1.3. Классификация моделей

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 717 г. Москвы»
Реферат
на тему:
«Материальные и информационные модели»
Выполнила:
ученица 10 «А» класса
Ежова Анна
Проверил:
учитель информатики
Воронин Сергей Анатольевич
г. Москва, 2013 г.
Содержание
Введение………………………………………… …………………………….....3
Глава 1. Понятие модели и признаки моделирования
1.1. Понятие модели. …………………………………………………………….4
1.2. Моделирование. Основные классы моделирования……………………....5
1.3. Классификация моделей……………………………………………………6
1.3.1. Понятие сложности системы……………………………………………...7
1.3.2. Признаки, по которым классифицируются модели……………………...8
1.4. Требования к моделям……………………………………………………..10
Глава 2. Моделирование и формализация
2.1. Моделирование ……………………………………………………………..11
2.2. Формализация……………………………………………………………….12
2.3. Визуализация формальных моделей………………………………………13
Заключение………………………………………………………………………14
Список используемой литературы…………………………………………….15
2
Введение
Моделирование — исследование объектов познания на их моделях;
построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов
или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для
предсказания явлений, интересующих исследователя.
Процесс моделирования включает три элемента:
- субъект (исследователь)
- объект исследования
- модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и
познаваемого объекта
Форма моделирования зависит от используемых моделей и сферы их
применения. По характеру моделей выделяют предметное и знаковое
(информационное) моделирование. При знаковом моделировании моделями
служат схемы, чертежи и тому подобное. Важнейшим видом такого
моделирования
является
математическое
(логико-математическое)
моделирование. Возможность моделирования, то есть переноса результатов,
полученных в ходе построения и исследования моделей, на оригинал,
основана на том, что модель в определённом смысле отображает
(воспроизводит)
какие-либо
его
стороны
и
предполагает
наличие
соответствующих теорий или гипотез. Моделирование всегда применяется
вместе с другими общенаучными и специальными методами; особенно тесно
оно связано с экспериментом. Моделирование в обучении имеет два аспекта:
моделирование как содержание, которое учащиеся должны усвоить, и
моделирование как учебное действие, средство обучения. С помощью
моделирования удаётся свести изучение сложного к простому, невидимого и
неощутимого к видимому и ощутимому, незнакомого к знакомому.
3
ГЛАВА 1. Понятие модели и признаки моделирования
1.1. Понятие модели
Модель - это упрощенное представление реального устройства и/или
протекающих в нем процессов, явлений.
Разные науки исследуют объекты и процессы под разными углами
зрения и строят различные типы моделей. В физике изучаются процессы
взаимодействия и изменения объектов, в химии — их химический состав, в
биологии — строение и поведение живых организмов и так далее. Один и тот
же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут
описываться одной моделью. Моделирование всегда предполагает принятие
допущений
той
или
иной
степени
важности.
При
этом
должны
удовлетворяться следующие требования к моделям: адекватность, то есть
соответствие модели исходной реальной системе и учет, прежде всего,
наиболее важных качеств, связей и характеристик. Оценить адекватность
выбранной модели очень сложно. В такой ситуации часто полагаются на
опыт предшествующих разработок или применяют определенные методы,
например, метод последовательных приближений; точность, то есть степень
совпадения полученных в процессе моделирования результатов с заранее
установленными, желаемыми. Здесь важной задачей является оценка
потребной точности результатов и имеющейся точности исходных данных,
согласование их как между собой, так и с точностью используемой модели;
универсальность, то есть применимость модели к анализу ряда однотипных
систем в одном или нескольких режимах функционирования. Выбор модели
и обеспечение точности моделирования считается одной из самых важных
задач моделирования.
4
1.2. Моделирование. Основные классы моделирования
Моделирование — это метод познания, состоящий в создании и
исследовании моделей. Построение и исследование моделей, то есть
моделирование, облегчает изучение имеющихся в реальном устройстве
(процессе) свойств и закономерностей. Применяют для нужд познания
(созерцания, анализа и синтеза).
Моделирование
является
обязательной
частью
исследований
и
разработок, неотъемлемой частью нашей жизни, поскольку сложность
любого материального объекта и окружающего его мира бесконечна
вследствие неисчерпаемости материи и форм её взаимодействия внутри себя
и с внешней средой. Одни и те же устройства, процессы, явления и так далее,
(далее — «системы») могут иметь много разных видов моделей. Как
следствие, существует много названий моделей, большинство из которых
отражает решение некоторой конкретной задачи. Никакая модель не может
заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас
интересуют определенные свойства изучаемого объекта, модель оказывается
полезным, а подчас и единственным инструментом исследования. Модели
материальные и модели информационные. Все модели можно разбить на два
больших
класса:
модели
предметные
(материальные)
и
модели
информационные. Информационные модели представляют объекты и
процессы в образной или знаковой форме. Образные модели (рисунки,
фотографии и другие) представляют собой зрительные образы объектов,
зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и
кинопленке и другие), классификация объектов по их внешним признакам
Знаковые информационные модели строятся с использованием различных
языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть
представлена в форме текста.
5
1.3. Классификация моделей
По целям исследований:
В зависимости от целей исследования выделяют следующие модели:
-
функциональные. Предназначены для изучения особенностей работы
(функционирования) системы, её назначения во взаимосвязи с внутренними и
внешними элементами;
- функционально-физические. Предназначены для изучения физических
(реальных) явлений, используемых для реализации заложенных в систему
функций;
- модели процессов и явлений, такие как кинематические, прочностные,
динамические и другие. Предназначены для исследования тех или иных
свойств и характеристик системы, обеспечивающих её эффективное
функционирование.
По особенностям представления:
С
целью
подчеркнуть
отличительную
особенность
модели
их
подразделяют на простые и сложные, однородные и неоднородные, открытые
и
закрытые,
статические
и
динамические,
вероятностные
и
детерминированные. Четкого правила разделения моделей на сложные и
простые не существует. Обычно признаком сложных моделей служит
многообразие выполняемых функций, большое число составных частей,
разветвленный характер связей, тесная взаимосвязь с внешней средой,
наличие элементов случайности, изменчивость во времени и другие.
6
1.3.1. Понятие сложности системы
Понятие сложной системы субъективно и определяется необходимыми
для его исследования затратами времени и средств, потребным уровнем
квалификации, то есть зависит от конкретного случая и конкретного
специалиста.
-
Разделение систем на однородные и неоднородные проводится в
соответствии с заранее выбранным признаком: используемые физические
явления, материалы, формы и так далее. При этом одна и та же модель при
разных подходах может быть и однородной, и неоднородной. Так, велосипед
- однородное механическое устройство, поскольку использует механические
способы передачи движения, но неоднородное по типам материалов, из
которых изготовлены отдельные части (резиновая шина, стальная рама,
пластиковое седло).
- Все устройства взаимодействуют с внешней средой, обмениваются
с нею сигналами, энергией, веществом. Модели относят к открытым, если их
влиянием на окружающую среду или воздействием внешних условий на их
состояние и качество функционирования пренебречь нельзя. В противном
случае системы рассматривают как закрытые, изолированные.
-
Динамические модели, в отличие от статических, находятся в
постоянном развитии, их состояние и характеристики изменяются в процессе
работы и с течением времени.
- Характеристики вероятностных (иными словами, стохастических)
моделей случайным образом распределяются в пространстве или меняются.
7
1.3.2. Признаки, по которым классифицируются модели:
1.
Область использования.
2.
Учет фактора времени и области использования.
3.
По способу представления.
4. Отрасль знаний (биологические, исторические, социологические и так
далее).
1.
Область использования
- Учебные (наглядные пособия)
- Опытные(модель корабля испытывается в бассейне для определения
устойчивости судна при качке)
- Научно-технические (ускоритель электронови тому подобное)
- Игровые (военные, экономические 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)
2. Учет фактора времени и области использования
Статистическая модель – это как бы одномоментный срез по объекту.
Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во
времени.
Пример, та же самая карточка школьника, которая отражает
изменения, происходящие с его зубами за определенный момент времени.
8
3. Классификация по способу представления.
Материальные модели иначе можно назвать предметными,
физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства.
Информационные модели – совокупность информации,
характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также
взаимосвязь с внешним миром. Информация, характеризующая объект или
процесс, может иметь разный объем и форму представления, выражаться
различными средствами. Это многообразие настолько безгранично,
насколько велики возможности каждого человека и его фантазии. К
информационным моделям можно отнести знаковые и вербальные.
Знаковая модель – информационная модель, выраженная
специальными знаками, то есть средствами любого формального языка.
Знаковые модели окружают нас повсюду. Это рисунки, тексты,
графики и схемы.
По способу реализации знаковые модели можно разделить на
компьютерные и некомпьютерные.
Компьютерная модель – модель, реализованная средствами
программной среды.
Вербальная (от лат «verbalis» – устный) модель – информационная
модель в мысленной или разговорной форме. Это модели, полученные в
9
1.4. Требования к моделям
Моделирование всегда предполагает принятие допущений той или
иной степени важности. При этом должны удовлетворяться следующие
требования к моделям:
- адекватность, то есть соответствие модели исходной реальной
системе и учет, прежде всего, наиболее важных качеств, связей и
характеристик.
Оценить
адекватность
выбранной
модели,
особенно,
например, на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемой
системы ещё неизвестен, очень сложно.
- точность, то есть степень совпадения полученных в процессе
моделирования результатов с заранее установленными. Здесь важной задачей
является оценка точности результатов и имеющейся точности исходных
данных, согласование их с точностью используемой модели;
- универсальность, то есть применимость модели к анализу ряда
однотипных систем в одном или нескольких режимах функционирования.
Это позволяет расширить область применимости модели для решения
большего круга задач;
- целесообразная экономичность, то есть точность получаемых
результатов и общность решения задачи должны увязываться с затратами на
моделирование. И удачный выбор модели, как показывает практика, —
результат компромисса между отпущенными ресурсами и особенностями
используемой модели; и другие. Выбор модели и обеспечение точности
моделирования считается одной из самых важных задач моделирования.
10
Глава 2. Моделирование и формализация
2.1. Моделирование
Процесс разработки моделей и их исследование на компьютере можно
разделить на несколько основных этапов.
- На первом этапе исследования объекта или процесса обычно строится
описательная
информационная
модель.
Такая
модель
выделяет
существенные, с точки зрения целей проводимого исследования, параметры
объекта, а несущественными параметрами пренебрегает.
- На втором этапе создается формализованная модель, то есть
описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо
формального языка.
-
На третьем этапе необходимо формализованную информационную
модель преобразовать в компьютерную модель, то есть выразить ее на
понятном для компьютера языке. Существуют два принципиально различных
пути построения компьютерной модели:
1.построение алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из
языков программирования;
2.построение компьютерной модели с использованием одного из приложений
(электронных таблиц, СУБД и так далее).
-
Четвертый этап исследования информационной модели состоит в
проведении
компьютерного
эксперимента.
Если
из
языков
программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить
результаты.
- Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке
исследуемой модели.
11
2.2. Формализация
Естественные
языки
используются
для
создания
описательных
информационных моделей. В истории науки известны многочисленные
описательные информационные модели; например, гелиоцентрическая
модель мира, которую предложил Коперник, формулировалась следующим
образом:
 Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца;
 орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.
С помощью формальных языков строятся формальные информационные
модели (математические, логические и другие). Одним из наиболее широко
используемых
формальных
языков
является
математика.
Модели,
построенные с использованием математических понятий и формул,
называются
математическими
моделями.
Язык
математики
является
совокупностью формальных языков.
Язык алгебры позволяет формализовать функциональные зависимости
между величинами. Так, Ньютон формализовал гелиоцентрическую систему
мира, открыв законы механики и закон всемирного тяготения и записав их в
виде алгебраических функциональных зависимостей. В школьном курсе
физики
рассматривается
много
разнообразных
функциональных
зависимостей, выраженных на языке алгебры, которые представляют собой
математические модели изучаемых явлений или процессов.
Язык алгебры логики (алгебры высказываний) позволяет строить
формальные логические модели. С помощью алгебры высказываний можно
формализовать (записать в виде логических выражений) простые и сложные
высказывания, выраженные на естественном языке. Построение логических
моделей позволяет решать логические задачи, строить логические модели
устройств компьютера (сумматора, триггера) и так далее.
12
2.3. Визуализация формальных моделей
В процессе исследования формальных моделей часто производится их
визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы:
пространственных соотношений между объектами — чертежи, моделей
электрических цепей — электрические схемы, логических моделей устройств
— логические схемы и так далее. Так при визуализации формальных
физических моделей с помощью анимации может отображаться динамика
процесса, производиться построение графиков изменения физических
величин и так далее. Визуальные модели обычно являются интерактивными,
то есть исследователь может менять начальные условия и параметры
протекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели.
13
Заключение
Информационная модель — модель объекта, представленная в виде
информации, описывающей существенные для данного рассмотрения
параметры и переменные величины объекта, связи между ними, входы и
выходы объекта и позволяющая путём подачи на модель информации об
изменениях входных величин моделировать возможные состояния объекта.
Информационные модели нельзя потрогать или увидеть, они не имеют
материального воплощения, потому что строятся только на информации.
Информационная модель — совокупность информации, характеризующая
существенные свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также
взаимосвязь с внешним миром. Информационные модели делятся на
описательные и формальные.
Описательные информационные модели - это модели, созданные на
естественном языке (т.е. на любом языке общения между людьми:
английском, русском, китайском, мальтийском и т.п.) в устной или
письменной форме.
Построение и исследование моделей, то есть моделирование,
облегчает изучение имеющихся в реальном устройстве (процессе) свойств и
закономерностей. Применяют для нужд познания (созерцания, анализа и
синтеза). Моделирование является обязательной частью исследований и
разработок, неотъемлемой частью нашей жизни, поскольку сложность
любого материального объекта и окружающего его мира бесконечна
вследствие неисчерпаемости материи и форм её взаимодействия внутри себя
и с внешней средой.
14
Список используемой литературы
1. Информатика и информационные технологии 10-11кл. Н. Угринович
2003 г.
2. Информатика. Практикум по информатике и информационным
технологиям Н. Угринович, Л. Босова, Н. Михайлова ,2002 г.
3.
http://www.klyaksa.net,
понятие
модели.
Материальные
и
информационные модели.
4.
http://ru.wikipedia.org, модель.
5.
http://www.gmcit.murmansk.ru, модель, моделирование.
6.
http://www.psychologos.ru , моделирование.
15