Как составить информационную модель объекта

Объектом моделирования может быть
информационная система (ИС).

Например, информационная система учета
книгооборота библиотеки. Рассмотрим
такой аспект этой системы: в библиотеке
фиксируются данные обо всех поступающих
книгах (договоримся, что поставщик не
важен, а важен только факт поступления
книги); также заносятся данные обо всех
записывающихся читателях; по запросу
читателя может быть выдана книга, которую
он должен вернуть.

Рассмотрим следующую ситуацию. Приобретен
персональный компьютер для оснащения
библиотеки, в которой до этого не
использовалась компьютерная техника.

Требуется автоматизировать систему
учета книгооборота в библиотеке.

Построим информационную модель в
соответствии с описанными ранее этапами.

:

Этапы построения информационной модели: Определение задачи, для решения которой будет строиться модель. Постановка цели моделирования. Анализ объекта моделирования и выделение его свойств, существенных с точки зрения цели моделирования. Выбор формы представления модели. Формализация. Анализ полученной модели на непротиворечивость, адекватность объекту и цели моделирования

1 этап. Определение задачи:
автоматизация учета книгооборота в
библиотеке.

2 этап. Цель построения информационной
модели: описать объекты ИС учета
книгооборота библиотеки, их взаимодействие
в процессе книгооборота.

3 Этап. Анализ объекта моделирования и выделение его существенных свойств

Предметной областью исследуемой ИС
является библиотека. Объектом моделирования
является ИС учета книгооборота в
библиотеке.

Отобразим объекты предметной области,
которые важны с точки зрения ИС:

Обратите внимание, что библиотекарь
может быть в роли и средства работы с
информацией в ИС, и пользователя ИС.
Когда библиотекарь осуществляет запись
читателей в библиотеку, регистрацию
поступающих книг, поиск и выдачу книг
– он выступает в качестве средства ИС,
когда библиотекарь получает информацию
о должниках, о наиболее популярных
книгах (например, для того, чтобы сделать
дополнительный заказ на поставку книг)
и т.п. – он выступает в качестве
пользователя ИС.

Главное назначение ИС – осуществление
информационных процессов, поэтому при
анализе ИС придерживаются следующей
последовательности действий.

1. Выделение основных информационных
   процессов в ИС.

2. Выделение объектов предметной области
   ИС, участвующих в этих процессах
   – эти объекты в дальнейшем будут
   представлены, как объекты информационной
   модели.

Объектом предметной области ИС может
быть человек, предмет, организационная
структура и т.д. Например, в различных
предметных областях объектом может
быть читатель библиотеки, парикмахер,
водитель – люди; автобус, здание, станок
– предметы; школьный класс, кружок,
отдел в организации – организационные
структуры.

При построении информационной модели
ИС рассматриваются не конкретные
объекты, а классы однотипных объектов.
Например, в информационной модели ИС
библиотеки будет рассматриваться не
конкретный читатель (допустим, Иванов
Сергей), а читатель вообще, т.е. любой
читатель, записанный и в библиотеку.

1. Выделение существенных свойств
   объектов.

При выделении существенных свойств
объектов необходимо учитывать, что
объекты реального мира, информация о
которых отражается в ИС, всегда отличны
друг от друга. Даже, например, две
одинаковые книги, только что выпущенные
издательством, — это два различных
объекта. В ИС информацию об однотипных
объектах необходимо различать, поэтому
в свойствах объектов должен присутствовать
некий идентификатор, чаще всего
уникальный номер (код), который
закреплен за конкретным объектом.
Например, табельный номер сотрудника
в организации, регистрационный номер
книги в библиотеке, номер свидетельства
о рождении.

1. Анализ каждого процесса на предмет
   появления новых существенных свойств,
   отличных от свойств объектов,
   участвующих в этом процессе – эти
   процессы также будут представлены как
   самостоятельные объекты информационной
   модели. Например, прием пациента у
   врача – процесс, в котором участвуют
   пациент и врач, новое существенное
   свойство этого процесса – время приема,
   которое не является свойством ни врача,
   ни пациента в отдельности.

2. Определение взаимосвязей объектов
   информационной модели, отражающих
   объекты и процессы предметной области
   ИС. Например, ученик учится в классе
   (связь объектов «Ученик» и «Класс»),
   библиотекарь регистрирует новую книгу
   (связь объектов «Библиотекарь» и
   «Книга»); врач и пациент участвуют в
   процессе приема, т.е. связаны через
   объект информационной модели «Прием».

Результаты выполнения перечисленных
первых четырех действий приведены
в таблице (уникальные коды объектов
выделены подчеркиванием):

Процессы книгооборота	Объекты, участвующие в процессах	Существенные свойства объектов	Существенные свойства процессов, отличные от свойств объектов, участвующих в них
Запись читателя в библиотеку	Читатель	№ читательского билета ФИО читателя Адрес читателя Место работы/учебы	Не обнаружено
Библиотекарь	Табельный номер ФИО сотрудника
Получение новых книг библиотекой	Книга	Регистрационный номер книги Автор книги Название книги Издательство Год издания	Не обнаружено
Библиотекарь	Табельный номер ФИО сотрудника
Выдача/возврат книги	Читатель	№ читательского билета ФИО читателя Адрес читателя Место работы/учебы	Дата выдачи книги Дата возврата книги
Книга	Регистрационный номер книги Автор книги Название книги Издательство Год издания
Библиотекарь	Табельный номер ФИО сотрудника

Таким образом, в информационной модели
необходимо отразить следующие объекты:

• Читатель

• Книга

• Библиотекарь

• Выдача/возврат книги. Этот объект
  соответствует процессу, в котором
  участвуют Читатель, Книга, Библиотекарь,
  однако для этого процесса выявлены и
  самостоятельные существенные свойства
  – Дата выдачи книги, Дата возврата
  книги. В информационной модели ИС для
  данного объекта (Выдача/возврат книги)
  существенными свойствами будут
  уникальные коды объектов-участников
  процесса и его самостоятельные
  существенные свойства.

Определим взаимосвязи объектов
информационной модели, отражающих
объекты и процессы предметной области
ИС.

Для выделения взаимосвязей необходимо
проверить возможность взаимодействия
каждого объекта с каждым. Если это
взаимодействие существенно для целей
моделирования, его учитываем в
информационной модели, если не существенно
– не учитываем.

Обозначим связи стрелкой с пояснением
над ними.

• Читатель – Выдача/Возврат книги.
  Имеется прямое взаимодействие –
  Читатель участвует в Выдаче/Возврате
  книги.

• К
  нига
  – Выдача/Возврат книги. Имеется
  прямое взаимодействие – Книга
  участвует в Выдаче/Возврате книги.

• Б
  иблиотекарь
  – Выдача/Возврат книги. Имеется
  прямое взаимодействие – Библиотекарь
  осуществляет Выдачу/Возврат книги.

• Книга — Библиотекарь. Взаимодействуют
  в двух вариантах – Библиотекарь
  регистрирует Книгу при получении
  новой Книги. Библиотекарь ищет
  Книгу (по запросу читателя).

• Ч
  
  итатель
  — Библиотекарь. Взаимодействуют в
  двух вариантах: Библиотекарь
  записывает Читателя в библиотеку,
  Читатель делает запрос на книгу
  Библиотекарю.

• Читатель 
  Книга. Напрямую они не взаимодействуют
  в рамках нашей предметной области –
  только через объект Выдачу/Возврат
  книги.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Тема 3. Информационная модель объекта

Понятие модели. Представление об информационной системе. Процессы в информационной системе. Разомкнутая информационная система. Замкнутая информационная система. Понятие обратной связи. Типовые обеспечивающие подсистемы: техническая, информационная, математическая, программная, организационная, правовая.

Учащиеся должны знать:

• понятие информационной модели;

• назначение типовых моделей.

Учащиеся должны уметь:

• формулировать цель при создании модели любого типа;

• разрабатывать информационную модель любого объекта;

• представлять информационную модель в табличной форме.

Роль цели при разработке информационной модели объекта

Одним из способов познания окружающего мира является создание и исследование модели реального объекта, процесса или природного явления. При построении и исследовании модели принято вводить обобщенное понятие объект исследования (оригинал, прототип), понимая под этим любой материальный или нематериальный объект (процесс), а также природное явление.

Под моделью понимают материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал так, что его изучение дает новые знания об объекте-оригинале.

При создании модели важным этапом является сбор информации об объекте в том объеме, который требует поставленная цель построения модели. Без такой информации разработка модели невозможна.

Модель — это объект, отражающий существенные свойства реального объекта исследования, которые отобраны в соответствии с заданной целью моделирования.

Информационная модель — это модель, содержащая целенаправленно отобранную и представленную в некоторой форме наиболее существенную информацию об объекте.

Информационные модели играют очень важную роль в жизни человека. Получаемые знания на уроках в школе позволяют вам составить различные информационные модели, которые в совокупности отражают информационную картину окружающего вас мира.

Уроки истории дают возможность построить модель развития общества, а знание этой модели позволяет создавать историю своей жизни, либо повторяя ошибки предков, либо учитывая их.

На уроках астрономии вам доступными средствами рассказывают о Солнечной системе.

На уроках географии вы получаете информацию о географических объектах: горах, реках, городах и странах. Это тоже информационные модели.

На уроках химии информация о химических свойствах и законах взаимодействия разных веществ подкрепляется опытами, которые являются моделями реальных химических процессов.

Прежде чем построить модель, надо собрать информацию об изучаемом предмете или явлении и представить ее в соответствующей форме.

Формы представления информационных моделей:

• устная (словесная);

• знаковая: табличная, графическая, символьная (текст, числа, специальные символы);

• в виде жестов или сигналов.

Форма представления информации обычно зависит от инструмента, с помощью которого она будет обрабатываться.

Понятие адекватности информационных моделей

Адекватность модели — это соответствие модели объекту-оригиналу по тем свойствам, которые считаются существенными для исследования.

Адекватность информационной модели — это соответствие информационной модели объекту-оригиналу по тем свойствам, которые считаются существенными для исследования.

Объекты в информатике

Объектом в информатике, как и всюду, называют все, что угодно: число, таблицу, исполнителя, программу, кнопку на экране…

Однако, информатика рассматривает объекты с точки зрения информационных процессов.

В таком подходе нет ничего удивительного: каждая наука рассматривает объекты со своей точки зрения.

Физик, наблюдая полет пчелы, мысленно прикидывает формулы, которые описывают траекторию движения насекомого. 
Биолог задумывается о числе глаз, крыльев и ножек. 
Информатик пытается построить информационную модель пчелиного сообщества. 
Обычно информатик выделяет в объекте три составляющие:

• Какую информацию объект хранит (свойства объекта).

• Как объект обрабатывает информацию (алгоритмы объекта).

• Какую информацию объект передает и принимает (события объекта).

Мы будем исследовать свой телевизор как информационный объект.

Он взял три листочка. На одном надписал: “свойства”, на другом — “алгоритмы”, на третьем — “события”. Вот что у него получилось.

Свойства можно разделить на два класса. К первому относят те, которые не предназначены для изменения (цвет корпуса, диагональ экрана, вес телевизора). Ко второму — те, которые меняет пользователь (номер программы, уровень звука, яркость и контрастность изображения).

Для изменения свойств в телевизоре предусмотрены соответствующие алгоритмы. По сигналам с панели управления они включают или выключают телевизор, переключают телевизионный канал, меняют уровень звука, контрастность и яркость изображения.

Событиями объекта “телевизор” являются сигналы, поступающие с панели управления, сигналы от передающей телевизионной станции и сигналы, которые передаются пользователю (звук, изображение).

Материальные и виртуальные объекты

Телевизор — это материальный объект. Слово материальный означает “реальный”, существующий на самом деле.

Корпус телевизора сделан из пластика, гладкого на ощупь. Телевизор достаточно тяжелый — не надо ронять его на ногу: будет больно. Если по телевизору стукнуть молотком, то, скорее всего, он выйдет из строя.

Телевизор нарисован в этой книге. Этот нарисованный телевизор, конечно, не является материальным (реальным) телевизором. Нарисованный телевизор — это виртуальный объект, то есть, не реальный, не существующий на самом деле.

Работа с объектами

Мы часто рассматриваем объект как “черный ящик”. Мы не знаем внутреннего устройство объекта, но умеем им пользоваться.

Чтобы посмотреть передачу по телевизору, не нужно знать каким образом на экране возникает изображение, и почему пластиковый ящик говорит подобно человеку. Пользователю нужно только знать, как включить телевизор, как настроить его на нужную программу и как установить желаемую громкость звука. Иными словами, пользователь должен знать свойства объекта и уметь пользоваться алгоритмами объекта, чтобы эти свойства менять.

Информационные события, связанные с телевизором (это прием телепередачи, передача изображения и звука зрителю) позволяют использовать свойства и алгоритмы по назначению: посмотреть интересный мультфильм или узнать последние новости.

Работа с виртуальными объектами

Ниже в этой книге создан виртуальный объект под названием “Фигура”. Вы можете легко менять свойства этого объекта (форму, цвет и размер), создавая события на панели управления. Эти события обрабатывают алгоритмы объекта, и вид фигуры меняется.

Начало формы

форма
цвет
размер

Конец формы

Нам хорошо знаком виртуальный объект “окно на Рабочем столе компьютера” и такие его свойства как:

• активность

• размер

• расположение на экране

Нажимая кнопку на заголовке окна или потягивая мышкой за рамку, мы создаем события, которые обрабатывают алгоритмы окна, и объект на экране меняется.

Объектное программирование

Современное программирование — объектно-ориентированное.

Это означает, что программа, которой предстоит работать на компьютере, создается как набор информационных объектов.

Объекты имеют свойства — ячейки памяти — для хранения информации и алгоритмы, которые обрабатывают события — информацию, поступающую от других объектов.

Программа, составленная из объектов, не имеет одного общего алгоритма, а работает в результате информационного взаимодействия объектов.

Все происходит как в реальной жизни. Ведь мир вокруг нас состоит из отдельных объектов (людей, животных, предметов, явлений) которые существуют по своим собственным правилам. А общее развитие мира определяется тем, как отдельные объекты взаимодействуют друг с другом.

В Практикуме сегодняшнего урока вас поджидает исполнитель Конструктор. С его помощью вы создадите объектную программу и понаблюдаете ее в работе.

Программируют объекты так:

1. Сначала создают описание — шаблон, в котором определяют свойства и алгоритмы объекта.

2. Затем, на базе готового описания, создают столько экземпляров объекта, сколько требуется для программы.

Скачать материал

Скачать материал

Описание презентации по отдельным слайдам:

• 

  1 слайд

  Построение информационных моделей
  Составил учитель информатики и ИКТ Понеделко Е.В.
  МБОУ «СОШ №5 с УИОП г. Шебекино Белгородской области»
  2016г.

• 

  2 слайд

  Содержание
  Понятие модели;
  Информационная модель;
  Виды информационных моделей;
  Формализация модели;
  Визуализация модели;
  Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере;
  Задача

• 

  3 слайд

  Понятие модели
  Модель – это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.
  Все модели делятся на:
  предметные (материальные);
  информационные
  МОДЕЛИ
  Предметные
  (глобус, муляж
  анатомический,
  макет здания,
  модели
  кристаллических
  решеток и т.д.)

  Информационные
  (объекты и
  процессы в
  образной или
  знаковой форме)

• 

  4 слайд

  Информационные модели
  отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные типы структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы.
  Типы информационных моделей:
  Табличные (применяются для описания ряда объектов, обладающих одинаковым набором свойств: математические функции, статистические данные, расписания поездов и самолетов, уроков и т.д.);
  Иерархические (наглядное представление информационных моделей: структура власти в стране, генеалогическое дерево);
  Сетевые (отображают наиболее существенные отношения между объектами: схема линий метрополитена)

• 

  5 слайд

  Примеры информационных моделей

• 

  6 слайд

  Формы представления информационных моделей
  Образные
  Знаковые
  представляют собой зрительные
  образы объектов, зафиксированные
  на каком-либо носителе
  строятся с использованием различных
  языков (знаковых систем)
  Примеры:
  рисунки, фотографии,
  учебные плакаты…
  Примеры:
  программы на языке
  программирования,
  формулы, таблицы…

• 

  7 слайд

  Формализация модели
  Формализация – процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков (использование математических понятий и формул)
  Примеры описательных информационных моделей: гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник:
  Земля вращается своей ось и вокруг Солнца;
  Орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.

• 

  8 слайд

  Визуализация модели
  Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы: пространственных соотношений между объектами – чертежи, моделей электрических цепей – электрические схемы, логических моделей устройств – логические схемы и т.д.

• 

  9 слайд

  Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере
  Построение описательной модели (выделение существенных параметров);
  Создание формализованной модели (запись формул);
  Построение компьютерной модели;
  Компьютерный эксперимент;
  Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели.

• 

• 

  11 слайд

  Моделирование – исследование явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей.
  Пути построения компьютерной модели
  Создание алгоритма
  решения задачи и его
  кодирование на одном из
  языков программирования
  Формирование компьютерной
  модели с использованием
  одного из приложений (ЭТ,
  СУБД и т.д.)

• 

  12 слайд

  Этап постановки задачи
  Характеризуется тремя моментами:
  Описанием задачи;
  Определением целей моделирования;
  Формализацией задачи

• 

  13 слайд

  По характеру постановки все задачи делятся на две группы:

  Задачи типа «что будет,
  если..?»
  Задачи типа «как сделать,
  чтобы..?»
  Будет ли сладко, если в чай
  положить две чайные ложки
  сахара?
  Какого объема должен быть
  воздушный шар,
  наполненный гелием,
  чтобы он мог подняться
  вверх с грузом 100 кг?

• 

  14 слайд

  Цель моделирования
  Чтобы научиться противостоять природным стихиям;
  Чтобы получить наглядное представление о форме планеты;
  Чтобы познать окружающий мир;
  Чтобы создать объект с заданными свойствами

• 

  15 слайд

  Задача. Движение автомобиля
  Как изменится скорость автомобиля при движении? (задача типа «что будет, если..?»)
  Построение математической модели
  Цель моделирования: исследовать процесс движения автомобиля.

• 

  16 слайд

  2. Формализация модели

• 

  17 слайд

  Компьютерная модель – это модель, реализованная средствами программной среды (блок-схема, программа…)
  3. Преобразование информационной модели в компьютере

• 

  18 слайд

  Эксперимент – опыт, который производится с объектом или моделью.

  Чтобы быть уверенным в правильности получаемых результатов моделирования, надо:
  проверить разработанный алгоритм построения модели;
  убедиться, что построенная модель правильно отражает свойства оригинала, которые учитывались при моделировании.
  4. Проведение компьютерного эксперимента

• 

  19 слайд

  Конечная цель моделирования – принятие решения, которое должно быть выработано на основе анализа результатов моделирования. Это решающий этап – либо вы продолжаете исследование, либо заканчиваете. Если результаты не соответствуют целям, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. Если ошибки выявлены, то требуется корректировка модели. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты эксперимента не будут отвечать целям моделирования.
  5. Анализ результатов и корректировка исследуемой модели

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

6 265 650 материалов в базе

• Выберите категорию:

• Выберите учебник и тему

• Выберите класс:

• Тип материала:

  • Все материалы

  • Статьи

  • Научные работы

  • Видеоуроки

  • Презентации

  • Конспекты

  • Тесты

  • Рабочие программы

  • Другие методич. материалы

Найти материалы

Вам будут интересны эти курсы:

• Курс повышения квалификации «Облачные технологии в образовании»

• Курс повышения квалификации «Сетевые и дистанционные (электронные) формы обучения в условиях реализации ФГОС по ТОП-50»

• Курс повышения квалификации «Использование компьютерных технологий в процессе обучения в условиях реализации ФГОС»

• Курс повышения квалификации «Специфика преподавания информатики в начальных классах с учетом ФГОС НОО»

• Курс повышения квалификации «Применение MS Word, Excel в финансовых расчетах»

• Курс повышения квалификации «Введение в программирование на языке С (СИ)»

• Курс профессиональной переподготовки «Математика и информатика: теория и методика преподавания в образовательной организации»

• Курс повышения квалификации «Современные тенденции цифровизации образования»

• Курс повышения квалификации «Современные языки программирования интегрированной оболочки Microsoft Visual Studio C# NET., C++. NET, VB.NET. с использованием структурного и объектно-ориентированного методов разработки корпоративных систем»

• Курс повышения квалификации «Применение интерактивных образовательных платформ на примере платформы Moodle»

Моделирование и компьютерный эксперимент

Общая структура деятельности по созданию компьютерных моделей

Объект (лат. objectum — предмет) — это некоторая часть окружающего мира, рассматриваемая как единое целое. Все, что человек изучает, использует, производит, является объектом. Каждый объект имеет имя, что позволяет отличить один объект от другого (например, стол, атом, город Москва, ураган Катрин и т. п.). Конкретизировать объект можно с помощью параметров. Параметры — это признаки, которые характеризуют какое-либо свойство объекта. Они могут быть количественные (рост, вес, возраст, размер и т. п.) и качественные (форма, материал, цвет, запах, вкус и т. п.). Очень часто можно наблюдать смену состояний объекта в течение времени и, как результат, изменение параметров объекта. Говорят, что происходит некоторый процесс. Переход объекта из одного состояния в другое происходит при воздействии на него других объектов.

Модель (лат. modulus — мера; франц. modele — образец) — искусственно созданный объект в виде схем, чертежей, логико-математических знаковых формул, компьютерной программы, физической конструкции, который, будучи аналогичен (подобен, сходен) исследуемому объекту (явлению, процессу, устройству, сооружению, механизму, конструкции), отображает и воспроизводит в более простом, уменьшенном виде структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследуемого объекта, непосредственное изучение которого связано с какими-либо трудностями, большими затратами средств и энергии или просто недоступно, и тем самым облегчает процесс изучения информации об интересующем нас предмете.

Исследуемый объект по отношению к модели является оригиналом (образцом, прототипом). Модели могут создаваться как из однородного с оригиналом материала (например, макет деревянного сооружения можно сделать тоже из дерева), так и из материала, совершенно отличного от материала оригинала (например, бумажная модель самолета). Кроме того, модели могут быть нематериальными, или абстрактными (например, математическая модель самолета, компьютерная модель электрической сети).

Моделирование — это исследование каких-либо объектов (конкретных или абстрактных) на моделях. Объектом моделирования может быть объект, явление или процесс.

При создании модели стараются отразить наиболее существенные свойства объекта, а несущественные свойства отбрасываются. Например, на глобус наносятся океаны и моря, материки и крупные острова, а маленькие озера и островки на него не попадают: в масштабе глобуса они будут просто не видны.

Человек постоянно занимается моделированием, поскольку модели, упрощая объекты и явления, помогают человеку понять реальный мир. Более того, любая наука начинается с разработки простых и адекватных моделей.

Кроме материальных (предметных) моделей (игрушки, глобуса, макета дома…), существуют нематериальные — абстрактные модели: описания, формулы, изображения, схемы, чертежи, графики и т. д. С помощью математических формул описываются, например, арифметические операции, соотношения геометрии, законы движения и взаимодействия тел (S = Vt, F = mа) и многое другое. Химические формулы помогают представить молекулярный состав химических веществ и реакции, в которые они вступают. Пользуясь таблицами, графиками, диаграммами можно отображать различные закономерности и зависимости реального мира.

Все абстрактные модели не имеют физического воплощения. Абстрактные модели, которые можно представить с помощью набора знаков (геометрических фигур, символов, фрагментов текста), — это знаковые модели. Любую знаковую модель можно изобразить на бумаге. Чтобы построить знаковую модель, нужно представлять значение знаков и знать правила их преобразования. Абстрактная модель, прежде чем оформиться в виде знаковой модели, сначала рождается в голове человека. Она может передаваться человека к человеку в устной форме. В таких случаях модель еще не является знаковым образом, поскольку не имеет вида чертежа, формулы, текста. Модель в голове человека существует в форме мысленных представлений (мысленная модель). Модели, полученные в результате умозаключений, называются вербальными (лат. verbalis — устный). Вербальными называются также модели, изложенные в разговорной форме. Таким образом, все абстрактные модели можно разделить на знаковые и вербальные.

Представленная классификация моделей самая простая. Она основана на делении моделей по способу представления. Возможны и другие классификации, — например, по предметному признаку: физические, химические модели, модели строительных конструкций, различных механизмов и т. д.

Если модель формулируется таким образом, что ее можно обработать на компьютере, то она называется компьютерной. Компьютерная модель — это модель, реализуемая с помощью программных средств.

Компьютерные модели обычно различают по программному обеспечению, которое применяется при создании и работе с моделью. Для обработки компьютерных моделей используются существующие программные приложения (математические пакеты, электронные таблицы, графические редакторы и т. д.) либо разрабатываются оригинальные программы с помощью языков программирования (Ваsic, Раsсаl, Dеlpi, С++ и др.).

Моделирование с использованием компьютера предоставляет неизмеримо больше возможностей, чем простое моделирование с помощью реальных предметов или материалов. Например, применение компьютера для раскроя (листового металла, ткани и пр.) позволяет снизить до минимума потери материала. Поиск оптимального решения этой задачи с помощью шаблонов потребует значительно больше времени и средств.

Этапы создания модели

Моделирование — творческий процесс, и разложить его на какие-либо этапы и шаги очень сложно. Многие модели и теории рождаются как соединение опыта и интуиции ученого или специалиста. Однако решение большинства конкретных задач все же можно представить поэтапно.

Моделирование, в том числе компьютерное, начинается с постановки задачи. На этом этапе формулируется задача и требования, которые предъявляются к решению. Постановка задачи заключается, прежде всего, в ее описании. Задача может быть описана на обыденном языке — например, в форме вопроса «что будет, если… ?» или «как сделать, чтобы… ?». Математическую задачу описывают с помощью формул и знаков, а инженерная, экономическая задача может быть описана с помощью различных схем, графиков.

При постановке задачи нужно отразить (или хотя бы понять) цель или мотив создания модели. Одни модели создаются, чтобы разобраться в устройстве или составе того или иного объекта. Другие модели направлены на изучение возможностей управления объектом. Третьи модели ставят целью предсказать поведение объекта (задачи прогнозирования). На этапе постановки задачи полезным оказывается предварительный анализ объекта. Разложение объекта на составляющие, выяснение связей между ними позволяет уточнить постановку задачи.

За постановкой задачи следует этап разработки модели. На этом этапе необходимо выделить существенные факторы, т. е. выяснить основные свойства описываемого объекта, правильно определить связи между ними и с другими объектами окружающего мира. Анализ информации, по возможности, должен быть разносторонним и полным. Те факторы, которые оказались несущественными, могут быть отброшены.

После того как сформулированы основные свойства разрабатываемой модели, определены исходные данные и желаемый результат, наступает очень важный момент — составление алгоритма решения задачи.

При разработке компьютерной модели весьма существенным будет выбор программного обеспечения, с помощью которого выполняется моделирование. Программное обеспечение должно позволять эффективно решать задачи, подобные той, которая рассматривается. Например, для создания рисунка на компьютере нужно выбрать тот или иной графический редактор (какой именно — зависит от требуемого формата файла и приемов, которые необходимо применять при рисовании). Чтобы решить систему уравнений, нужно воспользоваться языками программирования Basic, Pascal или каким-либо другим или же использовать для решения математические пакеты. Программная среда должна соответствовать поставленной задаче — только в этом случае задача может быть успешно решена. Выбор программного обеспечения и составление алгоритма — это взаимосвязанные действия. Возможно, что для решения поставленной задачи придется разработать собственную компьютерную программу.

Когда модель разработана, можно приступать к наиболее интересному этапу — компьютерным экспериментам. В ходе этих экспериментов проверяется работа модели, а также выполняются необходимые расчеты или преобразования, ради которых и создавалась модель.

Проверка модели осуществляется обычно с помощью ее тестирования. При тестировании проверяется разработанный алгоритм функционирования модели. В качестве теста задаются исходные данные, для которых заранее известен ответ. Если ответ, полученный при тестировании, совпадает с известным ответом, а тест составлен правильно, то считается, что модель работает корректно. В противном случае нужно искать и устранять причины расхождений. Все эти действия называются отладкой модели.

После выполнения тестирования и отладки можно приступать непосредственно к моделированию. Технология моделирования может заключаться в расчете модели при различных наборах входных данных, различных параметрах.

Завершается компьютерное моделирование анализом результатов. Материалом для анализа являются результаты компьютерных экспериментов. Поэтому эксперименты должны быть проведены таким образом, чтобы получить достоверный результат. Анализ результатов может привести к необходимости уточнения модели, т. е. к повторному выполнению второго этапа и всех последующих этапов.

Этапы компьютерного моделирования можно представить в виде таблицы.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ	Описание
Мотивация
Предварительный анализ

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ	Выделение существенных факторов
Составление алгоритма
Выбор программного обеспечения
Программирование

3. КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ	Тестирование модели
Отладка модели
Расчет модели при различных входных данных

Представление и считывание данных в разных типах информационных моделей
(схемы, карты, таблицы, графики и формулы)

Многообразие объектов предполагает использование огромного количества инструментов для реализации и описания этих моделей. Для исследования большинства объектов не обязательно создавать материальные модели. Если ясно представлять цель исследования, то часто достаточно иметь нужную информацию и представить ее в оптимальной форме. В этом случае речь идет о создании информационной модели. Информационные модели — это абстрактные модели, поскольку, как известно, информация — это нематериальная категория.

Информационная модель — это целенаправленно отобранная информация об объекте, представленная в некоторой форме.

Простейшими примерами информационных моделей являются различные загадки, в которых описываются свойства, по которым нужно угадать название объекта («Летом серый, зимой белый»; «Зимой и летом одним цветом»). К информационным моделям можно отнести тексты справочных изданий, энциклопедий.

Формы представления информационных моделей могут быть различными. Наиболее известны следующие формы:

• в виде сигналов;
• устная, словесная;
• символьная (числа, текст, символы);
• табличная;
• схемы, карты;
• графики.

Один и тот же объект, в зависимости от поставленной цели, можно представить несколькими информационными моделями, отличающимися набором параметров и способом их представления. Рассмотрим примеры анализа информации для модели, представленной в табличной форме.

Пример 1. Таблица стоимости перевозок между станциями A, B, C, D, E построена следующим образом: числа, стоящие в ячейках на пересечении строк и столбцов, означают стоимость проезда между соответствующими соседними станциями. Стоимость проезда по маршруту складывается из стоимостей проезда между соответствующими соседними станциями. Если на пересечении строки и столбца пусто, то станции не являются соседними. Выбрать таблицу, для которой выполняется условие: «Минимальная стоимость проезда из А в B не больше 6».

1. 
2. 
3. 

Решение. Прежде всего, нужно отметить, что данные в таблицах симметричны относительно главной диагонали, т. е. проезд из А в В стоит столько же, сколько и из В в А.

Рассмотрим первую таблицу. Выберем все возможные варианты проезда из А в В и соответственно подсчитаем стоимости: AC(3) + CB(4); AC(3) + CE(2) + EB(2)

Примечание. В скобках указана стоимость проезда.

Стоимость, как первого, так и второго варианта маршрута равна 7.

Аналогично поступим для второй таблицы: AC(3) + CB(4); AE(1) + EC(2) + CB(4).

Как и в случае с предыдущей таблицей, стоимость как первого, так и второго варианта маршрута равна 7.

Выписываем все варианты для третьей таблицы: AC(3) + CB(4); AC(3) + CE(2) + EB(1).

Стоимость последнего варианта маршрута равна 6.

Ответ: таблица номер 3 содержит маршрут из А в В, стоимость которого не превышает 6.

Пример 2. Для заданной информационной модели, записанной в форме таблицы, построить модель в виде схемы. В ячейках на пересечении строк и столбцов таблицы указана стоимость проезда между соседними станциями. Пустые ячейки означают, что станции не являются соседними.

Решение. Отметим точку A, она должна быть соединена с C и D. Отмечаем точки C и D и соединяем их с точкой А дугами; над каждой дугой указываем стоимость проезда. Точка С должна быть соединена, кроме А, с точками В и Е. Точка D является соседней только с А. Точка В должна быть соединена, кроме С, с точкой Е. В результате можно получить следующую схему:

Математические модели (графики, исследование функций)

Знаковые модели принято делить на математические и информационные.

Математическая модель — это знаковая модель, сформулированная на языке математики и логики. Это система математических соотношений — формул, уравнений, неравенств, графиков и т. д., отображающих связи различных параметров объекта, системы объектов, процесса или явления.

Над элементами математической модели можно выполнять определенные математические преобразования. Например, в модели нахождения наименьшего числа выполняются операции сравнения, а в модели вычисления корня уравнения — различные арифметические операции. С помощью математических моделей описываются решения различных инженерных задач, многие физические процессы (движение планет, автомобиля и т. п.); технологические процессы (сварка, плавление металла и т. п.). Графики, таблицы, диаграммы позволяют отображать различные закономерности и зависимости реального мира. Например, модель развития эпидемии можно описать как с помощью формул, так и с помощью графика. Полет снаряда, выпущенного из орудия, можно математически смоделировать с помощью известных формул движения, затем построить график движения снаряда — баллистическую кривую, которая отображает реальный полет снаряда. Математически изменяя параметры снаряда или характеристики движения, можно изучать, например, вопросы увеличения дальности или высоты полета и т. п.

Как известно, не все математические задачи можно решить аналитически, т. е. получить решение в виде формул. Значительно больше задач, которые решаются приближенно, с заданной точностью, т. е. с использованием численных методов. Реализация приближенных расчетов на компьютерах позволяет повысить точность и скорость расчетов.

В настоящее время расчеты для большинства математических моделей проводят на компьютерах, используя специальные прикладные программные комплексы, которые позволяют:

• в несколько раз сократить время проведения исследований;
• уменьшить количество участников эксперимента;
• повысить точность и достоверность эксперимента, а следовательно, увеличить контроль;
• за счет средств графической визуализации, например анимации, получить реальную «картинку»;
• повысить качество и информативность эксперимента за счет увеличения числа контролируемых параметров и более точной обработки данных. На экране компьютера возможно, например, формирование целой системы приборов, которые будут отслеживать изменение параметров объекта.

Построение и использование информационных моделей реальных процессов (физических, химических, биологических, экономических)

Моделирование занимает центральное место в исследовании объекта. Компьютеры дают широкие возможности для постановки компьютерных экспериментов. Компьютерное моделирование позволяет воссоздать явления, которые в реальных условиях воспроизвести невозможно. Это, например, движение материков, эффекты землетрясений и наводнений, рождение сверхновых звезд, изменение направлений морских подводных течений и т. д. При изучении этих явлений на помощь приходят компьютеры и компьютерные программы, причем последние составляются квалифицированными программистами совместно с различными специалистами: физиками, географами, биологами, медиками и др.

Компьютерное моделирование используется также при описании и расчете экспериментов, которые выполнять в реальности не следует. Это, например, модели ядерного взрыва, пожара на предприятии, столкновения на железной дороге, военных действий и т. д. С помощью компьютерных моделей можно с достаточной точностью описать детали этих катастроф и спрогнозировать последствия.

Построение моделей позволяет осознанно принимать решения по усовершенствованию имеющихся объектов и созданию новых, изменению процессов управления ими. И, как следствие, наблюдается изменение окружающего нас мира.

Примеры информационных компьютерных моделей для различных отраслей знаний приведены в таблице.

Физика	Моделирование движения на плоскости и в пространстве, моделирование различного вида колебаний, процесса расщепления атомного ядра; моделирование работы двигателя, турбины и т. п.; моделирование магнитных, электрических явлений и т. д.
Химия	Моделирование строения молекул; моделирование процесса взаимодействия веществ; моделирование отдельных этапов химического производства; моделирование процессов нагревания или остывания различных тел и т. п.
Биология	Моделирование развития биологического объекта в зависимости от условий (например, климатических); моделирование побочных действий лекарственных препаратов; моделирование процесса распространения эпидемий; моделирование при решении задач генетики; различные модели изменения численности популяций и т. д.
Экономика	Моделирование работы предприятия, банка, отрасли экономики или экономики в целом; моделирование процесса миграции трудовых ресурсов, кризисных явлений в экономике и т. д.