Моделирование как метод научного познания. Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты

Вопрос 1. Моделирование в информатике - это:

Ответ 1 . процесс замены реального объекта моделью, которая отражает его существенные признаки, необходимые для достижения поставленной цели
Ответ 2. процесс создания моделей одежды в салоне мод
Ответ 3. процесс поиска нового, неформального решения задачи
Ответ 4. процесс замены реального объекта другим материальным или идеальным объектом, похожим на него внешне

Вопрос 2. При построении модели необходимо:

Ответ 1. выделить все существующие свойства объекта
Ответ 2. описать все существующие свойства объекта
Ответ 3. выделить только те свойства объекта, которые существенны для решения поставленной задачи
Ответ 4. описать расположение и структуру объекта

Вопрос 3. Информационной моделью объекта называется:

Ответ 1. его описание с помощью математических выражений и формул
Ответ 2. чертеж объекта
Ответ 3. модель объекта внешне похожа на объект
Ответ 4. глобус

Вопрос 4. Из перечисленных моделей укажите математическую:

Ответ 1. акт о приемке дома
Ответ 2. формула нахождения площади треугольника
Ответ 3. кулинарный рецепт
Ответ 4. программа телепередач

Вопрос 5. Какой из документов представляет собой информационную модель деятельности школы:

Ответ 1. план школьного здания и двора
Ответ 2. расписание звонков
Ответ 3. расписание уроков
Ответ 4. Устав школы

Вопрос 6. Файловая структура операционной системы персонального компьютера наиболее наглядно может быть описана в виде:

Ответ 1. табличной модели
Ответ 2. графической модели
Ответ 3. математической модели
Ответ 4. иерархической модели

Вопрос 7. Для чего необходимо компьютерное имитационное моделирование ядерного взрыва:

Ответ 1. для получения достоверных данных о влиянии взрыва на здоровье людей
Ответ 2. для экспериментальной проверки влияния высокой температуры и облучения на природные объекты
Ответ 3. для уменьшения стоимости исследований и обеспечения безопасности людей
Ответ 4. для проведения реальных исследований процессов, протекающих в природе в процессе взрыва и после взрыва

Вопрос 8. Укажите верное утверждение:

Ответ 1. Статическая модель системы описывает ее состояние, а динамическая - поведение.
Ответ 2. динамическая модель системы описывает ее состояние, а статическая - поведение
Ответ 3. динамическая модель системы всегда представляется в виде формул или графиков
Ответ 4. статическая модель системы всегда представляется в виде формул или графиков

1. Формализация - это

Архитекторы представили на конкурс модели проектов застройки жилого массива в виде макетов. Что является прототипом модели?

Выберите один ответ.

Выберите один ответ.

Установите соответствие между примерами моделей и их разновидностью по степени формализации. К каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.

• Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты. Модель – это упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении.

• Понять, как устроен конкретный объект – каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;

• Научиться управлять объектом или процессом и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);

• Прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект;

• Никакая модель не может заменить само явление, но при решении задачи, когда нас интересуют определенное свойство изучаемого процесса или явления, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования, познания.

Процесс построения модели называется моделированием, другими словами , моделирование - это процесс изучения строения и свойств оригинала с помощью модели. Технология моделирования требует от исследователя умения ставить проблемы и задачи, прогнозировать результаты исследования, проводить разумные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моделей, выбирать аналогии и математические формулировки, решать задачи с использованием компьютерных систем, проводить анализ компьютерных экспериментов.

Материальным (физическим)

• Материальным (физическим) принято называть моделирование, при котором реальному объекту противопоставляется его увеличенная или уменьшенная копия, допускающая исследование (как правило, в лабораторных условиях) с помощью последующего перенесения свойств изучаемых процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия.

Идеальное моделирование -

• Идеальное моделирование - основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной, мыслимой.

• Знаковое моделирование – это моделирование, использующее в качестве моделей знаковые преобразования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, наборы символов.

• Математическое моделирование - это моделирование, при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики: описание и исследование законов механики Ньютона средствами математических формул.

• Признаки, по которым классифицируются модели:

• Область использования.
• Учет фактора времени и области использования.
• По способу представления.
• Отрасль знаний (биологические, исторические, социологические и т. д.).

Учебные:

• Учебные: наглядные пособия, обучающие программы, различные тренажеры;

• Опытные: модель корабля испытывается в бассейне для определения устойчивости судна при качке;

• Научно-технические: ускоритель электронов, прибор, имитирующий разряд молнии, стенд для проверки телевизора;

• Игровые: военные, экономические, спортивные, деловые игры;

• Имитационные: эксперимент либо многократно повторяется, чтобы изучить и оценить последствия каких либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами, но поставленными в разных условиях).

Материальные

• Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение.

• Информационные модели – совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.

Знаковая модель

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

• Компьютерная модель – модель, реализованная средствами программной среды.

• Вербальная (от лат «verbalis» – устный) модель – информационная модель в мысленной или разговорной форме.

Познавательными,

• Познавательными,

• Прагматическими,

• Инструментальными.

Познавательная модель

• Познавательная модель - форма организации и представления знаний, средство соединения новых и старых знаний. Познавательная модель, как правило, подгоняется под реальность и является теоретической моделью.

• Прагматическая модель - средство организации практических действий, рабочего представления целей системы для ее управления. Реальность подгоняется под некоторую прагматическую модель. Это, как правило, прикладная модель.

• Инструментальная модель - средство построения, исследования и/или использования прагматических и/или познавательных моделей. Познавательные модели отражают существующие, а прагматические - хоть и не существующие, но желаемые и, возможно, исполнимые отношения и связи.

Эмпирическая модель

• Эмпирическая модель - на основе эмпирических фактов, зависимостей;

• Теоретическая модель - на основе математических описаний;

• Смешанная модель или полуэмпирическая - использующая эмпирические зависимости и математические описания.

конечность

• конечность - модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений и, кроме того, ресурсы моделирования конечны;

• упрощенность - модель отображает только существенные стороны объекта и, кроме того, должна быть проста

• приблизительность - действительность отображается моделью грубо, или приблизительно;

• адекватность моделируемой системе - модель должна успешно описывать моделируемую систему;

• наглядность, обозримость основных свойств и отношений;

доступность и технологичность для исследования или воспроизведения;

• доступность и технологичность для исследования или воспроизведения;

• информативность - модель должна содержать достаточную информацию о системе (в рамках гипотез, принятых при построении модели) и давать возможность получить новую информацию;

• сохранение информации , содержавшейся в оригинале (с точностью рассматриваемых при построении модели гипотез);

• полнота - в модели должны быть учтены все основные связи и отношения, необходимые для обеспечения цели моделирования;

• устойчивость - модель должна описывать и обеспечивать устойчивое поведение системы, если даже та вначале является неустойчивой;

• замкнутость - модель учитывает и отображает замкнутую систему необходимых основных гипотез, связей и отношений

Этап 1. Постановка задачи.

• Этап 1. Постановка задачи.

• описать задачу,
• определить цели моделирования,
• проанализировать объект или процесс.

• Задача формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное здесь - определить объект моделирования и понять, что должен представлять собой результат.

Познание окружающего мира.

Познание окружающего мира. Зачем человек создает модели? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть в далекое прошлое. Несколько миллионов лет назад, на заре человечества, первобытные люди изучали окружающую природу, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными благами, просто выживать. Накопленные знания передавались из поколения в поколение устно, позже письменно, наконец с помощью предметных моделей. Так родилась, к примеру, модель земного шара - глобус, - позволяющая получить наглядное представление о форме нашей планеты, ее вращении вокруг собственной оси и расположении материков. Такие модели позволяют понять, как устроен конкретный объект, узнать его основные свойства, установить законы его развития и взаимодействия с окружающим миром моделей.

Создание объектов с заданными свойствами (задача типа «Как сделать, чтобы...»). Накопив достаточно знаний, человек задал себе вопрос: «Нельзя ли создать объект с заданными свойствами и возможностями, чтобы противодействовать стихиям или ставить себе на службу природные явления?» Человек стал строить модели еще не существующих объектов. Так родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов, даже обыкновенного зонтика. Многие из этих моделей стали в настоящее время реальностью. Это объекты, созданные руками человека.

Определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения (задача типа «Что будет, если...»: что будет, если увеличить плату за проезд в транспорте, или что произойдет, если закопать ядерные отходы в такой-то местности?) Например, для спасения Петербурга от постоянных наводнений, приносящих огромный ущерб, решено было возвести дамбу. При ее проектировании было построено множество моделей, в том числе и натурных, именно для того, чтобы предсказать последствия вмешательства в природу.

Эффективность управления объектом (или процессом). Поскольку критерии управления бывают весьма противоречивыми, то эффективным оно окажется только при условии, если будут «и волки сыты, и овцы целы». Например, нужно наладить питание в школьной столовой. С одной стороны, оно должно отвечать возрастным требованиям (калорийное, содержащее витамины и минеральные соли), с другой - нравиться большинству ребят и к тому же быть «по карману» родителям, а с третьей - технология приготовления должна соответствовать возможностям школьных столовых. Как совместить несовместимое? Построение модели поможет найти приемлемое решение.

• На этом этапе четко выделяют моделируемый объект, его основные свойства, его элементы и связи между ними. Простой пример подчиненных связей объектов - разбор предложения. Сначала выделяются главные члены (подлежащее, сказуемое), затем второстепенные члены, относящиеся к главным, затем слова, относящиеся к второстепенным, и т. д.

На этом этапе выясняются свойства, состояния, действия и другие характеристики элементарных объектов в любой форме: устно, в виде схем, таблиц. Формируется представление об элементарных объектах, составляющих исходный объект, т. е. информационная модель. Модели должны отражать наиболее существенные признаки, свойства, состояния и отношения объектов предметного мира. Именно они дают полную информацию об объект.

Компьютерное моделирование

Компьютерное моделирование - основа представления знаний в ЭВМ. Компьютерное моделирование для рождения новой информации использует любую информацию, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ. Прогресс моделирования связан с разработкой систем компьютерного моделирования, а прогресс в информационной технологии - с актуализацией опыта моделирования на компьютере, с созданием банков моделей, методов и программных систем, позволяющих собирать новые модели из моделей банка.

Конечная цель

Конечная цель моделирования - принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа полученных результатов. Этот этап решающий - либо вы продолжаете исследование, либо заканчиваете. Возможно, вам известен ожидаемый результат, тогда необходимо сравнить полученный и ожидаемый результаты. В случае совпадения вы сможете принять решение.

Основные понятия моделирования

Понятие модели

Модель - это некоторое упрощенное подобие реального объекта, явления или процесса.

Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который замещает объект-оригинал с целью его исследования, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные черты и свойства оригинала.

Хорошо построенная модель, как правило, доступнее для исследования, чем реальный объект (например, такой, как экономика страны, Солнечная система и т.п.). Другое, не менее важное назначение модели состоит в том, что с ее помощью выявляются наиболее существенные факторы, формирующие те или иные свойства объекта. Модель также позволяет учиться управлять объектом, что важно в тех случаях, когда экспериментировать с объектом бывает неудобно, трудно или невозможно (например, когда эксперимент имеет большую продолжительность или когда существует риск привести объект в нежелательное или необратимое состояние).

Таким образом, можно сделать вывод, что модель необходима для того, чтобы:

• понять, как устроен конкретный объект - каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;
• научиться управлять объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);
• прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект, процесс.

Структура - это определенный способ объединения элементов, составляющих единый сложный объект.

Система - это сложный объект, представляющий собой совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных в некоторую структуру.

В учебнике “Информатика 9 класс” Н.В.Макаровой предложена следующая классификация моделей.

Учебные: наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

Опытные: уменьшенные или увеличенные копии исследуемого объекта для дальнейшего его изучения (модели корабля, автомобиля, самолета, гидростанции).

Научно-технические модели создают для исследования процессов и явлений (стенд для проверки телевизоров; синхротрон - ускоритель электронов и др.).

Игровые: военные, экономические, спортивные, деловые игры.

Имитационные: отражают реальность с той или иной степенью точности (испытание нового лекарственного средства в ряде опытах на мышах; эксперименты по внедрению в производство новой технологии).

Статическая модель - модель объекта в данный момент времени.

Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во времени.

Материальная модель - это физическое подобие объекта. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала (чучела птиц, муляжи животных, внутренних органов человеческого организма, географические и исторические карты, схема солнечной системы).

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

Любая информационная модель содержит лишь существенные сведения об объекте с учетом той цели, для которой она создается. Информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут быть совершенно разными.

Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме.

Знаковая модель - информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка. Знаковые модели - это рисунки, тексты, графики, схемы, таблицы...

Компьютерная модель - модель, реализованная средствами программной среды.

Прежде чем построить модель объекта (явления, процесса), необходимо выделить составляющие его элементы и связи между ними (провести системный анализ) и “перевести” полученную структуру в какую-либо заранее определенную форму - формализовать информацию.

Формализация - это процесс выделения и перевода внутренней структуры предмета, явления или процесса в определенную информационную структуру - форму.

Тест по теме " Моделирование и формализация"

1. Что называется атрибутом объекта?

Представление объекта реального мира с помощью некоторого набора его характеристик, существенных для решения данной информационной задачи.

Абстракция предметов реального мира, объединяемых общими характеристиками и поведением.

Связь между объектом и его характеристиками.

Каждая отдельная характеристика, общая для всех возможных экземпляров

2. Выбор вида модели зависит от:

Физической природы объекта.

Предназначения объекта.

Цели исследования объекта.

Информационной сущности объекта.

3. Что такое информационная модель объекта?

Материальный или мысленно представляемый объект, замещающий в процессе исследования исходный объект с сохранением наиболее существенных свойств, важных для данного исследования.

Формализованное описание объекта в виде текста на некотором языке кодирования, содержащем всю необходимую информацию об объекте.

Программное средство, реализующее математическую модель.

Описание атрибутов объектов, существенных для рассматриваемой задачи и связей между ними.

4. Укажите классификацию моделей в узком смысле слова:

Натурные, абстрактные, вербальные.

Абстрактные, математические, информационные.

Математические, компьютерные, информационные.

Вербальные, математические, информационные

5. Целью создания информационной модели является:

Обработка данных об объекте реального мира с учетом связи между объектами.

Усложнение модели, учитывая дополнительные факторы, которые были ранее проинформированы.

Исследование объектов, основанное на компьютерном экспериментировании с их математическими моделями.

Представление объекта в виде текста на некотором искусственном языке, доступном компьютерной обработке.

6. Какая модель является статической (описывающей состояние объекта)?

Формула равноускоренного движения

Формула химической реакции

Формула химического соединения

Второй закон Ньютона.

7. Формализация - это

Этап перехода от содержательного описания связей между выделенными признаками объекта к описанию, использующему некоторый язык кодирования.

Замена реального предмета знаком или совокупностью знаков.

Переход от нечетких задач, возникающих в реальной действительности, к формальным информационным моделям.

Выделение существенной информации об объекте.

8. Информационной технологией называется

Процесс, определяемый совокупностью средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы материала.

Изменение исходного состояния объекта.

Процесс, использующий совокупность средств и методов обработки и передачи первичной информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.

Совокупность определенных действий, направленных на достижение поставленной цели.

9. Материальной моделью является:

1. Анатомический муляж;

2. Техническое описание компьютера;

3. Рисунок функциональной схемы компьютера;

4. Программа на языке программирования.

10. Что такое компьютерная информационная модель?

Представление объекта в виде теста на некотором искусственном языке, доступном компьютерной обработке.

Совокупность информации, характеризующая свойства и состояние объекта, а также взаимосвязь с внешним миром.

Модель в мысленной или разговорной форме, реализованная на компьютере.

Метод исследования, связанный с вычислительной техникой.

11. Компьютерный эксперимент состоит из последовательности этапов:

Выбор численного метода - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере.

Построение математической модели - выбор численного метода - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере, анализ решения.

Разработка модели - разработка алгоритма - реализация алгоритма в виде программного средства.

Построение математической модели - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере, анализ решения.

№ вопроса

№ ответа

В 1870 г. английское Адмиралтейство спустило на воду новый броненосец "Кэптен". Корабль вышел в море и перевернулся. Погиб корабль и все находящиеся на нем люди. Это было совершенно неожиданно для всех, кроме английского ученого-кораблестроителя В. Рида, который предварительно провел исследования на модели броненосца и установил, что корабль опрокинется даже при небольшом волнении. Но ученому, проделывающему, как казалось, несерьезные опыты с "игрушкой", не поверили лорды из Адмиралтейства. И случилось непоправимое...

Модели и моделирование используются человечеством давно. С помощью моделей и модельных отношений развились разговорные языки, письменность, графика. Наскальные изображения наших предков, затем картины и книги - это модельные, информационные формы передачи знаний об окружающем мире последующим поколениям. Модели применяются при изучении сложных явлений, процессов, конструировании новых сооружений. Хорошо построенная модель, как правило, доступнее для исследования, нежели реальный объект. Более того, некоторые объекты вообще не могут быть изучены непосредственным образом: недопустимы, например, эксперименты с экономикой страны в познавательных целях; принципиально неосуществимы эксперименты с прошлым или, скажем, с планетами Солнечной системы и т. п.

Модель позволяет научиться правильно работать с объектом, апробируя различные варианты управления на его модели. Экспериментировать в этих целях с реальным объектом в лучшем случае бывает неудобно, а зачастую просто вредно или вообще невозможно в силу ряда причин (большой продолжительности эксперимента во времени, риска привести объект в нежелательное и необратимое состояние и т. п.)

Модель - это материальный или мысленно представляемый объект, замещающий в процессе изучения объект-оригинал, и сохраняющий значимые для данного исследования типичные его черты. Процесс построения модели называется моделированием.

Другими словами, моделирование - это процесс изучения строения и свойств оригинала с помощью модели. Приведем одну из возможных классификаций моделей.

Различают материальное и идеальное моделирование . Материальное моделирование, в свою очередь, делится на физическое и аналоговое моделирование.

Физическим принято называть моделирование, при котором реальному объекту противопоставляется его увеличенная или уменьшенная копия, допускающая исследование (как правило, в лабораторных условиях) с помощью последующего перенесения свойств изучаемых процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия. Примерами моделей такого рода служат: в астрономии - планетарий, в архитектуре - макеты зданий, в самолетостроении - модели летательных аппаратов и т. п.

Аналоговое моделирование основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но одинаково описываемых формально (одними и теми же математическими уравнениями).

От предметного моделирования принципиально отличается идеальное моделирование , которое основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной, мыслимой. Основным типом идеального моделирования является знаковое моделирование.

Знаковым называется моделирование, использующее в качестве моделей знаковые преобразования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, наборы символов.

Важнейшим видом знакового моделирования является математическое моделирование , при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики. Классическим примером математического моделирования является описание и исследование законов механики Ньютона средствами математики.

Пример

Посмотрите на следующую запись и попробуйте определить, что скрывается за этими знаками:

a 1 x 1 +b 1 x 2 =c 1
a 2 x 1 +b 2 x 2 =c 2
Ответы, полученные от людей, имеющих различные специальности, будут сильно различаться. Вот некоторые из возможных вариантов.

Математик : "Это система двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными, но что именно она выражает, сказать не могу".

Инженер-электрик : "Это уравнения электрического напряжения или токов с активными напряжениями".

Инженер-механик : "Это уравнения равновесия сил для системы рычагов или пружин".

Инженер-строитель : "Это уравнения, связывающие силы деформации в какой-то строительной конструкции".

Какой же из ответов правильный? Не удивляйтесь, но каждый из них в некотором смысле верен. Все зависит от того, что скрывается за постоянными коэффициентами a, b, c и символами неизвестных x 1 и x 2 .

Для построения моделей используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему). При первом подходе рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели, которая приспосабливается к условиям моделируемого объекта с учетом конкретных обстоятельств. Второй способ предполагает выдвижение гипотез, декомпозицию сложного объекта, анализ, а затем синтез. Здесь широко используется подобие, поиск аналогий, умозаключение с целью формирования каких-либо закономерностей в виде предположений о поведении системы.

Технология моделирования требует от исследователя умения корректно формулировать проблемы и задачи, прогнозировать результаты, проводить разумные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моделей, находить аналогии и выражать их на языке математики.

В современном мире все шире применяется процесс компьютерного моделирования, подразумевающий использование вычислительной техники для проведения экспериментов с моделью.