Какие свойства и отношение объектов отражают модели а какие нет

Учебник для 7 класса

Информатика и ИКТ

Человек стремится познать объекты окружающего мира, он взаимодействует с существующими объектами и создает новые объекты.

Одним из методов познания объектов окружающего мира является моделирование, состоящее в создании и исследовании «заместителей» реальных объектов. «Объ-ект-заместитель» принято называть моделью, а исходный объект — прототипом или оригиналом.

Например, в разговоре мы замещаем реальные объекты их именами, оформители витрин используют манекен — модель человеческой фигуры, конструкторы строят модели самолетов и автомобилей, а архитекторы — макеты зданий, мостов и парков. Моделью является любое наглядное пособие, используемое на уроках в школе: глобус, муляж, карта, схема, таблица и т. п.

Модель важна не сама по себе, а как инструмент, облегчающий познание или наглядное представление объекта.

К созданию моделей прибегают, когда исследуемый объект слишком велик (модель Солнечной системы) или слишком мал (модель атома), когда процесс протекает очень быстро (модель двигателя внутреннего сгорания) или очень медленно (геологическая модель), когда исследование объекта может оказаться опасным для окружающих (модель атомного взрыва), привести к разрушению его самого (модель самолета) или создание реального объекта очень дорого (архитектурный макет города) и т. д.

Что общего у всех моделей? Какими свойствами они обладают?

Во-первых, модель не является точной копией объекта-оригинала: она отражает только часть его свойств, отношений и особенностей поведения. Например, на манекен можно надеть костюм, но с ним нельзя поговорить. Модель автомобиля может быть без мотора, а макет дома — без электропроводки и водопровода.

Во-вторых, поскольку любая модель всегда отражает только часть признаков оригинала, то можно создавать и использовать разные модели одного и того же объекта. Например: мяч может воспроизвести только одно свойство Земли — ее форму; обычный глобус отражает, кроме того, расположение материков; а глобус, входящий в состав действующей модели Солнечной системы, — еще и траекторию движения Земли вокруг Солнца.

Чем больше признаков объекта отражает модель, тем она полнее. Однако отразить в модели все свойства объек-та-оригинала невозможно, а чаще всего и не нужно. Ведь при создании модели человек, как правило, преследует вполне определенную цель и стремится наиболее полно отразить только те признаки объектов, которые кажутся ему важными, существенными для реализации этой цели. Если, например, модель самолета создается для коллекции, то в ней воспроизводится внешний вид самолета, а не его летные характеристики.

От цели моделирования зависят требования к модели: какие именно признаки объекта-оригинала она должна отражать.

Отразить в модели признаки оригинала можно одним из двух способов.

Во-первых, признаки можно скопировать, воспроизвести. Такую модель называют натурной (материальной). Примерами натурных моделей являются муляжи и макеты — уменьшенные или увеличенные копии, воспроизводящие внешний вид объекта моделирования (глобус), его структуру (модель Солнечной системы) или поведение (радиоуправляемая модель автомобиля).

Во-вторых, признаки оригинала можно описать на одном из языков кодирования информации — дать словесное описание, привести формулу, схему или чертеж. Такую модель называют информационной.

Модели используются человеком для:

• представления материальных предметов (макет застройки жилого района в мастерской архитектора);
• объяснения известных фактов (макет скелета человека в кабинете биологии);
• проверки гипотез и получения новых знаний об исследуемых объектах (модель полета самолета новой конструкции в аэродинамической трубе);
• прогнозирования (сделанные из космоса фотоснимки движения воздушных масс);
• управления (расписание движения поездов) и т. д.

Коротко о главном

Модель — это объект, который используется в качестве «заместителя», представителя другого объекта (оригинала) с определенной целью. Модель не является точной копией объекта-оригинала: она отражает только часть его свойств, отношений и особенностей поведения. Можно создавать и использовать разные модели одного и того же объекта. Процесс создания и использования модели называют моделированием.

Различают натурные и информационные модели. Натурные модели — реальные предметы, в уменьшенном или увеличенном виде воспроизводящие внешний вид, структуру или поведение объекта моделирования. Информационные модели — описания объекта-оригинала на языках кодирования информации. Модели используются человеком для: представления материальных предметов, объяснения известных фактов, получения новых знаний об исследуемых объектах, прогнозирования и управления и т. д.

Вопросы и задания

1. Что такое модель?
2. Назовите основные свойства моделей.
3. Что такое моделирование?
4. Как можно назвать отношения между объектом-оригиналом и его моделью?
5. Какие модели называют натурными? Приведите 2-3 примера натурных моделей.
6. Какие модели называют информационными? Приведите 2-3 примера информационных моделей.
7. Для каждой из перечисленных моделей назовите действия, которые человек может выполнить и с ней, и с объектом-оригиналом:
   • радиоуправляемая модель самолета;
   • словесное описание куртки;
   • план квартиры;
   • чайник из пластилина в натуральную величину;
   • мысленное представление о будущей поездке.

   Какие действия могут быть выполнены только с оригиналом?

8. В какой ситуации искусственные цветы и муляжи фруктов могут использоваться в качестве моделей-«заместителей» настоящих цветов и фруктов? Какие свойства и отношения объектов отражают эти модели, а какие — нет?
9. Приведите примеры использования моделей для:
   а) представления материальных предметов;
   
   б) объяснения известных фактов;
   
   в) проверки гипотез и получения новых знаний об исследуемых объектах;
   
   г) прогнозирования;
   
   д) управления.

6. Модели и моделирование (11 кл).

Человек стремится познать объекты окружающего мира, он взаимодействует с существующими объектами и создает новые объекты.

Одним из методов познания объектов окружающего мира является моделирование, состоящее в создании и исследовании «заместителей» реальных объектов. «Объ­ект-заместитель» принято называть моделью, а исходный объект — прототипом или оригиналом.

Модель – это объект, который обладает некоторыми свойствами другого объекта (оригинала) и используется вместо него.

Например, в разговоре мы замещаем реальные объекты их именами, оформите­ли витрин используют манекен — модель человеческой фигуры, конструкторы стро­ят модели самолетов и автомобилей, а ар­хитекторы — макеты зданий, мостов и парков. Моделью является любое нагляд­ное пособие, используемое на уроках в школе: глобус, муляж, карта, схема, таб­лица и т. п.

Что можно моделировать?

Можно строить модели объектов. Например,

•  уменьшенные копии зданий, кораблей, самолетов, …

•  модели ядра атома, кристаллических решеток

•  чертежи

Можно строить модели процессов. Например,

•  изменение экологической обстановки

•  экономические модели

•  исторические модели

Можно строить модели явлений. Например,

•  землетрясение

•  солнечное затмение

•  цунами

Модель важна не сама по себе, а как инструмент, облегчающий познание или наглядное представление объекта. Моделирование – это создание и использование моделей для изучения оригиналов.

Когда используют моделирование:

•  оригинал не существует

–  древний Египет

–  последствия ядерной войны

•  исследование оригинала опасно для жизни или дорого:

–  управление ядерным реактором

–  испытание нового скафандра для космонавтов

–  разработка нового самолета или корабля

•  оригинал сложно исследовать непосредственно:

–  Солнечная система, галактика (большие размеры)

–  атом, нейтрон (маленькие размеры)

–  процессы в двигателе внутреннего сгорания (очень быстрые)

–  геологические явления (очень медленные)

•  интересуют только некоторые свойства оригинала

–  проверка краски для фюзеляжа самолета

Цели моделирования

•  исследование оригинала изучение сущности объекта или явления

•  анализ («что будет, если …») научиться прогнозировать последствия различных воздействиях на оригинал

•  синтез («как сделать, чтобы …») научиться управлять оригиналом, оказывая на него воздействия

•  оптимизация («как сделать лучше») выбор наилучшего решения в заданных условиях

Что общего у всех моделей? Какими свойствами они обладают?

Во-первых, модель не является точной копией объек­та-оригинала: она отражает только часть его свойств, от­ношений и особенностей поведения. Например, на мане­кен можно надеть костюм, но с ним нельзя поговорить. Модель автомобиля может быть без мотора, а макет дома — без электропроводки и водопровода.

Во-вторых, поскольку любая модель всегда отражает только часть признаков оригинала, то можно создавать и использовать разные модели одного и того же объекта. Например: мяч может воспроизвести только одно свойст­во Земли — ее форму; обычный глобус отражает, кроме того, расположение материков; а глобус, входящий в со­став действующей модели Солнечной системы, — еще и траекторию движения Земли вокруг Солнца. Оригиналу может соответствовать несколько разных моделей и наоборот!

Чем больше признаков объекта отражает модель, тем она полнее. Однако отразить в модели все свойства объек­та-оригинала невозможно, а чаще всего и не нужно. Ведь при создании модели человек, как правило, преследует вполне определенную цель и стремится наиболее полно от­разить только те признаки объектов, которые кажутся ему важными, существенными для реализации этой цели. Если, например, модель самолета создается для кол­лекции, то в ней воспроизводится внешний вид самолета, а не его летные характеристики.

От цели моделирования зависят требования к модели: какие именно признаки объекта-оригинала она должна отражать. Тип модели определяется целями моделирования.

Виды моделей

Природа моделей может быть двух видов. Во-первых, материальные (натурные, физические, предметные) модели. Это реальные предметы в уменьшенном или увеличенном виде, воспроизводящие внешний вид, структуру или поведение объекта моделирования. Они копируют, воспроизводят признаки оригинала. Примерами натурных моделей являются муляжи и маке­ты — уменьшенные или увеличенные копии, воспроизво­дящие внешний вид объекта моделирования (глобус), его структуру (модель Солнечной системы) или поведение (ра­диоуправляемая модель автомобиля).

Во-вторых, информационные модели. Они представляют собой описания объекта-оригинала на языках кодирования информации (словес­ное описание, формула, схема или чертеж). Именно информационные модели можно строить на компьютере, поэтому они и рассматриваются наукой информатикой.

Объектом информационного моделирования может быть всё что угод­но: отдельные предметы (дерево, стол); физические, химические, биоло­гические процессы (течение воды в трубе, получение серной кислоты, фо­тосинтез в листьях растений); метеорологические явления (гроза, смерч); экономические и социальные процессы (динамика цен акций на бирже, миграция населения). Можно сказать, что информационным моделированием занимается любая наука, поскольку задача науки состоит в получении знаний, а наши знания о действительности всегда носят приближенный, т. е. мо­дельный, характер. С развитием науки эти знания уточняются, углубля­ются, но все равно остаются приближенными. Старые модели заменяются на новые, более точные, и этот процесс бесконечен.

Физика создает модели физических объектов, химия — химических, экономика и социология —- социально-экономических и т. д. Информатика занимается общими методами и средствами созда­ния и использования информационных моделей.

Виды информационных моделей.

•  вербальные – словесные, сказанные устно

•  образные – фотографии, рисунки…

•  графические – рисунки, схемы, карты, …

•  табличные – организованные в виде таблиц

•  знаковые – выраженные с помощью формального языка

q  математические – построенные с помощью математических понятий и формул

q  специальные – запись нотами, химическими формулами,..

q  логические – различные варианты выбора действий на основе анализа условий.

Существует много различных классификаций моделей. Между видами моделей достаточно тонкая грань. Например, глобус считается материальной моделью Земли, но на нём есть рисунок – графическое изображение, оно содержит специальные значки, числа и надписи. А это уже элементы информационной модели.

Модели по области применения бывают учебные (в т. ч. тренажеры), опытные – при создании новых технических средств, научно-технические.

Модели по фактору времени бывают

•  статичные – описывают оригинал в заданный момент времени

q  силы, действующие на тело в состоянии покоя

q  результаты осмотра врача

q  фотография

•  динамичные

q  модель движения тела

q  явления природы (молния, землетрясение, цунами)

q  история болезни

q  видеозапись события

Модели по характеру связей

•  детерминированные

•  связи между входными и выходными величинами жестко заданы

•  при одинаковых входных данных каждый раз получаются одинаковые результаты

Примеры

q  движение тела без учета ветра

q  расчеты по известным формулам

•  вероятностные (стохастические)

•  учитывают случайность событий в реальном мире

•  при одинаковых входных данных каждый раз получаются немного разные результаты

Примеры

q  движение тела с учетом ветра

q  броуновское движение частиц

q  модель движения судна на волнении

q  модели поведения человека

Специальные виды моделей

•  имитационные

–  нельзя заранее вычислить или предсказать поведение системы, но можно имитировать её реакцию на внешние воздействия;

–  максимальный учет всех факторов;

–  только численные результаты;

Примеры:

q  испытания лекарств на мышах, обезьянах, …

q  математическое моделирование биологических систем

q  модели бизнеса и управления

q  модели процесса обучения

Задача – найти лучшее решение методом проб и ошибок (многократные эксперименты)!

•  игровые – учитывающие действия противника

Примеры:

q  модели экономических ситуаций

q  модели военных действий

q  спортивные игры

q  тренинги персонала

Задача – найти лучший вариант действий в самом худшем случае!

Модели по структуре бывают

•  табличные модели (пары соответствия)

•  иерархические (многоуровневые) модели

•  сетевые модели (графы)

Модели используются человеком для:

•  представления материальных предметов (макет за­стройки жилого района в мастерской архитектора);

•  объяснения известных фактов (макет скелета челове­ка в кабинете биологии);

•  проверки гипотез и получения новых знаний об иссле­дуемых объектах (модель полета самолета новой кон­струкции в аэродинамической трубе);

•  прогнозирования (сделанные из космоса фотоснимки движения воздушных масс);

управления (расписание движения поездов) и т. д.

Компьютерная информационная модель.

Основным инструментом со­временной информатики является компьютер. Поэтому информационное моделирование в информатике — это компьютерное моделирование, при­менимое к объектам различных предметных областей. Компьютер позво­лил ученым работать с такими информационными моделями, исследова­ние которых было невозможно или затруднено в докомпьютерные време­на. Например, метеорологи могли и 100 лет назад написать уравнения для расчета прогноза погоды на завтра. Но на решение их «ручным способом» потребовалось бы много лет. И лишь с помощью компьютера появилась возможность рассчитать прогноз погоды прежде, чем наступит завтраш­ний день.

Чаще всего информационное моделирование используется для прогно­зирования поведения объекта моделирования, для принятия управляю­щих решений. Характерной особенностью компьютерных информацион­ных моделей является возможность их использования в режиме реально­го времени, т. е. с соблюдением временных ограничений на получение результата. В самом деле, какой смысл имеет получение через неделю про­гноза на завтра или расчет управляющего решения через час, если его при­нятие требуется через пять минут? Высокое быстродействие современных компьютеров снимает эти проблемы.

Адекватность модели

Адекватность – совпадение существенных свойств модели и оригинала. Адекватность обязательна для верного использования модели. Ведь неадекватная модель даст неверный результат при исследовании, эксперименте. Поэтому результаты моделирования согласуются с выводами теории (законы сохранения и т. п.), подтверждаются экспериментом. Адекватность модели можно доказать только экспериментом!

Модель всегда отличается от оригинала. Важно учитывать, что любая модель бывает адекватна своему оригиналу только при определенных условиях.

Этапы моделирования.

Построение информационной модели начина­ется с системного анализа объекта моделирования. Представим себе быст­ро растущую фирму, руководство которой столкнулось с проблемой сни­жения эффективности работы фирмы по мере ее роста (что является обыч­ной ситуацией) и решило упорядочить управленческую деятельность. Первое, что будет сделано на этом пути, — системный анализ деятельнос­ти фирмы, т. е. анализ объекта моделирования как системы в соответ­ствии с системным подходом.

Системный аналитик, пригла­шенный в фирму, должен изучить ее деятельность, выделить участников процесса управления и их деловые взаимоотношения.

Далее полученное теоретическое описание моделируемой системы пре­образуется в компьютерную модель. Для этого используется либо готовое программное обеспечение, либо привлекаются программисты для его раз­работки. В конечном итоге получается компьютерная информационная модель, которая будет использоваться по своему назначению.

Для нашего примера с фирмой компьютерная информационная модель поможет найти оптимальный вариант управления, при котором будет до­стигнута наивысшая эффективность работы фирмы согласно заложенно­му в модель критерию (например, это может быть максимум прибыли на единицу вложенных средств). Информационная модель базируется на данных, т. е. на информации об объекте моделирования. Любой реальный объект обладает бесконечным множеством различных свойств. Для создания его информационной модели требуется выделить лишь те свойства, которые необходимы с точ­ки зрения цели моделирования; четко сформулировать эту цель необходи­мо до начала моделирования. Например, если вы хотите создать модель учебного процесса в вашем классе, то вам потребуются данные об изучае­мых предметах, расписании занятий, оценках учеников, преподавателях. А если вы захотите смоделировать процесс летнего отдыха (например, коллективной поездки на юг), то вам потребуются совсем другие данные: сроки поездки, маршрут поезда, стоимость билетов, стоимость расходов на питание и пр. Возможно, что единственными общими данными для этих двух моделей будет список учеников класса.

Этапы разработки компьютерной информационной модели

Вопросы и задания

1.  Что такое модель?

2.  Что такое моделирование?

3.  Что можно моделировать? Ваши примеры.

4.  Когда используют моделирование? Ваши примеры.

5.  Каковы цели моделирования?

6.  Сколько моделей можно построить для одного оригинала?

7.  Скольким оригиналам может соответствовать одна модель?

8.  От чего зависит тип создаваемой модели?

9.  Все ли свойства оригинала отражает модель? Если нет, то какие отраджает?

10.  Какие модели называют натурными? Приведите 2-3 примера натурных моделей.

11.  Какие модели называют информационными?

12.  Какие вам известны виды информационных моделей? Приве­дите по 2 собственных примера информационных моделей на каждый вид.

13.  Какова роль информатики в информационном моделировании?

14.  Что такое адекватность модели и зачем она нужна?

15.  Каковы основные этапы компьютерного моделирования?

16.  В какой ситуации искусственные цветы и муляжи фруктов могут использоваться в качестве моделей-«заместителей» настоящих цветов и фруктов? Какие свойства и отношения объектов отражают эти модели, а какие — нет?

17.  Приведите пример информационной модели:

a.  ученика вашего класса;

b.  квартиры жилого дома;

c.  книги в библиотеке;

d.  кассеты (диска) со звукозаписью (видеозаписью);