Материальные и информационные модели. Примеры информационных моделей в школе Вопросы и задания
Услышав такие слова как «моделирование», «модель», человек представляет себе образы из своего детства: макеты домов, маленькие автомобили, самолеты, глобус. Именно с помощью таких упрощенных вариантов отражают функции и характеристики подлинных предметов и объектов. Глядя на примеры информационных моделей, намного проще понять суть и предназначение самого оригинала.
Основная цель моделирования
Примеры графических информационных моделей в повседневной жизни встречаются часто. Именно с их помощью можно наглядно представить сложность реальных процессов. Они являются подобием реальных предметов, но обладают только теми характеристиками, которые будут востребованы в определенной ситуации. Примеры информационных моделей показывают, что нет смысла наделять их абсолютно всеми характеристиками реального объекта. Ведь придется существенно усложнить структуру, ею будет неудобно пользоваться.
Важно понимать, какова основная цель создания модели, в какой ситуации она будет использоваться. Исходя из этих характеристик, создаваемую уменьшенную копию реального объекта наделяют определенными параметрами. В современном моделировании стараются придерживаться четкой последовательности. Она включает в себя создание самого объекта, постановку цели для сотворения уменьшенной копии, определение ее основных характеристик.
Системный анализ
Если анализировать примеры информационных моделей, необходимо остановиться на словесных, графических, математических, табличных вариантах. Попробуем выявить наиболее важные параметры, которые необходимы для моделирования, а также найти между ними взаимосвязь. Процесс, касающийся составления совокупности свойств реального объекта для формирования его уменьшенной копии, принято называть системным анализом.
Вариант представления
Примеры информационных моделей различных видов подтверждают важность поиска оптимальной формы их представления. Именно она связана с формированием некого образа о реальном предмете. Среди основных требований, которые предъявляются к проекту, лидирующие позиции принадлежат наглядности. Ее обеспечивает информационная графическая модель. О ней поговорим подробней.
Примеры графических привести достаточно легко. Ими могут стать карты определенного участка местности, электрические схемы, разнообразные чертежи, графики. Интересным можно считать тот факт, что одну и ту же изучаемую величину, к примеру, среднесуточную температуру воздуха, можно представить в разнообразных формах. Она может быть выражена в виде таблицы, системы координат, текста. Пример построения информационной модели по одним и тем же данным применяется и в общеобразовательных учреждениях, и в высшей школе.
Применение моделирования
После того как сформирован прообраз реального объекта, его параметры можно применять для знакомства с оригиналом, прогнозировать поведение изучаемого предмета в зависимости от условий, проводить необходимые расчеты. Примеры информационных моделей объектов свидетельствуют о том, что часто удобнее пользоваться смешанными вариантами. Где можно встретить подобный симбиоз? Примеры информационных моделей смешанного вида распространены в строительстве. Они позволяют определять путем предварительных математических вычислений оптимальные нагрузки на разные части здания, не допускать «просадки» фундамента.
Яркие примеры графических информационных моделей смешанного вида - разнообразные географические карты. Они дополняются таблицами, пояснительными надписями, топографическими специальными символами. Кроме того, в географии часто пользуются диаграммами, графиками, схемами. Последние подразделяют на графы, блоки, карты.
О классификации моделей
Для того чтобы работать с создаваемыми моделями было удобно, существует условное подразделение их на блоки:
- по сферам применения;
- отрасли знаний;
- временному фактору;
- виду представления.
Кроме того, возможно разделение по типу построения на сетевые, иерархические, табличные виды. В зависимости от варианта представления данных существуют различные примеры графических информационных моделей знакового либо образно - знакового вида. Рассматриваться реальный объект может с помощью описания свойств либо анализа принципа его действия.
Примеры образной информационной модели
Допустим, преподаватель на уроке дал задание учащимся: приведите примеры графических информационных моделей. Что нужно сделать для этого? Для начала можно подобрать варианты, зафиксированные на бумажном носителе. Ими можно считать любые географические карты, рисунки, фотографии, графики. В учебных заведениях подобных примеров довольно много. Ведь одним из основных способов наглядного обучения является предоставление изучаемого материала в графическом и табличном виде.
Не только на уроках географии педагог предлагает своим воспитанникам многочисленные схемы и карты. Такой предмет, как история, также тесно связан с рисунками, графиками, разнообразными таблицами. Если учитель истории скажет своему воспитаннику: «Приведите примеры графических информационных моделей, касающихся Сталинградской битвы», ребенку достаточно открыть атлас на нужной странице. С помощью стрелок и цветового акцента на карте отражены все основные моменты, касающиеся этого легендарного события. Помимо учебных заведений, варианты образной информационной модели встречаются и научных учреждениях, специализирующихся на разделении объектов по их внешним признакам.
Подразделение моделей по времени
Существуют динамические и статические варианты. Они существенно отличаются. Статические информационные модели предполагают изучаемого объекта в конкретный промежуток времени. Их примеры можно встретить при возведении здания. Строительство предполагает первоначальные расчеты прочности, устойчивости к статической нагрузке. Встречаются статические варианты и в стоматологии. Описывая состояние полости рта пациента при медицинском осмотре, доктор отмечает присутствие различных дефектов, количество пломб.
С помощью стоматолог будет анализировать динамику изменения состояния зубов у человека на протяжении определенного промежутка времени. Например, за последний год или от момента предыдущего приема. Встречаются динамические информационные модели и при работе с характеристиками либо факторами, предполагающими изменение во времени. Среди таких параметров можно упомянуть сейсмические колебания, скачки температур, изменение влажности воздуха.
Вербальные информационные модели
Наглядно поясняет эту группу пример информационной модели ученика. Во время ответа на вопросы, предлагаемые учителем, ребенок пользуется словесным описанием явления, процесса. Например, рассказывая о правилах поведения пешехода на дороге, школьник самостоятельно моделирует ситуацию, предлагает свой способ ее разрешения. Относят к этой категории и рифму, которую поэт еще не успел перенести на лист бумаги. Вербальная информационная модель имеет описательный характер. Ее примером является проза в произведениях, текстовое описание определенных объектов и явлений.
Знаковые модели
В качестве еще одной характеристики можно представить отображение средствами формального языка характеристик объекта. Приводя 2 примера знаковой информационной модели, остановимся на текстах и схемах. Оба способа представления объекта применяются практически во всех сферах деятельности современного человека. Существует подразделение знаковых моделей на структурные, специальные, словесные, логические, геометрические виды.
Математические формы
Основной особенностью математической информационной модели является поиск при описании объекта соотношения между количественными характеристиками. К примеру, зная массу рассматриваемого тела, можно, воспользовавшись формулой, рассчитать скорость его передвижения за определенный временной промежуток. Математические информационные модели подразделяют на виды: дискретные, статические, имитационные, непрерывные, динамические, логические, алгоритмические, множественные, игровые, вероятностные.
Табличные информационные модели
Если свойства объекта, модели представлены в виде списка, а значения находятся в ячейках, речь идет о табличной модели. Ее считают одним из самых распространенных способов передачи сведений. С помощью таблиц формируют динамические и статические информационные характеристики в разнообразных прикладных областях. В повседневной жизни человек сталкивается с подобными вариантами, анализируя расписание пригородных поездов, изучая программу телевизионных передач, просматривая прогноз погоды. Существуют двоичные таблицы, в которых представлено две характеристики рассматриваемого процесса или явления.
Например, для того чтобы составить график скорости, чертится таблица данных. В ней присутствуют параметры перемещения и времени. Таблицы «объект - объект» предполагают перечисление в строках и столбцах их названий. К примеру, там может быть указание населенных пунктов. Взаимосвязью между ними будут качественные характеристики. Таблицы варианта «объект - свойство» содержат сведения о событии в строке, информацию о его характеристиках в столбике. По подобным таблицам можно определить параметры погоды: температуру, силу ветра, осадки на несколько дней. Пользоваться табличными моделями удобно в тех случаях, когда у рассматриваемого объекта немного характеристик. Если же необходимо составить схему линий метрополитена, имеющую массу разветвлений, переходов, нужна сетевая информационная модель. Примером иерархической информационной модели является генеалогическое древо.
Заключение
Многочисленные информационные модели помогают современному человеку упорядочить характеристики предметов и объектов, находящихся в природе, технике, встречающиеся ему в повседневной жизни. Именно с их помощью можно получить представление о каком-то реальном объекте, явлении, чтобы найти оптимальные способы для его применения, управления им. Без информационных моделей разных типов проблематично работать представителям многих профессий.
Материальные и информационные модели
Все модели можно разбить на два больших класса: материальные модели и информационные модели.
Материальные модели.
Предметные модели позволяют представить в материальной наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного исследования (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.).
Макеты зданий и сооружений позволяют архитекторам выбрать наилучшие градостроительные решения, модели самолетов и кораблей позволяют инженерам выбрать их оптимальную форму.
Предметные модели часто используются в процессе обучения. В курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель - глобус (рис. 4.3), в курсе физики изучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем модели молекул и кристаллических решеток, в биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам.
Информационные модели.
Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме, а также в форме таблиц, блок-схем, графов и т. д.
Образные модели
Образные модели (рисунки, фотографии и др.) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и кинопленке и др.). Широко используются образные информационные модели в обучении, где требуется классификация объектов по их внешним признакам (вспомните учебные плакаты по ботанике, биологии и физике).
Графические информационные модели
Карта как информационная модель. Можно ли назвать информационной моделью карту местности (рис. 4.4)? Безусловно, можно! Во-первых, карта описывает конкретную местность, которая является для нее объектом моделирования. Во-вторых, это графическая информация. Карта создается с определенной целью: с ее помощью можно добраться до нужного населенного пункта. Кроме того, используя линейку и учитывая масштаб карты, можно определить расстояние между различными пунктами. Однако никаких более подробных сведений о населенных пунктах, кроме их положения, эта карта не дает.
У схемы электрической цепи нет никакого внешнего сходства с реальной электрической цепью (рис. 4.6). Электроприборы (лампочка, источник тока, конденсатор, сопротивление) изображены символическими значками, а линии - это соединяющие их проводники электрического тока. Электрическая схема нужна для того, чтобы понять принцип работы цепи, чтобы можно было рассчитать в ней токи и напряжения, чтобы при сборке цепи правильно соединить ее элементы.
На рис. 4.7 приведена схема.
Схема - это графическое отображение состава и структуры сложной системы.
Структура - это определенный порядок объединения элементов системы в единое целое.
Структуру московского метрополитена называют радиально-кольцевой.
График - модель процесса.
Для отображения различных процессов часто прибегают к построению графиков. На рис. 4.8 изображен график изменения температуры в течение некоторого периода.
 |
| Рис. 4.8. График изменения температуры |
С картами, чертежами, схемами, графиками вы имели дело и раньше. Просто раньше вы их не связывали с понятием информационной модели.
Знаковые информационные модели.
Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования) или формулы (например, второго закона Ньютона F = mа).
Табличные модели
Широко распространены информационные модели в форме таблиц. В таблице химических элементов Д. И. Менделеева химические элементы располагаются в ячейках таблицы по возрастанию атомных весов, а в столбцах - по количеству валентных электронов. Важно, что по положению в таблице можно определить некоторые физические и химические свойства элементов (рис. 4.9).
Таблицы типа "объект-свойство"
Еще одной распространенной формой информационной модели является прямоугольная таблица , состоящая из строк и столбцов. Использование таблиц настолько привычно, что для их понимания обычно не требуется дополнительных объяснений.
В качестве примера рассмотрим таблицу 4.1.
| Таблица 4.1. Домашняя библиотека | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
При составлении таблицы в нее включается лишь та информация, которая интересует пользователя. Например, кроме тех сведений о книгах, которые включены в таблицу 4.1, существуют и другие: издательство, количество страниц, стоимость. Однако для составителя таблицы 4.1 было достаточно сведений, которые позволяют отличить одну книгу от другой (столбцы "Автор", "Название", "Год") и найти книгу на полках книжных стеллажей (столбец "Полка"). Предполагается, что все полки пронумерованы и, кроме того, каждой книге присвоен свой инвентарный номер (столбец "Номер").
Таблица 4.1 - это информационная модель книжного фонда домашней библиотеки.
Таблица может отражать некоторый процесс, происходящий во времени (табл. 4.2).
| Таблица 4.2. Погода | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
Показания снимались в течение пяти дней в одно и то же время суток. Глядя на таблицу, легко сравнить разные дни по температуре, влажности и пр. Данную таблицу можно рассматривать как информационную модель процесса изменения состояния погоды .
Таблицы 4.1 и 4.2 относятся к наиболее часто используемому типу таблиц. Их будем называть таблицами типа "объект-свойство" . В одной строке такой таблицы содержится информация об одном объекте (книга в библиотеке или состояние погоды в 12-00 в данный день). Столбцы - отдельные характеристики (свойства) объектов.
Конечно, строки и столбцы в таблицах 4.1 и 4.2 можно поменять местами, повернуть их на 90°. Иногда так и делают. Тогда строки будут соответствовать свойствам, а столбцы - объектам. Но чаще всего таблицы строят так, что строк в них больше, чем столбцов. Как правило, объектов больше, чем свойств.
Таблицы типа "объект-объект"
Другим распространенным типом таблиц являются таблицы, отражающие взаимосвязи между разными объектами. Назовем их таблицами типа "объект-объект" . Вот понятный каждому школьнику пример таблицы успеваемости (табл. 4.3).
| Таблица 4.3. Успеваемость |
Строки относятся к ученикам - это первый вид объектов; столбцы - к школьным предметам - второй вид объектов. В каждой клетке на пересечении строки и столбца - оценка, полученная данным учеником по данному предмету.
Таблица 4.4 тоже имеет тип "объект-объект". Однако, в отличие от предыдущей таблицы, в ней строки и столбцы относятся к одному и тому же виду объектов. В этой таблице содержится информация о наличии дорог между населенными пунктами.
| Таблица 4.4. Дороги | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Двоичные матрицы
В математике прямоугольная таблица, составленная из чисел, называется матрицей . Если матрица содержит только нули и единицы, то она называется двоичной матрицей . Числовая часть таблицы 4.4 представляет собой двоичную матрицу.
Таблица 4.5 также содержит двоичную матрицу.
В ней приведены сведения о посещении четырьмя учениками трех факультативов. Вам уже должно быть понятно, что единица обозначает посещение, ноль - непосещение. Из этой таблицы следует, например, что Русанов посещает геологию и танцы, Семенов - геологию и цветоводство и т. д.
В таблицах, представляющих собой двоичные матрицы, отражается качественный характер связи между объектами (есть дорога - нет дороги; посещает - не посещает и т. п.). Таблица 4.3 содержит количественные характеристики успеваемости учеников по предметам, выраженные оценками пятибалльной системы.
Мы рассмотрели только два типа таблиц: "объект-свойство" и "объект-объект". На практике используются и другие, гораздо более сложные таблицы.
При построении некоторых типов информационных моделей одновременно используются система графических элементов и знаковая система. Так, в блок-схемах алгоритмов используются различные геометрические фигуры для обозначения элементов алгоритма и формальный алгоритмический язык для записи инструкций программы (рис. 4.10).
Важную роль играют информационные модели, которые отображают иерархические системы . В биологии весь животный мир рассматривается как иерархическая система (тип, класс, отряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархическая файловая система и т. д.
В иерархической информационной модели объекты распределяются по уровням, от первого (верхнего) уровня до нижнего (последнего) уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент. Основное отношение между уровнями состоит в том, что элемент более высокого уровня может состоять из нескольких элементов нижнего уровня, при этом каждый элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента верхнего уровня.
Удобным способом наглядного представления иерархических информационных моделей являются графы . Элементы иерархической модели отображаются в графе овалами (вершинами графа ).
Элементы каждого уровня, кроме последнего, находятся в отношении "состоять из" к элементам более низкого уровня. Такая связь между элементами отображается в форме дуги графа (направленной линии в форме стрелки).
Графы, имеющие одну вершину верхнего уровня, напоминают деревья, которые растут сверху вниз, поэтому называются деревьями . Дуги дерева могут связывать объекты только соседних иерархических уровней, причем каждый объект нижнего уровня может быть связан дугой только с одним объектом верхнего уровня.
Для описания исторического процесса смены поколений семьи используются информационные модели в форме генеалогического дерева . В качестве примера можно рассмотреть фрагмент (X-XI века) генеалогического дерева династии Рюриковичей (рис. 4.11).
Контрольные вопросы
1. Какие вы можете назвать примеры материальных моделей?
2. Какие вы можете назвать примеры различных форм информационных моделей?
3. Приведите различные примеры графических информационных моделей.
4. Постройте графическую модель вашей квартиры. Что это: карта, схема, чертеж?
5. Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график)
6. В чем состоит удобство табличного представления информации?
7. Приведите примеры таблиц, с которыми вам приходится иметь дело в школе и дома. Определите тип, к которому они относятся: "объект-свойство" или "объект-объект".
8. Что такое матрица? Что такое двоичная матрица?
Задания для самостоятельного выполнения
4.1. Задание с развернутым ответом. Построить фрагмент модели иерархической файловой системы вашего компьютера.
4.2. Задание с развернутым ответом. Построить фрагмент иерархической модели животного мира.
4.3. Задание с развернутым ответом. Построить фрагмент модели генеалогического дерева вашей семьи.
4.4. Постройте графическую модель собственной успеваемости по двум различным дисциплинам школьной программы (самой любимой и самой "нелюбимой"). Спрогнозируйте по этой модели свой дальнейший процесс обучения данным предметам.
4.5. Представьте в табличной форме сведения об увлечениях ваших одноклассников. Какой тип таблицы вы используете для этой цели?
4.6. Использование табличной модели часто облегчает решение информационной задачи. В следующей таблице закрашенные клетки в расписании занятий соответствуют урокам физкультуры в 9-11 классах школы.
| Расписание занятий | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Выполните следующие задания:
- определите, какое минимальное количество учителей физкультуры требуется при таком расписании;
- найдите один из вариантов расписания, при котором можно обойтись двумя учителями физкультуры;
- в школе три учителя физкультуры: Иванов, Петров, Сидоров; распределите между ними уроки в таблице так, чтобы ни у кого не было "окон" (пустых уроков);
- распределите между тремя учителями уроки так, чтобы нагрузка у всех была одинаковой.
6. В компьютерной сети узловым является сервер, с которым непосредственно связаны все остальные серверы. Дана следующая двоичная матрица. В ней С1, С2, СЗ, С4, С5 - обозначения серверов сети.
| С1 | С2 | С3 | С4 | С5 | |
| С1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| С2 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| С3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| С4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| С5 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
Определите, какой сервер является узловым.
ЦЕЛИ:
- ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ:
- научить строить модели изучаемых объектов с использованием диаграмм;
- освоить способы визуализации числовых данных;
- закрепление понятий и навыков работы с электронной таблицей Microsoft Excel;
- обобщение и закрепление материала по теме: “Основы учения о клетке”
РАЗВИВАЮЩАЯ:
- развивать навыки формализации при решении информационных задач с помощью средств электронного процессора;
- развивать способность анализировать и обобщать изученный материал.
ВОСПИТЫВАЮЩАЯ:
- восприятие компьютера как инструмента обработки информационных объектов;
- сформировать у учащихся представление о вредном воздействии факторов внешней среды на жизнедеятельность организма.
ОБОРУДОВАНИЕ:
Таблицы, муляжи, карточки с заданиями, компьютеры, программное обеспечение - Еxcel, учебная презентация “Клетка” <Приложение1> , презентация “Модель” < Приложение2> , географическая карта Европы, модель головного мозга птицы, модель скелета человека, микроскоп.
ХОД УРОКА
I. ОРГАНИЗАЦИЯ КЛАССА
II. ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО (учитель информатики)
В настоящее время наиболее яркие открытия происходят на стыке наук. Возникают новые науки: биоинженерия, бионика, биоинформатика. Это яркий пример интеграции наук. Сегодня на уроке мы с вами совместим материал информатики и биологии по темам “Модели”, “Построение диаграмм и графиков в ЭТ Excel”, “Основы учения о клетке” с использованием компьютерных технологий.
III. АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ
ИНФОРМАТИКА
Ответ уч-ся по теме “Моделирование”
Демонстрация презентации “Модель”
Вопросы по теме “Модели”:
Что такое модель?
Какие свойства реальных объектов
воспроизводят следующие
модели:
- муляж яблока;
- чучело птицы;
- скелет человека в кабинете биологии.
Что такое информационная модель?
Поясните разницу между технической моделью самолета и информационной моделью самолета - чертежом.
Приведите различные примеры графических информационных моделей.
Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график) применима для отображения процессов?
IV. Работа в тетради
Учитель демонстрирует различные модели по биологии.
Записать в тетради в 1-й столбик материальные модели, во 2-й – информационные,
во 2-м столбике пометить графические модели.
V. Объяснение нового материала (“Компьютерное моделирование”)
Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.
Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование этой модели. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода.
В моделировании есть два разных пути. Модель может быть похожей копией объекта, выполненной из другого материала, в другом масштабе, с отсутствием ряда деталей. Например, это игрушечный кораблик, самолетик, домик из кубиков и множество других натурных моделей. Модель может, однако, отображать реальность более абстрактно - словесным описанием в свободной форме, описанием, формализованным по каким-то правилам, математическими соотношениями и т. д.
Цели моделирования:
- модель нужна для того, чтобы понять, как устроен конкретный объект (или как проистекает процесс), какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (понимание);
- модель нужна для того, чтобы научиться управлять объектом (или процессом) и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление);
- модель нужна для того, чтобы прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование).
Эти цели могут, как сочетаться в одной модели, так и достигать порознь.
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 же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий.
Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере:
Использование компьютера для исследования информационных моделей различных объектов и систем, позволяет изучить их изменения, в зависимости от значения тех или иных параметров. Процесс разработки моделей и их исследования на компьютере, можно разделить на несколько основных этапов.
На первом этапе исследования объекта или процесса, обычно строится описательная информационная модель. Такая модель выделяет существенные, с точки зрения целей
проводимого исследования, параметры объекта, а несущественными параметрами пренебрегает.
На втором этапе создается формализованная модель, то есть описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.
Однако далеко не всегда удается найти формулы, явно выражающие искомые величины через исходные данные. В таких случаях используются приближенные математические методы, позволяющие получать результаты с заданной точностью.
На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компьютерную модель, то есть, выразить ее на понятном для компьютера языке. Существуют два принципиально различных пути построения компьютерной модели:
- построение алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;
- построение компьютерной модели с
использованием
одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и пр.).
В процессе создания компьютерной модели полезно разработать удобный графический интерфейс, который позволит визуализировать формальную модель, а также реализовать интерактивный диалог человека с компьютером на этапе исследования модели.
Четвертый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты.
Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и так далее.
Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. В случае различия результатов, полученных при исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности. Например, при построении описательной качественной модели.
Прежде чем строить информационную модель, производится системный анализ объекта моделирования.
Задача системного анализа - выделить существенные части, свойства, связи моделируемой системы, определить ее структуру.
БИОЛОГИЯ
VI. Вступительное слово учителю биологии
Биология изучает многообразие форм жизни. На Земле существует огромное многообразие организмов. Различаясь между собой рядом существенных признаков, они имеют общее свойство - клеточное строение.
VII. Индивидуальное задание по карточкам (у доски 4 человека)
КАРТОЧКА № 1
Каково строение клетки?
Написать на доске, из каких основных, главных частей состоит клетка.
КАРТОЧКА № 2
Написать на доске органоиды клетки – особые клеточные органы, расположенные в цитоплазме, и в которых протекают основные жизненные процессы.
КАРТОЧКА № 3
Используя магнитное пособие, собрать модель животной клетки.
КАРТОЧКА № 4
Для чего используется в электронных таблицах экспоненциальный (научный формат) представления чисел?
Представить числа в научном формате.
VIII. Актуализация знаний (беседа с классом)
Показ презентации “Клетка”
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ПО ТЕМЕ “КЛЕТКА”:
- Какое строение имеет животная и растительная клетка?
- Чем отличается животная клетка от растительной?
- В чем сходство в строении клеток различных организмов?
- Написать на доске, из каких основных, главных частей состоит клетка (обратить внимание на грамотность написания слов).
- Функция, значение, роль: клеточной мембраны, цитоплазмы, ядра.
- Почему цитоплазму называют внутренней средой клетки?
- Перечислить органоиды клетки (их еще называют особыми клеточными органами).
- Какие клетки не имеют ядра? Как их еще называют?
- Как называют организмы, в клетках которых есть ядро?
- Что изучает цитология?
- История возникновения цитологии.
- Что называется тканью?
- Сколько химических элементов в периодической системе Менделеева?
- Сколько химических элементов содержится в животной клетке?
- Макроэлементы - это…
- В чем заключается значение углерода?
- Написать химические знаки макроэлементов.
- В чем значение макроэлементов?
- Микроэлементы – это…
- Написать химические знаки микроэлементов.
- В чем значение микроэлементов?
- Какие болезни возникают при недостатке микроэлементов?
- Какие химические соединения находятся в клетке?
IX. Проверка заданий у доски
ИНФОРМАТИКА
X. Компьютерное моделирование (учитель информатики)
Наглядным способом представления информационных моделей являются графические изображения: карты, чертежи, схемы, графики.
Электронные таблицы (так же, как и базы данных) можно рассматривать как информационные модели реальных объектов или процессов.
Способом наглядного представления числовых данных является диаграмма.
Тип диаграммы устанавливается в зависимости от представленных в диаграмме данных и необходимости получения результирующих описаний числовых зависимостей.
Диаграмма состоит из нескольких элементов, которые можно последовательно и независимо друг от друга отредактировать, выделяя нужный объект двойным щелчком мыши.
На материале биологии по теме “клетка” построим графическую информационную модель
Учащиеся работают в парах (один выполняет роль консультанта и отвечает на вопросы по теме “электронные таблицы”, другой - выполняет задание на компьютере по построению модели)
Задание№1
Построить информационную графическую модель (столбчатую диаграмму), отражающую содержание химических элементов клетки, средствами электронной таблицы Microsoft Excel.
| Элементы | Количество (в %) |
| Кислород | 70 |
| Углерод | 15 |
| Водород | 9 |
| Азот | 2,2 |
| Кальций | 2 |
| Фосфор | 1 |
| Калий | 0,4 |
| Сера | 0,2 |
| Хлор | 0,1 |
| Магний | 0,03 |
| Натрий | 0,03 |
| Микроэлементы | 0,025 |
| Железо | 0,015 |
Вопросы по теме “Электронные таблицы”:
- Что такое табличный процессор?
- Какими функциональными возможностями обладает электронные таблицы?
- Что в электронной таблице называют ячейкой?
- Как именуются ячейки таблицы?
- Какая информация может храниться в ячейках?
- Как ввести формулу в ячейку?
- В чем разница между режимом отображения формул и режимом отображения значений?
- Что происходит в электронной таблице в результате замены числа в ячейке на новое значение?
- Что необходимо сделать для выделения всей строки?
- Что необходимо сделать для выделения всего столбца?
- В каких форматах электронные таблицы могут представлять числовые данные?
- Для чего используются диаграммы?
- Какие типы диаграмм вам знакомы?
- Что показывает легенда?
- Когда применяется научный или экспоненциальный формат чисел?
- Какие встроенные функции есть в электронных таблицах?
XI. Региональный компонент
XII. Физминутка
БИОЛОГИЯ
XIII. Системный анализ
- Какое значение воды?
- Какое значение минеральных веществ?
- Какое значение органических веществ: белков, углеводов, жиров (липидов), нуклеиновых кислот?
- Почему клетка считается сложнейшей химической лабораторией?
- Какие жизненно важные процессы происходят в клетках?
ИНФОРМАТИКА
XIV. Компьютерное моделирование
Задание№2
Построить информационную графическую модель (круговую диаграмму), отражающую содержание в клетке химических соединений, средствами электронной таблицы Microsoft Excel.
XV. Влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность организма
(алкоголь, никатин, наркотики, загрязнения окружающей среды)
Беседа с учащимися.
XVI. Подведение итогов:
Учитель информатики:
Учитель биологии:
Домашнее задание:
ИНФОРМАТИКА
Выписать в тетрадь слова изученной темы, трудные для запоминания (экспоненциальный, модель, электронная таблица, компьютерный эксперимент).
Опережающее задание:
- “Электронные таблицы и математическое моделирование”
- Использование электронных таблиц в научных целях (для прогнозирования)
- Сообщения уч-ся по данной теме из других источников.
БИОЛОГИЯ
Опираясь на параграф из учебника “Строение клетки”, доказать, что клетка-биосистема.
Когда человек слышит слова «модель» и «моделирование», перед его мысленным взором обычно пробегают картинки из его детства: уменьшенные копии автомобилей и самолетов, глобус, манекен, макеты зданий... Эти и многие другие вещи часто отражают какие-то общие свойства или функции настоящих предметов или объектов, только в более упрощенном виде. Используя такие модели, можно проще объяснить особенности оригинала. Информационная модель, примеры которой наглядно и понятно объясняют многие сложные для понимания процессы, также подчиняется основным требованиям моделирования.
Цели
Вышесказанное может привести нас к такому выводу: модели, являясь подобием реальных предметов или процессов, не должны отображать все свойства оригиналов, а только те характеристики, которые в определенной ситуации более востребованы для их применения. Нет необходимости отображать все многообразие свойств объекта - это может привести к усложнению модели и неудобству ее использования. Поэтому очень важно понимать, с какой целью была создана модель, какие ее параметры должны быть отражены в данном конкретном случае. При моделировании необходимо строго придерживаться такой логической цепочки: «объект - цель - модель».
Информационная модель. Примеры. Системный анализ
При формировании цели моделирования встает вопрос правильности и полноты создания списка качеств и характеристик будущей модели. Описание объекта моделирования часто называют термином "информационная модель". Примеры ее использования можно видеть в различных формах: графических, словесных, табличных, математических и многих других. Чем точнее информационная модель, тем более качественно и полно она отображает совокупность свойств оригинального объекта. Поэтому необходимо выделить только самые необходимые параметры для моделирования и установить связи между ними. Этот процесс называется системным анализом.
Форма представления
Одной из характеристик информационной модели является форма ее представления, которая тесно связана с целью создания образа. Если одним из требований к проекту является его наглядность, то используется графическая информационная модель. Примеры таковой найти не сложно: электрические схемы, карты местности, различные графики и чертежи. Причем одни и те же данные, например, график изменения температуры в течение месяца, можно представить в различных формах, например, в табличной или текстовой.
Использование моделирования
Когда информационная модель сформирована, ее параметры можно использовать для изучения реального объекта, прогнозирования его поведения в различных условиях, проведения расчетов. Часто задействуют смешанные информационные модели. Примеры использования такой формы моделирования часто можно встретить в строительстве, когда формируются и отражаются отдельные характеристики сложного объекта, например, здания, в виде чертежей, математических расчетов прочности и допустимых нагрузок.
Еще одним ярким примером смешанной информационной модели служит географическая карта с ее топографическими символами, надписями, таблицами. Такая модель может также представляться в виде графиков, диаграмм, таблиц, схем. Последние условно разделяются на карты, блок-схемы и графы.
Классификация
Для удобства работы с информационными моделями их условно делят на несколько больших блоков: по области использования, по фактору времени, по отрасли знаний и по форме представления. Также их еще можно разделить по типу построения (табличные, иерархические и сетевые), по форме представления данных (знаковые и образно-знаковые) и по объекту (описание свойств объекта или процесса).
Типичные примеры образной информационной модели
Формы моделей этого типа отличаются графическим изображением объекта, зафиксированным на каком-либо носителе информации (пленке, бумаге, доске).
К такому типу моделей можно причислить различные фотографии, рисунки, графики. Примеры образной информационной модели часто встречаются в учебных заведениях, где на плакатах предоставляется много информации в графическом виде. Еще один вариант ее использования - иллюстрации в любом школьном учебнике, такие как схема построения войск на битве под Сталинградом. Примеры образной информационной модели можно увидеть и в научных организациях, где производится разделение объектов по их внешнему признаку.
Классификация моделей по времени
Модели могут быть статическими и динамическими. Характеристики объекта в определенный срез времени описывают статические информационные модели. Примеры их использования можно встретить при постройке дома, когда рассматриваются его прочность и устойчивость к статической нагрузке. Или в стоматологии, где описывается состояние полости рта пациента во время текущего приема: количество пломб, наличие дефектов и т. д.
Если рассматривать динамику изменения состояния пациента за несколько приемов или в течение нескольких лет, то при описании тех же характеристик будет использоваться динамическая модель.
Примеры динамических информационных моделей встречаются при работе с факторами или характеристиками, которые изменяются во времени. Среди них изменения температур, сейсмические колебания и пр.
Вербальные модели
К информационным относят и вербальные модели, которые представляются в разговорной или мысленной форме. Они еще имеют название "словесные информационные модели". Примеры такого моделирования можно наблюдать при управлении автомобилем: ситуация на дороге, показания светофоров, скорость соседних автомобилей и т. д. анализируются человеком. При этом вырабатывается определенная модель поведения. Если текущая ситуация смоделирована правильно, то данный отрезок пути будет безопасным. Если нет, велика вероятность аварии.
Также к вербальным моделям относят рифму, промелькнувшую в мозгу поэта, или пока еще не нанесенный на холст образ пейзажа перед мысленным взором художника.
К вербальному типу относят и описательную информационную модель, которая представляет собой письменное или устное описание объекта средствами языка. Пример описательной информационной модели: проза в художественных книгах, описания в художественной литературе, текстовое описание событий и объектов.
Знаковые модели
Если характеристики объекта предстают в виде специальных знаков, отображены средствами формального языка, то они являют собой знаковые информационные модели. Примеры оных окружают нас со всех сторон: графики, схемы, тексты и т. д. 
Знаковые и вербальные модели тесно взаимосвязаны между собой: мысленный образ можно облечь в знаковую форму, а знаковая модель формирует определенный мысленный образ. Например, прочитав описание какого-либо явления, человек создает себе его модель, и и, встретив это явление в жизни, может его узнать по сформированной модели.
Знаковые информационные модели можно разделить на геометрические, словесные, математические, структурные, логические, специальные.
Математические модели
Как вариант знаковой можно рассмотреть математическую информационную модель. Ее особенность в том, что характеристики, параметры или процессы представлены математическими формулами. Также этот вид описывает соотношения между количественными характеристиками объектов. Например, зная массу тела, мы можем вычислить скорость его свободного падения в определенный момент времени. При этом информационные объекты обычно представлены в форме математических.
Математические модели можно разделить на множество типов: статические, динамические, дискретные, непрерывные, имитационные, вероятностные, логические, множественные, алгоритмические, игровые и т. д.
Табличные модели
Модель, объекты или свойства которой представляются в виде списка, а их значения располагаются в ячейках прямоугольной таблицы, называют табличной. Это один из самых часто встречающихся типов передачи информации. При помощи таблиц есть возможность сформировать статические и динамические информационные модели в различных прикладных областях. В жизни мы используем это, например, когда создаем расписание транспорта, программу телепередач, дневник погоды и т. д.
Виды табличных информационных моделей
Таблицы бывают трех видов: двоичные, «объект-свойство», «объект-объект». Для того чтобы привести примеры табличных информационных моделей, нужно разобрать их структуру.
В таблицах типа «объект-объект» в первой строке и в первом столбце перечисляются объекты. В остальных ячейках отражается взаимоотношение между ними. Таблица, в столбцах и строках которой находятся названия городов, а информационное наполнение показывает наличие качественного характера связи между ними (наличие прямой дороги), может служить образцом типа «объект-объект».
В таблицах типа «объект-свойство» в каждой строке размещаются параметры одного объекта или события, а в столбцах содержится информация об их характеристиках или свойствах. Примером структуры такого типа может быть информация об изменении состояния погоды в разные дни.
Иерархические и сетевые информационные модели
Табличные модели удобны для небольших систем объектов. При создании сложной системы модель может стать слишком большой и неудобной для использования именно из-за того, что она представлена в виде прямоугольной таблицы. Например, если создать в табличном виде схему линий метрополитена с объектами-станциями и указанием, есть ли между ними переход или пересечение, то такая таблица будет иметь огромную избыточность - более десяти тысяч значений, и пользоваться ей окажется очень сложно.
Иерархические системы обычно представлены в графическом виде, в форме графов - связей между объектами, распределенными по уровням. Все элементы верхних уровней состоят из элементов нижних, а элементы нижнего уровня принадлежат только одному элементу более высокого уровня. Частный пример модели такого типа - генеалогическое древо.
Сетевые модели более компактны, так как отражают наиболее важные связи между объектами. Чаще всего они представлены в наглядном графическом виде. Примером такой сетевой модели является схема линий метрополитена.
Использование информационных моделей в процессе моделирования на компьютере
Производить моделирование удобно с использованием вычислительной техники. Сам процесс можно условно разбить на несколько этапов.
Вначале производится построение информационной модели: определение проводимого исследования, выделение важных параметров объекта, соответствующих этой цели, удаление несущественных параметров.
На втором этапе происходит создание формализованной модели: производится выражение описательной информационной модели средствами формального языка, фиксируются отношения между величинами и ставятся необходимые ограничения на их изменение.
На следующем этапе осуществляется преобразование формализованной модели в компьютерную, то есть составление алгоритма, проведение расчетов, написание программ или использование специализированного ПО.
После проверки правильности создания модели и ее соответствия назначенной цели начинается непосредственное использование. При возникновении необходимости проводится коррекция.
Применение вычислительной техники заметно упрощает создание информационных моделей, их изменение, исправление. Имеется возможность поместить смоделированный объект в любое окружение и проверить его поведение или трансформацию характеристик в различных условиях, не подвергая его при этом воздействию данных факторов.
