Использование учебно-творческих задач при обучении компьютерному моделированию для развития творческих способностей учащихся МБОУ Хе

Прежде чем начать обучение моделированию, необходимо сконцентрировать внимание учащихся на актуальность изучаемого: человек издавна использует моделирование  для исследования объектов, процессов, явлений в различных областях. Результаты этих исследований служат для определения и улучшения характеристик реальных объектов и процессов; для понимания сути явлений и выработки умения приспосабливаться или управлять ими; для конструирования новых объектов или модернизации старых. Моделирование помогает человеку принимать обоснованные и продуманные решения, предвидеть последствия своей деятельности. Благодаря компьютерам не только существенно расширяются области применения моделирования, но и обеспечивается всесторонний анализ получаемых результатов.

Изучая раздел "Формализация и моделирование", учащиеся знакомятся с его основами. Ученики должны представлять, что такое модель и  какие бывают виды моделей. Это необходимо для того, чтобы, проводя исследование, ученики сумели бы выбрать и эффективно использовать подходящую для каждой модели программную среду и соответствующий  инструментарий.

Изучение раздела проходит по спирали: начинается с понятия "объект".

Объект - некоторая часть окружающего нас мира, которая может быть рассмотрена как единое целое.

Свойства объекта - совокупность признаков объекта, по которым его можно отличить от других объектов.

После систематизации понятий, связанных с объектом, происходит плавный переход к понятиям модель, моделирование, классификация моделей.

Термины "модель", "моделирование" являются неразрывно связанными, поэтому  целесообразно обсуждать их одновременно.

Слово "модель" произошло от латинского слова modelium, которое означает мера, образ, способ и т.д. Его первоначальное значение было связано со строительным искусством, и почти во всех европейских языках оно употреблялось для обозначения образа, или прообраза, или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью.

В толковом словаре "Информатика" под моделью понимается "реальный физический объект или процесс, теоретическое построение, информационный образ, представляющие какие-либо свойства исследуемого объекта, процесса или явления".

В философской литературе можно найти близкие по смыслу определения, которые обобщаются так: "Модель используется при разработке теории объекта в том случае, когда  непосредственное следование его не представляется возможным вследствие ограниченности современного уровня знания и практики. Данные о непосредственно  интересующем исследователя объекте  получаются путем исследования другого  объекта, который объединяется с  первым общностью характеристик, определяющих качественно-количественную специфику обоих объектов".

В схожем определении В.А. Штоффа можно выделить такие признаки модели:

это мысленно представляемая или материально реализуемая  система;

она воспроизводит или  отображает объект исследования;

она способна замещать объекты;

её изучение дает новую  информацию об объекте.

А.И. Уемов выделяет обобщенные признаки модели:

1. Модель не может  существовать изолированно, потому  что она всегда связана с  оригиналом, то есть той материальной  или идеальной системой, которую  она замещает в процессе познания.

2. Модель должна быть  не только сходна с оригиналом, но и отлична от него, причём  модель отражает те свойства  и отношения оригинала, которые  существенны для того, кто её  применяет.

3. Модель обязательно  имеет целевое назначение.

Таким образом, модель - это упрощенный (в том или ином смысле) образ оригинала, неразрывно с ним связанный, отражающий существенные свойства, связи и отношения оригинала; система, исследование которой служит инструментом, средством для получения новой и (или) подтверждения уже имеющейся информации о другой системе.

Понятие модели относится  к фундаментальным общенаучным  понятиям, а моделирование - это метод  познания действительности, используемый различными науками.

Моделирование - построение моделей для изучения объектов, процессов, явлений.

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).

Классификация информационных моделей может основываться на разных принципах. Если классифицировать их по доминирующей в процессе моделирования  технологии, то можно выделить математические модели, графические модели, имитационные модели, табличные модели, статистические модели и пр. Если же положить в основу классификации предметную область, то можно выделить модели физических систем и процессов, модели экологических (биологических) систем и процессов, модели процессов оптимального экономического планирования, модели учебной деятельности, модели знаний и др. Вопросы классификации  важны для науки, т.к. они позволяют  сформировать системный взгляд на проблему, но преувеличивать их значение не следует. Разные подходы к классификации  моделей могут быть в равной мере полезны. Кроме того, конкретную модель отнюдь не всегда можно отнести к  одному классу, даже если ограничиться приведенным выше списком.

Материальные (натурные) и информационные модели.

По способу представления  модели делятся на материальные и  информационные (См. Схему 2).

Материальные модели иначе можно назвать предметными или физическими. Они воспроизводят геометрические свойства оригинала и имеют реальное воплощение.

Примеры материальных моделей:

1. Детские игрушки (куклы  - модель ребенка, мягкие игрушки-звери  - модель живых зверей, машинки  - модели реальных автомобилей  и т.д.).

2. Глобус - модель планеты  Земля.

3. Школьные пособия  (скелет человека - модель реального  скелета, модель атома кислорода  и т.д.)

4. Физические и химические  опыты.

Информационные модели нельзя потрогать или увидеть, они  не имеют материального воплощения, потому что строятся только на информации.

Информационная модель - совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.

К информационным моделям  можно отнести вербальные и знаковые модели.

Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме.

Примеры вербальных моделей:

1. Модель поведения  человека при переходе через  улицу. Человек анализирует ситуацию  на дороге (сигналы светофора,  наличие и скорость машин и  вырабатывает модель своего движения)

2. Идея, возникшая у  изобретателя - модель изобретения.

3. Музыкальная тема, промелькнувшая  в голове композитора - модель  будущего музыкального произведения.

Знаковая модель - информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка.

Примеры знаковых моделей:

1. Чертеж кухонной мебели - модель мебели для кухни.

2. Схема Московского  метрополитена - модель метро  г. Москвы.

3. График изменения  курса евро - модель роста (понижения)  курса евро.

Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ (например, пути по определенному адресу), может быть облечен в знаковую форму, например, в схему. И наоборот, знаковая модель помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

По способу реализации информационные знаковые модели делятся  на компьютерные и некомпьютерные.

Информационные модели используются при теоретических  исследованиях объектов моделирования. В наше время основным инструментом информационного моделирования  является компьютерная техника и  информационные технологии.

Компьютерная модель - это модель, реализованная средствами программной среды.

Компьютерное моделирование  включает в себя прогресс реализмом  информационной модели на компьютере и исследование с помощью этой модели объекта моделирования - проведение вычислительного эксперимента.

Графическое, табличное  и математическое моделирование  удобно воплощать средствами ЭВМ. Для  этого сейчас существуют разнообразные  программные средства: системы программирования (СП), электронные таблицы (ЭТ), математические пакеты (МП), системы управления базами данных (СУБД), графические редакторы (ГР) и др.

Формализация.

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.

Этапы информационного моделирования

В процессе моделирования  выделяют 4 этапа (См. Схему 3):

1. Постановка задачи.

2. Разработка модели.

3. Компьютерный эксперимент.

4. Анализ результатов  моделирования.

1. Постановка задачи

Описание задачи

Задача (или проблема) формулируется  на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное на этом этапе - определить объект моделирования  и понять, что собой должен представлять результат.

Формулировка цели моделирования

Целями моделирования  могут быть:

- познание окружающего  мира;

- создание объектов  с заданными свойствами (эта цель  соответствует постановке задачи "как сделать, чтобы…");

- определение последствий  воздействия на объект и принятие  правильного решения (эта цель  соответствует постановке задачи "что будет, если…");

- определение эффективности  управления объектом (процессом).

Анализ объекта

На этом этапе, отталкиваясь от общей формулировки задачи, четко  выделяют моделируемый объект и его  основные свойства. Поскольку в большинстве  случаев исходный объект - это целая  совокупность более мелких составляющих, находящихся в некоторой взаимосвязи, то анализ объекта будет подразумевать  разложение (расчленение) объекта с  целью выявления составляющих и  характера связей между ними.

2.Разработка модели

Информационная модель

На этом этапе выявляются свойства, состояния и другие характеристики элементарных объектов, формируется  представление об элементарных объектах, составляющих исходный объект, т.е. информационная модель.

Знаковая модель

Информационная модель, как правило, представляется в той  или иной знаковой форме, которая  может быть либо компьютерной, либо некомпьютерной.

Компьютерная модель

Существует большое  количество программных комплексов, которые позволяют проводить  исследование (моделирование) информационных моделей. Каждая среда имеет свой инструментарий и позволяет работать с определенными видами информационных объектов, что обуславливает проблему выбора наиболее удобной и эффективной  среды для решения поставленной задачи.

3. Компьютерный эксперимент

План моделирования

План моделирования  должен отражать последовательность работы с моделью. Первыми пунктами в  таком плане должны стоять разработка теста и тестирование модели.

Тестирование - процесс проверки правильности модели.

Тест - набор исходных данных, для которых заранее известен результат.

В случае несовпадения тестовых значений необходимо искать и устранять  причину.

Технология моделирования

Технология  моделирования - совокупность целенаправленных действий пользователя над компьютерной моделью.

4. Анализ результатов  моделирования

Конечная цель моделирования - принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего  анализа полученных результатов. Этот этап решающий - либо исследование продолжается (возврат на 2 или 3 этапы), либо заканчивается.

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 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 редактирование модели, т.е. возврат к одному из предыдущих этапов. Процесс продолжается до тех пор, пока результаты моделирования не будут отвечать целям моделирования.