Урок 1. -

Моделирование как метод познания.
Моделирование. Человечество в своей деятельности (научной,
образовательной, технологической, художественной) постоянно создает и
использует модели окружающего мира. Строгих правил построения моделей
сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт
моделирования различных объектов и процессов.
Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы,
недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень
маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.).
Наглядные модели часто используется в процессе обучения. В курсе
географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем,
изучая ее модель — глобус, в курсе физики изучаем работу двигателя
внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения
вещества используем модели молекул и кристаллических решеток, в
биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам и др.
Модели имеют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании
различных технических устройств, машин и механизмов, зданий,
электрических цепей и т.д. Без предварительного создания чертежа
невозможно изготовить даже простую деталь, не говоря уже о сложном
механизме.
В процессе проектирования здании и сооружении кроме чертежей
часто изготавливают их макеты. В процессе разработки летательных
аппаратов поведение их моделей в воздушных потоках исследуют в
аэродинамической трубе.
Разработка электрической схемы обязательно предшествует
созданию электрических цепей и т.д.
Развитие
науки
невозможно
без
создания
теоретических моделей (теорий, законов, гипотез и т.д.), отражающих
строение, свойства и поведение реальных объектов. Создание новых
теоретических моделей иногда коренным образом меняет представление
человечества об окружающем мире (гелиоцентрическая система мира
Коперника, модель атома Резерфорда-Бора, модель расширяющейся
Вселенной, модель генома человека и др.). Истинность теоретических
моделей, т.е. их соответствие законам реального мира, проверяется с
помощью опытов и экспериментов.
Все художественное творчество фактически является процессом
создания моделей. Например, такой литературный жанр как басня переносит
реальные отношения между людьми на отношения между животными и
фактически создает модели человеческих отношений. Более того,
практически любое литературное произведение может рассматриваться как
модель реальной человеческой жизни. Моделями, в художественной
форме отражающими реальную действительность, являются также
живописные полотна, скульптуры, театральные постановки и т.д.
Моделирование — это метод познания, состоящий в создании и
исследовании моделей.
Модель. Каждый объект имеет большое количество различных свойств.
В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные
для проводимого исследования, свойства. В процессе исследования
аэродинамических качеств модели самолета в аэродинамической трубе
важно чтобы модель имела геометрическое подобие оригиналу, но не важен,
например, ее цвет. При построении электрических схем — моделей
электрических цепей, необходимо учитывать порядок подключения
элементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение
друг относительно друга и т.д.
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 т.д.
Возьмем в качестве примера человека, в разных науках он исследуется в
рамках различных моделей. В рамках механики его можно рассматривать
как материальную точку, в химии — как объект, состоящий из различных
химических веществ, в биологии — как систему, стремящуюся к
самосохранению и т.д.
География, военное дело, судоходство и т.д. невозможны без
информационных моделей поверхности Земли в виде карт. Различные типы
географических карт (политические, физические и т.д.) строят
информационные модели, отражающие различные особенности земной
поверхности, т.е. один и тот же объект отражают несколько моделей.
Модель — это некий новый объект, который отражает
существенные особенности изучаемого объекта, явления или
процесса.
С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью.
Так, в механике различные материальные тела (от планеты до песчинки)
могут рассматриваться как материальные точки.
Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты
могут описываться одной моделью.
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.
Контрольные вопросы.
1. В каких случаях используется моделирование?
2. Может ли объект иметь несколько моделей? Приведите пример.
3. Могут ли разные объекты описываться одной и той же моделью? Если да, то
приведите пример.
Статические и динамические информационные модели.
Понятие о системе. Окружающий нас мир состоит из множества
различных объектов, каждый из которых имеет разнообразные свойства, и
при этом объекты взаимодействуют между собой. Например, такие объекты,
как планеты нашей Солнечной системы имеют различные свойства (массу,
геометрические размеры и т.д.) и по закону всемирного тяготения
взаимодействуют с Солнцем и друг с другом.
Планеты входят в состав более крупного объекта — Солнечную систему,
а Солнечная система — в состав нашей галактики (Млечный путь). С другой
стороны, планеты состоят из атомов различных химических элементов, а
атомы — из элементарных частиц. Можно сделать вывод, что практически
каждый объект состоит из других объектов, т.е. представляет собой систему.
Система состоит из объектов, которые называются элементами
системы.
Между элементами системы существуют различные связи и отношения.
Например, компьютер является системой, состоящей из различных
устройств, при этом устройства связаны между собой и аппаратно (физически
подключены друг к другу), и функционально (между устройствами
происходит обмен информацией).
Важным признаком системы является ее целостное функционирование.
Компьютер нормально работает до тех пор, пока в его состав входят и
исправны основные устройства (процессор, память, системная плата и т.д.).
Если удалить одно из них, например, процессор, компьютер выйдет из
строя, т.е. прекратит свое существование как система.
Статические информационные модели. Любая система существует в
пространстве и времени. Состояние системы в каждый момент времени
характеризуется ее структурой, т.е. составом, свойствами элементов, их
отношениями и связями между собой. Так, структура Солнечной системы
характеризуется составом входящих в нее объектов (Солнце, планеты и пр.),
их свойствами (например, размерами) и взаимодействием (силами
тяготения).
Модели, описывающие состояние системы в определенный момент
времени, называются статическими информационными моделями.
В физике, например, статические информационные модели описывают
простые механизмы, в биологии — классификацию животного мира, в химии
— строение молекул и т.д.
Динамические информационные модели. Состояние систем
изменяется во времени, т.е. происходят процессы изменения и развития
систем. Так, планеты движутся, изменяется их положение относительно
Солнца и друг друга. Солнце, как и любая другая звезда, развивается,
меняются ее химический состав, излучение и т.д.
Модели, описывающие процессы изменения и развития систем,
называются динамическими информационными системами.
В физике динамические информационные системы описывают движение
тел, в биологии – развитие организмов или популяций животных, в химии –
процессы прохождения химических реакций и т.д.
Систематизация — это процесс превращения множества объектов в
систему. Систематизация имеет огромное значение. В повседневной жизни
каждый из нас занимается систематизацией - разделяет одежду на зимнюю и
летнюю, посуду — на стаканы, тарелки, кастрюли и т.д.
Неоценима систематизация знаний в различных науках. Начало многих
наук связано с именем великого древнегреческого ученого Аристотеля, который жил в 4 в. до н.э. Вместе со своими учениками Аристотель проделал
колоссальную работу по классификации накопленных знаний, разделил их на
несколько частей и дал каждой свое название. Именно тогда на свет
появились физика, биология, экономика, логика и другие наука.
Математические знания классифицировал Евклид в 3 в. до н.э. Живых
существ классифицировал Карл Линней (1735 г,). Химические вещества
классифицировал Д.И.Менделеев. Звездное небо было разделено на
созвездия, причем эта классификация отличается тем, что признаки, по
которым были классифицированы звезды, к ним самим не имеют никакого
отношения.
Попробуйте повторить подвиг вышеуказанных знаменитых людей,
систематизировав перечисленные факты и определив основание
систематизации.
Задание 1.
А) Подвиг Аристотеля.
1. «Жи»-«ши» — пиши с буквой «и».
2. Амазонка — это река.
3. Тела тяжелее воды тонут.
4. Прилагательное выражает свойство.
5. Бермудские острова омываются Атлантическим океаном.
6. Разноименные полюса магнита притягиваются, а одноименные –
отталкиваются.
7. Высочайшая вершина мира — Эверест.
8. «Мама» - существительное первого склонения.
9. Антарктида покрыта вечным льдом.
10. Для того, чтобы найти время пути, необходимо пройденное расстояние
разделить на скорость.
11. Вода закипает при температуре 100°С.
12. Чем сильнее предмет давит на опору, тем сильнее опора давит на
предмет.
13. Столица России — Москва.
14. «Не» с глаголами пишется раздельно.
15. Существительные бывают следующих падежей: именительного,
родительного, дательного, винительного, творительного, предложного.
Задание №2.
Б) Подвиг Карла Линнея.
1. Рожь.
11. Ромашка.
2. Дуб.
12. Арбуз
3. Репа.
13. Морковь.
4. Апельсин.
14. Овес.
5. Лиственница. 15. Персик.
6. Акация.
16. Кабачок.
7. Помидор.
17. Пихта.
8. Василек.
18. Кукуруза.
9. Ель.
19. Лимон
10. Крыжовник. 20. Малина.
21. Грейпфрут.
22. Яблоня.
23. Пшеница.
24. Липа.
25. Подорожник.
26. Ячмень.
27. Картофель.
28. Береза.
29. Тыква.
30. Смородина.
31. Можжевельник.
32. Огурец.
33. Крапива.
34. Свекла.
35. Сосна.
36. Одуванчик.
37. Дыня.
38. Мандарин.
39. Груша.
40. Кедр.
Задания оформить в текстовом редакторе WordPad, сохранить в
своей личной папке под именами Аристотель и Линней.
Контрольные вопросы.
1. Что называют системой?
2. В
чем
разница
между
статическими
и
динамическими
информационными системами?
3. Приведите примеры статических и динамических информационных
систем.