Моделирование, формализация, визуализация

Моделирование,
формализация,
визуализация
Моделирование как
метод познания
Человечество в своей деятельности постоянно создает и
использует модели окружающего мира.
Модели позволяют представить в наглядной форме объекты
и процессы, недоступные для непосредственного
восприятия.
Наглядные модели часто используются при обучении.
чертежи
макеты
муляжи
Развитие науки невозможно без создания теоретических
моделей (теорий, законов, гипотез и т.д.), отражающих
строение, свойства и поведение реальных объектов.
Гелиоцентрическая система мира
Птолемея
Модель генома человека
Истинность теоретических моделей, т.е. их соответствие
законам реального мира, проверяется с помощью опытов и
экспериментов.
Всё художественное творчество фактически является
процессом создания моделей.
• литературный жанр (басня)
• любое литературное произведение (рассказ, повесть и т.д.)
• модели в художественной форме (живописные полотна,
скульптуры, театральные постановки и т.д.)
Цели моделирования:
• понять как устроен конкретный объект,
какова его структура;
• научиться управлять объектом или
процессом;
• прогнозировать прямые и косвенные
последствия реализации заданных
способов;
• будущая модель определяет те свойства
оригинала, которые должны быть
воспроизведены в модели
Причины, по которым прибегают к
построению моделей:
1. В реальном времени оригинал может
уже не существовать, или его нет в
действительности
2. Оригинал может иметь много свойств и
взаимосвязей. Чтобы глубоко изучить
какое-то свойство, полезно отказаться от
менее существенных, вовсе не учитывая
их
3. Оригинал либо очень велик, либо
очень мал
4. Процесс протекает очень быстро или
очень медленно
5. Исследование объекта может привести
к его разрушению

ОДИН
ИЗ
ОСНОВНЫХ
МЕТОДОВ
ПОЗНАНИЯ
НЕОТЬЕМЛЕМЫЙ
ЭЛЕМЕНТ
ЛЮБОЙ
ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ПРОЦЕСС ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ
ОБЪЕКТОВ, ПРОЦЕССОВ, ЯВЛЕНИЙ
Моделирование - это
метод познания,
состоящий в создании и
исследовании моделей.
Модель создается
человеком в процессе
познания окружающего
мира и отражает
существенные
особенности изучаемого
объекта, явления или
процесса. Для описания
и исследования одного и
того же объекта может
использоваться
несколько моделей. Для
описания и исследования
разных объектов может
использоваться одна и
та же модель.
Материальные и
информационные
модели
Ребята!
Что такое модель?
Модель
Новый объект,
который
отражает
некоторые
стороны
изучаемого
объекта или явления,
существенные с
точки зрения
цели
моделирования
Физический
или
информационный
заменитель
объекта,
функционирование
которого
по определенным
параметрам
подобно
функционированию
реального объекта
Модель (фр.сл. мodele, ит. сл.
modelo, лат. сл. modelus) – мера,
образец
Модель – некое упрощенное
подобие реального объекта
Один и тот же объект
может иметь
множество моделей,
а разные объекты
могут описываться
одной моделью
Например
Человек:
Кукла
Манекен
Скелет
Скульптура
Модели
Реальный
объект оригинал
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАТУРНОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
Натурные модели
Информационные модели
Манекен
Фотография
Кукла
Скульптура
Производственный
робот
Видеофильм
Объект
моделирования
Анкета
Медицинская
карточка
Свойства модели зависят от цели моделирования. Модели одного и того же объекта
будут разными, если они создаются для разных целей.
Свойства объекта, которые должна
отражать модель, определяются
поставленной целью его изучения.
Объект
«Человек»
Цель:
первое
знакомство
Цель:
демонстрация
одежды
Цель:
отражение
красоты тела
Цель:
изучение
костного
строения
Кукла
Манекен
Скульптура
Скелет
Классификация моделей по
способу представления
Модели
Материальные
(натурные)
Информационные
Физическое подобие объекта
Объекты
Описание объекта моделирования
Явления
Процессы Поведение
-Глобус
-Гроза
-Экономические
-Игрушки
-Землетрясение
-Развитие Вселенной
-Макеты
МОДЕЛИ
Материальные
Информационные
Позволяют представить в
материальной наглядной
форме объекты,
недоступные для
непосредственного
исследования (очень
большие или очень
маленькие объекты, очень
быстрые или очень
медленные процессы и др.).
Например, макеты зданий и
сооружений. Модели часто
используются в процессе
обучения. Например, глобус
- Модель Земли, двигатель
внутреннего сгорания,
кристаллические решетки,
строение человека
представляют объекты и
процессы в образной или
знаковой форме, а также в
форме таблиц, блок-схем,
графов и т.д.
образные модели
(рисунки,
фотографии и др.)
представляют
собой зрительные
образы объектов,
зафиксированные
на каком-либо
носителе
информации
(бумаге, фото- и
кинопленке и др.)
знаковые модели
строятся с
использованием
различных языков
(знаковых систем); может
быть представлена в
форме текста (язык
Паскаль) или формулы (2й закон Ньютона); широко
распространены в форме
таблиц (таблица
Менделеева)
Примеры
МОДЕЛИ
Материальные
• макеты зданий и
сооружений;
• модели самолетов и
кораблей;
• модель Земли – глобус;
• модель двигателя
внутреннего сгорания;
• модели молекул и
кристаллических решеток;
• анатомические муляжи
человека и т.д.
Информационные
Образные модели:
• рисунки, фотографии;
• учебные плакаты
Знаковые модели:
• различные тексты
(например, программы на
языке программирования);
• различные формулы
Информационные
модели:
• таблицы (Менделеева);
• блок-схемы;
• генеалогическое дерево
Классификация моделей по
области использования
Модели
Учебные
Игровые
Опытные
Имитационные
Научно-технические
Классификация с учётом фактора
времени и области использования
Модели
Статические
глобус
мягкие игрушки
учебники
Если модель
учитывает
изменение свойств
моделируемого
Динамические объекта от
времени, то модель
заводные игрушки
называется
динамической, в
противном случае статической.
Классификация моделей по
области использования
 Биологические
 Исторические
 Физические
и
др.
Формализация и
визуализация
информационных
моделей
Описательные информационные
модели
 отображают
объекты, процессы и
явления качественно, т.е. не используя
количественных характеристик
 строятся с использованием
естественных языков и рисунков
Гелиоцентрическая модель мира Коперника:
 в центре мира находится Солнце;
 Земля вращается вокруг Солнца, а Луна
вращается вокруг Земли;
 все планеты вращаются вокруг Солнца.
Электрическое взаимодействие двух
зарядов:
 Два одноименных заряда отталкиваются, а
два разноименных притягиваются.
Строение молекулы воды:
 Молекула воды состоит из атома кислорода
и двух атомов водорода.
Формализация информационных
моделей
 строятся
с помощью формальных
языков
с использованием математических понятий и
формул строятся математические модели;
 в естественных науках (физике, химии и др.)
строятся формальные модели явлений и
процессов.

m1  m2
F  
2
r


F  m a
q1  q2
F k 2
r
H 2O
закон Всемирного
тяготения
второй закон
Ньютона
закон Кулона
строение
молекулы воды
ФОРМАЛИЗАЦИЯ

ПРИВЕДЕНИЕ (СВЕДЕНИЕ, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ)
ИНФОРМАЦИИ, СВЯЗАННОЙ С ВЫДЕЛЕННЫМИ
СВОЙСТВАМИ, К ВЫБРАННОЙ ФОРМЕ.
ФОРМАЛИЗАЦИЯ
СЛОВЕСНОЕ
ОПИСАНИЕ
ТАБЛИЦА
РИСУНОК
СХЕМА,
ЧЕРТЕЖ
ФОРМУЛА,
АЛГОРИТМ


Процесс построения
информационных моделей с
помощью формальных языков
называется формализацией.
В процессе познания
окружающего мира
человечество постоянно
использует моделирование и
формализацию. При изучении
нового объекта сначала
обычно строится его
описательная
информационная модель на
естественном языке, затем
она формализуется, т.е.
выражается с
использованием формальных
языков.
Визуализация формальных
моделей



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.
В качестве примера визуализации формальной модели
можно привести компьютерную визуальную
интерактивную модель гидравлической машины.
Приближенное решений
уравнений

На языке алгебры формальные модели
записываются с помощью уравнений.
Точные решения существуют только для
некоторых уравнений определенного вида:
линейные, квадратные, тригонометрические
и др.

 a

 x  r  t  r sin t 



a

 y  r  t  cos t 

 r

Приближенное решение
уравнений в электронных
таблицах
 Установить
точность
определения корней уравнения
можно путем установки в
ячейках таблицы необходимой
точности представления чисел.
Возможности электронных
таблиц не ограничиваются
вычислениями по формулам
и построением диаграмм и
графиков.
Построение геометрических
моделей

Для визуализации геометрических моделей
используются идеализированные геометрические
объекты, которые, в отличие от реальных объектов,
обладают набором только наиболее существенных
свойств. Для ввода на чертеже обозначения
необходимо выбрать на панели управления кнопку
обозначения и на появившейся панели щелкнуть по
кнопке ввод текста.
Построение и исследование
физических моделей
 Качественная
описательная модель.
Сначала строят качественную
описательную модель процесса
движения тела с использованием
объектов, понятий и законов физики.
Компьютерная модель движения
тела на языке Паскаль
В
языке программирования Паскаль
аргументы тригонометрических функций
Sin(), Cos() задаются в радианах, а угол
бросания мячика вводятся в градусах.
Поэтому необходимо преобразовать
значения углов из градусов в радианы с
использованием константы Pi.
Компьютерная модель движения
тела в электронных таблицах
В
электронных таблицах аргументы
функций COS() и SIN() задаются в
радианах, поэтому необходимо
преобразовать значения углов из
градусов в радианы с помощью
функции РАДИАНЫ().
Экспертные системы
распознавания химических
веществ
 Профессиональные
экспертные
системы достаточно широко
используются в различных областях
науки и техники. Основная задача
экспертных систем – распознавание
объектов или состояний объекта.
Обычно такие задачи выполняются
методом проб и ошибок, без осознания
и фиксации стратегии поиска.
Модель экспертной системы на
языке Паскаль

При разработке
сложного алгоритма
целесообразно
стараться выделить в
нем
последовательности
действий, которые
реализуют решение
каких-либо подзадач и
могут вызываться из
основного алгоритма.
В
объектно-ориентированном языке
программирования Delphi
вспомогательные алгоритмы
реализуются с помощью общих
процедур. Каждой общей процедуре
дается уникальное название – имя
процедуры. Запуск общих процедур не
связывается с какими-либо событиями, а
реализуется путем вызова по имени из
других процедур.
Информационные модели
управления объектами

В процессе функционирования
сложных систем важную роль
играют информационные
процессы управления. В
любом процессе управления
всегда происходит
взаимодействие двух объектов
– управляющего и
управляемого, которые
соединены каналами прямой и
обратной связи.
 Системы
управления без обратной
связи. Не учитывается состояние
управляемого объекта и обеспечивается
управление только по прямому каналу.
 Системы управления с обратной
связью. Управляющий объект по
прямому каналу управления производит
необходимые действия над объектом
управления, а по каналу обратной связи
получает информацию о его реальных
параметрах.
Домашнее задание
§
5.2
Самостоятельная работа
Стр.
148, задания 5.1-5.2
Стр. 152, задание 5.3
Вопросы
 Приведите
примеры моделирования
в различных областях деятельности.
 Может ли объект иметь несколько
моделей? Приведите примеры.
 Могут ли разные объекты
описываться одной и той же
моделью? Если да, приведите
примеры.
Приведите примеры материальных моделей.
Макеты зданий и сооружений; модели самолетов и
кораблей; модель Земли – глобус; модель двигателя
внутреннего сгорания; модели молекул и кристаллических
решеток; анатомические муляжи человека и т.д.
 Приведите примеры информационных моделей различных
видов.
Образные модели: рисунки, фотографии, учебные
плакаты;
Знаковые модели: различные тексты (например,
программы на языке программирования); различные
формулы;
Информационные модели: таблицы (Менделеева), блоксхемы, генеалогическое дерево.
 Приведите примеры описательных информационных
моделей.
Гелиоцентрическая модель мира Коперника, строение
молекулы воды.
 Приведите примеры формализованных информационных
моделей.
Закон всемирного тяготения, законы механики, строение
молекулы воды.
