Технология компьютерного моделирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТұрарРысқұловатындағыҚазақэкономикалықуниверситеті. Казахский экономический университет им. Т. Рыскулова

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА «ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА»

 

СРСП

 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Новые технологии»

НА ТЕМУ «Технология компьютерного моделирования»

 

 

 

Выполнил:

студент  очного отделения группы ВТиПО-232

Бердигожанов С.

 

Проверил:

Жаксылыков К.

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2014 г.

 

Технология компьютерного моделирования - это одна из наиболее продуктивных технологий современного научного познания. Содержание образования определяется двумя ее составляющими: теоретической (моделирование как метод научного познания и основа построения компьютерных моделей) и практической (технология создания, использования иcследования компьютерных моделей).

Линия формализации и моделирования, заявленная в стандарте, обеспечивает теоретический уровень подготовки. Учащиеся должны получить представление о сущности формализации и о методе моделирования, уметь строить и исследовать с помощью компьютера простейшие модели. Практический же аспект (технологическая цепочка решения задач с использованием компьютера) отнесен к линии информационных технологий.

Заметим, что такое распределение содержания по двум линиям не означает их раздельного существования, а лишь подчеркивает особую значимость владения технологией компьютерного моделирования в процессе использования компьютера как инструмента учебной и профессиональной деятельности. Более того, содержание технологической цепочки решения задач с использованием компьютера и ее отдельных этапов должно послужить основой всей деятельности учащегося в процессе обучения информатике в школе.

С элементами моделирования как с методом научного познания учащиеся знакомятся еще в младшей школе при изучении курса математики - в процессе решения «текстовых задач». Чертеж, схема, формула, уравнение и т.п. - все это примеры моделей реальной задачи, иллюстрирующие различные приемы формализации с целью поиска ее оптимального решения. Проверку результата как необходимый этап решения можно считать первым шагом в овладении методической организации вычислительного эксперимента. В дальнейшем моделирование широко используется при изучении курсов математики, физики, химии, биологии и других учебных дисциплин.

Универсальные возможности для интеграции компьютерного моделирования в учебные дисциплины уже на ранних ступенях обучения в школе предоставляют Лого-среды. Проектирование рисунков и геометрических узоров на экране, конструирование геометрических образов, моделирование движения, создание мультфильмов и игровых программ - первые шаги в овладении методологией компьютерного моделирования. Можно выделить три далеко не исчерпывающих направления компьютерного моделирования в поддержке школьного курса математики.

Первое, геометрическое, связано с организацией компьютерных экспериментов на координатной плоскости. При исследовании свойств геометрических объектов и проверке математических гипотез компьютер используется как инструмент для построения и исследования моделей.

Второе направление связано с моделированием различных видов движения. Иллюстрации и решение задач на движение с помощью компьютерных моделей позволяют учащимся V-VI классов глубже вникнуть в суть происходящих процессов, оценивать реальность полученных результатов, расширять представление о возможностях компьютерного моделирования.  
Третье направление - моделирование графиков функций на экране компьютера - широко используется в профессиональных компьютерных системах.

Использование компьютера как инструмента учебной деятельности дает возможность переосмыслить традиционные подходы к изучению многих вопросов естественнонаучных дисциплин, усилить экспериментальную и исследовательскую деятельность учащихся, приблизить процесс обучения к реальному процессу познания, основанному на технологии моделирования.

 

 

Этапы решения задач с использованием компьютера

1.Постановка задачи. Ставит задачу человек, который хорошо разбирается в предметной области задачи. На этом этапе происходит выбор объекта моделирования, определяется цель решения задачи, сбор информации об объекте моделирования, формулировка условия задачи, описание каждого исходного данного, определение формы выдачи результатов и предлагается общий подход к решению поставленной задачи.

2.Анализ объекта моделирования  и построение информационной  модели. Здесь происходит формализация задачи, анализ существующих аналогов, определение структур данных и типов связей между ними, выбор технических и программных средств. И в соответствии с выбранными средствами происходит разработка информационной модели.

3.Алгоритмизация решения  задачи – это выбор компьютерного исполнителя, выбор метода проектирования алгоритма, проектирование алгоритма. Чаще всего алгоритм решения поставленной задачи описывается словесно или с использованием блок-схем.

4.Создание компьютерной  модели – это выбор формы записи алгоритма, уточнение способа организации данных и действий для реализации алгоритма, описание алгоритма для исполнителя, реализация алгоритма на компьютере.

5.Тестирование и отладка – синтаксическая отладка, отладка логической структуры, тестовые расчеты и анализ результатов тестирования, совершенствование программы. (см. [3.32] , стр. 202-208)

6.Компьютерный эксперимент. Составляется план эксперимента и проводится сам эксперимент.

7.Анализ результатов моделирования. Результаты могут соответствовать и не соответствовать цели моделирования. Если результат эксперимента соответствует цели моделирования, то нужно прейти на шаг 8, иначе необходимо уточнить компьютерную модель с повторным выполнением пунктов 2-7.

8. Доработка программы для решения конкретных задач, составление документации к компьютерной модели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует заметить, что приведенная последовательность действий ориентирована на решение задач любой сложности. Для простейших задач некоторые этапы, возможно, не понадобятся. Для более сложных задач некоторые этапы могут существенно усложниться. Под процессом решения задачи с использованием компьютера надо понимать совместную деятельность человека и компьютера. На долю человека приходятся этапы, связанные с творческой деятельностью – постановка задачи, составление информационной модели, разработка алгоритма решения поставленной задачи, составление компьютерной модели, анализ результатов, а на долю компьютера – этапы обработки информации в соответствии с разработанным алгоритмом.

Компьютерное моделирование Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т.н. вычислительные эксперименты, в тех случаях когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов - сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Компьютерное же моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели и т. д. К основным этапам компьютерного моделирования относятся: постановка задачи, определение объекта моделирования; разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия; формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы; планирование и проведение компьютерных экспериментов; анализ и интерпретация результатов. Виды моделей. В прикладных областях различают следующие виды абстрактных моделей: 1) традиционное (прежде всего для теоретической физики, а также механики, химии, биологии, ряда других наук) математическое моделирование без какой-либо привязки к техническим средствам информатики; 2) информационные модели и моделирование, имеющие приложения в информационных системах; 3) вербальные (т.е. словесные, текстовые) языковые модели. 4) информационные (компьютерные) технологии, которые надо делить а) на инструментальное использование базовых универсальных программных средств (текстовых редакторах, СУБД, табличных процессоров, телекоммуникационных пакетов);

 

Компьютерное объектно-ориентированное моделирование физических систем в своей основе содержит понятие объекта системы; выполняется в соответствии с принципами системного подхода, используя методы математического и геометрического моделирования, методы визуального объектно-ориентированного программирования и методы вычислительного эксперимента.

При компьютерном объектно-ориентированном моделировании реальной физической системе ставится в соответствие её виртуальная физическая модель. Она состоит из виртуальных объектов, наследующих выделенные свойства, связи, назначение и привязку соответствующих объектов реальной системы. Поэтому исследование реальной системы является начальным этапом разработки проекта работ по созданию системы компьютерного объектно-ориентированного моделирования физических систем, объектов и процессов. Исследование физической системы производится в соответствии с принципами системного подхода и содержит требование исследования системы во «времени» и «пространстве». Описание существования физической системы во «времени» приводит к понятию «жизненного цикла», а описание в «пространстве» - к понятию «внешней среды», с которой взаимодействует физическая система. Под жизненным циклом сложной физической системы понимают структуру процесса её разработки, производства и эксплуатации, охватывающее время от возникновения идеи создания системы до снятия её с эксплуатации. Аналогично для виртуальной физической системы и в целом для системы компьютерного объектно-ориентированного моделирования физических систем, объектов и процессов. Жизненный цикл системы компьютерного объектно-ориентированного моделирования включает следующие стадии:

 

 

1. Формирование требований  к системе и разработка технического  задания;

2. Проектирование;

3. Изготовление, верификация, опытная эксплуатация и совершенствование системы;

4. Целевое применение  разработанного продукта.

 

Стадию №1 называют ещё внешним или макропроектированием. На этой стадии выясняются цели и задачи создаваемой системы, исследуются свойства внешней среды, определяются характеристики её воздействия на систему. Результатом внешнего проектирования является техническое задание на разработку проекта, содержащее основные требования к системе и взаимодействию её с внешней средой, обеспечивающее решение стоящих перед системой задач. В стадии внешнего проектирования выделяют следующие основные этапы:

Предварительное проектирование;

Эскизное проектирование;

 

Рабочее (техническое) проектирование.

На этапе предварительного проектирования формируются техническая концепция и основные (обликовые) параметры системы, отвечающие требованиям технического задания. Итогом этого этапа является техническое предложение (задание) на разработку проекта. Основная задача эскизного проектирования – уточнение параметров и характеристик системы, связанное с физической и математической проработкой её основных подсистем и агрегатов и формированием их облика. Результат выполнения этапа – эскизный проект.

На этапе рабочего проектирования происходит окончательная детализация проекта. Итогом является полный детальный проект разработки системы. На рис. 2.1 представлена структурная схема детального проекта системы компьютерного объектно-ориентированного моделирования физических систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1 - Структурная схема компьютерного объектно-ориентированного моделирования физической системы

 

Наполнение объектов системы следующее.

- Установление границы  системы: определение размеров рассматриваемой  области, граничных условий.

- Установление структуры  системы.

- Детализация элементов  системы.

- Определение свойств  элементов системы.

- Определение структурных  связей элементов системы: связи  позволяют посредством переходов  по ним от элемента к элементу  соединить два любых элемента  совокупности.

Стадию №2 называют внутренним проектированием или микропроектированием. На стадии внутреннего проектирования определяется внутренняя структура системы, разрабатывается её виртуальная физическая, геометрическая и математическая модели; формируются базы данных, содержащие конструктивные и физико-механические характеристики объектов и элементов системы; и др.

Цель внутреннего проектирования состоит в разработке всей методики и алгоритмов рабочего проекта системы, удовлетворяющего требованиям технического задания.

На стадии №3 производят разработку, верификацию, опытную эксплуатацию и совершенствование системы компьютерного моделирования. Стадия №4 – это стадия практического применения разработанной методики и программного обеспечения компьютерного объектно-ориентированного моделирования реальных объектов и физических систем с целью исследования их состояния при различных входных воздействиях и последующего определения параметров моделируемой системы, отвечающих заданным требованиям.