Количество просмотров публикации Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере - 483
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 исходя из значения тех или иных параметров.
Процесс разработки моделей и их исследования на компьютере можно разделить на несколько базовых 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 должна 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. Размещено на реф.рффиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств. Вместе с тем, в соответствии с поставленной целью крайне важно выделить параметры, которые известны (исходные данные) и которые следует найти (результаты).
На третьем этапе крайне важно 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 состоит 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. В случае если результаты тестирования и экспериментов не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. Это должна быть либо неправильная постановка задачи, либо чересчур упрощенное построение информационной модели, либо неудачный выбор метода или среды моделирования, либо нарушение технологических приемов при построении модели. В случае 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, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ должно быть выработано на базе всестороннего анализа результатов моделирования.
referatwork.ru
Урок 59. Построение и исследование физических моделей
Рассмотрим процесс построения и исследования модели на конкретном примере движения тела, брошенного под углом к горизонту.
Проект "Бросание мяча в площадку"
Во время тренировок теннисисты используют автоматы по бросанию мячика. Нужно задать автомату программу, по которой мячик попадет в площадку. Для этого нужно задать необходимую скорость и угол бросания мяча.
рисунок из учебника стр. 155
Из условия задачи следует:
мячик мал по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой;
изменение высоты мячика мало, поэтому ускорение свободного падения можно считать постоянной величиной (g=9,8), движение по оси У можно считать равноускоренным;
скорость бросания мала, поэтому сопротивлением воздуха можно пренебречь, движение по оси Х можно считать равномерным.
Для формализации модели используем известные из физики формулы
x=v0*cosa*t,
y=v0*sin a*t - (g*t^2)/2
Из второй формулы выразим время t, считая у=0, так как мяч упадет на землю:
v0*sin a*t - (g*t^2)/2=0;
t*(v0*sin a- (g*t)/2)=0;
t=0 или v0*sin a- (g*t)/2=0,
то есть мяч будет на поверхности Земли дважды - в начале движения и в конце.
Нас интересует второй случай, отсюда получаем
t= (2*v0*sin a)/g
Подставив найденное t в формулу для вычисления х получаем:
x=(v0*cos a*2*v0*sina)/g=(v0^2*sin2a)/g
Пусть площадка расположена на расстоянии s и имеет длину l. Тогда попадание произойдет, если ss+l, то перелет
Решим задачу в электронных таблицах
Обозначим столбцы таблицы
Внесем формулы
Как видите, результат выводится в текстовой форме. Можно построить график движения мяча. Как это сделать, подумайте сами.
Решим задачу в объектно-ориентированной среде программирования Gambas
скриншот графического интерфейса
Для ввода исходных данных: начальной скорости v0, угла бросания мяча a, длины площадки l и ее удаленности s - поместим 4 числовых окна ValueBox. Для вывода переменной х - еще одно числовое окно ValueBox. Для вывода результата: Недолет, Перелет, Попадание - поместим на форме надпись Label. Подпишем каждое числовое окно, выведя рядом с ними надписи Label и изменив параметр Text на Начальная скорость, Угол бросания, Расстояние до площадки, Длина площадкисоответственно. Для запуска программы нам понадобится кнопка Button, на которой напишем Пуск.
Создаем событие Button1_Click двойным щелчком по кнопке.
Код программы
Public Sub Button1_Click
'Объявляем переменные g и pi как постоянные величины, а остальные как десятичные дроби
Const g As Single = 9.81
Const pi As Single = 3.14
Dim v0, a,s,l,x As Single
'Считываем значение переменных, введенных пользователем, с числовых окон
v0=ValueBox1.Value
a=ValueBox2.Value
s=ValueBox3.Value
l=ValueBox4.Value
'Вычисляем значение х и выводим его в числовом окне
x=v0^2*Math.Sin(2*a*pi/180)/g
ValueBox5.Value=x
'Перебираем варианты значений х и выводим результат броска
Select Case x
Case Is
Label1.Text="Недолет"
Case Iss+l
Label1.Text="Перелет"
Case Else
Label1.Text="Попадание"
End Select
End
Домашнее задание
Прочитайте п. 5.4. Ответьте устно на контрольные вопросы.
Дополните решение в электронных таблицах графиком движения мяча
kopilkaurokov.ru
Описательная информационная модель. На первом этапе исследования объекта илипроцесса обычно строится описательная информационная модель. Такая модель выделяетсущественные, с точки зрения целей проводимого исследования, параметры объекта, анесущественными параметрами пренебрегает.Формализованная модель. На втором этапе создается формализованная модель, т. е.описательная информационная модель записывается с помощью какоголибо формальногоязыка. В такой модели с помощью формул, уравнений или неравенств фиксируютсяформальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, атакже накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.Однако далеко не всегда удается найти формулы, явно выражающие искомые величинычерез исходные данные. В таких случаях используются приближенные математическиеметоды, позволяющие получать результаты с заданной точностью.
Компьютерная модель. На третьем этапе необходимо формализованнуюинформационную модель преобразовать в компьютерную модель, т. е. выразить ее напонятном для компьютера языке. Существуют различные пути построения компьютерныхмоделей,числе: создание компьютерной модели в форме проекта на одном из языков программирования; построение компьютерной модели с использованием электронных таблиц или другихприложений: систем компьютерного черчения, систем управления базами данных,геоинформационных систем и т. д.томв
В процессе создания компьютерной модели полезно разработать удобный графическийинтерфейс, который позволит визуализировать формальную модель, а также реализоватьинтерактивный диалог человека с компьютером на этапе исследования модели.Компьютерный эксперимент. Четвертый этап исследования информационной моделисостоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модельсуществует в виде проекта на одном из языков программирования, ее нужно запустить навыполнение, ввести исходные данные и получить результаты.Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронныхтаблицах, то можно построить диаграмму или график, провести сортировку и поискданных или использовать другие специализированные методы обработки данных.При использовании готовой компьютерной визуальной интерактивной моделинеобходимо ввести исходные данные, запустить модель на выполнение и наблюдатьизменение объекта и характеризующих его величин.В виртуальных компьютерных лабораториях можно проводить эксперименты среальными объектами. Для этого к компьютеру присоединяются датчики измеренияфизических параметров (температуры, давления, силы и др.), данные измеренийпередаются в компьютер и обрабатываются специальной программой. Результатыэксперимента в виде таблиц, графиков и диаграмм отображаются на экране монитора имогут быть распечатаны.Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели. Пятыйэтап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. Вслучае несоответствия результатов, полученных при исследовании информационноймодели, измеряемым параметрам реальных объектов можно сделать вывод, что напредыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности.Например, при построении описательной качественной модели могут быть неправильноотобраны существенные свойства объектов в процессе формализации могут быть допущеныошибки в формулах и т. д. В этих случаях необходимо провести корректировку модели,причем уточнение модели может проводиться многократно, пока анализ результатов непокажет их соответствие изучаемому объекту.
znanio.ru
Разделы: Информатика
Цель урока: организовать совместную учебную деятельность для формирования и развития исследовательских навыков учащихся; создать условия для освоения технологии моделирования.
Должны знать: основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере.
Должны уметь: построить модель объекта или процесса согласно поставленной цели.
Приложение 1
План работы
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.
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. 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.
Однако далеко не всегда удается найти формулы, явно выражающие искомые величины через исходные данные. В таких случаях используются приближенные математические методы, позволяющие получать результаты с заданной точностью.
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 пр.).
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. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты.
Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и так далее.
Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. В случае различия результатов, полученных при исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности. Например, при построении описательной качественной модели могут быть неправильно отобраны существенные свойства объектов, в процессе формализации могут быть допущены ошибки в формулах и так далее. В этих случаях необходимо провести корректировку модели, причем уточнение модели может проводиться многократно, пока анализ результатов не покажет их соответствие изучаемому объекту.
Вопросы для размышления
1. В каких случаях могут быть опущены отдельные этапы построения и исследования модели? Приведите примеры создания моделей в процессе обучения.
Практическая работа
На сегодняшнем уроке я предлагаю вам построить информационную модель качеств своей личности и исследовать её с целью определения профессиональных предпочтений.
(Раздаточный материал (Приложение 1) выдан учащимся в начале урока, на “Рабочем столе” компьютера находится Таблица 2)
1. Тип мышления
Все люди делятся на “левополушарных” (Л) и “правополушарных” (П). У “левополушарных” преобладает логический тип мышления. Они, в общем-то, оптимисты и считают, что большую часть своих проблем решат самостоятельно.
Если Вы “левополушарный”, то, как правило, без особого труда вступаете в контакт с людьми. В работе и житейских делах больше полагаетесь на расчет, чем на интуицию. Испытываете больше доверия к информации, полученной из печати, чем к собственным впечатлениям.
Вам легче даются виды деятельности, требующие логического мышления. Если профессия, к которой вы стремитесь, требует именно логических способностей, то вам повезло. Вы можете стать хорошим математиком, преподавателем точных наук, конструктором, организатором производства, программистом ЭВМ, пилотом, водителем, чертежником... продолжите этот список сами.
2. “Правополушарный” – это означает, что вы человек художественного склада. Представитель этого типа склонен к некоторому пессимизму. Предпочитаете полагаться больше на собственные чувства, чем на логический анализ событий, и при этом зачастую не обманываетесь. Не очень общителны, но зато можете продуктивно работать даже в неблагоприятных условиях (шум, различные помехи и т. п.). Вас ожидает успех в таких областях деятельности, где требуются способности к образному мышлению, – художник, актер, архитектор, врач, воспитатель.
3. Перед человеком, в равной степени сочетающим в себе признаки логического и художественного мышления, открывается широкое поле деятельности. Зоны его успеха там, где требуется умение быть последовательным в работе и одновременно образно, цельно воспринимать события, быстро и тщательно продумывать свои поступки даже в экстремальной ситуации. Управленец и испытатель сложных технических систем, лектор и полководец – все эти профессии требуют гармоничного взаимодействия противоположных типов мышления.
Свою принадлежность к художникам или мыслителям можно выявить и по некоторым биологическим признакам. Проведем несложный экспресс-анализ.
А. Переплетите пальцы рук. Сверху оказался большой палец левой руки (Л) или правой (П)? Запишите результат.
Б. Сделайте в листе бумаги небольшое отверстие и посмотрите сквозь него двумя глазами на какой-либо предмет. Поочередно закрывайте то один, то другой глаз. Предмет смещается, если вы закрываете правый глаз или левый?
В. Станьте в “позу Наполеона”, скрестив руки на груди. Какая рука оказалась сверху?
Г. Попробуйте изобразить “бурные аплодисменты”. Какая ладонь сверху?
Теперь посмотрим, что у вас получилось.
ПППП – обладатель такой характеристики консервативен, предпочитает общепринятые формы поведения.
ПППЛ – темперамент слабый, преобладает нерешительность.
ППЛП – характер сильный, энергичный, артистический. При общении с таким человеком не помешают решительность и чувство юмора.
ППЛЛ – характер близок к предыдущему типу, но более мягок, контактен, медленнее привыкает к новой обстановке. Встречается довольно редко.
ПЛПП – аналитический склад ума, основная черта – мягкость, осторожность. Избегает конфликтов, терпим и расчетлив, в отношениях предпочитает дистанцию.
ПЛПЛ – слабый тип, встречается только среди женщин. Характерны подверженность различным влияниям, беззащитность, но вместе с тем способность идти на конфликт.
ПЛЛП – артистизм, некоторое непостоянство, склонность к новым впечатлениям. В общении смел, умеет избегать конфликтов и переключаться на новый тип поведения, Среди женщин встречается примерно вдвое чаще, чем среди мужчин.
ПЛЛЛ – а этот тип, наоборот, более характерен для мужчин. Отличается независимостью, непостоянством и аналитическим складом ума.
ЛППП – один из наиболее распространенных типов. Он эмоционален, легко контактирует практически со всеми, Однако недостаточно настойчив, подвержен чужому влиянию.
ЛППЛ – похож на предыдущий тип, но еще менее настойчив, мягок и наивен. Требует особо бережного отношения к себе.
ЛПЛП – это самый сильный тип характера. Настойчив, энергичен, трудно поддается убеждению. Несколько консервативен из-за того, что нередко пренебрегает чужим мнением.
ЛПЛЛ – характер сильный, но ненавязчивый. Внутренняя агрессивность прикрыта внешней мягкостью. Способен к быстрому взаимодействию, но взаимопонимание при этом отстает.
ЛЛПП – характерны дружелюбие, простота, некоторая разбросанность интересов.
ЛЛПЛ – простодушие, мягкость, доверчивость – вот его основные черты. Очень редкий тип, у мужчин практически не встречается.
ЛЛЛП – эмоциональность в сочетании с решительностью приводит к непродуманным поступкам. Энергичен.
ЛЛЛЛ – обладает способностью по-новому взглянуть на вещи. Ярко выраженная эмоциональность сочетается с индивидуализмом, упорством и некоторой замкнутостью.
По мнению авторов этого теста, совпадающие результаты тестирования разных людей говорят о психологической совместимости личностей, в то время как полные антиподы совместимы очень редко.
Внесите, пожалуйста, в таблицу №2 , находящуюся на “Рабочем столе” полученные характеристики.
Как вы заметили, сочетание ЛЛЛЛ соответствует художественному типу, а ПППП присуще мыслителям. Но поскольку в чистом виде эти типы встречаются нечасто, то остальные сочетания в какой-то мере отражают существующее многообразие психологических структур. Впрочем, предложенная классификация – лишь первый шаг к познанию самого себя. Сделаем следующий.
2. Контактность
Не так уж много на земле профессий, позволяющих обходиться без общения с людьми. Поэтому вы поступите правильно, если обратите внимание на такие качества, как общительность, контактность. Они полезны не только обаятельным кинозвездам, но и каждому, кто хочет с толком использовать свой дар речи. Поэтому поставим вопрос таким образом: куда вы обращены – к людям или к себе? С кем бы вы предпочли общаться – с самим собой или с другими?
Если хотите определить свой психологический тип по отношению к окружающим, то оцените приведенные высказывания в баллах от 0 до 4, затем подсчитайте сумму.
1–12 баллов. Интроверт. Обращенный в себя, он с трудом вступает в контакт, в компании способен нагнать на всех тоску. Такой человек ориентирован в основном на собственные чувства, сдержан, застенчив, общению предпочитает книгу. В решениях серьезен, эмоциям не доверяет, любит порядок. Пессимистичен, и поэтому вряд ли из него получится хороший педагог или организатор. По темпераменту обычно флегматик или меланхолик.
13–24 балла. Амбаверт. Для него характерны спокойные, ровные отношения с людьми, ответственность за свои поступки. Именно такими качествами обладают, как правило, лучшие руководители, педагоги – словом, все, чья работа требует умения общаться с людьми.
25–36 баллов. Экстраверт. Словоохотливый, общительный оптимист, любит каверзные вопросы, острые шутки. Общение с кем бы то ни было для него не проблема, и тут он прекрасный импровизатор. Все у него получается легко и непринужденно. Но не менее легко относится и к собственным обязательствам, и поэтому хозяином своего слова его можно назвать лишь с иронией. Несдержан, потому что не считает нужным контролировать эмоции и чувства. Такой человек обычно холерик или сангвиник.
Внесите, пожалуйста, в таблицу 2 (см. Приложение 2), находящуюся на “Рабочем столе” полученные характеристики.
3. Склонности и предпочтения
Специальные методики помогают выявлять способности и склонности человека быстро и в широком диапазоне. Таких методик уже сотни, но все равно их недостаточно. Ведь далеко не все области человеческой деятельности настолько простоты, что к ним можно сформулировать четкие, однозначные требования. Тем не менее известный психолог Е. А. Климов разделил все профессии на пять групп: к первой он отнес профессии типа “человек – природа” (например, лесовод, агроном, биолог), ко второй – “человек – техника” (слесарь, механизатор, монтажник), к третьей – “человек – человек” (педагог, медсестра, администратор), к четвертой – “человек – знаковая система” (стенографистка, оператор ЭВМ, математик), к пятой – “человек – художественный образ” (ювелир, фотограф, художник).
Ответив на следующие вопросы, вы можете определить, какой тип профессий предпочитаете. Нравится ли вам занятие, о котором говорится в левой части вопроса (колонка а), или нет? Что для Вас предпочтительнее? Выберите вариант ответа.
Таблица 1
| № | а | б |
| 1 | Ухаживать за животными | Обслуживать машины, приборы |
| 2 | Лечить больных | Составлять компьютерные программы |
| 3 | Следить за качеством книжных иллюстраций, плакатов | Следить за состоянием и развитием растений |
| 4 | Обрабатывать материалы (дерево, ткань, металл) | Рекламировать, продавать товары |
| 5 | Обсуждать научно-популярные статьи | Обсуждать пьесы, концерты |
| 6 | Выращивать животных | Помогать товарищам в работе, спорте |
| 7 | Настраивать музыкальные инструменты | Управлять трактором, тепловозом |
| 8 | Давать людям информацию (в справочном бюро, на экскурсии) | Оформлять выставки, участвовать в подготовке концертов |
| 9 | Ремонтировать вещи, изделия | Искать и справлять ошибки в текстах, рисунках |
| 10 | Лечить животных | Выполнять вычисления, расчеты |
| 11 | Выводить новые сорта растений | Конструировать машины, проектировать дома |
| 12 | Разбирать споры между людьми, убеждать, разъяснять | Разбираться в чертежах, схемах |
| 13 | Наблюдать за работой художественной самодеятельности | Изучать жизнь микробов |
| 14 | Налаживать медицинские приборы | Оказывать людям медицинскую помощь |
| 15 | Составлять отчеты о наблюдаемых явлениях | Художественно описывать события |
| 16 | Делать лабораторные анализы в больнице | Осматривать больных, назначать лечение |
| 17 | Красить стены, расписывать изделия | Монтировать здания, собирать машины |
| 18 | Организовывать культпоходы, экскурсии | Участвовать в концертах, спектаклях |
| 19 | Изготовлять детали, строить здания | Чертить, копировать карты |
| 20 | Бороться с болезнями растений | Работать на компьютере |
Выбранные варианты ответов обведите, пожалуйста, в таблице 3
Таблица 3
| Природа | Техника | Человек | Знаковая система | Художественный образ |
| 1а | 1б | 2а | 2б | За |
| 36 | 4а | 4б | 5а | 5б |
| 6а |
|
6б |
|
7а |
|
|
7б | 8а |
|
8б |
|
|
9а |
|
9б |
|
| 10а |
|
|
10б |
|
| 11а | 11б | 12а | 126 | 13а |
| 13б | 14а | 14б | 15а | 15б |
| 16а |
|
16б |
|
17а |
|
|
176 | 18а |
|
186 |
| 19а |
|
19б | ||
| 20а |
|
|
20б |
|
В двух колонках “попаданий” окажется больше всего, они покажут Ваши предпочтения в деятельности.
Внесите, пожалуйста, в таблицу 2 (см. Приложение 2) , находящуюся на “Рабочем столе” полученные характеристики.
Теперь, когда вы более или менее твердо определили, какой тип профессии вам больше по душе, пора подумать и о необходимых качествах, которые понадобятся вам в будущем.
Домашнее задание: выделить в проделанной работе этапы моделирования и на основе полученных данных составить список предпочтительных профессий и смоделировать свой профессиональный образ.
Совет: не относитесь к полученным результатам слишком серьезно.
Используемая литература:
Приложение 1
xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
