В данной работе мы предлагаем как можно подробно разобрать тему моделирования в информатике. Этот раздел имеет большое значение для подготовки будущих специалистов в сфере информационных технологий.
Для решения любой задачи (производственной или научной) информатика использует следующую цепочку:
В ней стоит уделить особое внимание понятию «модель». Без наличия данного звена решение задачи не будет возможным. Зачем же используется модель и что под данным термином понимается? Об этом мы и поговорим в следующем разделе.
Модель
Моделирование в информатике - это составление образа какого-либо реально существующего объекта, который отражает все существенные признаки и свойства. Модель для решения задачи необходима, так как она, собственно, и используется в процессе решения.
В школьном курсе информатики тема моделирования начинает изучаться еще в шестом классе. В самом начале детей необходимо познакомить с понятием модели. Что это такое?
- Упрощенное подобие объекта;
- Уменьшенная копия реального объекта;
- Схема явления или процесса;
- Изображение явления или процесса;
- Описание явления или процесса;
- Физический аналог объекта;
- Информационный аналог;
- Объект-заменитель, отражающий свойства реального объекта и так далее.
Модель - это очень широкое понятие, как это уже стало ясно из вышеперечисленного. Важно отметить, что все модели принято делить на группы:
- материальные;
- идеальные.
Под материальной моделью понимают предмет, основанный на реально существующем объекте. Это может быть какое-либо тело или процесс. Данную группу принято подразделять еще на два вида:
- физические;
- аналоговые.
Такая классификация носит условный характер, ведь четкую границу между двумя этими подвидами провести очень трудно.
Идеальную модель охарактеризовать еще труднее. Она связаны с:
- мышлением;
- воображением;
- восприятием.
К ней можно отнести произведения искусства (театр, живопись, литература и так далее).
Цели моделирования
Моделирование в информатике - это очень важный этап, так как он преследует массу целей. Сейчас предлагаем с ними познакомиться.
В первую очередь моделирование помогает познать окружающий нас мир. Испокон веков люди накапливали полученные знания и передавали их своим потомкам. Таким образом появилась модель нашей планеты (глобус).
В прошлые века осуществлялось моделирование несуществующих объектов, которые сейчас прочно закрепились в нашей жизни (зонт, мельница и так далее). В настоящее время можелирование направлено на:
- выявление последствий какого-либо процесса (увеличения стоимости проезда или утилизации химических отходов под землей);
- обеспечение эффективности принимаемых решений.
Задачи моделирования
Информационная модель
Теперь поговорим еще об одном виде моделей, изучаемых в школьном курсе информатики. Компьютерное моделирование, которое необходимо освоить каждому будущему IT-специалисту, включает в себя процесс реализации информационной модели при помощи компьютерных средств. Но что это такое, информационная модель?
Она представляет собой целый перечень информации о каком-либо объекте. Что данная модель описывает, и какую полезную информацию несет:
- свойства моделируемого объекта;
- его состояние;
- связи с окружающим миром;
- отношения с внешними объектами.
Что может служить информационной моделью:
- словесное описание;
- текст;
- рисунок;
- таблица;
- схема;
- чертеж;
- формула и так далее.
Отличительная особенность информационной модели заключается в том, что ее нельзя потрогать, попробовать на вкус и так далее. Она не несет материального воплощения, так как представлена в виде информации.
Системный подход к созданию модели
В каком классе школьной программы изучается моделирование? Информатика 9 класса знакомит учеников с данной темой более подробно. Именно в этом классе ребенок узнает о системном подходе моделирования. Предлагаем об этом поговорить немного подробнее.
Начнем с понятия «система». Это группа взаимосвязанных между собой элементов, которые действуют совместно для выполнения поставленной задачи. Для построения модели часто пользуются системным подходом, так как объект рассматривается как система, функционирующая в некоторой среде. Если моделируется какой-либо сложный объект, то систему принято разбивать на более мелкие части - подсистемы.
Цель использования
Сейчас мы рассмотрим цели моделирования (информатика 11 класс). Ранее говорилось, что все модели делятся на некоторые виды и классы, но границы между ними условны. Есть несколько признаков, по которым принято классифицировать модели: цель, область знаний, фактор времени, способ представления.
Что касается целей, то принято выделять следующие виды:
- учебные;
- опытные;
- имитационные;
- игровые;
- научно-технические.
К первому виду относятся учебные материалы. Ко второму уменьшенные или увеличенные копии реальных объектов (модель сооружения, крыла самолета и так далее). позволяет предугадать исход какого-либо события. Имитационное моделирование часто применяется в медицине и социальной сфере. Наример, модель помогает понять, как люди отреагируют на ту или иную реформу? Прежде чем сделать серьезную операцию человеку по пересадке органа, было проведено множество опытов. Другими словами, имитационная модель позволяет решить проблему методом «проб и ошибок». Игровая модель - это своего рода экономическая, деловая или военная игра. С помощью данной модели можно предугадать поведение объекта в разных ситуациях. Научно-техническую модель используют для изучения какого-либо процесса или явления (прибор имитирующий грозовой разряд, модель движения планет Солнечной системы и так далее).
Область знаний
В каком классе учеников более подробно знакомят с моделированием? Информатика 9 класса делает упор на подготовку своих учеников к экзаменам для поступления в высшие учебные заведения. Так как в билетах ЕГЭ и ГИА встречаются вопросы по моделированию, то сейчас необходимо как можно подробнее рассмотреть эту тему. И так, как происходит классификация по области знаний? По данному признаку выделяют следующие виды:
- биологические (например, искусственно вызванные у животных болезни, генетические нарушения, злокачественные новообразования);
- поведения фирмы, модель формирования рыночной цены и так далее);
- исторические (генеалогическое дерево, модели исторических событий, модель римского войска и тому подобное);
- социологические (модель личного интереса, поведение банкиров при адаптации к новым экономическим условиям) и так далее.
Фактор времени
По данной характеристике различают два вида моделей:
- динамические;
- статические.
Уже, судя по одному названию, не трудно догадаться, что первый вид отражает функционирование, развитие и изменение какого-либо объекта во времени. Статическая наоборот способна описать объект в какой-то конкретный момент времени. Этот вид иногда называют структурным, так как модель отражает строение и параметры объекта, то есть дает срез информации о нем.
Примерами являются:
- набор формул, отражающих движение планет Солнечной системы;
- график изменения температуры воздуха;
- видеозапись извержения вулкана и так далее.
Примерами статистической модели служат:
- перечень планет Солнечной системы;
- карта местности и так далее.
Способ представления
Для начала очень важно сказать, что все модели имеют вид и форму, они всегда из чего-то делаются, как-то представляются или описываются. По данному признаку принято таким образом:
- материальные;
- нематериальные.
К первому виду относятся материальные копии существующих объектов. Их можно потрогать, понюхать и так далее. Они отражают внешние или внутренние свойства, действия какого-либо объекта. Для чего нужны материальные модели? Они используются для экспериментального метода познания (опытного метода).
К нематериальным моделям мы уже тоже обращались ранее. Они используют теоретический метод познания. Такие модели принято называть идеальными либо абстрактными. Эта категория делится еще на несколько подвидов: воображаемые модели и информационные.
Информационные модели приводят перечень различной информации об объекте. В качестве информационной модели могут выступать таблицы, рисунки, словесные описания, схемы и так далее. Почему данную модель называют нематериальной? Все дело в том, что ее нельзя потрогать, так как она не имеет материального воплощения. Среди информационных моделей различают знаковые и наглядные.
Воображаемая модель - это один из Это творческий процесс, проходящий в воображении человека, который предшествует созданию материального объекта.
Этапы моделирования
Тема по информатике 9 класса «Моделирование и формализация» имеет большой вес. Она обязательна к изучению. В 9-11 классе преподаватель обязан познакомить учеников с этапами создания моделей. Этим мы сейчас и займемся. Итак, выделяют следующие этапы моделирования:
- содержательная постановка задачи;
- математическая постановка задачи;
- разработки с использованием ЭВМ;
- эксплуатация модели;
- получение результата.
Важно отметить, что при изучении всего, что окружает нас, используется процессы моделирования, формализации. Информатика - это предмет, посвященный современным методам изучения и решения каких-либо проблем. Следовательно, упор делается на модели, которые можно реализовать при помощи ЭВМ. Особое внимание в этой теме следует уделить пункту разработки алгоритма решения при помощи электронно-вычислительных машин.
Связи между объектами
Теперь поговорим немного о связях между объектами. Всего выделяют три вида:
- один к одному (обозначается такая связь односторонней стрелкой в одну или в другую сторону);
- один ко многим (множественная связь обозначается двойной стрелкой);
- многие ко многим (такая связь обозначается двойной стрелкой).
Важно отметить, что связи могут быть условными и безусловными. Безусловная связь предполагает использование каждого экземпляра объекта. А в условной задействованы только отдельные элементы.
Моделирование как метод познания
1.1.1. Модели и моделирование
Человек стремится познать объекты (предметы, процессы, явления) окружающего мира, т. е. понять, как устроен конкретный объект, каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с другими объектами. Для решения многих практических задач важно знать:
Как изменятся характеристики объекта при определённом воздействии на него со стороны других объектов («Что будет, если...?»);
Какое надо произвести воздействие на объект, чтобы изменить его свойства в соответствии с новыми требованиями («Как сделать, чтобы...?»);
Какое сочетание характеристик объекта является наилучшим в заданных условиях («Как сделать лучше?»).
Одним из методов познания объектов окружающего мира является моделирование, состоящее в создании и исследовании упрощённых заменителей реальных объектов. Объект-заменитель принято назы вать моделью, а исходный объект - прототипом или оригиналом. Примеры моделей приведены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Примеры моделей
К созданию моделей прибегают, когда исследуемый объект слишком велик (Солнечная система) или слишком мал (атом), когда процесс протекает очень быстро (переработка топлива в двигателе внутреннего сгорания) или очень медленно (геологические процессы), когда исследование объекта может оказаться опасным для окружающих (атомный взрыв), привести к разрушению его самого (проверка сейсмических свойств высотного здания) или когда создание реального объекта очень дорого (новое архитектурное решение) и т. д.
Модель не является точной копией объекта-оригинала: она отражает только часть его свойств, отношений и особенностей поведения.
Чем больше признаков объекта отражает модель, тем она полнее. Однако отразить в модели все признаки объекта-оригинала невозможно, а чаще всего и не нужно. Признаки объекта-оригинала, которые должны быть воспроизведены в модели, определяются целью моделирования - назначением будущей модели. Эти признаки называются существенными для данной модели с точки зрения цели моделирования.
Подумайте, какие признаки объекта «театр» будут существенными при создании его модели с точки зрения: 1) строительной компании, занимающейся возведением здания театра; 2) режиссёра, готовящего постановку нового спектакля; 3) кассира, продающего билеты; 4) зрителя, собирающегося посетить представление.
Модель
Моделирование
Поскольку любая модель всегда отражает только часть признаков оригинала, можно создавать и использовать разные модели одного и того же объекта. Например: мяч может воспроизвести только одно свойство Земли - её форму, обычный глобус отражает ещё расположение материков, а глобус, входящий в состав действующей модели Солнечной системы, - ещё и траекторию движения Земли вокруг Солнца.
Отразить в модели признаки оригинала можно разными способами.
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 моделируемого объекта (глобус), его структуру (модель Солнечной системы) или поведение (радиоуправляемая модель автомобиля).
Во-вторых, признаки оригинала можно описать на одном из языков представления (кодирования) информации - дать словесное описание, привести формулу, схему или чертёж и т. д. Такую модель называют информационной. В дальнейшем мы будем рассматривать именно информационные модели.
Информационная модель - описание объекта-оригинала на одном из языков представления (кодирования) информации.
1.1.2. Этапы построения информационной модели
Любая модель строится для решения некоторой задачи. Построение информационной модели начинается с анализа условия этой задачи, выраженного на естественном языке (рис. 1.2).
В результате анализа условия задачи определяется объект моделирования и цель моделирования.
После определения цели моделирования в объекте моделирования выделяются свойства, основные части и связи между ними, существенные с точки зрения именно этой цели. При этом должно быть чётко определено, что дано (какие исходные данные известны, какие данные допустимы) и что требуется найти в решаемой задаче. Также должны быть указаны связи между исходными данными и результатами.
Следующим этапом построения информационной модели является формализация - представление выявленных связей и выделенных существенных признаков объекта моделирования в некоторой форме (словесное описание, таблица, рисунок, схема, чертёж, формула, алгоритм, компьютерная программа и т. д.).
Формализация - это замена реального объекта его формальным описанием, т. е. его информационной моделью.
Рис. 1.2. Этапы создания информационной модели
Пример . Ученик 9 класса к уроку литературы должен выучить наизусть три первые строфы первой главы романа А, С. Пушкина «Евгений Онегин», содержащие 42 строки. Сколько ему потребуется времени на выполнение этого задания, если первую строку он может запомнить за 5 секунд, а на запоминание каждой следующей строки ему требуется времени на 2 секунды больше, чем на запоминание предыдущей строки?
В данном случае объектом моделирования является процесс запоминания стихотворения учеником; цель моделирования состоит в том, чтобы получить формулу для расчёта времени, необходимого ученику для заучивания стихотворения.
С точки зрения цели моделирования, существенной является следующая информация: время запоминания первой строки (5 секунд); разница во времени запоминания очередной и предыдущей строк (2 секунды); количество строк, подлежащих запоминанию (42 строки). Это исходные данные. Результатом должно стать время, необходимое для заучивания всех 42 строк фрагмента романа.
Так как время для заучивания каждой строки, начиная со второй, получается добавлением ко времени, требуемому для заучивания предыдущей строки, постоянного числа, то можно говорить об арифметической прогрессии: б, 7, 9, 11, ...
Первым членом этой прогрессии является а1 = 5, разность прогрессии d = 10, число членов прогрессии n = 42.
Эта формула и является искомой информационной моделью. С её помощью самостоятельно вычислите время, необходимое ученику для заучивания стихотворения.
Информационные модели существуют отдельно от объектов моделирования и могут подвергаться обработке независимо от них. Построив информационную модель, человек использует её вместо объекта-оригинала для исследования этого объекта, решения поставленной задачи.
По адресу http://earth.google.com/intl/ru/ размещено приложение «Google Планета Земля», предоставляющее возможность путешествовать по нашей планете, не вставая с кресла. Это трёхмерная модель планеты, перемещаясь по которой вы можете: просматривать спутниковые фотографии земной поверхности; осматривать города, отдельные здания и всемирно известные достопримечательности в трёхмерном изображении; исследовать отдалённые галактики, созвездия и планеты; совершать путешествия в прошлое и т. д.
1.1.3. Классификация информационных моделей
Существует множество вариантов классификации информационных моделей. Рассмотрим некоторые из них.
Если взять за основу классификации предметную область, то можно выделить физические, экологические, экономические, социологические и другие модели.
В зависимости от учёта фактора времени выделяют динамические (изменяющиеся с течением времени) и статические (не изменяющиеся с течением времени) модели.
В зависимости от формы представления информации об объекте моделирования различают знаковые, образные и смешанные (образно-знаковые) виды информационных моделей.
Знаковые информационные модели строятся с использованием различных естественных и формальных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста на естественном языке или программы на языке программирования, в виде формулы и т. д.
Образные информационные модели (рисунки, фотографии и др.) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации.
В смешанных информационных моделях сочетаются образные и знаковые элементы. Примерами смешанных информационных моделей могут служить географические карты, графики, диаграммы и пр. Во всех этих моделях используются одновременно и графические элементы, и знаки.
САМОЕ ГЛАВНОЕ
Модель - это новый объект, который отражает существенные с точки зрения цели моделирования признаки изучаемого предмета, процесса или явления.
Моделирование - метод познания, заключающийся в создании и исследовании моделей.
Цель моделирования (назначение будущей модели) определяет признаки объекта-оригинала, которые должны быть воспроизведены в модели.
Различают натурные и информационные модели. Натурные модели - реальные предметы, в уменьшенном или увеличенном виде воспроизводящие внешний вид, структуру или поведение моделируемого объекта. Информационные модели - описания объекта-оригинала на одном из языков кодирования информации.
Формализация - процесс замены реального объекта его формальным описанием, т. е. его информационной моделью.
По форме представления различают образные, знаковые и смешанные (образно-знаковые) информационные модели.
Вопросы и задания
1.Ознакомьтесь с материалами презентации к параграфу, содержащейся в электронном приложении к учебнику. Что вы можете сказать о формах представления информации в презентации и в учебнике? Какими слайдами вы могли бы дополнить презентацию?
2.Что такое модель? В каких случаях используется моделирование?
3.Подтвердите на примерах справедливость следующих высказываний:
а)одному объекту может соответствовать несколько моделей;
б)одна модель может соответствовать нескольким объектам.
4.Приведите примеры натурных и информационных моделей.
5.В приведённом перечне моделей укажите те, которые могут использоваться для:
а)представления объектов окружающего мира;
б)объяснения известных фактов;
в)проверки гипотез и получения новых знаний об исследуемых объектах;
г)прогнозирования;
д)управления.
Модели: макет застройки жилого района; фотоснимки движения воздушных масс; расписание движения поездов; модель полёта самолёта новой конструкции в аэродинамической трубе; схема строения внутренних органов человека.
6. Приведите пример информационной модели:
а)ученика вашего класса;
б)игрока баскетбольной команды;
в)пациента ветеринарной лечебницы;
На протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информационных моделей. В настоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий .
Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Часто компьютерные модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат.
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:
1. Постановка задачи. Построение описательной информационной модели (выделение существенных параметров).
2. Создание формализованной модели (запись формул).
3. Построение компьютерной модели.
4. Компьютерный (вычислительный) эксперимент.
5. Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели.
На первом этапе исследования объекта или процесса обычно строится описательная информационная модель. Важным моментом на этом этапе является определение цели моделирования. От выбранной цели зависит, какие характеристики исследуемого объекта считать существенными, а какие отбросить. В соответствии с поставленной целью может быть подобран инструментарий, определены методы решения задачи, формы отображения результатов.
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. Кроме того, в соответствии с поставленной целью необходимо выделить параметры, которые известны (исходные данные) и которые следует найти (результаты).
На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компьютерную на понятном для компьютера языке.
Существуют два принципиально различных пути построения компьютерной модели :
Создание алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;
Формирование компьютерной модели с использованием одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и т. д.).
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.
Эксперимент - это опыт, который производится с объектом или моделью. Он заключается в выполнении некоторых действий и определении, как реагирует экспериментальный образец на эти действия.
Этап проведения компьютерного эксперимента включает две стадии:
Составление плана эксперимента;
Проведение исследования.
План эксперимента должен четко отражать последовательность работы с моделью. Первым пунктом такого плана всегда является тестирование модели. Тестирование - процесс проверки правильности построения модели. Для проверки правильности построения модели используется набор исходных данных, для которых конечный результат заранее известен. После тестирования, когда появляется уверенность в правильности построенной модели, можно переходить непосредственно к проведению исследования.
В плане должен быть предусмотрен эксперимент или серия экспериментов, удовлетворяющих целям моделирования. Каждый эксперимент должен сопровождаться осмыслением итогов, что служит основой анализа результатов моделирования и принятия решений.
Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. Если результаты тестирования и экспериментов не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. Это может быть либо неправильная постановка задачи, либо слишком упрощенное построение информационной модели, либо неудачный выбор метода или среды моделирования, либо нарушение технологических приемов при построении модели. Если такие ошибки выявлены, то требуется корректировка модели, то есть возврат к одному из предыдущих этапов. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты эксперимента не будут отвечать целям моделирования. Конечная цель моделирования - принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа результатов моделирования.
Что такое модель объекта и зачем она создается;
- какую роль играет информация при создании модели;
- что такое информационная модель;
- что такое адекватность информационной модели.
Роль цели при разработке информационной модели объекта
Познавая окружающий мир, каждый из нас формирует собственное представление о нем. Одним из способов познания является создание и исследование модели реального объекта, процесса или природного явления. При построении и исследовании модели принято вводить обобщенное понятие объект исследования (оригинал, прототип), понимая под этим любой материальный или нематериальный объект (процесс), а также природное явление.
Под моделью понимают материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал так, что его изучение дает новые знания об объекте-оригинале. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом исследования и с помощью которого изучает интересующий его объект. Процесс моделирования представляет собой циклический процесс, в результате которого можно неоднократно изменять саму модель, постоянно совершенствуя и уточняя ее.
При создании модели важным этапом является сбор информации об объекте в том объеме, который требует поставленная цель построения модели. Без такой информации разработка модели невозможна.
Модель - это объект, отражающий существенные свойства реального объекта исследования, которые отобраны в соответствии с заданной целью моделирования.
Нет строгих правил, как лучше представить модель. Однако человечество накопило огромный опыт в этой сфере деятельности. Модели могут принимать всевозможные виды и формы. Независимо от этого модель может быть отнесена либо к классу материальных, либо к классу нематериальных моделей.
Любая модель создается и изменяется благодаря имеющейся у человека информации о реальных объектах или явлениях. Умение создавать модели, как и в целом возможности в познании окружающего мира, зависит от умения человека правильно понимать и обрабатывать информацию. Для того чтобы изучить реальный объект, мы целенаправленно собираем о нем информацию.
Эта информация может храниться в памяти человека, но если она будет представлена в какой-либо форме на одном из языков кодирования информации, то в этом случае можно говорить о создании и использовании информационной модели объекта исследования (оригинала).
Изучение одних сторон объекта-оригинала осуществляется ценой отказа от отражения других сторон. Поэтому любая информационная модель замещает реально существующий объект лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть создано несколько информационных моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта и характеризующих объект с разной степенью детализации.
В качестве иллюстрации рассмотрим сферу жилищного строительства. Речь пойдет о строительстве жилого дома. Какова же должна быть информационная модель этого дома? Оказывается, их может быть множество. Их количество определяется целью, стоящей перед тем, кто имеет отношение к данному строительству. Очевидно, что точки зрения покупателя квартиры, архитектора, инвестора и строительной организации при определении цели построения информационной модели существенно разнятся между собой. Таким образом, для рассматриваемого дома может быть создано несколько разных информационных моделей в зависимости от цели, которая ставится перед теми, кто ее создает. Рассмотрим некоторые из них.
Предположим, целью покупателя является приобретение комфортного жилья. Для построения информационной модели следует отобрать наиболее существенную информацию в соответствии с заданной целью. Хотя понятие комфортности неоднозначно - каждый понимает его по-своему, все же попробуем выразить его в одной из возможных интерпретаций. Перечислим основные показатели, которые должны определить комфортность. Дом должен быть расположен в тихом зеленом месте, оснащен современными техническими устройствами, в нем должен быть подземный гараж, в подъезде должна сидеть консьержка или охранник. Для построения информационной модели необходимо отобрать информацию, отражающую все перечисленные выше требования, и представить ее, например, в виде таблицы или списка. В задачу покупателя входит: поиск компаний, которые занимаются строительством подобных домов; построение для каждого варианта соответствующей информационной модели; по результатам анализа - выбор наилучшего варианта с точки зрения поставленной цели. Выбранный вариант и будет являться информационной моделью (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Информационные модели строящихся домов с точки зрения покупателя.
Цель - приобрести комфортное жилье
Аналогичной методикой воспользуемся и для построения информационных моделей для других заинтересованных в строительстве лиц, например инвестора и архитектора. Понятно, что цели и в том и другом случае будут совершенно иными по сравнению с покупателем, а значит, и модели будут отличаться.
С точки зрения инвестора, основной целью является получение прибыли, а значит, показатели, которые содержат интересующую его информацию, в основном будут носить финансовый характер (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Информационные модели строящихся домов с точки зрения инвестора.
Цель - получить максимальную прибыль
С точки зрения архитектора, основной целью является разработка современного архитектурного проекта с учетом окружающей среды: прилегающей территории со сложившимся стилем близлежащих домов, существующей инфраструктуры, экологии и т. д. Несколько вариантов информационной модели, соответствующей этой цели, приведен в табл. 1.3.
Выделим главное, на что следует обратить внимание при построении информационной модели:
♦ сначала следует четко сформулировать цель построения информационной модели;
♦ затем отобрать соответствующую этой цели информацию для нескольких аналогичных объектов исследования;
♦ затем представить эту информацию с помощью одного из языков кодирования информации, например в виде перечня параметров (показателей) и их значений по каждому объекту в табличной форме (как показано в табл. 1.1-1.3).
Таблица 1.3. Информационные модели строящихся домов с точки зрения архитектора.
Цель - создать архитектурный проект, соответствующий окружающей среде
Информационная модель - это модель, содержащая целенаправленно отобранную и представленную в некоторой форме наиболее существенную информацию об объекте.
Информационные модели играют очень важную роль в жизни человека. Получаемые знания на уроках в школе позволяют вам составить различные информационные модели, которые в совокупности отражают информационную картину окружающего вас мира.
Уроки истории дают возможность построить модель развития общества, а знание этой модели позволяет создавать историю своей жизни, либо повторяя ошибки предков, либо учитывая их.
На уроках астрономии вам доступными средствами рассказывают о Солнечной системе.
На уроках географии вы получаете информацию о географических объектах: горах, реках, городах и странах. Это тоже информационные модели.
На уроках химии информация о химических свойствах и законах взаимодействия разных веществ подкрепляется опытами, которые являются моделями реальных химических процессов.
Прежде чем построить модель, надо собрать информацию об изучаемом предмете или явлении и представить ее в соответствующей форме. Формы представления информационных моделей могут быть различными. Чаще всего используются следующие формы:
♦ устная (словесная);
♦ знаковая: табличная, графическая, символьная (текст, числа, специальные символы);
♦ в виде жестов или сигналов.
Форма представления информации обычно зависит от инструмента, с помощью которого она будет обрабатываться. Сейчас для обработки информации в большинстве случаев используется компьютер. Этот универсальный инструмент позволяет разрабатывать и исследовать модели разнообразных объектов: молекул и атомов, мостов и архитектурных сооружений, самолетов и автомобилей. В памяти компьютера могут храниться большие массивы информации об исследуемом объекте. Это позволяет рассматривать объект с разных сторон, исследовать его форму, состояния, действия, используя для каждого случая конкретную модель и соответствующие методы моделирования.
Одной из наиболее удобных форм представления информационной модели является таблица. Именно эта форма выбрана в качестве основной во всем комплекте учебников. Это связано также и с тем, что моделирование и исследование свойств модели будет производиться на компьютере, где требуется строгая формализация поставленной задачи. В подобной таблице отражаются основные характеристики объекта, отобранные в соответствии с поставленной целью моделирования. Примерами такой формы представления могут служить табл. 1.1-1.3.
Понятие адекватности информационной модели
Любая модель должна отражать наиболее существенные, с точки зрения поставленной цели, свойства объекта исследования (оригинала или прототипа). В качестве объекта исследования может выступать не только материальный предмет, который человек может осязать (дом, дерево, цветок, предмет мебели), но и нематериальный объект, процесс или явление (музыкальное произведение, устный рассказ, явление природы, танец).
Соответствие модели оригиналу может быть достигнуто по внешнему виду, по структуре, по поведению, как по отдельности, так и по совокупности этих признаков в зависимости от поставленной цели исследования. Соответствие по внешнему виду достигается в основном за счет удовлетворения конструктивных, эргономических и эстетических требований. Соответствие по структуре достигается с помощью системного анализа объекта исследования, в результате которого определяется состав его элементов - простых объектов, из которых состоит оригинал, а также связывающие их отношения. Все это в совокупности определяет структуру исследуемого объекта, наиболее существенные черты которой должна отражать модель. Соответствие по поведению достигается путем анализа поведения прототипа, то есть изучения его динамических свойств, и создания такой модели, которая отражала бы наиболее существенные аспекты этого поведения.
Во всех перечисленных случаях встает проблема оценки качества модели. Качество модели зависит от ее способности отражать и воспроизводить предметы и явления объективного мира, их структуру и закономерный порядок. Сколько информации необходимо собрать для того, чтобы полученная информационная модель в полной мере отображала существенные свойства объекта-оригинала? Для ответа на этот вопрос в моделировании вводится понятие адекватности модели.
Адекватность модели - это соответствие модели объекту-оригиналу по тем свойствам, которые считаются существенными для исследования.
Адекватность информационной модели - это соответствие информационной модели объекту-оригиналу по тем свойствам, которые считаются существенными для исследования.
Понятие адекватности в какой-то мере является условным, так как полное соответствие модели реальному объекту не может быть достигнуто. Любая модель имеет отличия от оригинала. Модель утрачивает свой смысл как в случае полной адекватности оригиналу, когда она перестает быть моделью и становится точной копией моделируемого объекта, так и в случае недостаточной адекватности, чрезмерного отличия от оригинала, когда существенные для исследования свойства оказываются не отраженными в модели.
Особую роль в определении степени адекватности играет информационная модель, которая нужна исследователю не только как самостоятельный объект, но и как основа для создания материальной модели. Вспомним, что в информационную модель включаются только те параметры (показатели), которые отражают наиболее существенную с точки зрения поставленной цели информацию. Значит, какая-то информация не будет включена в информационную модель. Как найти золотую середину: что включать, а чем пренебречь? Ответ на этот вопрос может дать проверка адекватности информационной модели оригиналу.
Адекватность информационной модели определяется несколькими способами, но, как правило, это строгие математические методы анализа на основе теории вероятности и математической статистики. Широко распространен метод численного эксперимента на компьютере, где также приходится применять математические методы как инструмент обобщения полученных результатов.
Для более грубой оценки адекватности модели можно воспользоваться более простыми методами: например, наблюдением за состоянием и поведением объекта-оригинала или сопоставлением с аналогичными реальными или идеальными объектами, существующими только в воображении человека.
Обратимся к предыдущему примеру, связанному со строительством дома. Какова адекватность трех моделей, представленных в табл. 1.1-1.3, реальному объекту? Понимая, что реальный объект еще не построен, говорить о наличии какой-либо адекватности рано. Однако для того модели и существуют, чтобы уже на предварительных стадиях достичь как можно меньших отличий модели от реального объекта. С точки зрения покупателя, большая степень адекватности может быть достигнута, если в выбранном варианте будет перечислено наибольшее количество показателей, значения которых соответствуют заявленной цели - максимальной комфортности. Если проанализировать представленные четыре варианта значений параметров в табл. 1.1, то предпочтение следует отдать компании «Элита», но это будет самое дорогое жилье. Если же покупатель вводит ограничения по стоимости квартиры, то адекватность информационных моделей других компаний меньше. В этом случае надо провести дополнительную работу по осмыслению своих требований, доработке существующих информационных моделей с целью уточнения дополнительных информационных аспектов, а затем вновь оценить адекватность всех трех вариантов моделей. Аналогично следует поступить и для других информационных моделей, для инвестора и архитектора. Проделайте это самостоятельно.
Контрольные вопросы и задания
Задания
1. Рассмотрите различные варианты информационных моделей для приведенного в теме примера строящегося дома. Для каждой модели оцените ее адекватность.
2. В качестве объекта исследования выберите объект «школа» и разработайте информационные модели, отражающие точку зрения ученика, родителя ученика, директора школы. Для каждой модели оцените ее адекватность.
3. В качестве объекта исследования выберите объект «река» и разработайте информационные модели, отражающие точку зрения рыболова и художника. Для каждой модели оцените ее адекватность.
4. В качестве объекта исследования выберите объект «магазин» и разработайте информационные модели, отражающие точку зрения покупателя, продавца и хозяина магазина. Для каждой модели оцените ее адекватность.
5. В качестве объекта исследования выберите процесс создания школьного спектакля. Разработайте несколько информационных моделей. Для каждой модели оцените ее адекватность.
Контрольные вопросы
1. Что такое модель объекта?
2. Что понимается под объектом исследования и какие существуют синонимы этому понятию?
3. Какие виды моделей вы знаете?
4. Что такое информационная модель объекта?
5. Что является самым главным при построении информацион ной модели?
6. Что такое адекватность модели и зачем вводится это понятие^
7. Как убедиться в том, что информационная модель адекватн; оригиналу?
Информационный объект
Изучив эту тему, вы узнаете и повторите:
Что такое информационная картина мира;
- что такое информационный объект;
- как соотносятся между собой информационная модель и информационный объект.
Мы живем в реальном мире, окруженные разнообразными материальными объектами. Наличие информации об объектах реального мира порождает другой мир, неотделимый от сознания конкретных людей, где существует только информация. Этому миру мы даем разнообразные названия. Одно из таких названий - информационная картина мира.
Познание реального мира происходит через информационную картину мира. Человек формирует собственное представление о реальном мире, получая и осмысливая информацию о каждом реальном объекте, процессе или явлении. При этом у каждого человека существует своя информационная картина мира, которая зависит от множества факторов как субъективного, так и объективного порядка. Конечно, большую роль здесь играет уровень образованности человека. Информационные картины мира у школьника, студента и преподавателя будут существенно различаться. Чем объемнее и разнообразнее информация, которую может воспринять человек, тем более красочной получается эта картина. Так, например, информационная картина мира у ребенка совсем не такая, как у его. родителей.
Один из способов познания реального мира - это моделирование, которое прежде всего связано с отбором необходимой информации и построением информационной модели. Однако любая информационная модель отражает реальный объект только в ограниченном аспекте - в соответствии с поставленной человеком целью. Отсюда и возникает определенная «ущербность» восприятия мира, если человек изучает его только с одной стороны, определяемой одной целью. Всестороннее познание окружающего мира возможно только тогда, когда существуют разные информационные модели, соответствующие разным целям.
Предположим, мы создали несколько информационных моделей для одного объекта реального мира (рис. 1.2). Их количество определяется количеством заданных целей. Например, информационные модели нашей планеты у школьника, астронома, метеоролога и геодезиста будут существенно различаться, так как у них разные цели, а значит, и информация, отобранная ими и положенная в основу информационной модели, будет разной.
При разработке модель постоянно сопоставляется с объектом- прототипом для оценки ее соответствия оригиналу. Мерой соответствия служит понятие адекватности, рассмотренное в предыдущей теме.
Рис. 1.2. Соотношение между объектами реального мира и информационными моделями
Что же произойдет, если мы будем иметь дело только с информационными моделями, отстранившись от реального мира? В этом случае отпадает необходимость в понятии адекватности, так как, устранив объект, мы тем самым разорвем виртуальную связь, устанавливающую объектно-модельное отношение. А это значит, что мы полностью погрузимся в виртуальный, несуществующий мир, где циркулирует только информация. Сравнивать модель будет не с чем, а значит, отпадет необходимость в самом моделировании.
Таким образом, модель превращается в некий самостоятельный объект, который представляет собой совокупность информации.
Вспомнив понятие объекта, которое определяется как некоторая часть окружающего мира, рассматриваемая как единое целое, можно высказать предположение, что информационную модель, которая не имеет связи с объектом-оригиналом, тоже можно считать объектом, но не материальным, а информационным. Таким образом, информационный объект получается из информационной модели путем «отчуждения» информации от объекта-оригинала.
Информационный объект - это совокупность логически связанной - информации.
Тогда информационный мир будет представлять собой множество разнообразных информационных объектов (рис. 1.3).
Рис. 1.3. После разрыва связей с объектами реального мира остается совокупность информационных объектов
Информационный объект, «отчужденный» от объекта-оригинала, можно хранить на различных материальных носителях. Простейший материальный носитель информации - это бумага. Есть также магнитные, электронные, лазерные и другие носители информации.
С информационными объектами, зафиксированными на материальном носителе, можно производить те же действия, что и с информацией при работе на компьютере: вводить их, хранить, обрабатывать, передавать. Однако технология работы с информационными объектами будет несколько иная, нежели с информационными моделями. Создавая информационную модель, мы определяли цель моделирования и в соответствии с ней выделяли существенные признаки, делая акцент на исследовании. В случае с информационным объектом мы имеем дело с более простой технологией, так как никакого исследования проводить не надо. Здесь вполне достаточно традиционных этапов переработки информации: ввода, хранения, обработки, передачи.
При работе с информационными объектами большую роль играет компьютер. Используя возможности, которые предоставляют пользователю офисные технологии, можно создавать разнообразные профессиональные компьютерные документы, которые будут являться разновидностями информационных объектов. Все, что создается в компьютерных средах, будет являться информационным объектом.
Литературное произведение, газетная статья, приказ - примеры информационных объектов в виде текстовых документов. Рисунки, чертежи, схемы - это информационные объекты в виде графических документов. Ведомость начисления заработной платы, таблица стоимости произведенных покупок в оптовом магазине, смета на выполнение работ и прочие виды документов в табличной форме, где производятся автоматические вычисления по формулам, связывающим ячейки таблицы, - это примеры информационных объектов в виде электронных таблиц. Результат выборки из базы данных - это тоже информационный объект.
Довольно часто мы имеем дело с составными документами, в которых информация представлена в разных формах. Такие документы могут содержать и текст, и рисунки, и таблицы, и формулы, и многое другое. Школьные учебники, журналы, газеты - это хорошо знакомые всем примеры составных документов, являющихся информационными объектами сложной структуры. Для создания составных документов используются программные среды, в которых предусмотрена возможность представления информации в разных формах.
Другими примерами сложных информационных объектов могут служить создаваемые на компьютере презентации и гипертекстовые документы. Презентацию составляет совокупность компьютерных слайдов, которые обеспечивают не только представление информации, но и ее показ по заранее созданному сценарию. Гипертекстом может быть назван документ, в котором имеются гиперссылки на другие части этого же документа или на другие документы, содержащие дополнительную информацию.
Контрольные вопросы и задания
Задания
1. Приведите примеры информационных объектов, существующих вне компьютерной среды.
2. Приведите примеры информационных объектов, существующих в компьютерной среде.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под информационной картиной мира?
2. Какова информационная картина мира ребенка дошкольного возраста?
3. Какова информационная картина мира старшеклассника?
4. Какой способ познания реального мира вам известен?
5. Что такое информационный объект?
6. При каких условиях информационная модель может восприниматься как информационный объект?
7. Что можно делать с информационным объектом?
1) Первым этапом любого исследования является постановка задачи, которая определяется заданной целью.
Задача формулируется на обычном языке. По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы. К первой группе можно отнести задачи, в которых требуется исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него, "что будет, если?…". Вторая группа задач: какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию, "как сделать, чтобы?..".
2) Второй этап - анализ объекта. Результат анализа объекта - выявление его составляющих (элементарных объектов) и определения связей между ними.
3) Третий этап - разработка информационной модели объекта. Построение модели должно быть связано с целью моделирования. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства, которые соответствуют цели.
Все то, о чем говорилось выше - это формализация.
Формализация - это процесс выделения и перевода внутренней структуры объекта в определенную информационную структуру - форму.
Построив информационную модель, человек использует ее вместо объекта-оригинала для изучения свойств этого объекта, прогнозирования его поведения и пр. Прежде чем строить какое-то сложное сооружение, например мост, конструкторы делают его чертежи, проводят расчеты прочности, допустимых нагрузок. Таким образом, вместо реального моста они имеют дело с его модельным описанием в виде чертежей, математических формул.
Моделирование любой системы невозможно без предварительной формализации. По сути, формализация - это первый и очень важный этап процесса моделирования.
Построение и использование компьютерных моделей
В наиболее общем виде процесс построения и использования компьютерных моделей можно представить как последовательность этапов:
1) Постановка задачи
a) Описание задачи
b) Цель моделирования
c) Анализ объекта
2) Разработка модели
a) Информационная модель
b) Знаковая модель
c) Компьютерная модель
3) Компьютерный эксперимент
4) Анализ результатов моделирования (результат соответствует цели/результат не соответствует цели).
Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок может быть убран или усовершенствован. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования.
3D Моделирование
Трехмерная модель - это воссозданная на базе рабочей проектной документации точная геометрическая копия объекта
3D графика - это создание объемной модели при помощи специальных компьютерных программ. На основе чертежей, рисунков, подробных описаний или любой другой графический или текстовой информации, 3D дизайнер создает объемное изображение. В специальной программе модель можно посмотреть со всех сторон (сверху, снизу, сбоку), встроить на любую плоскость и в любое окружение.
Трехмерная графика может быть любой сложности. Вы можете создать простую трехмерную модель, с низкой детализацией и упрощенной формы. Или же это может быть более сложная модель, в которой присутствует проработка самых мелких деталей, фактуры, использованы профессиональные приемы (тени, отражения, преломление света и так далее). Конечно, это всерьез влияет на стоимость готовой трехмерной модели, однако позволяет расширить применение трехмерной модели.
Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.
В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Вы можете изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Ваша фантазия практически ни чем не ограничена, и вы сможете быстро выбрать именно тот вариант, который подойдет вам наилучшим образом. моделирование вербальный компьютерный формализация
Однако трехмерное моделирование удобно не только для клиента. Профессиональные программы дают множество преимуществ и изготовителю. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольно трудоемкий процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки.
Специальные программы дают возможность интеграции с любым другим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями для инженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами. Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов, значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает ее качество.
Программы для трехмерного моделирования:
Существует довольно большое количество самых разных программ для 3D моделирования. Так, одной из популярных программ, которые специально разработаны для создания трехмерной графики и дизайна интерьеров, является программа 3D Studio MAX. Она позволяет реалистично визуализировать объекты самой разной сложности. Кроме того, "3D Studio MAX" дает возможность компоновать их, задавать траектории перемещений и в конечном итоге даже создавать полноценное видео с участием трехмерных моделей. Хотя такая работа, конечно же, требует у специалиста серьезных навыков, а также больших компьютерных ресурсов, в первую очередь объемов памяти и быстродействие процессора.
Другой широко используемой программой является AutoCAD. Она также используется для трехмерного моделирования и визуализации, профессионального архитектурно-строительного проектирования, постоянно дополняется новыми возможностями. Довольно большое количество программ могут быть интегрированы с базовым ядром "AutoCAD". Например, приложение для визуализации в таких областях, как вентиляция, трубопроводы, электрика и так далее. Если программу "3D Studio MAX" больше предпочитают дизайнеры и аниматоры, то программой "AutoCAD" в основном пользуются профессиональные архитекторы для реализации сложных проектов.
Рисунок 3.Модель кабинета, выполненная в программе 3D Studio MAX
