Тема 3.3. Технологии информационного моделирования

Развитие информационных технологий и средств информатизации способно кардинальным образом повлиять на интенсивность и качество обучения в любом учебном заведении. Компьютеры и связанные с ними программные средства не только расширяют возможную экспериментально-практическую базу для организации обучения самым разным дисциплинам, но и дополняют содержание образования за счет ознакомления обучаемых с особенностями функционирования, возможностями и направлениями практического использования средств информатизации в областях будущей профессиональной деятельности школьников и студентов.

Одной из возможных информационных технологий вносящих существенный вклад в информатизацию образования является технология информационного моделирования. Человек издавна использует моделирование для исследования объектов, процессов и явлений, непосредственное исследование которых затруднено, нецелесообразно или даже опасно. В качестве примера достаточно привести изучение работы синхрофазотрона или исследование сейсмоустойчивости зданий и сооружений.

Построение и исследование моделей необходимо для:

· определения и улучшения характеристик реальных объектов и процессов;

· понимания сути явлений и выработки умения приспосабливаться или управлять ими;

· конструирования новых или модернизация старых объектов;

· принятия обоснованных и продуманных решений;

· предвидения последствий своей деятельности;

· получение на основе модели новой информации об объекте;

· интеграция и систематизация информации об объекте;

· сохранение и передача информации об объекте моделирования.

В развитии теории и практики моделирования задействованы научные исследования из различных областей философии, философской и математической логики, психологии, педагогики, математики, семиотики и информатики. С помощью этих наук строятся и исследуются модели, используемые человеком для представления знаний и решения задач из разных предметных областей, специальные методы представления информации для построения электронных компьютерных средств, задействованных при автоматизации решения задач информационного характера.

Моделирование представляет собой метод познания окружающего мира, информационных процессов, протекающих в природе и обществе. В процессе моделирования в определенной предметной области человеческого знания строится модель, которая может рассматриваться как эмпирический или абстрактный образ предмета изучения. Более того, из психологии следует, что получение человеком знаний о предмете изучения предполагает формирование в сознании человека различных моделей этого предмета. Моделирование предполагает построение и изучение моделей реально существующих и идеальных предметов и явлений. На сегодняшний день моделирование приобрело общенаучный характер и применяется в исследованиях живой и неживой природы, в науках о человеке и обществе, в формировании подходов к построению новых педагогических систем и технологий информатизации образования.

Может возникнуть вопрос, почему бы не исследовать сам оригинал? Зачем создавать его модель? Но ведь в то время, когда происходит исследование объект, процесс или явление могут уже не существовать.

Для моделирования время не помеха. На основании известных фактов методом гипотез и аналогий, применяя средства информатизации, можно построить модель событий или природных катаклизмов далекого прошлого и использовать их в обучении истории или биологии. Так, например, родились возможно использование компьютерных информационных моделей демонстрирующих ход строительства пирамид в древнем Египте или процесс возникновения жизни на Земле. С помощью моделирования можно заглянуть в будущее и продемонстрировать возможные глобального потепления.

Моделируемый объект может быть очень большим (как, например, модель Земли), либо очень малым (модель движения электронов в атоме), либо абстрактным (моделирование процессов, происходящих в обществе).

Оригинал может иметь много свойств и взаимосвязей. Чтобы глубоко изучить какое-то одно конкретное свойство, иногда полезно отказаться от менее существенных свойств и не учитывать их. Примером может служить компьютерная модель траектории полета самолета, в рамках которой не учитываются тип самолета, его форма или цвет.

Моделирование оправданно и в том случае, если исследуемый процесс протекает слишком быстро (примером может служить модель функционирования двигателя внутреннего сгорания) или очень медленно (в качестве примера можно привести модель развития растения).

В ряде случаев моделирование помогает сохранить объекты, реальное исследование которых неминуемо привело бы к разрушению или порче этих объектов (исследование последствий автомобильных аварий).

Информационная модель – это приближенное описание и возможная демонстрация какого либо объекта, процесса или явления, значимые с точки зрения целей изучения и реализованные с помощью средств информационных технологий

В ходе информатизации образования особое внимание должно быть уделено внедрению информационных моделей во все сферы образовательной деятельности. Использование компьютеров, информационных технологий и информационных моделей в сфере образования становится неразрывным. Естественно ввести понятие информационного моделирования, отражающего специфику использования информационных моделей.

Информационное моделирование – это исследование объектов, явлений или процессов на их информационных моделях

В настоящее время существует уже достаточно сформированная теория построения информационных моделей, основные положения которой представляют интерес с точки зрения исследования процессов информатизации образования. Из теории информационного моделирования следует, что информационная модель выступает как совокупность взаимосвязанных описаний понятий о предмете изучения на основе применения знаковых систем. В информационной модели отражаются качественные и количественные свойства объектов, составляющих предмет изучения, а также логические, функциональные, пространственные и временные отношения между ними.

Адекватность информационной модели фактическому состоянию моделируемой области или объекта может быть повышена за счет учета в структуре описания модели динамических свойств наряду со статическими свойствами оригинала. Кроме этого, в реализации адекватного описания объекта исследования на основе выбранной модели важную роль играет свойство ее непротиворечивости. Для выполнения этого свойства должна отсутствовать возможность существования избыточности в ее описании.

Технологии информационного моделирования могут быть различными. Так, например, в ходе изучения химии возможно использование компьютерных программ, реализующих информационные модели протекания химических реакций. При этом часть моделей может функционировать на уровне формул, не демонстрируя учащимся реальные химические процессы, которые происходили бы, если бы на занятии проводились химические опыты с настоящими веществами. Другой класс информационных моделей, используя возможности современных средств информатизации и, в частности, технологий мультимедиа и виртуальной реальности, позволяет наглядно продемонстрировать обучаемым все особенности реальных химических опытов. Важно отметить, что оба вида информационных моделей в равной степени могут допускать участие педагогов и обучаемых в выборе типов и особенностей исследуемых реакций.

Благодаря информационным моделям, реализуемым с помощью компьютеров, на занятиях по математике становится возможным наглядное изучение геометрических тел и построение их сечений согласно параметров, оперативно изменяемым педагогом или обучаемым. Эти же технологии, примененные на занятиях по физике, дают возможность исследовать оптические свойства линз, а при изучении истории – создать компьютерную «ленту времени».

В ходе информатизации образования следует акцентировать внимание на создании обобщенных мультимедийных информационных моделей целых классов технических объектов, на создании всевозможных имитационных лабораторных установок, тренажеров и виртуальных моделей.

Технологии информационного моделирования позволяют расширить границы экспериментальных и теоретических исследований, дополнить физический эксперимент вычислительным экспериментом. В одних случаях моделируются объекты исследования, в других – измерительные установки. Такие технологии и соответствующие средства информатизации позволяют сократить затраты на приобретение дорогостоящего лабораторного оборудования, снижается уровень безопасности работ в учебных лабораториях, появляется возможность исследования объектов, процессов или явлений, непосредственное изучение которых по тем или иным причинам невозможно в стенах учебного заведения.

Информационные модели, как правило, не являются универсальными. Каждая из них рассчитана на моделирование достаточно узкого круга объектов, явлений или процессов. Основанные на технологии математического моделирования, информационные модели могут быть использованы не только для демонстрации трудно воспроизводимых в учебной обстановке явлений, но и для интерактивного выяснения степени влияния тех или иных параметров на моделируемую ситуацию. Данное свойство позволяет использовать информационные модели в качестве имитаторов лабораторных установок, а также для отработки навыков управления моделируемыми процессами, как это происходит в случае с обучением пилотированию самолетов или космических кораблей.

Современные средства информатизации позволяют не только работать с готовыми информационными моделями объектов, явлений или процессов, но и производить конструирование таких моделей из отдельных элементов и модулей. В качестве примера можно привести возможное объединение отдельных информационных моделей функционирования устройств, входящих в состав компьютера в единую информационную модель работы компьютера. Использование такой модели позволило бы повысить эффективность обучения информатике.

Важно понимать, что создание технологий и средств информационного моделирования для системы образования должно проводиться с учетом того, что автоматизация учебных работ профессионального характера создает предпосылки для глубокого познания свойств изучаемых объектов и процессов, проведения параметрических исследований и оптимизации. Вместе с тем, осмысленное применение систем моделирования и автоматизации требует достаточно высокой профессиональной квалификации, которой учащиеся, как правило, еще не обладают.