Классификация моделей по способу представления

9 класс
Урок № 14
Тема: Классификация моделей по способу представления
Цели урока:
 Объяснить способы классификации моделей;
 Развивать логическое мышление, кругозор, память;
 Воспитывать чувство ответственности.
Задачи урока:
 изучение понятие «классификация»;
 объяснение способа классификации моделей по способу применения.
Структура урока:
1. Орг. Момент (2 мин.)
2. Проверка домашнего задания (8 мин.)
3. Изложение нового материала (13 мин.)
4. Физкультминутка (1 мин.)
5. Закрепление изученного материала (5 мин.)
6. Практическая работа(12 мин.)
7. Подведение итогов (2 мин.)
8. Домашнее задание (2 мин.)
Ход урока:
1. Орг. Момент
2. Проверка домашнего задания
1. По каким признакам можно классифицировать модели?
2. Приведите примеры применяемых в вашей школе учебных моделей.
3. Можно ли стратегическую компьютерную игру назвать игровой моделью? Чему
учат такие игры?
4. По какому признаку модели делятся на статические и динамические?
3. Изложение нового материала
Подробнее рассмотрим классификацию всего многообразия моделей по способу
представления. Схема такой классификации изображена на рисунке 10.3.
В соответствии с ней модели делятся на две большие группы: материальные и
абстрактные (нематериальные). Эти две группы как бы характеризуют то, «из чего
сделаны модели». И материальная, и абстрактная модели содержат информацию об
исходном объекте. Только в случае материальной модели эта информация имеет реальное
воплощение — цвет, форму, пропорции и т. п. Ее можно получить с помощью органов
чувств: зрения, осязания, обоняния, а также воспользовавшись измерительными
приборами и инструментами. В нематериальной модели та же информация представляется
в абстрактной форме (мысль, формула, чертеж, схема).
1
Материальная и абстрактная модели могут отражать один и тот же прототип и
взаимно дополнять друг друга. Некоторые из вас видели в цирке эффектный номер с
мотоциклистом, движущимся с большой скоростью по отвесной стене. В аттракционе
«Сюрприз» в парке культуры и отдыха кабинки с людьми вращаются на большой
скорости в вертикальной плоскости. Причина, почему удерживается мотоциклист и не
выпадают из кабинок люди, объясняется центробежными силами, действующими на
каждый объект при вращении. Их можно изобразить на чертеже и описать формулами.
Это различные абстрактные формы представления информации. Не каждому они
понятны. Однако этот процесс можно продемонстрировать и на примере простейшего
опыта. Возьмите ведро с водой и раскрутите его. Вода не выливается благодаря действию
тех же сил. Этот опыт наглядно убеждает, что, действительно, возникают какие-то силы
при вращении. На аттракционе вы имеете возможность почувствовать их на себе. Так
материальная модель помогает понять суть сложного физического процесса. Приведем
еще один пример. Модель маятника в виде камушка, подвешенного на нити, наглядно
показывает, что при колебаниях плоскость движения остается неизменной. Это —
материальная модель. С другой стороны, неизменность плоскости можно доказать на
основании 2-го закона Ньютона, рассматривая силы, действующие на маятник. Это
абстрактная модель. И в том и в другом варианте объектом изучения является маятник. В
первом случае моделируется и сам объект «маятник», и его действие — колебание, а во
втором — абстрактная модель описывает только действия.
Кстати, с помощью той же материальной модели можно продемонстрировать еще
один процесс — вращение Земли. В недавнем прошлом в Исаакиевском соборе
Ленинграда висел маятник Фуко, на полу был нанесен своеобразный циферблат.
Плоскость движения маятника не менялась, а циферблат вращался вместе с Землей. Через
некоторое время можно было заметить смещение делений циферблата по отношению к
маятнику.
Материальные модели
Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они
всегда имеют реальное воплощение. Такие модели могут отражать:
внешние свойства исходных объектов;
внутреннее устройство исходных объектов;
суть процессов и явлений, происходящих с объектами-оригиналами.
Самыми простыми примерами материальных моделей являются детские игрушки.
По ним ребенок узнает внешние свойства окружающих объектов. Разбирая некоторые
игрушки в процессе игры (например, машинку), он получает первое представление об
устройстве исходного объекта и даже о принципах его работы.
Процессы, в которых участвует реальный объект, в материальной модели могут
быть заменены процессами другой физической природы. Например, в той же детской
машинке процесс движения обеспечивается не работой двигателя внутреннего сгорания, а
закрученной пружиной или инерционным механизмом. Но при этом принцип
преобразования вращательного движения колес в поступательное движение автомобиля
соблюдается.
Материальные модели могут не походить на свои прототипы. Например, робот,
заменяющий людей на тяжелом и вредном производстве, совершенно не похож на
человека. Это механическое устройство, манипулятор. Только в детских книжках и
мультфильмах робота представляют как механического человека.
Так как материальные модели помогают узнать свойства реальных объектов и
понять «механизм» сложных явлений, они часто используются в процессе обучения.
Материальными моделями являются скелет человека и чучело птицы в кабинете
2
биологии, объемная модель Солнечной системы и макет многоступенчатой ракеты в
кабинете астрономии, наклонная плоскость с шарами в кабинете физики и т. д.
К материальным моделям относятся не только школьные пособия, но и различные
физические и химические опыты. В опытах моделируются действия над объектами,
например реакция (действие) между водородом и кислородом (веществами, объектами
исследования). Эта реакция даже при малых количествах исходных веществ происходит с
оглушительным хлопком. Модель является предупреждением о последствиях
возникновения «гремучей смеси» из безобидных и широко распространенных в природе
веществ.
Создание
и
использование
материальных
моделей
относится
к
экспериментальному методу познания окружающего мира.
Абстрактные (нематериальные) модели
Абстрактные модели нельзя потрогать, они не имеют вещественного воплощения.
Основу таких моделей составляет информация, а такой тип моделирования реализует
теоретический метод познания окружающей действительности.
Основанием для дальнейшей классификации абстрактных моделей выберем
возможность их реализации и исследования при помощи компьютера. По этому признаку
выделяются следующие подклассы:
мысленные и вербальные;
информационные.
Мысленные и вербальные модели
Мысленные модели формируются в воображении человека в результате раздумий,
умозаключений, иногда в виде некоторого образа. Примером мысленной модели является
модель поведения при переходе через дорогу. Человек анализирует ситуацию на дороге
(какой сигнал подает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они
движутся и т. п.) и вырабатывает модель поведения. Если ситуация смоделирована
правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти дорожнотранспортное происшествие.
Такие модели сопутствуют любой сознательной деятельности человека. Собираясь
делать покупки, человек мысленно представляет, что и сколько можно купить на
имеющуюся у него сумму. Строя планы на отпуск, он мысленно проигрывает различные
варианты отдыха и возможные затраты. Ожидая транспорт на остановке, прикидывает, как
быстрее добраться до нужного места.
К моделям такого типа можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и
музыкальную тему, промелькнувшую в мыслях у композитора, и рифму, родившуюся в
голове поэта. Во всех приведенных примерах модели предшествовали созданию объекта
(нового устройства, музыкального произведения, стихотворения), являлись одним из
этапов творческого процесса. Подобные модели могут возникнуть у зрителя, слушателя,
читателя как реакция на уже существующие объекты (музыку, картину, поэму).
Мысленная модель может быть выражена в разговорной форме. В этом случае она
часто называется вербальной (от лат. ver-balis — устный). Вербальную модель человек
использует для передачи своих мыслей другим.
Информационные модели
3
Образы, возникающие у разных людей как реакция на одни и те же объекты и
явления, могут сильно различаться. Поэтому образная модель очень индивидуальна и не
отображает прототип с достаточной степенью достоверности. Невозможно получить
впечатление от музыкального произведения, услышав не музыку, а рассказ о ней.
Чтобы информацию можно было использовать для обработки на компьютере,
необходимо выразить ее при помощи системы знаков, то есть формализовать. Правила
формализации должны быть известны и понятны тому, кто будет создавать и
использовать модель.
Поэтому наряду с вербальными и мысленными моделями используются более
строгие — информационные модели.
Существуют разнообразные системы условных обозначений, символов,
соглашений, относящихся к разным областям деятельности и пригодных для описания
моделей. Подобную систему и правила использования ее элементов называют языком.
Язык может быть разговорным, алгоритмическим, математическим, языком кодирования
и пр.
Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разную форму
представления, выражаться различными средствами. По степени формализации, строгости
описания это многообразие можно условно разделить на образно-знаковые и знаковые
модели.
Ярким примером образно-знаковой модели является географическая карта. Цвет и
форма материков, океанов, гор, изображенных на карте, сразу подключает образное
мышление. По цвету на карте можно сразу оценить рельеф. Например, с голубым цветом
у человека ассоциируется вода, с зеленым — цветущий луг, равнина. Карта изобилует
условными обозначениями. Зная этот язык, человек может получить достоверную
информацию об интересующем его объекте. Информационная модель в этом случае будет
результатом осмысления сведений, полученных при помощи органов чувств и
информации, закодированной в виде условных изображений.
То же можно сказать о живописи. Неискушенный зритель воспримет картину
душой, в виде образной модели. Но существуют некоторые художественные языки,
соответствующие различным живописным жанрам и школам: сочетание цветов, характер
мазка, способы передачи воздуха, объема и т. д. Человеку, знающему эти условности,
легче разобраться в том, что имел в виду художник, особенно если произведение не
относится к реализму. При этом общее восприятие картины (информационная модель)
станет результатом осмысления информации как в образной, так и в знаковой формах.
Еще один пример такой модели — фотография. Фотоаппарат позволяет получить
изображение оригинала. Обычно фотография дает нам довольно точное представление о
внешнем облике человека. Существуют некоторые признаки (высота лба, посадка глаз,
форма подбородка), по которым специалисты могут определить характер человека, его
склонность к тем или иным поступкам. Этот специальный язык формируется из сведений,
накопленных в области физиогномики и собственного опыта. Знающие врачи, взглянув на
фото незнакомого человека, увидят признаки некоторых заболеваний. Задавшись разными
целями, по одной и той же фотографии можно получить различные информационные
модели. Они будут результатом обработки образной информации, полученной при
4
разглядывании фотографии, и информации, сложившейся на основе знания специального
профессионального языка.
По форме представления образно-знаковых моделей среди них можно выделить
следующие группы:
 геометрические модели, отображающие внешний вид оригинала (рисунок,
пиктограмма, чертеж, план, карта, объемное изображение);
 структурные модели, отображающие строение объектов и связи их
параметров (таблица, граф, схема, диаграмма);
 словесные модели, зафиксированные (описанные) средствами естественного
языка;
 алгоритмические модели, описывающие последовательность действий.
Знаковые модели можно разделить на следующие группы:
 математические модели, представленные математическими формулами,
отображающими связь различных параметров объекта, системы или
процесса;
 специальные модели, представленные на специальных языках (ноты,
химические формулы и т. п.);
 алгоритмические модели, представляющие процесс в виде программы,
записанной на специальном языке.
4. Физкультминутка
1. Исходное положение – сидя на стуле. 1–2. Плавно наклонить голову назад, наклонить
голову вперед, не поднимая плеч. Повторить 4–6 раз. Темп медленный.
2. Исходное положение – сидя, руки на поясе. 1. Поворот головы вправо. 2. Исходное
положение. 3. Поворот головы влево. 4. Исходное положение. Повторить 6–8 раз. Темп
медленный.
3. Исходное положение – стоя или сидя, руки на поясе. 1–2. Взмахом левую руку занести
через правое плечо, голову повернуть влево.
4. Исходное положение. 4–5. То же повторить правой рукой, поворачивая голову вправо.
6. Исходное положение. Повторить 4–6 раз. Темп медленный.
5. Закрепление изученного материала
 Что такое материальные модели? Приведите примеры.
 К какому типу моделей вы бы отнесли былины? Что они моделируют?
 Какие образные модели возникают у вас, когда, входя в дом, вы чувствуете
какой-либо запах?
 Что такое информационные модели? Из чего они «сделаны»?
 Школьные учебники истории содержат схемы военных сражений. Можно ли их
назвать моделями? К какому типу моделей их можно отнести?
 Что такое математическая модель? Приведите примеры.
6. Практическая работа. «Моделирование в среде текстового процессора»
7. Подведение итогов
8. Домашнее задание. Повторение темы компьютерный эксперимент
5