14. Учебное компьютерное моделирование.

Существенная роль при обучении в области компьютерных наук выполняет применение современных методов изучения архитектурной организации и анализа системной производительности компьютерных систем (КС). В этом смысле, применение методов моделирования в процессе изучения базовых структур различных КС и организации компьютерных процессов позволяет разработать подходящее математическое описание исследуемого объекта и создать программное обеспечение для выполнения компьютерных экспериментов. Анализ экспериментальных результатов моделирования позволяет оценить основные характеристики системы и производительность изучаемых КС. Применение моделирования в процессе изучения КС позволяет исследовать особенности архитектуры и организацию вычисления и управления. Это можно осуществить на основе модельного эксперимента, организация которого предполагает проектирование компьютерной модели как последовательности трех компонентов (концептуальная модель, математическая модель, программная модель) и реализации этой модели в подходящей операционной среде. Основная цель состоит в определении обобщенной процедуры компьютерного моделирования как последовательность взаимосвязанных этапов и представлении основных стадий методологии модельного исследования.

Содержание образования по теме описано в учебных стандартах в линии формализации и моделирования. Изучение учебного материала данной содержательной линии обеспечивает учащимся возможность:

получить представление о моделировании как методе научного познания;
понять основные принципы формализации и подходы к построению компьютерных моделей.

Учащиеся должны:

иметь представление о сущности формализации и методе моделирования;
уметь построить простейшие модели и исследовать их с использованием компьютера.

Компьютерное моделирование предполагает рассмотрение следующих вопросов: «Понятие «плохо» и «хорошо» поставленной задачи. Модель задачи. Понятие компьютерной и математической моделей задачи. Построение модели: выделение предположений, на которых будет основана модель (постановка задачи), определение исходных данных в задаче и результатов, установление соотношений, связывающих исходные данные и результаты.

Проверка адекватности построенной модели. Неоднозначность выбора модели «плохо» поставленной задачи. Понятие о компьютерном эксперименте. Цикл построения компьютерной модели.

Содержательная компонента образования школьного курса «Моделирования» сильно различается в зависимости от уровня подготовки учителя, типа классного ПЭВМ, выбранного в качестве основного учебного пособия. Наибольшего внимания заслуживает метод моделирования, позволяющий проводить вычислительный эксперимент с помощью компьютера. Его последовательное и систематическое применение позволяет сблизить методологию учебной деятельности с методологией научно - исследовательской работы, дает возможность обучаемому освоить не только конкретный учебный курс, но и сам метод моделирования, что особенно актуально для высшего образования и завершающей стадии среднего образования.

Роль моделирования (в том числе математического) повышается по мере продвижения обучаемого по ступеням системы непрерывного образования. Систематическое применение методов моделирования увеличивает удельный вес самостоятельной работы, практических и лабораторных занятий.

Понятие «модель» в педагогической практике трактуется как некоторый объект, в каком - то отношении подобный оригиналу. «Учебная компьютерная модель (УКМ) представляет собой программную среду, объединяющую в себе на основе математической модели явления или процесса средства интерактивного взаимодействия с объектом исследования и развитые средства отображения информации».

УКМ - мощное инструментальное программное средство, но оно не в состоянии заменить учителя на уроке. УКМ - это эффективное средство познавательной деятельности учащихся, доступность которого открывает для учителя широкие возможности по совершенствованию урока. Однако возможности эти скорее содержательные, чем организационные. Учитель - предметник с помощью УКМ может обращаться к тем аспектам базовой науки, которые раньше были недоступны учащимся из-за сложности, невоспроизводимости, необходимости большего времени на изложение и усвоение, недостаточной наглядности и т. п.

В качестве классификационных критериев можно взять: 1) способ управления УКМ; 2) вид визуально отображаемой информации; 3) наличие звукового сопровождения.

Разделение УКМ по способу управления позволяет выделить среди них две группы: управляемые без участия пользователя (демонстрационные модели) и управляемые пользователем (позволяют организовать учебный вычислительный эксперимент): а) с числовым управлением (задание конкретных значений параметров моделируемого объекта); б) нечисловое (структурное изменение моделируемого объекта с помощью клавиш управления курсором, «мыши» и пр.); в) смешанное управление.

Классификация УКМ по виду визуально отображаемой информации позволяет выделить следующие группы:

цифровые (реализуемые на программируемых микрокалькуляторах);
модели в виде таблиц или отдельных значений параметров, характеризующих изучаемый объект;
графические с последующим разделением на статические (графики, схемы, рисунки) и динамические (модели, содержащие движущиеся элементы, которые имитируют поведение моделируемого объекта или отдельных его частей);
текстовые (отображающие происходящие с объектом моделирования изменения в виде отдельных сообщений или групп таких сообщений);
смешанные (включающие в себя различные сочетания элементов, относящихся к одной из трех рассмотренных выше групп).

Дополнительные звуковые сигналы УКМ могут быть эффективно использованы для имитации акустических особенностей протекания моделируемых процессов, а также для акцентирования внимания учащегося на различных аспектах работы с УКМ.

Этапы моделирования

Определение целей

Огрубление объекта