формализации в форматы данных, с которыми «умеет» работать компьютер.
Но можно говорить и о другой стороне формализации применительно к компьютеру. Программа на определенном языке программирования есть формализованное представление процесса обработки данных. Это не противоречит приведенному выше определению формализованной информационной модели как совокупности знаков, поскольку машинная программа имеет знаковое представление. Компьютерная программа – это модель деятельности человека по обработке информации, сведенная к последовательности элементарных операций, которые умеет выполнять процессор ЭВМ. Поэтому программирование на ЭВМ есть формализация процесса обработки информации. А компьютер выступает в качестве формального исполнителя программы.
Одна из задач педагогической науки - обобщение и систематизация знаний в определенных областях деятельности человека. Не менее важной представляется задача обучения ученика способам и технологиям добывания знаний, методам познания.
Моделирование является инженерной наукой, технологией решения задач. Это замечание — очень важное. Так как технология есть способ достижения результата с известным заранее качеством и гарантированными затратами и сроками, то моделирование, как дисциплина: изучает способы решения задач, то есть является инженерной наукой; является универсальным инструментом, гарантирующим решение любых задач, независимо от предметной области. Смежными моделированию предметами являются: программирование, математика, исследование операций.
Программирование — потому что часто модель реализуют на искусственном носителе (пластилин, вода, кирпичи, математические выражения…), а компьютер является одним из самых универсальных носителей информации и притом активным (имитирует пластилин, воду, кирпичи, считает математические выражения и т. д.). Программирование есть способ изложения алгоритма в языковой форме. Алгоритм — один из способов представления (отражения) мысли, процесса, явления в искусственной вычислительной среде, которой является компьютер (фон-Неймановской архитектуры). Специфика алгоритма состоит в отражении последовательности действий. Моделирование может использовать программирование, если моделируемый объект легко описать с точки зрения его поведения. Если легче описать свойства объекта, то использовать программирование затруднительно. Если моделирующая среда построена не на основе фон-Неймановской архитектуры, программирование практически бесполезно.
Алгоритм — это процесс решения задачи путём реализации последовательности шагов, тогда как модель — совокупность потенциальных свойств объекта. Если к модели поставить вопрос и добавить дополнительные условия в виде исходных данных (связь с другими объектами, начальные условия, ограничения), то она может быть разрешена исследователем относительно неизвестных. Процесс решения задачи может быть представлен алгоритмом (но известны и другие способы решения). Вообще примеры алгоритмов в природе неизвестны, они суть порождение человеческого мозга, разума, способного к установлению плана. Собственно алгоритм — это и есть план, развёрнутый в последовательность действий. Следует различать поведение объектов, связанное с естественными причинами, и промысел разума, управляющий ходом движения, предсказывающий результат на основе знания и выбирающий целесообразный вариант поведения.
Математика — наука, предоставляющая возможность исчисления моделей, приводимых к стандартному (каноническому) виду. Наука о нахождении решений аналитических моделей (анализ) средствами формальных преобразований. Исследование операций — дисциплина, реализующая способы исследования моделей с точки зрения нахождения наилучших управляющих воздействий на модели (синтез). По большей части имеет дело с аналитическими моделями. Помогает принимать решения, используя построенные модели.
Проектирование — процесс создания объекта и его модели; моделирование — способ оценки результата проектирования; моделирования без проектирования не существует.
В настоящее время компьютерное моделирование в научных и практических исследованиях является основным методом познания окружающей действительности. Модели и моделирование используются человечеством с незапамятных времен. С помощью моделей и модельных отношений развились разговорные языки, письменность, графика.
Компьютерное моделирование становится одним из главных методов формирования системного мировоззрения обучаемого. Оно является наиболее адекватной педагогической технологией для личностно-ориентированной системы, предоставляющей учащимся способы и методы приобретения и добывания знаний, умений и навыков. Технология компьютерного моделирования в образовании выступает как способ создания ситуации деятельности, отработки методов организации и самоорганизации, научного познания.
Использование подобных технологий в образовательных целях оказывает существенное влияние на развитие аналитических школ практикующих развивающие, исследовательские формы обучения, ориентирующиеся не на передачу готовых знаний ученику, а на его познавательную деятельность.