Программные средства для моделирования предметно-коммуникативных сред (предметной области).

В настоящее время имеется большой набор компьютерных проектных сред, предназначенных для использования в учебном процессе. Одним из таких примеров является пакет «Живая геометрия». Он предназначен для построения и изучения основных геометрических объектов и их характеристик. Это электронных аналог готовальни, позволяющий создавать интерактивные чертежи, а также выполнять различные измерения. Программа позволяет организовать деятельность учащихся по построению моделей геометрических объектов и исследованию их свойств. Подобные пакеты могут использоваться на уроках: либо учениками – в качестве средства решения задач, либо учителем – в качестве средства предоставления учебной задачи путем оформления определенного сценария, позволяющего организовать демонстрацию задачи и ее решения, вызов справочной информации и т.п

Пакет «Живая физика» - это компьютерная проектная среда, с помощью ко­торой можно организовать деятельность по моделированию объектов, процессов и явлений. Набор объектов, законы, формулы и т. п. уже заданы. Пользователь вы­бирает из предоставляемого набора какой-либо объект, устанавливает его пара­метры, связи с другими объектами и внешние условия проведения эксперимента. Есть возможность использования виртуальных измерительных инструментов и выбора способа представления результатов: мультипликация, график, таблица, диаграмма, вектор. Пакет может быть востребован при изучении школьного курса физики или в старших классах на уроках математики или информатики при рас­смотрении тем, связанных с компьютерным моделированием. Он призван помочь учащимся понять теорию, научиться решать задачи, самостоятельно организовать и провести эксперименты.

«Живая физика» - это виртуальная лаборатория, в которой легко и быстро «создаются» экспериментальные установки и проводятся лабораторные работы по изучению движения в гравитационном, электростатическом, магнитном и других полях. Способы представления результатов (мультипликация, график, таблица, диаграмма, вектор) задаются пользователем.

«Живая физика» - русская версия одной из наиболее известных обучающих программ по физике Interactive Physics, разработанной американской фирмой MSC. Working Knowledge. Программа представляет собой компьютерную проект­ную среду, максимально приспособленную для использования в учебных целях. Современный вычислительный аппарат, средства анимации, многочисленные вспомогательные функции делают «Живую физику» удобным и одновременно ис­ключительно мощным инструментом изучения и преподавания физики в школах ж институтах. Ученик (или учитель) создает собственные модели физических явле­ний и проводит численный эксперимент с автоматическим отображением процес­са в виде компьютерной анимации, графиков, таблиц, диаграмм, векторов.

 

25) Понятие «модель». Виды моделей.

Понятие «модель».

В основе любого моделирования лежит модель. Соответствие модели реальному объекту базируется на их общем качестве. Реальный объект обладает некоторой формальной структурой, поэтому структура модели должна соответствовать структуре реального объекта или изучаемой стороне этого объекта.

Все многообразие моделей отличает нечто общее, а именно – моделью может стать искусственно созданный человеком абстрактный или материальный объект. Анализ модели и наблюдение за ней позволяют познать суть реально существующего более сложного объекта, процесса или явления, называемого прототипом или оригиналом.

Слово «модель» произошло от латинского слова «modulus», означает «мера», «образец». Его первоначальное значение было связано со строительным искусством, и почти во всех европейских языках оно употреблялось для обозначения образа или прообраза, или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью.

Термин «модель» широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений. В этом разделе мы будем рассматривать только такие модели, которые являются инструментами получения знаний.

Таким образом, модель – упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении. Модель – это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал так, что его непосредственное изучение дает новые знания об объекте-оригинале.

Виды моделей.

По способу отображения действительности различают три основных вида моделей — эвристические, натурные и математические.

Эвристические модели

Эвристические модели, как правило, представляют собой образы, рисуемые в воображении человека. Их описание ведется словами естественного языка (например, вербальная информационная модель) и, обычно, неоднозначно и субъективно. Эти модели неформализуемы, то есть не описываются формально-логическими и математическими выражениями, хотя и рождаются на основе представления реальных процессов и явлений.

Эвристическое моделирование — основное средство вырваться за рамки обыденного и устоявшегося. Но способность к такому моделированию зависит, прежде всего, от богатства фантазии человека, его опыта и эрудиции. Эвристические модели используют на начальных этапах проектирования или других видов деятельности, когда сведения о разрабатываемой системе ещё скудны. На последующих этапах проектирования эти модели заменяют на более конкретные и точные.

Натурные модели

Отличительной чертой этих моделей является их подобие реальным системам (они материальны), а отличие состоит в размерах, числе и материале элементов и т. п. По принадлежности к предметной области модели подразделяют на следующие:

Физические модели. Это — реальные изделия, образцы, экспериментальные и натурные модели, когда между параметрами системы и модели одинаковой физической природы существует однозначное соответствие. Выбор размеров таких моделей ведется с соблюдением теории подобия. Физические модели подразделяются на объемные (модели и макеты) и плоские (тремплеты).

Математические модели

Математические модели — формализуемые, то есть представляют собой совокупность взаимосвязанных математических и формально-логических выражений, как правило, отображающих реальные процессы и явления (физические, психические, социальные и т. д.). По форме представления бывают:

· аналитические модели. Их решения ищутся в замкнутом виде, в виде функциональных зависимостей. Удобны при анализе сущности описываемого явления или процесса и использовании в других математических моделях, но отыскание их решений бывает весьма затруднено;

· численные модели. Их решения — дискретный ряд чисел (таблицы). Модели универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимосвязей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов — пакетов программ для расчета на компьютере. Программные комплексы бывают прикладные, привязанные к предметной области и конкретному объекту, явлению, процессу, и общие, реализующие универсальные математические соотношения (например, расчет системы алгебраических уравнений);

· формально-логические информационные модели — это модели, созданные на формальном языке.

Построение математических моделей возможно следующими способами:

· аналитическим путем, то есть выводом из физических законов, математических аксиом или теорем;

· экспериментальным путем, то есть посредством обработки результатов эксперимента и подбора аппроксимирующих (приближенно совпадающих) зависимостей.

Промежуточные виды моделей:

1) трёхмерная компьютерная модель;

2) графические модели. Занимают промежуточное место между эвристическими и математическими моделями. Представляют собой различные изображения:

· графы;

· схемы;

· эскизы. Этому упрощенному изображению некоторого устройства в значительной степени присущи эвристические черты;

· чертежи. Здесь уже конкретизированы внутренние и внешние связи моделируемого (проектируемого) устройства, его размеры;

· графики;

· полигональная модель в компьютерной графике как образ объекта, «сшитый» из множества многоугольников.

3) аналоговые модели. Позволяют исследовать одни физические явления или математические выражения посредством изучения других физических явлений, имеющих аналогичные математические модели;

4) и др.

Выбор типа модели зависит от объема и характера исходной информации о рассматриваемом устройстве и возможностей инженера, исследователя. По возрастанию степени соответствия реальности модели можно расположить в следующий ряд: эвристические (образные) — математические — натурные (экспериментальные).