A tudomány és az oktatás modern problémái. Szakdolgozat: Oktatási és kreatív feladatok alkalmazása a számítógépes modellezés tanításában a tanulók kreatív képességeinek fejlesztésére I. fejezet

Az információs és kommunikációs technológiák (IKT) történelmileg következetes „inváziója” a fizika-matematika oktatási (iskolai és egyetemi) tantárgyi képzésbe a huszadik század 60-as évétől kezdve aktualizálta a formálódási folyamatokat. a modern didaktika olyan új fogalmai, amelyek befolyásolják a tanulási célok kialakítását, mint például az "algoritmikus kultúra", "számítógépes műveltség", "IKT-kompetencia", "információs kultúra". A fő tendencia ugyanakkor a matematikai (általában információs) modellezéssel kapcsolatos ismeretek szerepének erősítése, mint az IKT megvalósításának alapja az oktatás megújításának tartalmában.

A matematikát egyre inkább és sikeresebben használják olyan specifikus problémák megoldására, amelyek formalizálása során egyéni, nem sablonos megközelítést igényelnek. Egy ilyen problémával szembesülve a matematikus először szavakkal próbálja megfogalmazni, vagyis olyan verbális modellt építeni, amely a jelenség minden lényeges aspektusát tükrözi, és a másodlagosakat figyelmen kívül hagyja. Ezután ezt a verbális modellt formalizálni kell, vagy meg kell építeni a vizsgált objektum matematikai modelljét. A megszerkesztett modellt matematikai eszközökkel tanulmányozzuk.

Az IKT eszközök használata kibővíti a számítógépes matematikai modellezés lehetőségeit, lehetővé teszi információs modellek felépítését a problémamegoldás legoptimálisabb módszerének kiválasztásához. A számítógépes modell szimbolikus modellek osztálya, amelyek különböző természetű objektumok információs folyamatait írják le. A tanítás során a modellezés és a modellezés nemcsak a tárgyak és jelenségek megismerésének eszközeként és módszereként működik, hanem a valóság alapvető lényeges tulajdonságainak és mintáinak elsajátításának módszereként is.

Ezen feltevések alapjánAlkalmazása számítástechnikai modellek matematika tanítási alkalmazásának módszerei relevánsak.

A modellezés a megismerés egyik fő módszere, a valóság tükrözésének egyik formája, és a valós tárgyak, tárgyak és jelenségek bizonyos tulajdonságainak tisztázásából vagy reprodukálásából áll, más tárgyak, folyamatok, jelenségek felhasználásával, vagy absztrakt leírás segítségével. kép, terv, térkép, egyenletkészletek, algoritmusok és programok.

A modellezés lehetőségei, vagyis a modell felépítése és tanulmányozása során kapott eredmények eredetire átvitele azon alapul, hogy a modell bizonyos értelemben megjelenít (reprodukál, modellez, leír, utánoz) bizonyos jellemzőket. a kutatót érdeklő tárgyról.

Modell(a lat. modulus - mérték, minta) - valamilyen anyagi vagy mentálisan ábrázolt tárgy vagy jelenség, amely az eredeti tárgyat vagy jelenséget helyettesíti, és csak néhány fontos tulajdonságát tartja meg, például a megismerés vagy a tervezés folyamatában.

A matematikai modelleket funkcionális, strukturális és információs modellekre osztják.

„A modellezés olyan módszerek összessége, amelyek segítségével modelleket építhetünk fel, és tanulmányozhatjuk a releváns jelenségeket, folyamatokat (beleértve a probléma megoldásának folyamatát), objektumrendszereket (eredetiket), valamint olyan módszereket, amelyek segítségével a modell tanulmányozásának eredményeit felhasználhatjuk annak meghatározására. vagy finomítsák maguknak a vizsgálati tárgyaknak a jellemzőit.”

A funkcionális modelleket egy olyan funkcionális kapcsolat kialakítása jellemzi, amely egyesíti a vizsgált objektum kísérletileg megállapított mutatóit. Az ilyen típusú modellek egy függvény felépítését fejezik ki az argumentum értékeivel.

A strukturális modellek a vizsgált objektum belső szerkezetére és kapcsolataira vonatkozó egyik vagy másik feltételezést (hipotézist) fejeznek ki, amely a megfigyelt tényekben nyilvánul meg. Ezekben a modellekben a megfigyelhető és mérhető változók meghatározott módon (strukturálisan) kapcsolódnak egy objektum nem megfigyelhető és nem mérhető jellemzőihez.

Az információs modellekre jellemző, hogy a funkcionálisan bejövő információ, annak feldolgozása és visszacsatolása összekapcsolódik bennük. Az információs modellek középpontjában a vizsgált jelenség függőségeinek megjelenítése áll bizonyos információs cselekvések segítségével. Az információs modellek lehetővé teszik a vizsgált jelenség tapasztalatának egy bizonyos információ-kifejezési formában történő leírását, azaz az üzenetek kódolásának, átkódolásának, összefüggéseinek és függőségeik ellenőrzését. Mindez lehetővé teszi az üzenetek mennyiségi és tartalmi vonatkozásainak a modellbe való beépítését, a logikai és a leíró közötti kapcsolat kialakítását.

Az iskolákban használt információs modellek általában nem univerzálisak. Mindegyiket úgy tervezték, hogy szimulálja a jelenségek meglehetősen szűk körét. A modern IKT eszközök nemcsak kész objektummodellekkel való munkát tesznek lehetővé, hanem egyedi elemekből is megkonstruálják azokat. Az információs modell soha nem jellemez teljesen egy objektumot. Ugyanahhoz az objektumhoz különböző információs modelleket készíthet.

A számítógépes tanulási technológiák alkalmazása lehetővé teszi a teljes tanítási folyamat módosítását, a tanulóközpontú tanulás modelljének megvalósítását, az órák intenzívebbé tételét, és ami a legfontosabb, a tanulók önképzésének javítását. Természetesen a modern számítógép és interaktív szoftverek és módszertani támogatás megköveteli a tanár és a diák közötti kommunikációs forma megváltoztatását, a tanulást üzleti együttműködéssé alakítva, ami növeli a tanulási motivációt, új modellek keresését vonja maga után. osztályok, záróellenőrzés lebonyolítása (beszámolók, beszámolók, csoportos projektprojektek nyilvános védése). munkák), növeli a tanulás egyéniségét és intenzitását.

A számítógépes modellezés, amely a matematikai modellezés egyik területe lett, a számítástechnika fejlődésével a számítógépek önálló és fontos alkalmazási területévé vált. A számítógépes modelleket a modellezett objektumokkal kapcsolatos problémák megoldására használják

elméletek, hipotézisek kidolgozására és azok igazolására irányul;

gyakorlati kérdések megoldásának elősegítése;

a tanulási folyamat javítása.

A modellel végzett munka során a modellezett objektum feladata megfogalmazható célként, azaz a modell kívánt állapotának elérésének feladataként. A cél kitűzése magában foglalja egy adott objektum eszközének, szerkezetének, alapvető tulajdonságainak és a külvilággal való interakciójának meghatározását - a modell megértését, valamint a modell működésébe való célzott beavatkozást - a modellkezelést. A számítógépes modell kezelése általában egy személy és egy számítógép közötti párbeszéd formájában történik.

Az iskolákban használt számítógépes modellek különböző szempontok szerint osztályozhatók: életkor, tantárgy, komplexitási szint, menedzsment összetettsége, szellemi képességek fejlesztésének feladatai és egyéb jellemzők. Így különösen kiemelhetjük:

számítógépes modellek és konstruktorok fejlesztése;

számítógépes modellek képzése;

Számítógépes modellek oktatási kísérletekhez;

diagnosztikát célzó számítógépes modellek;

készségek és képességek kialakítását célzó számítógépes modellek-szimulátorok.

A számítógép többféle tanulási módban használható, és ami a legfontosabb, a tanult anyag grafikus szemléltetésének módjában, hiszen a számítógép szemléltetési képességei jóval meghaladják bármely papíralapú tankönyv, táblára készült rajz képességeit. A számítógép, mint rajzeszköz, számos előnnyel rendelkezik az iránytűkkel és az egyenes élekkel szemben. Tehát a forradalom testeinek képéhez meg kell alkotni egy kör képét, amely ellipszis. Az iránytűkkel és a vonalzóval azonban hozzávetőleges képet készíthetünk az ellipszisről, amely nem mindig különbözik jó minőségű. Számítógép segítségével nagyszámú, változatos geometriai alakzat-modell készíthető, ami az anyagmodellek esetében műszakilag és anyagilag is nehézkes.

Be kell foglalni információs technológiák a matematikatanítás folyamatában több okból kifolyólag.

Az egyik az, hogy az információs technológia használata az emberi élet minden területén manapság vált szükséges feltétel sikeres működését a modern információs társadalomban, és ezért az iskolai oktatásra is alkalmazni kell.

A második a tárgy tartalmának köszönhető. A matematika órákon a tanulók sokat dolgoznak térbeli geometriai alakzatok grafikus ábrázolásával, amelyek nem mindig tükrözik egyértelműen azok tulajdonságait. Ezért különösen érdekesek azok a grafikus szerkesztők, amelyek lehetővé teszik geometriai objektumok számítógépes modelljének létrehozását és módosítását.

És végül, az információs technológiák lehetőségei a számítógépes kísérlet elvégzésében azzal a céllal, hogy egy számítógépes modell tanulmányozása alapján önállóan szerezzenek új ismereteket egy geometriai objektumról, ezeket a technológiákat a tanulási folyamat egyik tudáseszközévé teszik.

Tekintsük a térbeli geometriai formák számítógépes modelljeinek néhány előnyeit a hagyományos modellekkel (seprők, fából vagy fémből, műanyagból készült modellek), valamint táblára vagy tankönyvpapírra készült rajzokkal és rajzokkal összehasonlítva.

Nagyszámú geometriai alakzatú számítógépes modell gyors létrehozásának lehetősége, ami az anyagmodellek esetében technikailag és anyagilag is nehézkes.

Számítógépes modellre való ismételt hivatkozás annak bemutatása érdekében, ami nehézségeket okoz a hagyományos modelleknél.

Számítógépes modellek azonnali másolása egyéni munka az osztályteremben, ami lehetetlen, ha anyagmodellekkel dolgozik, és nehéz rajzokkal és rajzokkal.

Dinamikus változás lehetősége mennyiségi jellemzők tárgymodell, ami a hagyományos modellek esetében teljesen kizárt.

A diákok érdeklődnek a modellezésen alapuló munka iránt, és szívesen tanulnak önállóan geometriát. Ez nemcsak a tanulási motivációra hat pozitívan, hanem egy új feladat elvégzése iránti bizalmat is ébreszt, ami biztosítja az oktatási és kognitív tevékenység produktivitását.

Az IKT matematika órákon történő alkalmazása lehetővé teszi a tanár számára, hogy a vizualizáció miatt csökkentse az anyag tanulására fordított időt.

Az információs technológia tanórai alkalmazása javítja az ismeretek minőségét, kitágítja az iskolai matematika látókörét. Ezenkívül a számítógép potenciálisan felkészíti a tanulókat a benti életre modern körülmények között, a nagy információáramlás elemzéséhez és a döntéshozatalhoz.

A gyakorlati órák az orvosbiológiai oktatás egyik legfontosabb eleme. Kísérletek in vivoÉs in vitro széles körben használják a hallgatók gyakorlati kísérleti ismeretek elsajátításának elősegítésére, de ugyanilyen fontos feladat az előadásokon, szemináriumokon, tankönyvekből nyert tényanyagok megszilárdítása, megértése. Bár a laboratóriumi állatok ilyen célú felhasználása már hagyománnyá vált, ennek a megközelítésnek megvannak a maga hátrányai. Próbáljunk meg felsorolni néhányat közülük:

Egy kísérlet felállítása meglehetősen bonyolult, és néha jelentős időbefektetést igényel.

Az előző bekezdésből az következik, hogy adott ideig csak korlátozott számú gyógyszer tesztelhető.

A kísérlet erőforrásigényes lehet, és a gazdasági szempontok is érvényesülhetnek a tanulmány megtervezésekor.

Az állatkísérlet mindig összefügg erkölcsi és etikai megszorításokkal, amelyek témáját ebben az esszében is tárgyaljuk.

Az orvosképzésben alkalmazott számítógépes modellezés a következő kategóriákra osztható:

- számítógépes szövegszimulátorok hozzon létre egy szóbeli leírást egy helyzetről, amelyben a felhasználó kiválaszt egyet a több előre meghatározott válasz közül. A kapott válasz alapján a számítógép a következő helyzetet generálja. Mivel csak szöveges információkon alapulnak, az ilyen szimulátorok viszonylag könnyen programozhatók, és kevés számítógépes erőforrást igényelnek. Manapság azonban ezek a kritériumok egyre kevésbé relevánsak, és ma már viszonylag ritkán használnak szövegszimulátorokat.

- számítógépes grafikai szimulátorok a helyzet grafikus ábrázolása a kijelzőn, gyakran a gyógyszer szedésével kapcsolatos farmakokinetikai és farmakodinamikai folyamatok magyarázatára. Általában csak az „egeret” használják interfész eszközként. Bár az ilyen szimulációk hozzájárulnak az anyag megértéséhez és asszimilációjához, általában nem fejlesztenek gyakorlati készségeket a tanulókban. Használatuk fő célja néhány elvont fogalom hozzáférhető és olcsó magyarázata. Az ilyen szimulátorok különösen alkalmasak élettani és farmakológiai folyamatok szimulálására.

Sniffy-The VirtualRat

A laboratóriumi állatok modellezésére példaként említhetjük a jól ismert Sniffy - The Virtual Rat programot, amely lehetővé teszi egy valódi patkány viselkedésének szimulálását, de a valódi állat használatának minden hátránya nélkül. A program lehetővé teszi a hallgatók számára, hogy reprodukálják a tanulás fiziológiájának tanulmányozásával kapcsolatos klasszikus kísérleteket (feltételes reflexek fejlesztése stb.). Lehetőség van saját kísérleti terv megvalósítására, különféle stimuláló tényezők alkalmazására stb. Figyelemre méltó az átgondolt felhasználói felület és a remekül kivitelezett számítógépes grafika, amely nagyon közelről szimulálja egy igazi patkány mozgását.

Laboratóriumi patkány szimuláció akcióban – Sniffy The Virtual Rat

Patkány cvs (szív- és érrendszer)

A Rat CVS program egy kísérletet szimulál a különféle gyógyszerek patkány szív- és érrendszerre gyakorolt ​​hatásairól. A program lehetővé teszi a szisztémás artériás nyomás, a bal kamrában létrejövő nyomás, a vénás nyomás, a szívösszehúzódás erősségének és gyakoriságának változásainak regisztrálását. Egy gerincpatkány szimulációja is lehetséges. Lehetőség van arra, hogy a kísérletvezető a szükséges dózisokban különböző gyógyszereket (digoxin, atenolol, izoprenalin, lozartán stb.) fecskendezzen be, idegrendszert stimuláljon (vagus ideg, stb.). Mindezt a szív- és érrendszer paramétereinek változásainak valós idejű megjelenítése kíséri.

A program tanulók tanítására és kontrollra egyaránt használható – a patkányba „injektálhatunk” ismeretlen szereket, hogy a tanuló meghatározza azokat. A Rat CVS-t John Dempster, a Strathclyde-i Egyetem fejlesztette ki.

Patkány CVS - adrenalin injekció 10 mcg / kg dózisban

Számítógépes modellezés oktatása a számítástechnika iskolai szakon

Kutatómunkánk során feltételezzük, hogy a tanulók kreatív képességeinek fejlesztése szempontjából a leghatékonyabb az információs modellezéshez kapcsolódó anyag. A hipotézis tesztelése előtt tekintsük át a számítógépes modellezés helyét és jelentőségét, a számítógépes modellezés oktatásának céljait és célkitűzéseit, valamint a modellezés tanításában kialakult fogalmakat.

A számítógépes modellezés helye és jelentősége az informatika iskolai tantárgyában

Az informatikai oktatás kötelező minimumtartalmában szerepel a „Modellálás és formalizálás” sor, amely az információs és információs folyamatok sorával együtt az informatika alapszak elméleti alapja.

Nem szabad úgy tekinteni, hogy a modellezés témája pusztán elméleti és minden más témától független. Az alaptanfolyam legtöbb része közvetlenül kapcsolódik a modellezéshez, beleértve a kurzus technológiai vonalához kapcsolódó témákat is. A szöveg- és grafikus szerkesztőket, DBMS-eket, táblázatkezelőket, számítógépes prezentációkat az információs modellekkel való munka eszközének kell tekinteni. Az algoritmizálás és a programozás is közvetlenül kapcsolódik a modellezéshez. Következésképpen a modellezés vonala az alaptanfolyam számos szakaszán átívelő.

Beshenkov S.A. szerint. és további témakörök az "Információ és információs folyamatok" és a "Formalizálás és modellezés" az informatika tanfolyam kiemelt témái. Ezek a témakörök egyetlen egésszé egyesítik az olyan hagyományos tanfolyami témákat, mint az "Algoritmusok és végrehajtók", "Információtechnológia" stb.

Az „Informatika a játékokban és feladatokban” és az „Informatika-plusz” szerzői kurzusok készítői úgy vélik, hogy az informatika iskolai kurzus fő feladata az információ-logikai modellek elemzésére és felépítésére való képesség kialakítása és fejlesztése.

Boyarshinov M.G. célszerűnek tartja az informatika tantárgy keretein belül egy számítógépes modellezés tantárgy bevezetését, melynek célja, hogy a hallgatók megismerjék a fizika, kémia, matematika, közgazdaságtan, ökológia, orvostudomány, szociológia, humanitárius tudományok problémamegoldó módszereit, tervezési és technológiai problémák a modern számítástechnika alkalmazásával.

Kuznetsov A.A., Beshenkov S.A., Rakitina E.A. vegye figyelembe, hogy az informatika tantárgy szisztematikus jelleget adó fő összetevői az „Információs folyamatok”, „Információs modellek”, „A menedzsment információs alapjai”. A probléma megoldása mindig a modellezéssel kezdődik: több modell felépítése vagy kiválasztása: a probléma tartalmának modellje (feltételek formalizálása), egy adott probléma megoldására munkavégzőként kiválasztott objektummodell, egy modell A megoldás (módszere) és a probléma megoldási folyamatának modellje.

Így az információs folyamatok, valamint általában a külvilág bármely jelenségének vizsgálata a modellezés módszertanán alapul. A számítástechnika sajátossága, hogy nemcsak matematikai modelleket, hanem különféle formájú és típusú (szöveg, táblázat, ábra, algoritmus, program) - információs modelleket is alkalmaz. Az információs modell fogalma interdiszciplináris kapcsolatok széles skáláját adja az informatika tantárgyának., melynek kialakítása ennek a tanfolyamnak az egyik fő feladata az alapiskolában. Maga az információs modell felépítése - az információs modellezés egy általánosított tevékenység, amely pontosan az informatikát jellemzi.

Az egyik hatékony módszerek a környező valóság ismerete egy modellezési módszer, amely egy hatékony elemző eszköz, amely magába szívta a legújabb információs technológiák teljes arzenálját.

Az "információs modellezés" fogalmának általánosító jellege abból adódik, hogy az információval való munka során mindig vagy kész információs modellekkel foglalkozunk (megfigyelőként járunk el), vagy információs modelleket fejlesztünk.

Az információs modellezés nem csak a számítástechnika tanulmányi tárgya, hanem a kognitív, oktatási és gyakorlati tevékenységek legfontosabb módja is. Tudományos kutatási módszernek, önálló tevékenységnek is tekinthető.

Zubko I.I. Az információs modellezés meghatározása szerint "a környező valóság tárgyainak (valós és ideális) megismerésének új általános tudományos módszere, amely a számítógép használatára összpontosít." A modellezést egyrészt megismerési módnak, másrészt olyan tartalomnak tekintik, amelyet a tanulóknak el kell sajátítaniuk. A szerző úgy véli, hogy az információs modellezés leghatékonyabb oktatása a hallgatók számára akkor lehetséges, ha a projektmódszert a gyakorlatban is megvalósítják, sokrétűen integrálva a kutatást, az önálló és kreatív munkát.

Galygina I.V. úgy véli, hogy az információs modellezéssel kapcsolatos képzést a következő megközelítések alapján kell végrehajtani:

modell, amely szerint a modellezést a tudás eszközének, a tanulmányozás tárgyának és a tanulás eszközének tekintik;

objektum, amely magában foglalja a különböző típusú objektumok kiválasztását és elemzését: a vizsgálat tárgyát, az információs modellt, mint új objektumot, a modell felépítéséhez használt modellező nyelv objektumait.

Az információs modellezést a pedagógiában három szempontból tekinthetjük:

a megismerés eszköze, hiszen egy valós objektumról, a megfelelő információs modellről, a modell leírására használt modellező nyelv objektumairól új ismeretek megszerzése a modell felépítése és kutatása során történik;

tanulási eszköz, mivel a tanulási folyamat a legtöbb esetben a vizsgált objektum működési információs modelljéhez kapcsolódik, például szóbeli leíráshoz, grafikus képhez,

szabályszerűségek formulás ábrázolása stb.;

a vizsgálat tárgya, mivel az információs modell önálló információs objektumnak tekinthető, benne rejlő jellemzőivel, tulajdonságaival és jellemzőivel.

E szempontok között a fő különbség a tanuló szempontjából az, hogy az első esetben a kognitív tevékenység folyamatában a tanuló saját tapasztalatai, ismeretei, asszociációi alapján maga építi fel a vizsgált tárgy modelljét. A második esetben a hallgató a vizsgált tárgy modelljét kapja meg, amelyet a tanár, a tankönyv szerzője vagy a tudományos elmélet megalkotója dolgozott ki. Ez utóbbi esetben a modellek halmaza a vizsgált objektum.

Az „Információmodellezés” modul informatikai alapszakának „Modellezés és formalizálás” tartalomsorába való felvétele szilárd alapot teremt:

információs modellek tudatos használata ben tanulási tevékenységek;

a hallgatók megismertetése a tudományos kutatás módszertanával;

az információs modellezés későbbi mélyreható tanulmányozása a számítástechnika szakos kurzusaiban.

Titova Yu.F. úgy véli, hogy a legfontosabb oktatási funkció a tanulók kreatív potenciáljának fejlesztése. Az alkotótevékenység élménye a különböző irányú problematikus problémák megoldásán, és különösen a kutatási tevékenységen keresztül formálódik. Az egyik legfontosabb kutatási eszköz a modellezés. A szerző az informatikai alapszakon a modellezés oktatásának módszertanát dolgozta ki, amely a modellek fejlesztésének és kutatásának formalizált megközelítésén alapuló elméleti anyagot, valamint a különböző oktatási területekről származó ismeretek integrálását biztosító kutatási feladatsort ötvözi. A szerző úgy véli, hogy ennek a technikának a használata biztosítja a tanulókban az intellektuális készségek széles körének fejlesztését, például az absztrakciót és a konkretizálást, az általánosítást, az osztályozást, az elemzést és a cselekvéseik eredményeinek megértését.

Szimuláció alkalmazása a számítástechnikai oktatásban

R. P. Romansky

Műszaki Egyetem, Szófia, Bulgária

Bevezetés

A számítástechnika fejlesztéséhez és a számítástechnikai rendszerek (CS) architekturális szervezettségének javításához a számítástechnikai szakemberek és hallgatók folyamatos képzése, önfejlesztése szükséges. Ennek a képzésnek ötvöznie kell a hagyományos tanulási formákat az önálló tanulás, a távoktatás, a gyakorlati projektfejlesztés és a kutatási kísérletek lehetőségeivel. Az informatika oktatásában alapvető szerepet játszik a CS építészeti szervezetének tanulmányozása és rendszerteljesítményének elemzése korszerű módszereinek alkalmazása. Ebben az értelemben a modellezési módszerek alkalmazása a különféle CS-k alapstruktúráinak tanulmányozása és a számítógépes folyamatok megszervezése során lehetővé teszi a vizsgált objektum megfelelő matematikai leírásának kidolgozását és a számítógépes kísérletek végrehajtásához szükséges szoftverek létrehozását [Romansky, 2001, Arons, 2000]. A modellezés kísérleti eredményeinek elemzése [Bruyul, 2002] lehetővé teszi a rendszer főbb jellemzőinek és a vizsgált CS-ek teljesítményének értékelését.

A modellezés alkalmazása a CS tanulmányozása során lehetővé teszi az architektúra jellemzőinek, valamint a számítási és vezérlési rendszernek a feltárását. Ez egy modellkísérlet alapján valósítható meg, melynek megszervezése egy számítógépes modell három komponensből álló sorozatként (koncepcionális modell, matematikai modell, szoftvermodell) megtervezéséből és ennek megfelelő működési környezetben történő megvalósításából áll. Ebben a cikkben megvizsgáljuk a különböző módszerek alkalmazásának lehetőségét a CS-k tanulmányozása során, különös tekintettel a modellezési elvek alkalmazására a folyamatban lévő folyamatok tanulmányozására, valamint a CS-k rendszerteljesítményének elemzésére. A fő cél egy általánosított számítógépes modellezési eljárás egymáshoz kapcsolódó lépések sorozataként történő meghatározása, valamint a modellezési kutatási módszertan főbb szakaszainak bemutatása. Ennek érdekében a következő rész az információ számítógépes feldolgozásának általános formalizálását és a számítógépes számítástechnika, mint vizsgálati tárgy jellemzőit mutatja be. A modellezési elvek alkalmazása a CS tanulmányozási folyamatában a tanulás hagyományos, távoli vagy elosztott értelemben vett módszertani szervezésével függ össze.

A számítógépes rendszerek, mint a vizsgálat tárgya és a kutatási módszerek

A számítástechnikai rendszer- és teljesítménykutatás területére szakosodott képzések egyik fő célja, hogy a leendő és jelenlegi számítástechnikai tervezőket, számítástechnikai berendezések fejlesztőit és a CS használóit képezzék a modellezési és jellemzők mérési technológiai képességeinek helyes használatára. rendszerek. Ezeket a lehetőségeket mind az új számítógépes projektek hatékonyságának értékelése során, mind pedig a lebonyolítás során használják fel összehasonlító elemzés meglévő rendszerek. A tanulási folyamatban a feladat a kutatási szakaszok sorrendjének és a kísérleti eredmények feldolgozásának lehetőségének tisztázása a teljesítményindexek megfelelő becslése érdekében. Ez a feladat a számítógépes tanulás konkrét területétől és a számításba vett számítógépes információfeldolgozás elveinek jellemzőitől függően finomítható.

Rizs. 1. A számítógépes feldolgozás információs támogatása.

Általánosságban elmondható, hogy a számítógépes feldolgozás bizonyos funkciók végrehajtásával foglalkozik, amelyek a bemeneti adatokat végső megoldásokká alakítják. Ez az információ funkcionális átalakításának két szintjét határozza meg (1. ábra):

információ matematikai átalakítása - valós adatfeldolgozás matematikai objektumok formájában, és egy általánosított f:D®R függvény reprezentálja, amely a D adatkészlet elemeit ábrázolja az R eredményhalmaz elemeiben;

a feldolgozás számítógépes megvalósítása - az f matematikai függvény f*:X®Y konkrét megvalósítását jelenti a számítógéptől és a szoftverberendezéstől függően, valós információs objektumok megfelelő fizikai ábrázolása alapján.

Ennek eredményeként megírhatjuk az r = f(d)ºj 2 (f*[ 1(d)] számítógépes feldolgozás általánosított funkcionális modelljét, ahol a j 1 és j 2 függvények az információk kódolásának és dekódolásának segédeszközei.

A CS-t vizsgálati tárgynak tekintve szem előtt kell tartani, hogy a számítógépes feldolgozás folyamatokból áll, amelyek mindegyike I = struktúraként ábrázolható, ahol: t a folyamat kezdeti momentuma; A - attribútumok meghatározása; T - folyamat nyom. A formális leírás utolsó komponense határozza meg az e j események időbeli sorrendjét, hogy az adott folyamatot az S=(S 1 , S 2 , …, S n ) rendszererőforrás elemeihez címezze. Az időlépések sorrendje és a rendszer erőforrás terhelése lehetővé teszi a számítási folyamat profiljának meghatározását (2. ábra).

Rizs. 2. A számítógépes folyamat hozzávetőleges profilja.

A számítógépes feldolgozás szervezésében a különböző folyamatok támogatása képezi a számítógépes környezet rendszerterhelését. Minden pillanatra (t =1,2,...) ábrázolható egy V(t)=Vt= vektorral, melynek elemei szabad (vj =0) vagy foglalt (vj =1) eszközt fejeznek ki S j єS ( j=1,2,...,n).

A CS tanulmányozása során meg kell határozni egy olyan alapvető rendszerparaméter-készletet, amely tükrözi a számítógépes feldolgozás lényegét, valamint módszertant kell kidolgozni egy rendszererőforrás viselkedésének és a folyamatban lévő folyamatoknak a tanulmányozására. Fő rendszerparaméterekként (teljesítményindexekként) tanulmányozható például a rendszererőforrás egyes elemeinek leterheltsége, a CS teljes rendszerterhelése, a válaszidő többprogramos módban feladatsor megoldásánál, a a berendezések stabilitásának (perzisztenciájának) mértéke, a számítógépes feldolgozás költsége, a párhuzamos vagy pszeudopárhuzamos folyamatok ütemezésének hatékonysága stb.

A CS teljesítményelemzés és -kutatás területére vonatkozó tipikus tanulmányi kurzusnak meg kell vitatnia a fő elméleti és gyakorlati kérdéseket a következő területeken:

a számítástechnikai berendezések teljesítményének és a számítógépes folyamatok hatékonyságának tanulmányozásának lehetősége;

hatékony kutatási módszerek alkalmazása (mérés, modellezés);

technológiai jellemzők rendszerparaméterek mérése (benchmark, monitoring);

a modellezés technológiai jellemzői és szervezése (analitikai, szimulációs stb.);

a kísérleti eredmények elemzésének módszerei.

Mindez e kutatási módszer alkalmazásával és a megfelelő eszközök kiválasztásával függ össze. Ebben az értelemben az ábrán. A 3. ábra a CS és a folyamatok tanulmányozására szolgáló módszerek hozzávetőleges osztályozását mutatja be. Három fő csoportot lehet megkülönböztetni:

Szoftverkeverékek – matematikai függőséget jelentenek a processzor teljesítményének értékeléséhez az egyes működési osztályok alkalmazási együtthatói alapján. Lehetővé teszi a processzor terhelésének statisztikai elemzéssel történő értékelését a tipikus programok végrehajtása után.

Számlálási módszerek - lehetővé teszik, hogy megbízható információkat szerezzen a számítógépes folyamatok lefolyásáról a COP elérhető paramétereinek bizonyos értékeinek közvetlen regisztrálása alapján. Ehhez megfelelő számláló eszköz (monitor) használata, illetve fejlesztése, a számlálási kísérlet végrehajtásának megszervezése szükséges. Meg kell jegyezni, hogy a modern operációs rendszerek saját rendszerfigyelőkkel rendelkeznek, amelyek szoftver vagy firmware szinten használhatók.

Modellezési módszerek - akkor használatosak, ha a kísérletnek nincs valódi tárgya. A CS szerkezetének vagy folyamatainak tanulmányozása számítógépes modell alapján történik. A szerkezeti és rendszerparaméterek viselkedésének legfontosabb szempontjait tükrözi a céltól függően. A modell kidolgozásához ki kell választani a legmegfelelőbb modellezési módszert, amely lehetővé teszi a maximális megfelelőség és megbízhatóság elérését.

Rizs. 3. A CS és a folyamatok kutatási módszereinek osztályozása.

A hagyományos tanulási folyamat magában foglalja a fő előadások lebonyolítását, egy sor tantermi gyakorlattal és/vagy laboratóriumi gyakorlattal egybekötve. A számítástechnika területén a CS felépítésének és a számítógépes folyamatok (alacsony és magas szintű) menedzselésének elveinek tanulmányozásakor, valamint a rendszerteljesítmény elemzésekor gyakran szükségessé válik a számítógépes modellek fejlesztése a laboratóriumi feladatok elvégzése során. az osztályteremben vagy projektek önálló megvalósítása során. Ezen gyakorlati munkák sikeres megvalósításához és a szükséges gyakorlati ismeretek megszerzéséhez szükséges a szakaszok sorrendjének meghatározása és a modellfejlesztés technológiai sajátosságainak bemutatása. Ez lehetővé teszi a hallgatók számára, hogy megszerezzék a szükséges ismereteket a megfelelő és megbízható számítógépes modellek kidolgozásáról a különböző számítógépes architektúrák rendszerteljesítményének tanulmányozásához, értékeléséhez és összehasonlító elemzéséhez. Ennek eredményeként a továbbiakban egy általánosított eljárást javasolunk a modellezés végrehajtására, valamint egy módszertani sémát a CS és a folyamatok tanulmányozásának modellezésére.

A számítógépes szimuláció eljárása a CS és a folyamatok tanulmányozásában

A számítógépes szimuláció fő feladata a CS és a folyamatok tanulmányozása során a teljesítménymutatókról való információszerzés. A modellkísérlet tervezése a tanulási folyamatban a következő lépések alapján történik:

tapasztalati adatok gyűjtése az alapvető rendszerparaméterek specifikus értékeire vonatkozóan;

empirikus információk strukturálása és feldolgozása, valamint a modell funkcionális diagramjának kidolgozása;

a priori információk és a működési paraméterek definíciós területeinek meghatározása az eredeti objektum megfelelő matematikai modelljének kidolgozásához;

modellkísérletek megvalósítása, modellinformáció felhalmozása és utólagos elemzése.

ábra mutatja a modellkutatás általánosított formalizált eljárását a modellkísérlet megszervezésére. 4.

Rizs. 4. Modellvizsgálati eljárás.

A kezdeti célt egy valós objektum (rendszer vagy folyamat) tanulmányozásának szükségessége határozza meg. Az eljárás fő lépései a következők:

A modell felépítésének alapkoncepciójának meghatározása egy objektum alrendszerekre bontásával és a rendszerfolyamatok viselkedésének egyes aspektusaiban elfogadható fokú idealizálás bevezetésével.

A vizsgált objektum szerkezetének és összefüggéseinek matematikai formalizálása megfelelő formális rendszer alapján.

Valós rendszer működésének matematikai leírása és megfelelő funkcionális modell kialakítása a modellezés céljától függően.

A matematikai modell megvalósítása a legmegfelelőbb modellezési módszerrel.

Az elkészített matematikai modell leírása megfelelő szoftverkörnyezet (specializált vagy univerzális) segítségével.

A megalkotott modell alapján kísérletek végzése, majd a modellinformációk utólagos feldolgozása és értelmezése a vizsgált tárgy paramétereinek értékelésére.

A számítógépes szimuláció főbb módszerei a következők:

Analitikai módszerek – matematikai eszközökkel írjuk le a valós rendszer összetevőit és a folyamatban lévő folyamatokat. A választott matematikai megközelítés alapján a matematikai modellt általában egyenletrendszerként építik fel, amely könnyen programozható, de a megvalósításhoz nagy pontosságú megfogalmazások és elfogadott munkahipotézisek, valamint jelentős verifikáció szükséges.

Szimulációs (utánzási) módszerek - egy valós objektum viselkedését egy szoftverszimulátor imitálja, amely munkája során valós terhelést (emuláció) vagy szoftveres terhelési modellt (szimuláció) használ. Az ilyen modellek lehetővé teszik bonyolult rendszerek tanulmányozását és megbízható eredmények elérését, de időben végrehajtják őket, és ez határozza meg a módszer fő hátrányát - a számítógépes idő jelentős felhasználását.

Az empirikus módszerek egy valós objektum működésével kapcsolatos információk regisztrálására, felhalmozására és elemzésére szolgáló kvantitatív módszerek, amelyek alapján statisztikai modellt lehet építeni a vizsgálatához. Jellemzően lineáris vagy nemlineáris egyenleteket használnak a kiválasztott paraméterek kapcsolatának ábrázolására (például az elsődleges tényezők halmazából) és a statisztikai jellemzők kiszámítására.

A számítógépes szimuláció fő feladata egy adekvát modell megalkotása, melynek segítségével pontosan ábrázolható a vizsgált rendszer felépítése és a folyamatban lévő folyamatok. A számítógépes modell fejlesztése három egymást követő szintet foglal magában: egy koncepcionális modellt (a modell strukturálásának ideológiai koncepciója), a matematikai modellt (a fogalmi modell képe egy matematikai formális rendszer segítségével) és egy programmodellt (szoftver-megvalósítás). megfelelő nyelvi környezettel rendelkező matematikai modell). A számítógépes szimuláció minden szintjén ellenőrizni kell a modell megfelelőségét a végső modell megbízhatósága és a modellkísérletek eredményeinek pontossága érdekében. A modellezési eljárás egyes szakaszainak sajátossága határozza meg a megfelelőség értékelésének alkalmazott megközelítéseit és eszközeit. Ezek a tulajdonságok helyet kaptak a számítógépes modellezés kidolgozott módszertanában, amelyet az alábbiakban mutatunk be.

Modellkutatási módszertan

A számítógépes modellezés során az alkalmazott módszertől függetlenül lehetőség nyílik a modelltanulmány általánosított matodológiai sémájának meghatározására (5. ábra). A javasolt formalizált módszertani sorrend több fő fázist tartalmaz, amelyeket alább mutatunk be. Alapvetően egy iteratív eljárást jelent a kidolgozott számítógépes modell szükséges megbízhatóságának eléréséhez a kiinduló modellhipotézis megfogalmazása és annak szekvenciális módosítása alapján. Ez a megközelítés sikeres komplex rendszerek tanulmányozásában, valamint a vizsgált objektumra vonatkozó elegendő előzetes információ hiányában.

"Képesítés" szakasz

A modellfejlesztés első szakaszában pontosan és egyértelműen meg kell határozni a modellezés tárgyát, a vizsgálat feltételeit és hipotéziseit, valamint a modell hatékonyságának értékelési kritériumait. Ez lehetővé teszi egy fogalmi modell kidolgozását és annak elvont fogalmakkal és fogalmakkal történő meghatározását. Általában az absztrakt leírás határozza meg a modell felépítésének kezdeti alapelveit (alap közelítések, változók definíciós tartományai, teljesítménykritériumok és a várható eredmények típusai). Ebben a szakaszban a következő részszakaszokat lehet meghatározni:

A feladat meghatározása, elemzése. Tartalmazza a kutatási feladat világosan meghatározott lényegét és a szükséges tevékenységek tervezését. A probléma elemzése alapján meghatározásra kerül a várható cselekvések volumene és a feladatbontás szükségessége.

A kezdeti információ típusának megadása. Ez az információ lehetővé teszi a szimuláció helyes kimeneti eredményeinek megszerzését, ezért a becslések megbízhatóságának szükséges szintjét biztosítani kell.

Feltevések és hipotézisek bemutatása. Erre akkor van szükség, ha nincs elegendő információ a modell megvalósításához. A feltételezések pótolják a hiányzó vagy teljesen hiányzó adatokat. A hipotézisek a lehetséges kimenetelek típusára vagy a vizsgált folyamatok megvalósítási környezetére vonatkoznak. A modellezési folyamat során ezek a hipotézisek és feltevések elfogadhatók, elvethetők vagy módosíthatók.

A modell fő tartalmának meghatározása. Az alkalmazott modellezési módszer alapján közöljük a valós objektum jellemzőit, a feladatot és megoldásának eszközeit. Ennek a részszakasznak az eredményei közé tartozik a modell alapkoncepciójának megfogalmazása, a valós folyamatok formalizált leírása, valamint a megfelelő közelítés kiválasztása.

Modellparaméterek meghatározása és hatékonysági kritériumok kiválasztása. Ebben az alszakaszban meghatározásra kerülnek a modell elsődleges és másodlagos tényezői, bemeneti műveletei és várható kimeneti válaszai, ami különösen fontos a matematikai leírás kívánt pontosságának eléréséhez. A hatékonysági kritériumok finomítása a funkcionális függőségek meghatározásához kapcsolódik a rendszer válaszának értékeléséhez a modell paramétereinek megváltoztatásakor.

A modell absztrakt leírása. A konceptuális modell általános megfogalmazási szakasza az absztrakt modell felépítését az absztrakt kifejezések megfelelő környezetében – például a formában – fejezi be. blokk diagramm, folyamatábraként (Data Flow Diagram), grafikus diagramként (State Transition Network) stb. Ez az absztrakt ábrázolás megkönnyíti a matematikai modell felépítését.

Rizs. 5. A modelltanulmány módszertani vázlata.

Színpad "Design"

A számítógépes modell tervezése egy matematikai modell kidolgozásához és szoftveres leírásához kapcsolódik.

A matematikai modell a vizsgált objektum szerkezetének és a folyamatban lévő folyamatoknak megfelelő Y=Ф(X, S, A, T) matematikai formában való ábrázolása, ahol: X a külső hatások halmaza; S - rendszerparaméterek halmaza; A - funkcionális viselkedést tükröz (működő algoritmusok); T - futási idő. Így az Y objektum viselkedése (reakciója) Ф funkcionális hatások halmazát modellezi, amelyek analitikus (determinisztikus vagy valószínűségi) függőségeket képviselnek. Ebben az értelemben a matematikai modell egy absztrakt modell leírása egy választott matematikai rendszer segítségével, amely értékeli az elfogadott hipotéziseket és közelítéseket, kiindulási feltételeket és meghatározott kutatási paramétereket. A matematikai modell kidolgozásakor lehetőség nyílik ismert matematikai képletek, függőségek vagy matematikai törvényszerűségek (például valószínűségi eloszlások) alkalmazására, valamint ezek kombinálására, kiegészítésére. A legelterjedtebb modellezési célú elméleti matematikai rendszerek lehetőséget adnak egy matematikai modell grafikus formában történő bemutatására - Petri-hálók, Markov-láncok, sorozórendszerek stb. Az előző szakaszban meghatározott kritériumok alapján az elkészített matematikai modellt értékelni kell a megbízhatóság és megfelelőség szükséges fokának elérése érdekében, majd ezt jóváhagyhatja vagy elutasíthatja.

A szoftvermodell egy matematikai leírás megvalósítása programnyelven - ehhez megfelelő technikai és technológiai eszközöket kell kiválasztani. A szoftveres implementáció során matematikai modell alapján kidolgozzák a modell logikai szerkezeti-funkcionális sémáját. Ennek az áramkörnek a felépítéséhez használhat hagyományos blokkdiagramokat vagy grafikus eszközöket, amelyeket egy speciális szimulációs környezet reprezentál – például a GPSS-ben (General Purpose Simulation System). A modell szoftveres megvalósítása a szoftverfejlesztés feladata, és ebben az értelemben a programozástechnikai alapelvek hatálya alá tartozik.

"Tisztázás" szakasz

Ennek a szakasznak a műveletei a tervezett modell teljes érvényesítését és megfelelőségének jóváhagyását szolgálják. Hatékonyságukhoz elengedhetetlen a jelenlegi megfelelőség értékelése az előző szakaszokban. Ebben az értelemben a modellfinomítás folyamatát a számítógépes szimuláció minden korábbi szakaszában elosztott műveletek halmazának kell tekinteni. Általánosságban elmondható, hogy a finomítási szakasz egy iteratív eljárásként ábrázolható (6. ábra), amely lehetővé teszi a fejlesztés alatt álló modell kezdeti verziójának következetes módosítását.

Rizs. 6. Iteratív eljárás a modell finomításához.

A modell érvényességének ellenőrzésének fő célja a valós objektum folyamatainak ábrázolásakor a megfelelés pontosságának meghatározása és a modelleredmények regisztrálásának mechanizmusa. Általánosságban elmondható, hogy a számítógépes modell egyedi komponensek gyűjteményét jelenti, és ebben az értelemben különösen fontos a megfelelőségi tesztek megfelelő megtervezése.

"Kivégzés" szakasz

Ez az elkészített modell megvalósításának szakasza (megoldás numerikus módszerrel vagy végrehajtás időben). A fő cél a maximális információ megszerzése a minimális gépidő alatt. Két alszakasz van:

Modellkísérlet tervezése - a szabályozott tényezők értékének meghatározása és a megfigyelt tényezők regisztrálásának szabályai a modell végrehajtása során. A konkrét kísérleti terv kiválasztása a vizsgálat céljától függ, miközben optimalizálja a végrehajtási időt. A hatékony terv elkészítéséhez általában statisztikai módszereket alkalmaznak (teljes terv, egytényezős terv, véletlenszerű terv stb.), amelyek lehetővé teszik a megfigyelt tényezők együttes hatásának eltávolítását és a megengedhető kísérleti hiba becslését.

A kísérlet megvalósítása - bemeneti adatok elkészítése, a kísérleti terv számítógépes megvalósítása és a kísérleti eredmények tárolása. A kísérlet megvalósítása a következőképpen hajtható végre: kontroll szimuláció (a modell teljesítményének és érzékenységének tesztelésére, valamint a modellidő becslésére); munkaszimuláció (a kidolgozott kísérleti terv tényleges megvalósítása).

szakasz "A modelleredmények elemzése és értelmezése"

A modellkísérlet tervének végrehajtásakor információ (szimulációs eredmények) halmozódik fel, amelyeket elemezni kell, hogy értékelést és következtetéseket lehessen levonni a vizsgált objektum viselkedéséről. Ez két szempontot határoz meg - a kísérleti információk elemzésére szolgáló módszerek megválasztását és a kapott becslések értelmezésére alkalmas módszerek alkalmazását. Ez utóbbi különösen fontos a vizsgálat helyes következtetéseinek kialakításához. Az első szempont értelmében általában statisztikai módszereket alkalmaznak - leíró elemzéseket (paraméterek határértékeinek kiszámítása, matematikai várakozás, variancia és standard hiba; rétegződés meghatározása egy kiválasztott tényezőhöz; hisztogram kiszámítása stb.) ; korrelációelemzés (faktorális kapcsolat szintjének meghatározása); regressziós elemzés (ok-okozati összefüggés vizsgálata egy tényezőcsoportban); varianciaanalízis (egyes tényezők relatív hatásának megállapítása kísérleti eredmények alapján).

A modelladatok elemzésének eredményeit numerikus vagy táblázatos formában, grafikus függőségek, diagramok, hisztogramok stb. segítségével lehet bemutatni. A megfelelő grafikus eszközök kiválasztásához elengedhetetlen az alkalmazott elemzési módszer, valamint a kísérletező szubjektív készsége. bemutatni a kísérlet eredményeit.

Következtetés

Az egyes szimulációs kísérletek megszervezésének fő célja a hatékony szimuláció megvalósítása. A gépi időhöz kapcsolódik - a modellben végzett jelentős mennyiségű feldolgozás növeli a modellezés költségeit és csökkenti a hatékonyságot. A modell gyors validálása és a konvergencia elérése elengedhetetlen a vizsgálat eredményessége szempontjából. Minden egyes valós rendszerhez gyakran sok különböző modellt kell létrehozni, amelyek különböznek egymástól a dekompozíciós módszerben és a részletezettségben, a modellezési módszerben, a szoftver implementációs eszközökben stb. A legjobb megoldás kiválasztása során csak a pontosság és a megfelelőség értékelése nem elegendő. A konvergens modellek halmazából ki kell választani a leghatékonyabb lehetőséget, amely a minimális időt fordítja a megvalósításra.

A szoftvermegvalósítás alkalmazott nyelve, valamint a fogalmi modell absztrakt reprezentációjának formális rendszerének teljessége, a leírási feltételek egyszerűsége, az optimális terv kidolgozása stb. elengedhetetlenek a megfelelő hatékonyság eléréséhez. analitikus modellezéshez. A szimulációs modellek megvalósításához jó gyakorlat speciális nyelvi környezetek használata.

Bibliográfia

[Bruyul 2002] Bruyul A. SPSS: az információfeldolgozás művészete. Statisztikai adatok elemzése. Szentpétervár: DiaSoft, 2002, - 608 p.

[Romansky, 2001] Romansky R. Matematikai modellezés és a számítógépes adatfeldolgozás sztochasztikus időkarakterisztikájának tanulmányozása // Információs technológiák. - Moszkva, Oroszország, 2001, 2. sz., - S. 51-55.

Arons H., van Asperen E. Számítógépes segítség a modell meghatározásához // Proceedings of the 32nd Winter Simulation Conference. - Florida, USA, 2000. december. - P. 399-408.

Benveniste A., Fabre E., Haar St. Markov-hálók: valószínűségi modellek elosztott és párhuzamos rendszerekhez // IEEE Transactions on Automatic Control. 2003. november, 1. évf. 48, 11. sz. - P. 1936-1950.

Butler J.E., Brockman J.B. Web-alapú tanulási eszköz, amely egyszerű számítógépes architektúrát szimulál // ACM SIGCSE Bulletin. 2001. június, 20. évf. 33. sz. 2. - P. 47-50.

Crosbie R. E. Modell tananyag a modellezésben és szimulációban: szükségünk van rá? Meg tudjuk csinálni? // A 32. téli szimulációs konferencia anyaga. 2000. december.-P. 1666-1668.

Fabre E., Pigourier V. Elosztott rendszerek megfigyelése elosztott algoritmusokkal // Proceedings of the 41st IEEE Conference on Decision and Control. - vol. 1. 2002. december 10-13. - 411-416. o.

Ibbett R.N. WWW Számítógépes architektúra-szimulációk megjelenítése // Procedings of the 7th Annual Conf. Innováció és technológia a számítástechnikai oktatásban. 2002. június - 247. o.

Lilja D.J. A számítógépes rendszerek teljesítményelemzésének oktatásának oktatási módszereinek összehasonlítása // IEEE Trans. az oktatásról. 2001. február, 20. évf. 44, 1. sz., - P. 35-40.

Music G., Zupancic B., Matko D. Petri net alapú modellezés és felügyeleti vezérlés tervezése a Matlabban // Proceedings of the IEEE Conference EUROCON 2003 "Computers as a Tool". - vol. 1. Szeptember 22-24. 2003. - Szlovénia. - P. 362-366.

Pandey S., Ramamritham K., Chakrabarti S. A dinamikus web figyelése a folyamatos lekérdezések megválaszolásához // Proceedings of the 12th International Conference on World Wide Web. - Magyarország, 2003. május, - P. 659-668.

Pockec P., Mardini W. Modeling with queues: an empirikus tanulmány // Proceedings of the Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. - vol. 1. 2001. május 13-16. - P. 685-689.

Romansky R. et all. Információs hálózat információs hálózatának szervezete elosztott e-Learninghez // A 3. Számítógépes Rendszerek és Technológiák Nemzetközi Konferencia (e-Learning) előadásai. 2002. június 20-21. Szófia, Bulgária. - P. IV.4-1 - IV.4-6.

Sargent R.G. Szimulációs modellek ellenőrzése és validálása // A 2003. évi téli szimulációs konferencia előadásai. - vol. 1. 2003. december 7-10. - P. 27-48.

Stahl, I. GPSS: 40 years of development // Proceedings of the 33. Winter Simulation Conference. 2001. december - P. 577-585.

Ye D, Xiaofer Xu, Yuliu Chen. Integrált modellezési módszertan virtuális vállalkozások számára // Proceedings of the 10th Conference on Computers, Communications, Control and Power Engineering. - vol. 2002. október 3. - P. 1603-1606.

1

A cikk az oktatáskutatás számítógépes szimulációs módszerekkel történő megszervezésével foglalkozik. Az oktatáskutatás általános jellemzőit az oktatás informatizálására általánosságban adekvát oktatási módszerként elemezzük. Ismertetjük a számítógépes modellezés mint tudományos kutatási módszer jellemzőit. Az oktatáskutatás általánosított struktúráját számítógépes modellezési módszerekkel építjük fel, az oktatáskutatás szakaszai és a modellépítés általános sémája alapján. Meghatározzák a cél kitűzésének, a hipotézis megfogalmazásának, a feladatrendszer kialakításának és a kísérlet lefolytatásának jellemzőit. A számítógépes modellezési módszerekkel végzett oktatáskutatás általános logikája a vizsgálat tárgyával kapcsolatos elméleti elképzelések kialakításának és a lényeges tulajdonságok meghatározásának szakaszaiban, a modell formális leírásához szükséges paraméterek listájának meghatározásában, a számítógépes modellező eszköz kiválasztásában, modell felépítése és kísérlet elvégzése. A cikk végén példákat mutatunk be a számítógépes szimulációs módszerekkel megvalósított oktatáskutatás felállítására.

oktatási projekt

tanulmány tanulmány

számítógépes modellezés

1. Koroljev A.L. Számítógépes modellezés. M.: BINOM. Tudáslaboratórium, 2010. - 230 p.

2. Korotkov A.M. A hallgatók számítógépes környezetben való tanulásra való felkészítésének elméleti és módszertani rendszere: szakdolgozat…. Dr. ped. Tudományok. - Volgograd, 2004. - 341 p.

3. Leontovich A.V. A hallgatók kutatási és projekttevékenységének fejlesztése koncepciójának alapfogalmairól // Iskolások kutatómunkája. - 2003. - 4. sz. - S. 18–24.

4. Letsko V.A. Didaktikai feltételek a számítógép használatához a leendő tanárok keresési problémák megoldására való tanítására: disz... cand. ped. Tudományok. - Volgograd, 1995. - 158 p.

5. Új pedagógiai és információs technológiák az oktatási rendszerben: Proc. juttatás diákoknak. ped. egyetemek és felsőoktatási rendszerek. képzett ped. személyzet / E.S. Polat, M. Yu. Bukharkina, M.V. Moiseeva, A.E. Petrov / Szerk. E.S. Polat. - M.: "Akadémia" Kiadói Központ, 1999. - 224 p.

6. Petrov A.V. Módszertani és módszertani alapjai személyiségfejlesztő számítógépes oktatás: Monográfia. Volgograd: Változás, 2001. 266 p.

7. Samarskii A.A., Mikhailov A.P. Matematikai modellezés: Ötletek. Mód. Példák. - Szerk. 2., rev. - M.: Fizmatlit, 2001. - 320 p.

8. Szergejev A.N. A számítógépes technológiák, mint a személyes fejlődés eszköze a tanulási folyamatban: új lehetőségek // A Volgográdi Állami Pedagógiai Egyetem közleménye. "Pedagógiai tudományok" sorozat: tudományos folyóirat. - 2005. - 1. szám (10). - S. 80–85.

9. Sovetov B.Ya., Yakovlev S.A. Rendszermodellezés: Proc. egyetemek számára - Szerk. 3., átdolgozva. és további - M.: Feljebb. iskola, 2001. - 343 p.

Az információs technológiákat széles körben használják az oktatási folyamatokban. 1985-ben bekerült az iskolai és egyetemi képzés struktúrájába egy számítástechnika szak, amelyen belül nagy figyelmet fordítottak az algoritmikus gondolkodás és a számítógépes programozás kialakítására. Ezzel párhuzamosan oktatási célú szoftverek fejlesztése is megtörtént akadémiai diszciplínák. A számítógépes és képzési programokat olyan új tanulási eszköznek tekintették, amely biztosítja a tanulók ismereteinek és készségeinek formálását, figyelembe véve az individualizálás és differenciálás lehetőségeit, az ellenőrzést, az egyes műveletek elvégzéséhez szükséges stabil készségek kialakítását. A jövőben némileg bővültek és módosultak az információs technológia oktatási felhasználási lehetőségeiről és módjairól alkotott elképzelések. A számítógépet egy tágabb, holisztikus didaktikai számítógépes környezet elemeként kezdték érteni, és az oktatás informatizálásának vezérgondolata az volt, hogy az új információs technológiáknak mindenekelőtt új fejlesztéseket és megvalósítást kell biztosítaniuk. pedagógiai a mai igényeknek megfelelő technológiákat.

Jelenleg tehát azt mondhatjuk, hogy az oktatás informatizálási céljainak elérése csak informatizálási eszközök alkalmazásával, a számítógép, mint információval való munkavégzés eszközével lehetséges a korábban kialakított tanulási modellekben. A technikai eszközök megjelenésével párhuzamosan a tanítási módszereknek is változniuk kell, az oktatás változásának társadalmi igényének megfelelően. Ezek a módszerek sok szempontból olyan projektalapú tanulási technológiákhoz kapcsolódnak, amelyek a hallgató aktív pozícióját foglalják magukban.

Amint azt E.S. Polat szerint a hallgatók projekttevékenysége közös oktatási, kognitív, kreatív vagy játéktevékenység, amelynek közös célja, egyeztetett módszerei, tevékenységi módjai vannak, a tevékenység közös eredményének elérésére irányul. A projekttevékenység elengedhetetlen feltétele az előre kidolgozott elképzelések megléte a tevékenység végtermékéről, a tervezés és a megvalósítás szakaszairól. E.S. Polat megjegyzi, hogy a projekt mindig egy kutatási szempontból jelentős, kreatív, integrált tudást igénylő probléma (feladat) megfogalmazásával kezdődik, megoldásának kutatása.

Az oktatási projekt így az oktatáskutatás szervezésének módszerévé, megvalósításának motivációs alapjává válik. A kutatás természetesen az oktatási projekt szerves részévé válik, hiszen a projekt céljainak eléréséhez új ismeretek elsajátítása szükséges, ami érthető és kézenfekvő a hallgatók számára.

A hallgatók kutatási tevékenységének jellemzőit elemezve A.V. Leontovich rámutat, hogy az oktatáskutatás célja az, hogy a hallgatók elsajátítsák a kutatási tevékenység funkcionális készségeit, mint univerzális módon a valóság elsajátítása, a kutatási típusú gondolkodásra való képesség fejlesztése, a tanuló személyes pozíciójának aktivizálása az oktatási folyamatban a szubjektíven új ismeretek elsajátítása alapján. Ugyanakkor az oktatáskutatás eredményes megszervezése és végrehajtása közvetlenül függ a tanulmány tervezésétől. Az oktatáskutatás feltételezi a tudományterület kutatására jellemző fő szakaszok jelenlétét: 1) problémafelvetés; 2) a választott témához kapcsolódó elméleti tanulmányok; 3) hipotézisek felállítása; 4) a kutatási módszerek kiválasztása és gyakorlati elsajátítása; 5) saját anyag gyűjtése, elemzése és általánosítása; 6) következtetések megfogalmazása.

A leírt A.V. Leontovich kutatási szakaszaiban szükségesnek tartjuk odafigyelni arra, hogy minden modern kutatás(mind az oktatási folyamatban, mind a "nagy" tudományban) információs technológia segítségével valósítják meg. Ez legalább az információforrások tanulmányozásának, a saját adatok gyűjtésének, tárolásának és feldolgozásának, valamint a vizsgálati eredmények formalizálásának szakaszaira vonatkozik. Ugyanakkor okunk van kijelenteni, hogy az információs technológiák lehetőségei azokban a helyzetekben valósulnak meg a legnagyobb mértékben, ahol a kutatás során a vizsgált objektumok, jelenségek számítógépes környezetben történő modellezésén alapuló módszereket alkalmaznak.

Mi a számítógépes szimulációs módszerekkel végzett kutatómunka sajátossága? A modellezés, mint valós tárgyak és jelenségek modelljeinek felépítése és tanulmányozása a legfontosabb kutatási módszer. Az ilyen tanulmányok fő jellemzője, hogy a modellezés a közvetett megismerés olyan módszere, amelyben a vizsgált eredeti objektum valamilyen összefüggésben van egy másik modellobjektummal, és a modell képes az eredetit így vagy úgy helyettesíteni bizonyos szakaszokban. a kognitív folyamat. A modellezési folyamat feltételezi a következők jelenlétét: 1) a vizsgálat tárgya; 2) meghatározott feladattal megbízott kutató; 3) egy modell, amelyet azért hoztak létre, hogy információkat szerezzenek az objektumról, és szükséges a probléma megoldásához.

A. L. Koroljev a következő fő szakaszokat különbözteti meg az általános modellépítési sémában.

1. A meglévő probléma alapján kutatási feladatot fogalmazunk meg, amely tartalmazza a modellező objektum leírását.
2. A szimulációs objektumot elemzik: megállapítják, hogy az objektum milyen elemekből áll, hogyan hatnak egymásra. Beállítják az objektum azon tulajdonságait, amelyek relevánsak a probléma megoldásához. Azonosítják azokat a tényezőket, amelyek meghatározzák ezeket a tulajdonságokat.
3. A modell tényleges létrehozása a modell típusának és elkészítésének módjának kiválasztása mellett történik.
4. Megoldás alatt van a szimulációs eredmények értelmezésének kérdése (ha szükséges), i.e. arról, hogy a modellel végzett kísérlet eredményei hogyan kerülnek át a valós objektumba.
5. Kísérleteket végzünk a modellel, ellenőrizzük annak megfelelőségét (a modell és az objektum közötti megfelelés mértékét a modellezett tulajdonságok tekintetében).
6. A modellt korrigálják vagy átdolgozzák (nem megfelelőség esetén).
7. A modell a probléma megoldására szolgál.

A számítástechnika megjelenésével a modellezés új és nagyon hatékony erőforrást kapott a megvalósításához, mivel a modellek felépítésének hagyományos analitikai módszerei kiegészültek a számítógépes számítások lehetőségeivel. Ebben az esetben a számítások automatikusan, egy adott algoritmusnak megfelelően, emberi beavatkozást nem igényelnek.

A.A. Samarsky azt javasolta, hogy a számítógépes modellezés folyamatát három szakaszra bontsák: "modell - algoritmus - program". Ezt a módszertant számítási kísérleti technológia formájában fejlesztették ki elméleti kutatáshoz. A számítási kísérlet alapja az matematikai modellezésés a számítástechnika alkalmazása.

Az A.A. Samarsky-t a modellek készítésére szolgáló szoftverek alkalmazásában is látják - algoritmusok nem csak számítógépes programok formájában fejleszthetők ismert programozási rendszerekhez, hanem lépésről lépésre utasításokat is adnak különféle matematikai csomagokhoz, valamint speciális számítógépes modellezést. eszközöket. A speciális számítógépes szimulációs csomagok használata lehetővé teszi a modellek gyors felépítését, kísérletezést velük, a szimulációs eredmények elemzését és megjelenítését. A modellek megvalósítása nem igényli semmilyen programozási rendszer használatát, ami jelentősen csökkentheti a modellek fejlesztésének bonyolultságát és a fejlesztésre fordított időt.

A számítógépes modellezési módszerekkel végzett oktatási tanulmány elvégzése ezért magában foglalja a vizsgált objektum modelljének megalkotását és tanulmányozását. Az oktatáskutatás általános szerkezete alapján, amelyet A.V. Leontovich, valamint az A. L. által javasolt konstrukciós mintán. Koroljev, leírhatjuk a számítógépes szimulációs módszerekkel megvalósított oktatáskutatás általánosított szerkezetét.

A számítógépes modellezési módszerekkel végzett oktatáskutatás megvalósítása a vizsgálat problémájának (témájának) meghatározásával kezdődik. A probléma elemzése alapján megtörténik a vizsgálat tárgyának leírása, a cél, a hipotézis és a feladatok megfogalmazása.

A számítógépes modellezési módszerekkel végzett oktatáskutatás célja úgy definiálható, mint a vizsgált tárgy tanulmányozása annak megértése szempontjából (megérteni, hogyan működik egy adott tárgy vagy folyamat, mi a szerkezete, alapvető tulajdonságai, fejlődési törvényei, interakció a külvilággal), menedzsment (tanulni kezelni egy objektumot vagy folyamatot, meghatározni legjobb módjai adott célok és kritériumok szerinti menedzsment) vagy előrejelzés (egy tárgyra vagy folyamatra gyakorolt ​​hatás közvetlen és közvetett következményeinek előrejelzése adott módokon).

A vizsgálat tárgyára vonatkozó feltételezésként hipotézist fogalmazunk meg, melynek igazolása számítógépes modellel végzett kísérlet során elvégezhető.

A számítógépes modellezési módszerekkel végzett oktatáskutatás feladatai a következők:

1) elméleti elképzelések kialakítása a vizsgált tárgyról (a tárgy szerkezetéről és tulajdonságairól), a tárgy tanulmányozásához szükséges lényeges tulajdonságok meghatározása a modellezés céljainak megfelelően;

2) azon paraméterek listájának meghatározása, amelyek lehetővé teszik a modell leírását a matematika formális nyelvén (azoknak a mennyiségeknek a listája, amelyektől a modellezett objektum viselkedése vagy szerkezete függ, valamint a modellezés eredményeként beszerezendő paraméterek listája, A meghatározott célok);

3) számítógépes modellezési eszközök (programozási rendszerek, táblázatkezelő processzorok, számítógépes matematikai csomagok, különféle típusú folyamatok modellezésére szolgáló speciális csomagok) kiválasztása a matematikai modell megoldási módja szerint (numerikus, statisztikai vagy szimulációs modellezés);

4) modell felépítése és kísérlet elvégzése a hipotézis tesztelésére vagy megcáfolására.

A kísérlet során ellenőrzik a modell valós objektumnak való megfelelőségét, kísérleti adatokat gyűjtenek és elemeznek, tanulmányozzák az objektum tulajdonságait, megtalálják optimális paramétereit és működési módjait, és szükség esetén finomítják a modellt. . A kísérlet eredményei alapján következtetéseket fogalmaznak meg a felállított hipotézis érvényességére, a kapott eredmények alkalmazhatóságának feltételeire és határaira vonatkozóan.

A fent leírt, számítógépes szimulációs módszerekkel megvalósított oktatási kutatások felépítésének szemléltetésére példákat adunk a Volgográdi Állami Szociálpedagógiai Egyetem Matematikai, Informatikai és Fizikai Karának hallgatói által irányításunk alatt megvalósított oktatási kutatások felállítására.

1. Téma: "A horizonthoz képest szögben elvetett test mozgása." Problémás helyzet: ismeretes, hogy a környezet ellenállásának figyelembevétele nélkül a horizonttal szögben bedobott test a parabola pályáján mozog. Nyilvánvaló, hogy ellenállás jelenlétében a test repülési tartománya megváltozik. De megváltozik a karakter? pályák testmozgások?

A vizsgálat tárgya egy anyagi test pályája, amely a horizonthoz képest szöget zár be. A vizsgálat célja: feltárni, hogy a környezet ellenállása milyen hatást gyakorol az anyagi test mozgási pályájára. Kutatási hipotézisként felvehető egy olyan feltételezés, hogy a mozgás pályája a közeg ellenállásától függ.

Kutatási feladatok: az anyagi test mozgási pályáját meghatározó paraméterek feltárása; matematikai modell felépítése; numerikus szimuláció megvalósítása program összeállításával a Turbo Delphi programozó rendszerhez; szimulációs eredmények megjelenítése (mozgási pálya szerkesztése téglalap alakú koordinátarendszerben); numerikus kísérlet végrehajtása a légellenállási együtthatók számos értékére; a kapott eredmények elemzése és következtetések megfogalmazása.

A vizsgálat eredményeként kiderült, hogy a horizonttal szögben elhajított test hatótávolsága és röppályája tömegétől, kezdeti sebességétől, dobási szögétől és környezeti ellenállásától függ. A közegellenállási együtthatók értékének változása befolyásolja a mozgási pálya típusát: a közeg ellenállásának figyelembevétele nélkül a pályát parabola írja le, a közeg ellenállását figyelembe véve pedig a görbe, amely különbözik a parabolától. Ezek az eredmények arra engedtek következtetni, hogy a felállított hipotézis igazolt, nemcsak a test repülési hatótávolsága, hanem mozgásának pályája is függ a közeg ellenállásától.

2. Téma: „Népességfejlődés dinamikája”. Probléma: néhány ökológiai rendszerben két egyedfajból álló populációk vannak, amelyek közös erőforrást fogyasztanak, és versengenek a felhasználásáért. Lehetséges-e a populációk fenntartható együttélése, vagy az egyik populáció szükségszerűen kiszorítja a másikat?

A népességfejlődés dinamikája a kutatás tárgya. A vizsgálat célja: a fajok közötti versengés logisztikus modellje alapján a fajok közötti versengés populációk fejlődésére gyakorolt ​​hatásának vizsgálata. Hipotézis - két populáció együttélése akkor lehetséges, ha a populációk interspecifikus versenye gyengébb, mint az intraspecifikus.

A vizsgálat során a következő feladatokat oldjuk meg: két populáció interspecifikus versengésének logisztikai modelljének megvalósítása folyamatos szaporodással az MVS (Model Vision Studium) univerzális modellező rendszer segítségével; szimulációs eredmények megjelenítése (a kívánt függvények grafikonjai formájában); kísérlet elvégzése annak meghatározására opciók két versengő populáció fejlődése.

A kísérletek eredményeként megállapították, hogy ha a fajok közötti versengés gyengébb, mint az intraspecifikus, akkor két populáció együttélése lehetséges; az egyik teljes kiszorítása akkor következik be, ha az egyik populáció befolyása erősebb, mint a másik populáción belüli verseny. A kapott eredmények alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a javasolt hipotézis beigazolódott.

Így a számítógépes modellezési módszerekkel végzett kutatások módszertana új megközelítést tesz lehetővé az oktatási kutatások szervezésében és lebonyolításában, a projekt-kutatási oktatási módszer szintjén történő leírásában. pedagógiai technológia. A számítógépes modellek építése és a számítási kísérletek végzése lehetővé teszi a hallgatók kutatói szerepvállalását, tapasztalatot szerezve a problémák elemzésében, a kutatási célok kitűzésében, hipotézisek és feladatok megfogalmazásában. Maga a kutatás egy hipotézis megerősítésének vagy megcáfolásának folyamataként jelenik meg a „nagy” tudományban alkalmazott megalapozott módszerek segítségével. A hallgatók oktatási tevékenységének ilyen jellege nemcsak a számítástechnika és más tudományterületek új ismeretei és készségek fejlesztéséhez járul hozzá, hanem a saját kutatások tervezésében és megvalósításában tapasztalatszerzéshez is hozzájárul, alátámasztva a képzés során elért eredményeket. tanulmány.

Ellenőrzők:

Germasev I.V., a műszaki tudományok doktora, a Volgogradi Állami Szociális-Pedagógiai Egyetem Informatikai és Oktatási Informatizálási Tanszékének professzora;

Sergeev A.N., a gyermekgyógyászati ​​tudományok doktora, a Volgogradi Állami Szociális és Pedagógiai Egyetem Informatikai és Oktatási Informatizálási Tanszékének professzora.

Bibliográfiai link

Markovich O.S. SZÁMÍTÓGÉPES SZIMULÁCIÓ AZ OKTATÁSI KUTATÁSBAN: ÚJ TANULÁSI MÓDSZEREK FEJLESZTÉSE INFORMÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK ALKALMAZÁSÁVAL // A tudomány és az oktatás modern problémái. - 2015. - 5. sz.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21724 (hozzáférés dátuma: 2020.02.01.). Felhívjuk figyelmüket a Természettudományi Akadémia kiadója által kiadott folyóiratokra.