У даній роботі ми пропонуємо як можна детально розібрати тему моделювання в інформатиці. Цей розділ має велике значення для підготовки майбутніх фахівців у сфері інформаційних технологій. Для вирішення будь-якої задачі (виробничої чи наукової) інформатика використовує наступний ланцюжок:
об'єкт
модель
алгоритм
програма
результат
реальний об'єкт
У ній варто приділити особливу увагу поняттю «модель». Без наявності цієї ланки рішення задачі не буде можливим. Навіщо ж використовується модель і що під даним терміном розуміється? Про це ми і поговоримо в наступному розділі.
Модель
Моделювання в інформатиці – це складання образу якого-небудь реально існуючого об'єкта, який відображає всі суттєві ознаки і властивості. Модель для розв'язання задачі необхідна, так як вона, власне, і використовується в процесі вирішення.
У шкільному курсі інформатики тема моделювання починає вивчатися ще в шостому класі. На самому початку дітей необхідно ознайомити з поняттям моделі. Що це таке?
Спрощене подібність об'єкта; Зменшена копія реального об'єкта; Схема явища або процесу; Зображення явища або процесу; Опис явища або процесу; Фізичний аналог об'єкта; Інформаційний аналог; Об'єкт-замінник, що відбиває властивості реального об'єкта і так далі. Модель – це дуже широке поняття, як це вже стало ясно з вищепереліченого. Важливо зазначити, що всі моделі прийнято поділяти на групи:
матеріальні; ідеальні. Під матеріальною моделлю розуміють предмет, заснований на реально існуючому об'єкті. Це може бути якесь тіло або процес. Дану групу прийнято підрозділяти ще на два види:
фізичні; аналогові. Така класифікація носить умовний характер, адже чітку межу між цими двома підвидами провести дуже важко. Ідеальну модель охарактеризувати ще важче. Вона пов'язані з:
мисленням; уявою; сприйняттям. До неї можна віднести твори мистецтва (театр, живопис, література і так далі).
Цілі моделювання
Моделювання в інформатиці – це дуже важливий етап, так як він має масу цілей. Зараз пропонуємо, щоб з ними познайомитися. В першу чергу моделювання допомагає пізнати навколишній світ. Споконвіку люди накопичували отримані знання і передавали їх своїм нащадкам. Таким чином з'явилася модель нашої планети (глобус).
У минулі століття здійснювалося моделювання неіснуючих об'єктів, які зараз міцно закріпилися в нашому житті (парасоля, млин і так далі). В даний час можелирование спрямовано на:
виявлення наслідків будь-якого процесу (збільшення вартості проїзду або утилізації хімічних відходів під землею); забезпечення ефективності прийнятих рішень. Задачі моделювання
Ми згадали в статті, що таке моделювання в інформатиці. Цей процес має деякі завдання, про які ми поговоримо в даному розділі. Що таке завдання в моделюванні? Припустимо, що у нас є якась проблема, для її усунення потрібно вирішити ряд завдань. Тобто, задача – це проблема, з якою необхідно впоратися. Важливо зауважити, що всі завдання можна розділити на дві великі групи.
Вид завдань
Пояснення
Прямі
Ці завдання ставлять перед нами запитання: «Що буде, якщо ми виберемо саме це рішення з можливого безлічі?». При цьому варто звернути увагу на те, що пряма задача дає нам вихідні дані, конкретні умови.
Зворотні
Зворотні завдання ставлять перед нами трохи інші питання: "Як максимізувати критерій ефективності? Яке рішення з можливих задовольняє даній умові?"
Вербальна модель
Які існують методи моделювання? Інформатика використовує всього два методу – інформаційний і математичний. Але важливо згадати і ще один вид моделі – вербальний. Про нього ми зараз поговоримо трохи докладніше.
Вербальна модель відноситься до категорії ідеальних або абстрактних. Це опис за допомогою букв, слів, речень. До таких моделей відносяться:
протокол; правила дорожнього руху; інформація в навчальній літературі; художня література; усне або письмове опис будь-якого предмета, процесу чи явища. Математична модель
Які ще види моделей вивчаються в інформатиці? Інформаційне моделювання і математичне (алгоритмічний) прийнято розділяти. Хоча, як вже говорилося раніше, межі між вербальними, математичними та інформаційними моделями досить умовні. Якщо говорити простою мовою, то математична модель описує будь-яку ситуацію з математичної точки зору. Не помічаючи для себе, ми займаємося математичним моделюванням щодня. Наприклад: мама відправляє дитину за хлібом і молоком. Вона знає скільки коштують продукти в магазині, розташованому поруч з будинком. Тепер необхідно порахувати скільки грошей дати дитині. Припустимо, молоко коштує 75 рублів і 50 копійок, а хліб – 30 рублів 20 копійок. Вся покупка обійдеться у 105 рублів 70 копійок (755+302). Це і є приклад математичної моделі.
Інформаційна модель
Тепер поговоримо ще про одному вигляді моделей, що вивчаються в шкільному курсі інформатики. Комп'ютерне моделювання, яке необхідно освоїти кожному майбутньому IT-фахівця, що включає в себе процес реалізації інформаційної моделі за допомогою комп'ютерних засобів. Але що це таке, інформаційна модель?
Вона являє собою цілий перелік інформації про якому-небудь об'єкті. Що дана модель описує, і яку корисну інформацію несе:
властивості модельованого об'єкта; його стан; зв'язку з навколишнім світом; відносини із зовнішніми об'єктами. Що може служити інформаційною моделлю:
словесний опис; текст; рисунок; таблиця; схема; креслення; формула і так далі. Відмітна особливість інформаційної моделі полягає в тому, що її не можна помацати, спробувати на смак і так далі. Вона не несе матеріального втілення, так як представлена у вигляді інформації.
Системний підхід до створення моделі
В якому класі шкільної програми вивчається моделювання? Інформатика 9 класу знайомить учнів з даної темою більш докладно. Саме в цьому класі дитина дізнається про системному підході моделювання. Пропонуємо про це поговорити трохи докладніше. Почнемо з поняття «система». Це група взаємопов'язаних між собою елементів, які діють спільно для виконання поставленого завдання. Для побудови моделі часто користуються системним підходом, так як об'єкт розглядається як система, що функціонує в деякому середовищі. Якщо моделюється який-небудь складний об'єкт, то систему прийнято розбивати на більш дрібні частини – підсистеми.
Мета використання
Зараз ми розглянемо цілі моделювання (інформатика 11 клас). Раніше говорилося, що всі моделі поділяються на деякі види і класи, але межі між ними умовні. Є кілька ознак, за якими прийнято класифікувати моделі: мета, область знань, фактор часу, спосіб подання. Що стосується цілей, то прийнято виділяти наступні види:
навчальні; досвідчені; імітаційні; ігрові; науково-технічні. До першого виду належать навчальні матеріали. До другого зменшені або збільшені копії реальних об'єктів (модель споруди, крила літака і так далі). Імітаційна модель дозволяє передбачити результат будь-якої події. Імітаційне моделювання часто застосовується в медицині і соціальній сфері. Наприклад, модель допомагає зрозуміти, як люди відреагують на ту чи іншу реформу? Перш ніж зробити серйозну операцію людині з пересадки органу, було проведено безліч дослідів. Іншими словами, імітаційна модель дозволяє вирішити проблему методом «проб і помилок». Ігрова модель – це свого роду економічна, ділова або військова гра. З допомогою даної моделі можна передбачити поведінку об'єкта в різних ситуаціях. Науково-технічну модель використовують для вивчення якого-небудь процесу або явища (прилад імітує грозовий розряд, модель руху планет Сонячної системи і так далі).
Область знань
В якому класі учнів більш детально знайомлять з моделюванням? Інформатика 9 класу робить упор на підготовку своїх учнів до іспитів для вступу у вищі навчальні заклади. Так як у квитках ЄДІ і ДПА зустрічаються питання по моделюванню, то зараз необхідно як можна детальніше розглянути цю тему. І так, як відбувається класифікація по області знань? За цією ознакою виділяють такі види:
біологічні (наприклад, штучно викликані у тварин хвороби, генетичні порушення, злоякісні новоутворення); економічні (модель поведінки фірми, модель формування ринкової ціни і так далі); історичні (генеалогічне дерево, моделі історичних подій, модель римського війська тощо); соціологічні (модель особистого інтересу, поведінка банкірів при адаптації до нових економічних умов) і так далі. Фактор часу
По даній характеристиці розрізняють два види моделей:
динамічні; статичні. Вже, судячи по одній назві, не важко здогадатися, що перший вид відображає функціонування, розвиток і зміна якого-небудь об'єкта в часі. Статична навпаки здатна описати об'єкт у конкретний момент часу. Цей вид іноді називають структурним, так як модель відображає будову та параметри об'єкта, тобто дає зріз інформації про нього.
Прикладами динамічної моделі є:
набір формул, що відображають рух планет Сонячної системи; графік зміни температури повітря; відеозапис виверження вулкана і так далі. Прикладами статистичної моделі служать:
перелік планет Сонячної системи; карта місцевості і так далі. Спосіб подання
Для початку дуже важливо сказати, що всі моделі мають вигляд і форму, вони завжди з чогось робляться, як-то подаються або описуються. За цією ознакою прийнято класифікувати моделі таким чином:
матеріальні; нематеріальні. До першого виду належать матеріальні копії існуючих об'єктів. Їх можна помацати, понюхати і так далі. Вони відображають зовнішні або внутрішні властивості, дії якого-небудь об'єкта. Для чого потрібні матеріальні моделі? Вони використовуються для експериментального методу пізнання (досвідченого методу). До нематеріальних моделям ми вже теж зверталися раніше. Вони використовують теоретичний метод пізнання. Такі моделі прийнято називати ідеальними або абстрактними. Ця категорія поділяється ще на кілька підвидів: уявні моделі та інформаційні. Інформаційні моделі наводять перелік різної інформації про об'єкт. В якості інформаційної моделі можуть виступати таблиці, малюнки, словесні описи, схеми і так далі. Чому цю модель називають нематеріальній? Вся справа в тому, що її не можна помацати, так як вона не має матеріального втілення. Серед інформаційних моделей розрізняють знакові та наочні. Уявна модель – це один з етапів моделювання. Це творчий процес, що проходить в уяві людини, який передує створення матеріального об'єкту.
Етапи моделювання
Тема з інформатики 9 класу «Моделювання і формалізація» має велику вагу. Вона обов'язкова до вивчення. У 9-11 класі викладач зобов'язаний ознайомити учнів з етапами створення моделей. Цим ми зараз і займемося. Отже, виділяють наступні етапи моделювання:
змістовна постановка задачі; математична постановка задачі; розробки з використанням ЕОМ; експлуатація моделі; отримання результату. Важливо відзначити, що при вивченні всього, що оточує нас, використовується процеси моделювання, формалізації. Інформатика – це предмет, присвячений сучасним методам вивчення і вирішення яких-небудь проблем. Отже, наголос робиться на моделі, які можна реалізувати за допомогою ЕОМ. Особливу увагу в цій темі слід приділити пунктом розробки алгоритму розв'язання за допомогою електронно-обчислювальних машин.
Зв'язки між об'єктами
Тепер поговоримо трохи про зв'язки між об'єктами. Всього виділяють три види:
один до одного (позначається така зв'язок односторонньої стрілкою в одну або в іншу сторону); один до багатьох (множинна зв'язок позначається подвійною стрілкою); багато до багатьох (такий зв'язок позначається подвійною стрілкою). Важливо відзначити, що зв'язки можуть бути умовними і безумовними. Безумовна зв'язок передбачає використання кожного примірника об'єкта. А в умовній задіяні лише окремі елементи.
