Компьютерное информационное моделирование кратко

Обновлено: 02.07.2024

упрощенная копия реального объекта;
уменьшенное копия реального объекта;
схематичное представление явления или процесса;
графическое представление явления или процесса;
текстовое представление явления или процесса;
аналогичное представление физического объекта;
информационное представление реального объекта;
цифровой объект-аналог реального объекта;
и т. д.

То есть модель в информатике — это обширное понятие, определение которого может быть различным и зависит от конкретной ситуации.

Моделирование и модель в информатике, что это

Материальная группа. К этой группе относят модели, которые основываются на реально существующих объектах, например, на каком-либо реальном предмете или процессе.
Идеальная группа. К этой группе относятся модели, которые основываются не на реальных объектах, например, на произведениях искусства или литературе. То есть такие модели поддаются влиянию индивидуальным человеческим свойствам, например: мышлению, воображению или восприятию. Такие модели могут быть созданы разными людьми по-разному, даже если за основу будет взят один какой-то пример для моделирования.

Виды и цели моделирования в информатике

учебное моделирование — это процесс, который необходим для обучения студентов, учеников и других обучающихся людей;
моделирование для опытов — это процесс, при котором необходимо выяснить влияние на реальный объект каких-либо изменений в его сущность;
имитационное моделирование — это процесс, при котором происходит имитация реального объекта с максимальным количеством его свойств для предугадывания исхода какого-либо события с объектом;
игровое моделирование — это моделирование объектов для их использования в игровой индустрии;
научно-техническое моделирование — это процесс, который применяется в различных научных исследованиях.

проектировать новые реальные объекты, на основе уже имеющихся моделей (проектировать новые автомобили);
проводить расчеты последствий после внесения изменений в реальные объекты (что будет, если пересадить автомобиль на атомное топливо);
обеспечить подтверждение эффективности принятых решений (электромобили лучше дизельных автомобилей);
представлять материальные предметы (проект жилого дома);
и др.

Моделирование в информатике не происходит просто так, оно всегда преследует цель решить какую-то поставленную задачу. Задачи, которые решает моделирование, делятся на 2 большие группы:

Модель в информатике — это разнообразие видов

Образные модели. Эта группа включает в себя модели, где важна их внешняя составляющая, например рисунки и фотографии.
Смешанные модели. Эта группа включает в себя модели, где внешняя составляющая моделей имеет второстепенное значение. Сюда входят: таблицы, графики, диаграммы, схемы (карты, графы, блок-схемы, чертежи).
Знаковые модели. Эта группа включает в себя модели, где важна их символьная составляющая. Сюда входят: словесное описание, формулы, языки программирования.

Моделирование в информатике: этапы

манекен — это модель человеческой фигуры;
глобус — это модель нашей планеты;
и т. д.

О физическом моделировании мы поговорим в другой раз, а сегодня нас интересуют этапы, через которые проходит моделирование в информатике с применением электронно-вычислительных машин.

Этапы создания моделей в информатике:

вербальная или задокументированная постановка задачи в виде технического задания модели;
математический анализ поставленной задачи с целью выяснения необходимых подходов и инструментов для моделирования;
разработка модели или сам процесс моделирования с использованием компьютера;
использование модели для поставленных задач;
получение необходимого результата.

Примеры моделей и моделирования в информатике

электрические схемы;
топографические карты;
чертежи зданий, автомобилей, станков, агрегатов и прочих предметов;
карты передвижения автобусов, метро, самолетов;
таблица Менделеева;
и др.

Заключение

Модель в информатике — это некий цифровой объект, который является результатом моделирования — процесса цифрового представления реальных объектов. Моделирование в информатике является важной частью. Потому что любой современный реальный объект, прежде чем появится на свет, проходит через этапы моделирования и тестирования в информатике и/или программировании, потом он переходит на этап физического прототипирования или создания макета и только потом на этап полноценного производства и введения в эксплуатацию.

Моделирование – метод познания окружающего мира, состоящий в создании и исследовании моделей реальных объектов.

Модель отражает только часть свойств, отношений и особенностей поведения оригинала.

Информационные модели - описание объекта-оригинала на языках кодирования информации.

Информационная модель - набор признаков, содержащий всю необходимую информацию об исследуемом объекте.

Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем).

Виды моделей.

Различают четыре основных вида модельных представлений:

1. Графические представления.

2. Словесные описания.

3. Информационно-логические модели.

4. Математические (количественные) модели.

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:

Модель — это объект или процесс, который для различных целей рассматривается вместо другого объекта или процесса.

В 9-м классе мы выделили два основных вида моделей: материальные и информационные, которые различаются формой представления (пример 6.1).

Информационные модели по виду носителя информации делятся на мысленные, документальные и компьютерные (пример 6.2).

Компьютерная (электронная) модель — это информационная модель в форме файла на компьютерном носителе и ее изображение на экране компьютера.

Компьютерные модели стали привычным инструментом при решении научных задач в физике, астрофизике, химии, биологии, экономике, социологии и других науках, в прикладных задачах радиоэлектроники, машиностроения, автомобилестроения. Компьютерные модели стали использоваться в быту.

Моделирование — это процесс создания и использования моделей для решения научных и практических задач.

В последнее время компьютерное моделирование стало широко использоваться в быту и в рекламе (пример 6.3).

Компьютерные модели могут различаться формой представления. Они могут быть представлены в форме программы на языке программирования, листа рабочей книги в электронных таблицах, электронного документа, цифровой фотографии или видео, электронного трехмерного объекта.

Пример 6.1. Глобус — типичный пример материальной модели, которая по определению является материальным объектом. Информация на некотором носителе — это информационная модель.

Пример 6.2. Критерием деления информационных моделей на виды служит форма их представления: форма мысленного образа, форма бумажного документа, форма файла на компьютерном носителе информации, включая изображение на экране компьютера.

Пример 6.3. Цифровые фотографии и видео создаются с помощью смартфонов, а электронные документы — с помощью текстовых редакторов. А это компьютерные модели.

Электронные 3D-модели, с которыми мы познакомились на уроках информатики, широко используются в интернет-рекламе смартфонов.

6.2. Цели компьютерного моделирования

Цель моделирования определяется, в первую очередь, решаемой задачей. Растущие возможности компьютерных технологий в последнее время значительно расширили цели компьютерного моделирования.

Целью компьютерного моделирования может быть:

создание цифровых фотографий и видео;
создание электронных документов;
создание трехмерных электронных объектов;
графическая визуализация численных данных;
автоматизация численных расчетов;
автоматизация математических преобразований.

Создание цифровых фотографий и видео воспринимается нами как нечто повседневное и обыденное, не связанное с компьютерным моделированием (пример 6.4). Но создаваемые фото и видео хранятся в форме файлов, поэтому по сути являются компьютерными моделями.

Создание электронных документов с помощью текстовых редакторов — это моделирование будущих бумажных документов.

Создание трехмерных электронных объектов — это моделирование реальных и проектируемых зданий, сооружений и других объектов (пример 6.5).

Графическая визуализация численных данных — это представление численных данных графическими моделями (пример 6.6).

Автоматизация численных расчетов является одной из самых востребованных целей компьютерного моделирования (пример 6.7).

Пример 6.4. Цифровые фотографии и видео массово создаются с помощью смартфонов и цифровых фотоаппаратов.

Создание цифровых фотографий и видео проводят с помощью высокотехнологичных электронных приборов, к которым следует отнести и сканеры. И создавались эти приборы с помощью сложных математических и компьютерных моделей.

Пример 6.5. 3D-модели создаются с помощью 3D-редакторов или 3D-сканеров. С возможностями 3D-редактора мы уже познакомились. 3D-модели используются для демонстрации и для вывода на 3D-принтеры при создании материальных объектов-изделий.

Пример 6.6. В электронных таблицах MS Excel для этой цели используют диаграммы, спарклайны и 3D-карты. В текстовом редакторе MS Word можно использовать диаграммы, спарклайны и графические элементы SmartArt. Строить графики функций по расчетным данным позволяют электронные таблицы, программы на языках программирования и специализированные программные пакеты.

Пример 6.7. Численные расчеты являются основным методом решения сложных уравнений, составляющих современные математические модели. Для автоматизации таких расчетов и создаются компьютерные расчетные модели.

Пример 6.8. Системы компьютерной математики позволяют решать математические задачи практически любой сложности без составления расчетных таблиц или создания алгоритмов.

6.3. Системный подход в моделировании

При создании моделей хорошие результаты дают несколько общих подходов и методов.

Система — это совокупность объектов любой природы, которая воспринимается как единый объект.

Системный подход в моделировании состоит в том, что моделируемый объект представляется в модели как система.

При использовании системного подхода элементы системы могут быть естественными объектами (пример 6.9) или выделяться искусственно (пример 6.10).

Если же объект моделирования при решении задачи сам представляется как система, то внешняя среда элементом такой системы не считается, но должна учитываться.

Пример 6.9. При моделировании Cолнечной системы ее элементы выделяются совершенно естественно. Это Солнце и планеты.

При моделировании человеческого общества как элементы естественно рассматриваются группы людей.

Именно так, в 9-м классе элементами системы в задаче выбора положения железнодорожной станции послужили населенные пункты и станция.

Пример 6.10. А вот металлическая пластина в рассмотренной нами задаче определения температурных режимов была представлена как система, объединяющая ее несуществующие условные элементы (квадраты).

Такой же подход был использован при моделировании движения мотоцикла. Мотоцикл вместе с мотоциклистом в математической модели был представлен как система из шести условных материальных точек.

6.4. Моделирование систем

Моделирование любой системы начинается с моделирования ее структуры.

Структура системы — это описание ее элементов и связей между ними.

Описание связей между элементами системы может быть представлено в разных формах, в зависимости от типа решаемой задачи.

В простых случаях для описания связей между элементами системы достаточно использовать графическую схему (пример 6.11).

Если состояние каждого элемента системы можно задать значениями некоторых переменных или функций, то связи между элементами имеют вид математических выражений или уравнений (пример 6.13).

Математические выражения и уравнения, отражающие связи между элементами системы, составляют документальную математическую модель системы.

Математическая модель называется динамической, если она учитывает изменение времени (пример 6.14).

Динамические математические модели систем, как правило, включают сложные уравнения. Найти точное решение таких уравнений в виде формул практически невозможно.

Ученые предложили в таких случаях находить не формулы, а таблицы приближенных значений искомых функций (численные решения) (пример 6.15).

Для построения численного решения сначала выбирается численный метод, а затем программное средство для его реализации. Следует помнить, что в разных программных средствах один и тот же численный метод может иметь совершенно различные реализации (пример 6.16).

Далее строится документальная расчетная модель, в которой формулы численного метода записываются в форме, подходящей программному средству.

Документальная расчетная модель системы реализуется на компьютере как компьютерная расчетная модель.

Таким образом, при построении динамических моделей систем обычно создаются:

документальная математическая модель;
документальная расчетная модель;
компьютерная расчетная модель .

Пример 6.11. Если элементы системы являются ее составными частями, то структура системы описывается простой графической схемой, как в случае структуры дизайна рекламы.

Пример 6.13. В задаче выбора положения железнодорожной станции положение каждого населенного пункта и станции задавалось парой координат на координатной плоскости. Связь между элементами была представлена как сумма расстояний от станции до населенных пунктов.

Пример 6.14. При решении задачи полета тела, брошенного под углом к горизонту, была построена математическая модель, в которой координаты тела x(t) и y(t) зависели от времени t. Таким образом, в задаче была построена динамическая модель.

Пример 6.15. Для нахождения численных решений сложных уравнений разработаны методы, которые называют численными.

Численные методы позволяют получать приближенные численные значения искомых функций, которые незначительно отличаются от точных значений.

Пример 6.16. Рассмотрим задачу построения графика заданной функции.

В электронных таблицах сначала нужно строить расчетную таблицу с формулами в ее первой и второй строках. Переменными в формулах являются имена ячеек. Затем надо заполнить таблицу вниз формулами и построить диаграмму.

В программе на языке программирования подход совершенно другой. Сначала следует организовать цикл по числу значений переменной, а затем в этом цикле вычислять координаты точек графика и выводить их в графическое окно, соединяя между собой отрезками прямых линий.

6.5. Методы дискретизации

В моделировании различают метод дискретизации объекта и метод дискретизации времени.

Метод дискретизации объекта в моделировании состоит в условном разбиении объекта на части, которые реально не существуют.

В результате применения метода дискретизации модель объекта представляется как система его условных частей (пример 6.17).

Метод дискретизации времени в моделировании состоит в условном разбиении времени протекания процесса на промежутки.

Если время протекания процесса разбивается на равные промежутки, то их длительность называется шагом времени .

Пример 6.17. Пример использования метода дискретизации объекта дает модель металлической пластины, которая в 9-м классе была создана при решении задачи определения температурных режимов. Металлическая пластина была условно разбита на многочисленные квадраты, которые стали элементами системы. Связи между квадратами выражались формулами теплообмена между ними.

Пример 6.18. Пример использования метода дискретизации времени дает решение рассмотренной нами задачи о движении тела, брошенного под углом к горизонту. В электронных таблицах все время полета тела было условно разбито на равные промежутки, задаваемые шагом времени. И в рабочей таблице компьютерной модели расчеты положения тела проводились только в начальных точках временных промежутков.

Вопросы к параграфу

1. Что такое модель?

2. Что такое компьютерная модель?

3. Что такое моделирование?

4. Что такое система?

5. Как называются объекты, составляющие систему?

6. Что такое системный подход в моделировании?

7. Что такое структура системы?

8. Какими способами может быть описана структура системы?

9. В чем состоит метод дискретизации объекта в моделировании?

10. В чем состоит метод дискретизации времени в моделировании?

Упражнения

1. Объясните на примерах цели моделирования.

2. Приведите примеры мысленных моделей.

3. Приведите примеры документальных моделей.

4. Приведите примеры компьютерных моделей.

5. Приведите примеры использования системного подхода при решении задач моделированием в 9-м классе.

6. Приведите примеры описания структуры систем.

7. Приведите примеры использования метода дискретизации объекта при решении задач моделированием в 9-м классе.

8. Приведите примеры использования метода дискретизации времени при решении задач моделированием в 9-м классе.

В процессе исследования окружающего мира реальные объекты заменяются их моделями, имеющими только те свойства, которые интересуют исследователя. Процесс замены моделью физического объекта называется моделированием. Изучением инструментов моделирования занимается дисциплина информатика, отдельные элементы которой рассматриваются в курсе 11 класса.

Информационное моделирование

При исследовании процессов и явлений окружающего мира прибегают к замене реальных объектов их абстрактными моделями, которые обладают существенными для конкретного исследования свойствами.

Метод познания окружающей действительности через конструирование моделей объектов и их исследования называется моделированием.

Модели бывают натурными, они представляют собой реально существующие макеты, в которых отображаются свойства, структура или поведение реальных объектов. Натурные модели делают много больше или меньше оригиналов.

Также модели бывают информационными, которые описывают объекты с помощью языков моделирования. Информационное моделирование дает возможность описать не только структуру и свойства исследуемого объекта, но и спрогнозировать его поведение.

Процесс реализации информационной модели с помощью специализированного программного обеспечения с применением вычислительных средств, называется компьютерным моделированием.

Компьютерное моделирование применяется для решения самых разнообразных по форме и сложности задач. Например, компьютерные модели применяют при конструировании транспортных средств, для прогнозирования прочности конструкций и механизмов, проектировании производственных процессов.

С развитием технологии 3D печати большую популярность получило объемное моделирование. Трехмерные модели разрабатываются с помощью специального программного обеспечения и могут быть послойно распечатаны на 3D принтере из различных материалов: пластика, бетона, металла.

Особенности информационного моделирования

Концепция информационного моделирования базируется на следующих принципах:

информационное моделирование заключается в выявлении сущностей — группы объектов схожих по своим свойствам — в исследуемой предметной области;
сущности состоят из объектов, называемых экземплярами сущностей;
объекты имеют свои свойства — атрибуты;
между объектами существуют связи.

Связи между объектами информационной модели определяют структуру данных.
Различают следующие структуры данных:

Линейные структуры данных:

односвязный список – структура, в которой у каждого элемента есть только один предыдущий и последующий элементы, обращение к элементам структуры осуществляется по адресу элемента в списке;
стек – структура, имеющая по одному предыдущему и последующему элементу и организованная так, что первым извлекается последний присоединенный к структуре элемент;
очередь – структура, имеющая по одному соседу до и после элемента, извлечение элементов из очереди осуществляется по принципу – первый пришел – первый ушел.

Нелинейные структуры данных:

граф – многосвязная структура данных, имеющая один и более предков и потомков;
дерево – частный случай графа, каждый элемент, за исключением корневого, имеет не более одного предка;
таблица – универсальная форма для отображения структуры данных, которые распределены по однотипным строкам и столбцам.

Графы являются основными структурами, используемыми для описания сложных объектов. Элементы графа, соединяемые линиями, называются вершинами графа. Сами линии называются ребрами, если они не имеют направлений. Если вершины соединяются линиями со стрелками, то их называют дугами, а граф называют ориентированным.

Виды информационных моделей

Информационные модели принято делить на:

Основное назначение статических моделей заключается в проведении классификаций при решении задач анализа и диагностики.

Примерами статических моделей является классификация животного мира, известная из курса биологии, или классификация неорганических веществ в химии.

Динамические модели строятся для осуществления прогнозирования и решения задач управления. Примером динамической модели управления можно считать модель автоматизированной системы для управления производством химического волокна. А, например, для прогнозирования численности населения в будущем можно построить модель на основе рядов динамики, содержащих известные данные за прошлые года.

Прогнозирование как предвидение развития ситуации, имеет особое значение для государственного управления. Прогнозы являются источником информации для принятия верных решений. Как правило, составляют социально-экономические, демографические, внешнеэкономические прогнозы, прогнозы о состоянии рабочей силы и трудовых ресурсов, прогнозы в научно-технической и военно-политической сфере.

Что мы узнали?

При изучении окружающей действительности реальные объекты заменяют их моделями. Модели бывают натурными и информационными. В информационной модели объект описывается с помощью языка моделирования. Реализация информационной модели с помощью компьютерных технологий называется компьютерным моделированием. В зависимости от того как построены связи между объектами в информационной модели, различают линейные и нелинейные структуры данных.

Читайте также: