Информатика / IV_Формализация_Алгоритмизация / Теория / мет_указ_СР_ФОРМАЛ

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского»

Кафедра вычислительной техники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению самостоятельных и контрольных работ по базовым основам информатики для студентов специальностей 18010062

«Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры», 19060062 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», 13100062 «Нефтегазовое дело», 15100062 «Технологические машины и оборудование» и 22040062 «Управление в технических системах»

Составила Я. В. Пафнутьева

Владивосток

2014

2

Введение

Одной из основных составляющих Болонского процесса является увеличение числа часов, отводимых на внеаудиторную самостоятельную работу обучающихся. Считается, что специалист с высшим образованием должен постоянно самостоятельно совершенствовать свои знания, чему соответствует концепция непрерывного образования (имеется в виду, что студент должен получить навыки самостоятельного овладения знаниями, их пополнения и обновления). Самостоятельная работа студентов делится на аудиторную и внеаудиторную.

Внеаудиторная самостоятельная работа определяется как способ активного, целенаправленного приобретения обучающимся новых для него знаний и умений без непосредственного участия в этом процессе преподавателя. Внеаудиторная самостоятельная работа обучающихся – планируемая учебная, учебно-исследовательская или научно-исследовательская работа, выполняемая во внеаудиторное время по заданию и при методическом руководстве преподавателя, но без его непосредственного участия.

Дидактические цели самостоятельных внеаудиторных занятий: систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений; углубление и расширение теоретических знаний; формирование компетенций; развитие познавательных способностей; развитие активности: творческой инициативы, самостоятельности, ответственности и организованности; формирование самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации; развитие исследовательских умений.

В Концепции модернизации российского образования обозначена задача - подготовка компетентного специалиста. Решение этой задачи видится через реорганизацию учебного процесса, обеспечивающего возрастающую долю самостоятельной работы и создание новых дидактических подходов к освоению учебного материала.

Самостоятельная работа – это такое средство обучения, которое:

формирует у студента на каждом этапе его движения от незнания к знанию необходимый объем и уровень знаний, навыков и умений для решения определенного класса познавательных задач и продвижение от низших к высшим уровням мыслительной деятельности;

вырабатывает психологическую установку на самостоятельное систематическое пополнение своих знаний и выработку умений ориентироваться в потоке информации при решении новых познавательных задач;

является важнейшим условием самоорганизации и самодисциплины обучающегося в овладении различными методами профессиональной деятельности;

является важнейшим орудием педагогического руководства и управления самостоятельной познавательной деятельностью студента в процессе обучения.

3

Самостоятельной можно считать только ту работу, которая требует от обучающегося активности и самостоятельности. Эта работа выполняется при отсутствии точного инструктажа, разъяснения со стороны преподавателя, без контроля в открытой форме за ее выполнением.

Она требует сосредоточенности, умственных и практических действий, самостоятельности, степень которой зависит не только от содержания материала, но и от индивидуальных возможностей студента. Поэтому даже самые простые виды самостоятельных работ обуславливают действия, которые приходятся совершать самостоятельно. Одна из особенностей самостоятельной работы – это побуждение и вовлечение студентов в процесс активного учебного и научного познания.

Данное учебно-методическое пособие охватывает все основные разделы аудиторной и внеаудиторной самостоятельной работы, предлагаемые для выполнения кафедрой вычислительной техники студентам и курсантам технических специальностей морской академии и института защиты моря и охраны шельфа.

Раздел № 1 «Информационное моделирование»

Построение модели любого объекта, явления или процесса требует обязательного выделения составляющих его элементов и связей между ними. Таким образом, необходимо провести системный анализ, а затем перевести (отобразить) полученную структуру в какую-либо заранее определенную форму, т.е. формализовать информацию.

Формализация – это процесс выделения и перевода внутренней структуры предмета, явления или процесса в определенную информационную структуру – форму.

Формализация – это первый и очень важный этап процесса моделирования. Модели отражают самое существенное в изучаемых объектах, процессах и явлениях, исходя из поставленной цели моделирования. В этом за-

ключается главная особенность и основное назначение моделей.

Общеизвестно, что единицей измерения температуры является градус, измеренный по шкале Цельсия или Фаренгейта. По сути, мы заменяем одно из погодных условий его оценкой с помощью простейшей модели. Отношение «теплее» формально заменено на отношение «больше», имеющее смысл во множестве действительных чисел. Получаемые цифры (в градусах) – это, по сути, модель, дающая представление об одной из главных характеристик воздушных масс.

В любом технологическом процессе на начальном этапе целесообразно четко представить себе пункты деятельности, включая исходный пункт, и примерные этапы с получением промежуточных данных и конечного результата. Процесс моделирования не является исключением. Конечным этапом моделирования является принятие решения на основании знаний об объекте, процессе или явлении:

4

Примером использования моделирования при создании новых технических средств может служить вся история развития техники. Для некоторых разработок и перехода от моделей к реальным объектам время до сих пор еще не пришло.

Одним из таких ярких примеров является человек, обогнавший свое время, – физик Никола Тесла. Многие изобретения Н. Теслы до сих пор хра-

нятся правительством США под грифом "Совершенно секретно". Он настолько обогнал науку, что многие из его опытов учёные не могут повторить даже теперь, спустя более 100 лет. Н. Тесла считается одним из гениев 20 века. Ему была присуждена Нобелевская премия, получать которую физик отказался. Создание климатического оружия – побочная современная ветвь военных технологий, основывающаяся на его разработках.

Тесла открыл переменный ток, флуоресцентный свет, беспроводную передачу энергии, построил первые электрические часы, турбину, двигатель на солнечной энергии, он предсказал возможность лечения больных током высокой частоты, появление электропечей, люминесцентных ламп, электронного микроскопа и т.д. Тесла – автор более 800 изобретений (хотя запатентовано им всего лишь 300).

В последние годы жизни физик работал над конструированием искусственного разума. И хотел научиться фотографировать мысли, считая это вполне возможным.

Тесла в 1893 году построил первый волновой радиопередатчик, на многие годы опередив Г. Маркони (в 1943 году Верховный суд США подтвердил приоритет Н. Теслы). Хотя в современных домах течёт переменный ток, мы пользуемся всё теми же двигателями внутреннего сгорания, и сам ток доходит к нам лишь по проводам. Это всё очень далеко от того, что Тесла мог делать более 100 лет назад, и чего современная физика не может объяснить до сих пор.

Ещё в 1900–х годах Тесла мог получить ток 100 млн. ампер и напряжение 10 тыс. вольт. И поддерживать такие характеристики любое необходимое время. Современная физика достичь таких показателей пока не в состоянии.

Модель катушек Н. Теслы:

5

Объект – оригинальное противоугонное средство, работающее по принципу катушек Н. Теслы:

6

Современная компьютерная модель фотосинтеза создана учёными из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign — UIUC).

Первая в мире компьютерная модель растения даёт больше листьев и плодов без внесения дополнительного количества удобрений. Такое стало возможным благодаря созданию модели эволюционного процесса. Целью моделирования являлся ответ на вопрос Стивена Лонга: "А можем ли мы спрогнозировать такие искусственные условия, в которых растение будет обладать гораздо большей урожайностью, нежели в природе?"

С помощью фотосинтеза растения, фитопланктон и некоторые бактерии преобразуют энергию солнца в химическую энергию своих клеток. При этом идёт целая цепь реакций с участием десятков белков-ферментов и других химических компонентов.

Компьютерная модель учёных имитирует все этапы процесса фотосинтеза. И хотя исследователи потратили на её создание много времени и средств, такой результат получить значительно легче и дешевле, чем, если бы пришлось изучать влияние каждого белка в отдельности в реальном ли-

сте.

Все вышесказанное подтверждает тезис о том, что моделирование – это, в первую очередь, творческий процесс. И заключить его в формальные рамки бывает достаточно трудно.

Процесс моделирования в общем виде можно представить поэтапно:

7

1 ЭТАП. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ОПИСАНИЕ ЗАДАЧИ ЦЕЛЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНАЛИЗ ОБЪЕКТА

2 ЭТАП. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ

ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЗНАКОВАЯ МОДЕЛЬ КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ

3 ЭТАП. КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ПЛАН МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

4 ЭТАП. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ	РЕЗУЛЬТАТЫ
СООТВЕТСТВУЮТ	НЕ
ЦЕЛИ	СООТВЕТСТВУЮТ
	ЦЕЛИ

При решении конкретных задач данная схема может подвергаться некоторым изменениям: блок может быть убран, усовершенствован или до-

бавлен. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования.

На этапе разработки модели выясняются свойства, состояния, действия и другие характеристики элементарных объектов в любой форме: устно, в виде схем, таблиц. Формируется представление об элементарных объектах, составляющих исходный объект, т. е. информационная модель.

Все модели должны отражать наиболее существенные признаки, свойства, состояния и отношения объектов предметного мира, но именно информационные модели дают наиболее полноценную информацию об объекте. Пример информационной модели студента:

ФИО	Дата рождения	ВУЗ	Факультет	Курс	Балл ЕГЭ

8

Петров М.С.	11.08.95г.	МГУ им. Невельского	МТФ	1	156

Прежде чем приступить к процессу моделирования, человек делает предварительные наброски чертежей либо схем на бумаге, выводит расчетные формулы, т. е. составляет информационную модель в той или иной знаковой форме. Знаковая форма может быть либо компьютерной, либо некомпьютерной.

Компьютерная модель – это модель, реализованная средствами любой программной среды.

Если модель описывается на естественном языке, то она называется знаковой описательной моделью.

В тестовых заданиях интернет-экзамена ФЭПО достаточно большое количество вопросов посвящено теме моделирования. Примеры:

1.Метод Монте-Карло относится к методам ____________ моделирования: графического, аналитического, логического, статистического? Правильный ответ: статистического моделирования.

2.Для моделирования движения идеального маятника используются: статистические зависимости, методы теории вероятностей, методы математической логики, дифференциальные уравнения? Правильный ответ: дифферен-

циальные уравнения.

3.Информационная модель родословной собаки – это:

сетевая модель;

двоичное дерево;

семантическая сеть;

нейронная сеть.

Правильным выбором-ответом является второй вариант – двоичное дерево. Построение подобных моделей подробно описано в разделе «Неравномерное кодирование на примере метода Шеннона-Фано и вычисление количества и меры сжатия информации».

В результате исследования и последовательного деления частот встречаемости символов во фразе «Данные – это зарегистрированные сигналы» получалась битовая неравномерная кодировка символов (как пример так называемой дихотомии данных) и строилось кодовое дерево (также называ-

емое битовым или двоичным деревом):

9

4.Результатом процесса формализации является модель:математическая;вербальная;описательная;

материальная.

Правильным выбором-ответом является первый вариант – результатом формализации является математическая модель.

5.Выбрать соответствие, где правильным ответом-выбором является первый, отмеченный красным кружком:

Правильный выбор-ответ представлен таблицей:

			10
1	Моделируемый процесс	C	Движение автомобиля по трассе
2	Моделируемый объект	A	Автомобиль
3	Цель моделирования	B	Увеличение скорости автомобиля
4	Моделируемые характеристики	D	Форма автомобиля и сопротивление воз-
			духа

Задача «Построение информационной модели»

В процессе ее решения необходимо сформулировать цель моделиро-

вания с точки зрения субъекта моделирования, выделить свойства задан-

ного объекта, определить существенные с точки зрения цели моделирования и построить информационную и знаковую (где это возможно) модели. При исследовании модели необходимо заполнить таблицу вида:

Субъ-	Объект мо-	Цель мо-	Свой-	Суще-	Форма	Мо-
ект (S)	делирова-	делирова-	ства	ственные	представ-	дель
	ния (O)	ния	объекта	свойства	ления мо-
					дели

При выполнении задачи процесс моделирования происходит на уровне 1 и 2 этапов (см. схему выше). Варианты заданий:

1. S – сборщик налогов, О – земельный участок.

Решение. В связи с тем, что субъект моделирования – это сборщик налогов, а объектом моделирования является земельный участок, то целью моделирования будет определение суммы взимаемого налога с площади участка.

Среди свойств объекта, таких как место расположения земельного участка; перечень растений, растущих на нем; качество почвы; форма участка и его размеры; стоимость квадратного метра земли; наличие дома и др. выделим существенные с точки зрения поставленной цели. Такими свойствами будут форма участка (прямоугольник), его размеры – длина (а) и ширина (b) и стоимость квадратного метра земли (р).

Наиболее удобной формой представления существенных выделенных свойств является знаковая модель – формула. Следовательно, модель, соответствующая поставленной цели, – S = a b p. При занесении данных в таблицу, получится следующий результат:

Субъект (S)	Объект моделирования (O)	Цель моделирования	Свойства объекта			Существенные свойства	Форма представления модели	Модель
Сбор-	Земель	Опре-	Место	располо-	Форма участ-		Формула	S = abp
щик	мель-	де-	жения;	перечень	ка	(прямо-
нало-	ный	лить	растений; каче-		угольник);