Натуральные модели в информатике кратко

Обновлено: 03.07.2024

Моделирование – широко применяемый метод исследования, который позволяет заменить реальный процесс или явление моделью. Это позволяет сконцентрироваться на существенных свойствах и параметрах прототипа. В науке рассматриваются материальная и информационная модель. Если первая позволяет создать подобие прототипа в форме конкретного объекта, который можно потрогать, понюхать, то вторая - абстрактная. Возрастают объемы данных, требующие обработки. Параллельно происходит стремительное развитие технических средств, позволяющие получить наиболее точные результаты в кратчайшее время.

Моделирование выходит на новый уровень, основное место на котором занимает информационная модель. Широкое использование такого подхода выводит экономику любого государства на более высокую ступень развития. Цифровизация позволяет экономить значительные объемы ресурсов.

Суть и характеристики информационной модели

Объектом в информационном моделировании может выступать любой прототип. Задача исследователя описать этот прототип, т.е. перевести все данные о нем (параметры, переменные, связи между ними), потоки данных на входе и выходе.

Результат – информационная модель, которая позволяет отследить поведение исходного объекта (результат на выходе) при различных комбинациях входных данных и корректирующих воздействиях на них.

Если рассматривать исследуемый объект, процесс или явление как систему взаимосвязанных данных о параметрах, то в результате преобразования получаем модель информационной системы. К параметрам относятся существенные характеристики элементов системы, связи между ними (внутренние) и окружающей средой (внешние).

В зависимости от назначения информационной модели выделяют ее характеристики:

отражение реальных или проектируемых процессов, явлений, объектов;

визуализация взаимного расположения и связей;

направленность на оптимизацию прототипа;

использование кодирования, позволяющего установить требуемые соотношения и взаимосвязи между параметрами;

проведение мониторинга работы прототипа и внести корректирующие действия;

поддержка принятия рациональных решений.

Учет при разработке указанных характеристик позволяет создать адекватную информационную модель данных. В качестве примера приведем технологическую карту любого производственного процесса. Сама технологическая линия, например, конвейер – это огромный по размерам прототип. Создание схемы позволит не только визуально охватить все происходящие операции и действия, но и создать условия для автоматического управления ими.

Разновидности моделей

Всю совокупность моделей, используемых в различных исследованиях можно поделить, исходя из различных оснований.

Результату моделирования свойственны адекватность, упрощенность, полнота, информативность, предсказуемость. Переход от оригинала к новому объекту происходит с учетом требований, вытекающих из целей и предметной области исследования.

Классифицировать их можно в зависимости:

от цели исследования: модели научного эксперимента, комплексных испытаний и оптимизационные;

от области применения: учебные (обучающие программы и тренажеры), опытные или натуральные (копии корабля или атома, представленные в нужных для исследования размерах); научно-технические (ускоритель электронов); игровые (экономические или стратегические игры); имитационные (допускают внесение поправок и проверку их воздействия на систему);

от широты применения: специализированные (исследование конкретной системы) и универсальные (исследование широкого спектра систем);

от учета фактора времени: статические (описывается система в конкретный момент времени) или динамическую (позволяет отследить изменения, происходящие в системе за проектируемый период времени);

от наличия воздействий на систему: стохастические (воздействие возможно) или детерминированные (воздействие отсутствует)

по способу представления: материальные и информационные.

Модели информационных систем по другим представленным основаниям могут относиться к любому из описанных классов.

Образная и вербальная модели

В зависимости от способа представления данных информационные модели делят на два основных класса:

Образные или формальные. При разработке используется формальный язык, т.е. специально разработанный с учетом предметной области. В качестве универсальных формальных инструментов описания прототипа используются формулы, схемы, рисунки, таблицы и т.п. В результате выделяют модели математические, графические и табличные.

Вербальные или описательные. Преставление происходит на любом естественном языке, т.е. языке общения создателя продукта (русский, английский и т.д.). В данном классе выделяют модели мыслительные или устные.

Разработка модели информационной системы ориентирована на реализацию процессов апробации и последующего использования в цифровом пространстве. Поэтому используется формализованный язык более высокого уровня, требующий специального изучения.

Примеры информационных компьютерных моделей

Основное назначение компьютерного моделирования – представление любого существующего или проектируемого оригинала с помощью специальных средств. Это могут быть различные программные и технологические среды: графические редакторы, анимационные программы, электронные таблицы, базы данных, программы по разработке 3D-моделей, виртуальные лаборатории. Рассмотрим некоторые информационные модели на примерах.

Виртуальные лаборатории находят широкое применение не только в процессе обучения, но и в исследовательских центрах. Использование такого подхода позволяет провести большое количество опытов, проведение которых в реальных условиях связано с определенным риском или требует дорогостоящего оборудования. Например, в целях безопасности такие комплексы дают возможность поэкспериментировать с кислотами или взрывчатыми веществами

Базы данных широко применяются в процессе цифровизации. Хранение и обработка больших объемов данных с помощью электронного варианта их представления облегчает и ускоряет проведение всех информационных процессов. В качестве примера можно сравнить работу с традиционным и электронным библиотечным хранилищем.

Поиск не только информационного источника, анализ внутреннего содержания по тегам, получение статистических данных, их графического представление и другие действия с элементами системы выполняются быстро и просто благодаря программному сопровождению.

3D-модели дают возможность отобразить, контролировать и совершенствовать множество технических и технологических процессов на различных производствах. От самых простых проектов (3D представление проектируемого оригинала, например, мебели или дизайна участка) до сложных промышленных разработок (стендов испытаний поведения высокотехнологичной продукции или процессов, например, в самолетостроении или добыче нефти и газа).

Использование информационных моделей вносит кардинальные изменения в процесс исследования и разработки разнообразных явлений и объектов. Это дает дополнительные возможности и значительно убыстряет процессы развития во всех предметных областях науки как фундаментальной, так и прикладной.

Человечество в своей деятельности (научной, образовательной, технологической, художественной и др.) постоянно создает и использует модели окружающего мира. Строгие правила построения моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт моделирования различных объектов и процессов.

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 зданий и сооружений кроме чертежей часто изготавливают их макеты.

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 оригинала, 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.

Модель - это искусственно создаваемый объект, заменяющий некоторый объект реального мира(объект моделирования) и воспроизводящий ограниченное число его свойств, существенные с точки зрения целей моделирования

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.

Рассмотрим в качестве примера человека: в разных науках он исследуется в рамках различных моделей. В механике 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.

С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью. Например, для описания движения планет, движения автомобиля или движения мяча в определенных условиях (размеры объекта гораздо меньше его перемещений) можно использовать одну и ту же модель движения материальной точки.

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.

Материальные и информационные модели

Материальные(предметные, натурные) модели воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение( макеты, детские игрушки… )

Материальные модели позволяют представить в материальной наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного исследования (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.).

Информационные модели представляют собой информацию о свойствах и состоянии объекта, процесса, явления, и его взаимосвязи с внешним миром(Расписание уроков, график дежурств. )

образные(фотографии, видео)
вербальные – словесные или мысленные
знаковые – выраженные с помощью формального языка

графические (рисунки, схемы, карты, …)
табличные
математические (формулы)
логические (различные варианты выбора действий на основе анализа условий)
специальные (ноты, химические формулы)

Вербальная модель – информационная модель в мысленной или разговорной форме, модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. К таким моделям можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, и рифму, прозвучавшую пока еще в сознании поэта.

Знаковая модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка. Например: формулы, тексты, графики и схемы..

Иерархические модели

В иерархической информационной модели объекты распределяются по уровням, от первого (верхнего) уровня до нижнего (последнего) уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент. Основное отношение между уровнями состоит в том, что элемент более высокого уровня может состоять из нескольких элементов нижнего уровня, при этом каждый элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента верхнего уровня.

Удобным способом наглядного представления иерархических информационных моделей являются графы. Элементы иерархической модели отображаются в графе овалами (вершинами графа).

Элементы каждого уровня, кроме последнего, находятся в отношении "состоять из" к элементам более низкого уровня. Такая связь между элементами отображается в форме дуги графа (направленной линии в форме стрелки).

Графы, имеющие одну вершину верхнего уровня, напоминают деревья, которые растут сверху вниз, поэтому называются деревьями. Дуги дерева могут связывать объекты только соседних иерархических уровней, причем каждый объект нижнего уровня может быть связан дугой только с одним объектом верхнего уровня.

Для описания исторического процесса смены поколений семьи используются информационные модели в форме генеалогического дерева

Формализация и визуализация моделей

Описательные информационные модели. Такие модели отображают объекты, процессы и явления качественно, т. е. не используя количественных характеристик. Описательные информационные модели обычно строятся с использованием естественных языков ирисунков.

В истории науки известны многочисленные описательные информационные модели. Так, гелиоцентрическая модель мира Коперника на естественном языке формулировалась следующим образом: Земля вращается вокруг Солнца, а Луна вращается вокруг Земли;

С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели. Математика является наиболее широко используемым формальным языком. С использованием математических понятий и формул строятся математические модели. Математика включает различные формальные языки, с некоторыми из них (алгебра и геометрия) вы знакомитесь в школе.

В естественных науках (физике, химии и др.) строятся формальные модели явлений и процессов. В большинстве случаев для этого применяется универсальный математический язык алгебраических формул. Однако в некоторых случаях используются специализированные формальные языки (в химии - язык химических формул, в музыке - нотная грамота и т. д.).

Формальный язык – язык, в котором за каждым словом закрепляется ровно один смысл(алгоритмы, арифметические действия).

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. При визуализации формальных моделей с помощью анимации может отображаться динамика процесса, производиться построение графиков изменения величин и т. д.

В настоящее время широкое распространение получили компьютерные интерактивные визуальные модели. В таких моделях исследователь может менять начальные условия и параметры протекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели.

Д.з: Прочитать стр. 142-152 учебника. Устно ответить на вопросы в конце параграфов
Презентация урока

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.

Презентация на тему: " Информационное моделирование 1. Натуральные и информационные модели 2. Виды информационных моделей 1. Натуральные и информационные модели 2. Виды информационных." — Транскрипт:

2 Что такое моделирование Натурные модели - материальные Натурные модели - материальные Любая модель воспроизводит только те свойства оригинала, которые понадобятся человеку при её использовании Модели одного и того же объекта будут разными, если они создаются для разных целей

3 Информационные модели Информационные модели Если натуральная модель – это физическое подобие, то информационная – это его описание Если натуральная модель – это физическое подобие, то информационная – это его описание Способы описания: вербальные (словами), математические, графические… Способы описания: вербальные (словами), математические, графические… Информационные модели Информационные модели Если натуральная модель – это физическое подобие, то информационная – это его описание Если натуральная модель – это физическое подобие, то информационная – это его описание Способы описания: вербальные (словами), математические, графические… Способы описания: вербальные (словами), математические, графические… Современным инструментом для информационного моделирования является компьютер

4 Что же такое модель? Модель – это упрощённое подобие реального объекта, отражающее существенные свойства объекта с точки зрения цели моделирования. Модель – это упрощённое подобие реального объекта, отражающее существенные свойства объекта с точки зрения цели моделирования. Информационная модель описывает объект в форме различных знаков: букв, цифр, формул… Информационная модель описывает объект в форме различных знаков: букв, цифр, формул… Это называют формальным обозначением в определённой знаковой системе или формализацией. Это называют формальным обозначением в определённой знаковой системе или формализацией. Модель – это упрощённое подобие реального объекта, отражающее существенные свойства объекта с точки зрения цели моделирования. Информационная модель описывает объект в форме различных знаков: букв, цифр, формул… Это называют формальным обозначением в определённой знаковой системе или формализацией.

5 Графические информационные модели Карты (описывает конкретную местность, создаётся с определённой целью) Карты (описывает конкретную местность, создаётся с определённой целью) Чертежи, схемы, графики Чертежи, схемы, графики

Читайте также: