Информационная модель объекта

Если рассматривать  модели с позиции “для чего”, “с какой целью” используются, то можно применить классификацию, изображённую на рисунке.

Учебные модели используются при обучении. Это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

Опытные модели – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Они используются для исследования объекта прогнозирования его будущих характеристик. Например, модель корабля исследуется в бассейне для изучения устойчивости судна при качке, модель автомобиля “продувается” в аэродинамической трубе с целью исследования обтекаемости кузова, модель сооружения используется для привязки здания к конкретной местности, модель гидросооружений (водохранилищ, гидростанций) помогает на стадии их разработки решить разнообразные технические, экологические и другие проблемы.

Научно-технические  модели создаются для исследования процессов и явлений. К таким моделям можно отнести и синхротрон – ускоритель электронов, и прибор для получения грозового электрического разряда, и стенд для проверки телевизоров.

Игровые модели – это военные, экономические, спортивные, деловые игры. Эти модели как бы репетируют поведение объекта в различных ситуациях, проигрывая их с учетом возможной реакции со стороны конкурента, союзника или противника. С помощью игровых моделей можно оказывать психологическую помощь больным, разрешать конфликтные ситуации.

Имитационные  модели не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперименты с моделью проводятся при разных исходных данных. По результатам исследования делаются выводы. Такой метод подбора правильного решения получил название метода проб и ошибок. Например, для выявления побочных действий лекарственных препаратов их испытывают в серии опытов на животных.

Другим примером имитационного моделирования может  служить экспериментальная деятельность в школах. Предположим, в обучение хотят ввести новый предмет “Основы  вождения”. Для эксперимента отбирается ряд школ. Где-то учат водить школьный грузовик, где-то – собранный учащимися  легковой автомобиль, а в некоторых  школах все сводится к изучению правил дорожного движения (моделирование  с различными входными данными). Последующая  проверка и анализ результатов по внедрению нового предмета в множестве  школ помогает сделать вывод о  целесообразности обучения этой дисциплине во всех школах страны.

Как уже упоминалось, одна из классификаций связана с  фактором времени. Модели можно разделить  на статические и динамические по тому, как отражается в них динамика происходящих процессов (см. рис.).

Статическая модель – это единовременный срез информации по данному объекту. Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает состояние их зубов на данный момент времени: соотношение молочных и постоянных, наличие пломб, дефектов и т. п.

Динамическая  модель представляет картину изменения объекта во времени. В примере с поликлиникой медицинскую карту ученика, отражающую изменение состояния его зубов в течение многих лет, можно считать динамической моделью.

При строительстве  дома рассчитывают прочность его  фундамента, стен, балок и устойчивость их к постоянной нагрузке. Это статическая  модель здания. Но надо также обеспечить противодействие ветрам, движению грунтовых  вод, сейсмическим колебаниям и другим изменяющимся во времени факторам. Эти вопросы можно решить; с  помощью динамических моделей.

Как видно из примеров, один и тот же объект можно  охарактеризовать и статической, и  динамической моделью.

Можно классифицировать модели и по тому, “к какой отрасли” знаний или деятельности человека они относятся (биологические, социологические, экономические, исторические и т. п.) и по множеству других факторов. 
 
 

Формализация  и визуализация моделей

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 время информационные модели обычно строятся и исследуются  с использованием современных компьютерных технологий.

Описательные  информационные модели. Такие модели отображают объекты, процессы и явления  качественно, т. е. не используя количественных характеристик. Описательные информационные модели обычно строятся с использованием естественных языков и рисунков.

В истории науки  известны многочисленные описательные информационные модели. Так, гелиоцентрическая  модель мира Коперника на естественном языке формулировалась следующим  образом:

• Земля вращается  вокруг Солнца, а Луна вращается  вокруг Земли;

• все планеты  вращаются вокруг Солнца.

Однако более  нагляден способ ее представления в  виде рисунка .  

В физике явление  электростатического взаимодействия двух зарядов описывается на естественном языке так: «Два одноименных заряда отталкиваются, а два разноименных — притягиваются» .

Для наглядности  можно нарисовать линии напряженности  электростатического поля и эквипотенциальные  поверхности.

В химии строение молекулы ВОДЫ можно качественно  описать на естественном языке: .Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода.

Для наглядности  строение молекулы можно нарисовать .

Формализация  информационных моделей. С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели. Математика является наиболее широко используемым формальным языком. С использованием математических понятий и формул строятся математические модели. Математика включает различные формальные языки, с некоторыми из них (алгебра и геометрия) вы знакомитесь а школе.

В естественных науках (физике, химии и др.) строятся формальные модели явлений и процессов. В большинстве случаев для  этого применяется универсальный  математический язык алгебраических формул. Однако в некоторых случаях используются специализированные формальные языки (в химии — язык химических формул, в музыке — нотная грамота и  т. д.).

Ньютон формализовал гелиоцентрическую систему мира, открыв закон всемирного тяготения  и законы механики и записав в  виде формул. F = γ

В химии строение молекулы воды описывается химической формулой. Н₂0  

Процесс построения информационных моделей с помощью  формальных языков называется формализацией.

В процессе познания окружающего мира человечество постоянно  использует моделирование и формализацию. При изучении нового объекта сначала  обычно строится его описательная информационная модель на естественном языке, затем  она формализуется, т. е. выражается с использованием формальных языков.

Визуализация формальных моделей. В процессе исследования  формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы пространственных соотношений между объектами — чертежи, моделей электрических цепей — электрические схемы.  При визуализации формальных моделей с помощью анимации может отображаться динамика процесса, производиться построение графиков изменения величин и т. д.

В настоящее  время широкое распространение  получили компьютерные интерактивные визуальные модели. В таких моделях исследователь может менять начальные условия  и параметры протекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели.

В качестве примера  визуализации формальной модели можно  привести компьютерную визуальную интерактивную  модель гидравлической машины.

В компьютерном эксперименте можно изменять площади  поршней и массы грузов  в обоих коленах и вывести формулу соотношения между площадями поршней и действующими на них силами. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

Форма представления информации об объекте  или процессе часто зависит от инструмента, с помощью которого она будет обрабатываться. В настоящее  время всё чаще для обработки  информации об объектах используется компьютер. Этот универсальный инструмент позволяет разрабатывать и исследовать  модели разнообразных объектов –  молекул и атомов, висячих мостов и других архитектурных сооружений, самолётов  автомобилей. Использование  современных информационных технологий позволяет рассматривать объект с разных сторон, изучать его форму, состояния, действия, используя для  каждого случая конкретную модель.

     Модели имеют 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 их макеты. Разработка электрической схемы обязательно предшествует созданию электрических цепей и т. д.

      Развитие науки невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез и т. д.), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов. Создание новых теоретических моделей иногда коренным образом меняет представление человечества об окружающем мире (например, такую роль сыграла гелиоцентрическая система мира Коперника). Истинность теоретических моделей, т. е. их соответствие законам реального мира, проверяется с помощью опытов и экспериментов.

    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. Более того, 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.

   Информационные  модели играют очень  важную роль в жизни  человека. Получаемые на уроках в школе  знания позволяют  учащимся составить  различные информационные модели, которые в  совокупности отражают информационную картину  окружающего мира.

Список  использованной литературы

 
 
 
 
 
 

Ю. А. Шафрин. Основы компьютерной технологии. М.: АБФ, 1998. 

И. Г. Семакин. Системы, структуры, модели. Главы из книги для учащихся//Информатика и образование. 1998. 

Моделирование систем. Практикум по компьютерному  моделированию 

Ю. Б. Колесов, Ю. Б. Сениченков — Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2007 г.