پایان نامه: استفاده از تکالیف آموزشی و خلاقانه در آموزش مدل سازی کامپیوتری برای رشد توانایی های خلاقانه دانش آموزان. استفاده از شبیه سازی کامپیوتری در فرآیند یادگیری ناتالیا روزوا روانشناختی و تربیتی به عنوان

کلاس های عملی یکی از مهم ترین مؤلفه های آموزش زیست پزشکی است. آزمایش in vivoو درونکشتگاهیبه طور گسترده برای کمک به دانش‌آموزان در کسب مهارت‌های تجربی عملی استفاده می‌شوند، اما یک وظیفه به همان اندازه مهم تلفیق و درک مطالب واقعی به‌دست‌آمده در سخنرانی‌ها، سمینارها و کتاب‌های درسی است. اگرچه استفاده از حیوانات آزمایشگاهی برای این منظور به یک سنت تبدیل شده است، اما این رویکرد دارای اشکالاتی است. بیایید سعی کنیم برخی از آنها را فهرست کنیم:

راه اندازی یک آزمایش بسیار پیچیده است و گاهی اوقات نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی در زمان دارد.

از پاراگراف قبل برمی‌آید که فقط تعداد محدودی از داروها را می‌توان برای یک دوره زمانی معین آزمایش کرد.

آزمایش ممکن است منابع فشرده باشد و ملاحظات اقتصادی ممکن است در طراحی مطالعه غالب باشد.

آزمایش حیوانات همیشه با محدودیت های اخلاقی و اخلاقی همراه است که موضوع آن نیز در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است.

مدلسازی کامپیوتری کاربردی در آموزش پزشکی را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد:

- شبیه سازهای متن کامپیوترییک توصیف شفاهی از موقعیتی ایجاد کنید که در آن کاربر یکی از چندین پاسخ از پیش تعریف شده را انتخاب می کند. بر اساس پاسخ دریافت شده، کامپیوتر وضعیت زیر را ایجاد می کند. این شبیه سازها که فقط بر اساس اطلاعات متنی هستند، برنامه ریزی نسبتا آسانی دارند و به منابع کامپیوتری کمی نیاز دارند. با این حال، امروزه این معیارها کمتر مرتبط شده اند و امروزه شبیه سازهای متن نسبتاً به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند.

- شبیه سازهای گرافیک کامپیوتریبازنمایی گرافیکی از وضعیت روی صفحه نمایش، اغلب برای توضیح فرآیندهای فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک مرتبط با مصرف دارو. معمولاً فقط "موس" به عنوان یک دستگاه رابط استفاده می شود. اگرچه چنین شبیه سازی هایی به درک و جذب مطالب کمک می کند، اما معمولاً مهارت های عملی را در دانش آموزان ایجاد نمی کنند. هدف اصلی از استفاده از آنها توضیح برخی مفاهیم انتزاعی به روشی قابل دسترس و ارزان است. چنین شبیه سازهایی به ویژه برای شبیه سازی فرآیندهای فیزیولوژیکی و دارویی مناسب هستند.

Sniffy-TheVirtualRat

به عنوان نمونه ای از مدل سازی یک حیوان آزمایشگاهی، می توان به برنامه معروف Sniffy - The Virtual Rat اشاره کرد که به شما امکان می دهد رفتار یک موش واقعی را شبیه سازی کنید، اما بدون تمام معایب استفاده از یک حیوان واقعی. این برنامه به دانش آموزان اجازه می دهد تا آزمایش های کلاسیک را در مورد مطالعه فیزیولوژی یادگیری (توسعه رفلکس های شرطی و غیره) بازتولید کنند. امکان اجرای طرح آزمایشی خودتان، استفاده از عوامل محرک مختلف و غیره وجود دارد. ما می‌توانیم به رابط کاربری کاملاً فکر شده و گرافیک‌های کامپیوتری فوق‌العاده‌ای که حرکات یک موش واقعی را شبیه‌سازی می‌کند، توجه کنیم.

شبیه سازی موش آزمایشگاهی در عمل - Sniffy The Virtual Rat

رزومه موش (سیستم قلبی عروقی)

برنامه Rat CVS آزمایشی را بر روی اثرات داروهای مختلف بر روی سیستم قلبی عروقی موش شبیه سازی می کند. این برنامه به شما امکان می دهد تغییرات فشار شریانی سیستمیک، فشار ایجاد شده در بطن چپ، فشار وریدی، قدرت و فرکانس انقباض قلب را ثبت کنید. شبیه سازی موش نخاعی نیز امکان پذیر است. این امکان برای آزمایشگر وجود دارد که با تزریق داروهای مختلف در دوزهای مورد نیاز (دیگوکسین، آتنولول، ایزوپرنالین، لوزارتان و ...)، سیستم عصبی (عصب واگ و ...) را تحریک کند. همه اینها با تجسم در زمان واقعی تغییرات در پارامترهای سیستم قلبی عروقی همراه است.

این برنامه را می توان هم برای آموزش دانش آموزان و هم برای کنترل استفاده کرد - می توانید داروهای ناشناخته را به موش "تزریق" کنید تا دانش آموز آنها را تعیین کند. Rat CVS توسط John Dempster، دانشگاه Strathclyde توسعه داده شده است.

موش CVS - تزریق آدرنالین با دوز 10 میکروگرم بر کیلوگرم

کاربرد شبیه سازی در آموزش علوم کامپیوتر

R. P. Romansky

دانشگاه فنی، صوفیه، بلغارستان

مقدمه

برای توسعه فناوری کامپیوتر و بهبود سازمان معماری سیستم های کامپیوتری (CS)، آموزش مستمر و خودسازی متخصصان و دانشجویان کامپیوتر ضروری است. این آموزش باید اشکال یادگیری سنتی را با فرصت‌هایی برای خودآموزی، آموزش از راه دور، توسعه پروژه عملی و آزمایش‌های تحقیقاتی ترکیب کند. نقش اساسی در تدریس در زمینه علوم کامپیوتر با استفاده از روش های مدرن برای مطالعه سازمان معماری و تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم CS ایفا می شود. به این معنا، استفاده از روش‌های مدل‌سازی در فرآیند مطالعه ساختارهای اساسی CS‌های مختلف و سازمان‌دهی فرآیندهای رایانه‌ای، این امکان را فراهم می‌کند که توصیف ریاضی مناسبی از شی مورد مطالعه ایجاد شود و نرم‌افزاری برای انجام آزمایش‌های رایانه‌ای ایجاد شود [Romansky, 2001, آرونز، 2000]. تجزیه و تحلیل نتایج تجربی مدل‌سازی [Bruyul, 2002] ارزیابی ویژگی‌های اصلی سیستم و عملکرد CSهای مورد مطالعه را ممکن می‌سازد.

استفاده از مدل سازی در فرآیند مطالعه CS به ما امکان می دهد ویژگی های معماری و سازماندهی محاسبات و کنترل را کشف کنیم. این را می توان بر اساس یک آزمایش مدل انجام داد که سازماندهی آن شامل طراحی یک مدل کامپیوتری به عنوان دنباله ای از سه جزء (مدل مفهومی، مدل ریاضی، مدل نرم افزار) و پیاده سازی این مدل در یک محیط عملیاتی مناسب است. در این مقاله امکان استفاده از روش‌های مختلف برای مطالعه CSها در فرآیند مطالعه آنها و به‌ویژه استفاده از اصول مدل‌سازی برای مطالعه فرآیندهای در حال انجام و همچنین تحلیل عملکرد سیستم CSها را در نظر می‌گیریم. هدف اصلی، تعریف یک روش تعمیم‌یافته برای مدل‌سازی رایانه‌ای به عنوان دنباله‌ای از مراحل مرتبط و ارائه مراحل اصلی روش تحقیق مدل‌سازی است. برای انجام این کار، بخش بعدی رسمی سازی کلی پردازش کامپیوتری اطلاعات و ویژگی های محاسبات کامپیوتری به عنوان یک موضوع مطالعه را ارائه می دهد. کاربرد اصول مدلسازی در فرآیند مطالعه CS با سازماندهی روش شناختی یادگیری به معنای سنتی، از راه دور یا توزیع شده همراه است.

سیستم های کامپیوتری به عنوان موضوع مطالعه و روش های تحقیق

یکی از اهداف اصلی دوره های آموزشی تخصصی در زمینه سیستم های کامپیوتری و تحقیقات عملکرد، آموزش طراحان کامپیوتر آینده و فعلی، توسعه دهندگان تجهیزات کامپیوتری و کاربران CS در استفاده صحیح از قابلیت های تکنولوژیکی مدل سازی و اندازه گیری ویژگی های کامپیوتر است. سیستم های. این امکانات هم در فرآیند ارزیابی اثربخشی پروژه های کامپیوتری جدید و هم برای انجام تحلیل مقایسه ای سیستم های موجود استفاده می شود. در فرايند يادگيري، وظيفه روشن كردن توالي مراحل تحقيق و امكان پردازش نتايج آزمايشي به منظور دستيابي به برآوردهاي كافي از شاخص هاي عملكرد است. این کار بسته به حوزه خاص یادگیری رایانه و ویژگی های اصول پردازش رایانه ای در نظر گرفته شده اطلاعات قابل اصلاح است.

برنج. 1. پشتیبانی اطلاعات از پردازش کامپیوتری.

به طور کلی، پردازش کامپیوتری مربوط به اجرای توابع خاص برای تبدیل داده های ورودی به راه حل های نهایی است. این دو سطح از تبدیل عملکردی اطلاعات را تعیین می کند (شکل 1):

تبدیل ریاضی اطلاعات - پردازش داده های واقعی به شکل اشیاء ریاضی و با یک تابع تعمیم یافته f:D®R نشان داده می شود که عناصر مجموعه داده D را در عناصر مجموعه نتیجه R نشان می دهد.

اجرای پردازش کامپیوتری - نشان دهنده اجرای خاصی f*:X®Y از تابع ریاضی f بسته به کامپیوتر و تجهیزات نرم افزاری بر اساس نمایش فیزیکی مناسب اشیاء اطلاعات واقعی است.

در نتیجه، می‌توانیم یک مدل عملکردی تعمیم‌یافته از پردازش رایانه بنویسیم r = f(d)ºj 2 (f*[ 1(d)])، که در آن توابع j 1 و j 2 برای رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات کمکی هستند.

با در نظر گرفتن CS به عنوان یک موضوع مطالعه، باید در نظر داشت که پردازش کامپیوتری شامل فرآیندهایی است که هر یک از آنها را می توان به عنوان یک ساختار I = نشان داد. ، جایی که: t لحظه اولیه وقوع فرآیند است. الف - تعریف صفات. T - ردیابی فرآیند. آخرین مؤلفه از توصیف رسمی، توالی زمانی رویدادها را تعیین می کند تا فرآیند داده شده را به عناصر منبع سیستم S=(S 1 , S 2 , ..., Sn ) خطاب کند. توالی مراحل زمانی و بار منبع سیستم، تعیین مشخصات فرآیند محاسبه را ممکن می سازد (شکل 2).

برنج. 2. مشخصات تقریبی فرآیند کامپیوتر.

پشتیبانی از فرآیندهای مختلف در سازمان پردازش رایانه، بار سیستم محیط رایانه را تشکیل می دهد. برای هر لحظه (t =1,2,...) می توان آن را با بردار V(t)=Vt= نشان داد. ، که عناصر آن آزاد (v j = 0) یا مشغول (v j = 1) دستگاه S j єS (j=1,2,...,n) را بیان می کنند.

هنگام مطالعه CS، تعیین مجموعه ای از پارامترهای اساسی سیستم که منعکس کننده ماهیت پردازش رایانه است، و همچنین توسعه روشی برای مطالعه رفتار یک منبع سیستم و فرآیندهای در حال انجام ضروری است. به عنوان پارامترهای اصلی سیستم (شاخص های عملکرد)، می توان به عنوان مثال، بار کاری هر عنصر از منبع سیستم، بار کل سیستم CS، زمان پاسخگویی هنگام حل مجموعه ای از وظایف در حالت چند برنامه ای، درجه پایداری (دوام) تجهیزات، هزینه پردازش کامپیوتری، کارایی زمان‌بندی فرآیندهای موازی یا شبه موازی و غیره.

یک دوره معمولی مطالعه در زمینه تجزیه و تحلیل و تحقیق عملکرد CS باید مسائل اصلی نظری و عملی را در زمینه های زیر مورد بحث قرار دهد:

امکان مطالعه عملکرد تجهیزات کامپیوتری و کارایی فرآیندهای کامپیوتری؛

بکارگیری روشهای پژوهشی مؤثر (اندازه گیری، مدلسازی).

ویژگی های تکنولوژیکی پارامترهای سیستم اندازه گیری (معیار، نظارت)؛

ویژگی های فن آوری و سازماندهی مدل سازی (تحلیلی، شبیه سازی و غیره)؛

روش های تجزیه و تحلیل نتایج تجربی

همه اینها با کاربرد این روش تحقیق و انتخاب ابزار مناسب مرتبط است. از این نظر، در شکل. 3 یک طبقه بندی تقریبی از روش ها برای مطالعه CS و فرآیندها را نشان می دهد. سه گروه اصلی را می توان شناسایی کرد:

مخلوط های نرم افزاری - وابستگی های ریاضی را برای ارزیابی عملکرد پردازنده بر اساس ضرایب کاربردی کلاس های عامل فردی نشان می دهد. به شما امکان می دهد تا بار پردازنده را با تجزیه و تحلیل آماری پس از اجرای برنامه های معمولی ارزیابی کنید.

روش های شمارش - به شما امکان می دهد اطلاعات قابل اعتمادی در مورد روند فرآیندهای رایانه ای بر اساس ثبت مستقیم مقادیر مشخصی از پارامترهای موجود COP بدست آورید. برای این کار باید از ابزار شمارش مناسب (مانیتور) استفاده یا توسعه داد و اجرای آزمایش شمارش را سازماندهی کرد. لازم به ذکر است که سیستم عامل های مدرن دارای مانیتورهای سیستم مخصوص به خود هستند که می توان از آنها در سطح نرم افزار یا سیستم عامل استفاده کرد.

روش های مدل سازی - در مواردی استفاده می شود که هدف واقعی آزمایش وجود نداشته باشد. مطالعه ساختار یا فرآیندهای در حال انجام در CS بر اساس یک مدل کامپیوتری انجام می شود. این مهم ترین جنبه های رفتار پارامترهای ساختاری و سیستم را بسته به هدف منعکس می کند. برای توسعه یک مدل، لازم است که مناسب ترین روش مدل سازی را انتخاب کنید، که اجازه می دهد حداکثر کفایت و قابلیت اطمینان را به دست آورید.

برنج. 3. طبقه بندی روش های تحقیق برای CS و فرآیندها.

فرآیند یادگیری سنتی شامل اجرای دوره اصلی سخنرانی ها در ارتباط با مجموعه ای از تمرینات کلاس درس و / یا تمرین آزمایشگاهی است. در زمینه علوم کامپیوتر، هنگام مطالعه سازماندهی یک CS و اصول مدیریت فرآیندهای کامپیوتری (در سطح پایین و بالا)، و همچنین هنگام تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم، اغلب نیاز به توسعه مدل‌های کامپیوتری در حین انجام وظایف آزمایشگاهی است. در کلاس درس یا هنگام اجرای پروژه ها به طور مستقل. برای اجرای موفقیت آمیز این کارهای عملی و کسب مهارت های عملی لازم، تعیین توالی مراحل و ارائه ویژگی های فناورانه توسعه مدل ضروری است. این به دانش آموزان اجازه می دهد تا دانش لازم را در مورد توسعه مدل های کامپیوتری کافی و قابل اعتماد برای مطالعه، ارزیابی و تجزیه و تحلیل مقایسه ای عملکرد سیستم معماری های مختلف رایانه به دست آورند. در نتیجه، یک روش تعمیم‌یافته برای انجام مدل‌سازی بیشتر پیشنهاد می‌شود، و همچنین یک طرح روش‌شناختی برای مدل‌سازی مطالعه CS و فرآیندها.

روش شبیه سازی کامپیوتری در مطالعه CS و فرآیندها

وظیفه اصلی شبیه سازی کامپیوتری در مطالعه CS و فرآیندها به دست آوردن اطلاعات در مورد شاخص های عملکرد است. برنامه ریزی یک آزمایش مدل در فرآیند یادگیری بر اساس مراحل زیر انجام می شود:

جمع آوری داده های تجربی برای مقادیر خاص پارامترهای اساسی سیستم؛

ساختار و پردازش اطلاعات تجربی و توسعه نمودار عملکردی مدل.

تعیین اطلاعات پیشینی و مناطق تعریفی پارامترهای عملیاتی برای توسعه یک مدل ریاضی مناسب از شی اصلی؛

اجرای آزمایش های مدل، انباشت اطلاعات مدل و تجزیه و تحلیل بعدی آن.

روش رسمی تعمیم یافته تحقیق مدل برای سازماندهی آزمایش مدل در شکل نشان داده شده است. چهار

برنج. 4. روش مطالعه مدل.

هدف اولیه با نیاز به مطالعه یک شی واقعی (سیستم یا فرآیند) تعیین می شود. مراحل اصلی روش به شرح زیر است:

تعریف مفهوم اساسی ساخت مدل با تجزیه یک شی به زیرسیستم ها و معرفی درجه قابل قبولی از ایده آل سازی برای برخی از جنبه های رفتار فرآیندهای سیستم.

رسمی سازی ریاضی ساختار و روابط در شی مورد بررسی بر اساس یک سیستم رسمی مناسب.

توصیف ریاضی عملکرد یک سیستم واقعی و توسعه یک مدل عملکردی مناسب بسته به هدف مدل سازی.

پیاده سازی مدل ریاضی با استفاده از مناسب ترین روش مدل سازی.

توصیف مدل ریاضی ایجاد شده با استفاده از محیط نرم افزاری مناسب (تخصصی یا جهانی).

انجام آزمایشات بر اساس مدل ایجاد شده و پردازش و تفسیر بعدی اطلاعات مدل برای ارزیابی پارامترهای موضوع مورد مطالعه.

روش های اصلی شبیه سازی کامپیوتری به شرح زیر است:

روش های تحلیلی - از ابزارهای ریاضی برای توصیف اجزای یک سیستم واقعی و فرآیندهای در حال انجام استفاده کنید. بر اساس رویکرد ریاضی انتخاب شده، مدل ریاضی معمولاً به عنوان سیستمی از معادلات ساخته می‌شود که برنامه‌نویسی آن را آسان می‌کند، اما پیاده‌سازی به دقت بالایی در فرمول‌بندی‌ها و فرضیه‌های کاری پذیرفته‌شده و همچنین تأیید قابل توجهی نیاز دارد.

روش‌های شبیه‌سازی (تقلید) - رفتار یک شی واقعی توسط یک شبیه‌ساز نرم‌افزار تقلید می‌شود که در کار خود از حجم کار واقعی (شبیه‌سازی) یا مدل حجم کاری نرم‌افزار (شبیه‌سازی) استفاده می‌کند. چنین مدل هایی امکان مطالعه سیستم های پیچیده و به دست آوردن نتایج قابل اعتماد را فراهم می کند، اما آنها به موقع اجرا می شوند و این نقطه ضعف اصلی روش - مصرف قابل توجه زمان رایانه را تعیین می کند.

روش های تجربی روش های کمی برای ثبت، انباشت و تجزیه و تحلیل اطلاعات در مورد عملکرد یک شی واقعی هستند که بر اساس آنها می توان یک مدل آماری برای مطالعه آن ساخت. به طور معمول، معادلات خطی یا غیر خطی برای نشان دادن رابطه پارامترهای انتخاب شده (به عنوان مثال، از مجموعه ای از عوامل اولیه) و برای محاسبه ویژگی های آماری استفاده می شود.

وظیفه اصلی شبیه سازی کامپیوتری ایجاد یک مدل مناسب است که با کمک آن می توان ساختار سیستم مورد مطالعه و فرآیندهای در حال انجام را به طور دقیق نشان داد. توسعه یک مدل کامپیوتری شامل سه سطح متوالی است - یک مدل مفهومی (مفهوم ایدئولوژیک ساختار یک مدل)، یک مدل ریاضی (تصویری از یک مدل مفهومی با استفاده از یک سیستم رسمی ریاضی) و یک مدل برنامه (یک پیاده سازی نرم افزار). یک مدل ریاضی با محیط زبانی مناسب). در هر سطح از شبیه سازی کامپیوتری، لازم است کفایت مدل بررسی شود تا از قابلیت اطمینان مدل نهایی و صحت نتایج آزمایش های مدل اطمینان حاصل شود. ویژگی مراحل فردی روش مدل‌سازی، رویکردها و ابزارهای کاربردی ارزیابی کفایت را تعیین می‌کند. این ویژگی ها در متدولوژی توسعه یافته مدل سازی کامپیوتری که در زیر ارائه می شود، جایگاهی پیدا کرده است.

روش تحقیق مدل

در فرآیند مدل‌سازی رایانه‌ای، صرف‌نظر از روش مورد استفاده، می‌توان طرح matodological تعمیم یافته مطالعه مدل را تعیین کرد (شکل 5). توالی روش‌شناختی رسمی پیشنهادی چندین مرحله اصلی را ارائه می‌کند که در زیر ارائه شده‌اند. اساسا، یک روش تکراری برای به دست آوردن قابلیت اطمینان لازم مدل کامپیوتری توسعه‌یافته بر اساس فرمول‌بندی فرضیه مدل اولیه و اصلاح متوالی آن را نشان می‌دهد. این رویکرد در مطالعه سیستم های پیچیده و همچنین در غیاب اطلاعات پیشینی کافی برای شی مورد مطالعه موفق است.

مرحله "فرمولاسیون"

در مرحله اول توسعه مدل، لازم است هدف مدل سازی، شرایط و فرضیه های مطالعه و همچنین معیارهای ارزیابی اثربخشی مدل به طور دقیق و واضح تعریف شود. این امکان توسعه یک مدل مفهومی و تعریف آن را در اصطلاحات و مفاهیم انتزاعی فراهم می کند. معمولاً، توضیحات انتزاعی اصول اولیه ساخت مدل (تقریبات پایه، محدوده تعریفی متغیرها، معیارهای عملکرد و انواع نتایج مورد انتظار) را تعریف می کند. در این مرحله می توان مراحل فرعی زیر را تعریف کرد:

تعریف و تجزیه و تحلیل تکلیف. شامل یک جوهر به وضوح تعریف شده از کار تحقیق و برنامه ریزی فعالیت های لازم است. بر اساس تجزیه و تحلیل مسئله، حجم اقدامات مورد انتظار و نیاز به تجزیه وظیفه تعیین می شود.

تعیین نوع اطلاعات اولیه این اطلاعات به دست آوردن نتایج خروجی صحیح شبیه سازی را ممکن می سازد و بنابراین لازم است سطح لازم از قابلیت اطمینان برآوردها ارائه شود.

معرفی مفروضات و فرضیه ها. این زمانی ضروری است که اطلاعات کافی برای پیاده سازی مدل وجود نداشته باشد. فرضیات جایگزین داده های از دست رفته یا داده های از دست رفته به طور کامل می شوند. فرضیه ها به نوع پیامدهای احتمالی یا محیط اجرای فرآیندهای مورد مطالعه اشاره دارند. در طول فرآیند مدل سازی، این فرضیه ها و مفروضات را می توان پذیرفت، رد یا اصلاح کرد.

تعریف محتوای اصلی مدل. بر اساس روش مدل‌سازی کاربردی، ویژگی شی واقعی، وظیفه و ابزار حل آن گزارش می‌شود. نتایج این مرحله فرعی شامل فرمول بندی مفهوم اصلی مدل، توصیف رسمی فرآیندهای واقعی و انتخاب یک تقریب مناسب است.

تعیین پارامترهای مدل و انتخاب معیارهای کارایی. در این مرحله فرعی، عوامل اولیه و ثانویه، اقدامات ورودی و پاسخ های خروجی مورد انتظار مدل تعیین می شوند که برای دستیابی به دقت مورد نیاز در توصیف ریاضی اهمیت ویژه ای دارد. اصلاح معیارهای کارایی با تعریف وابستگی های عملکردی برای ارزیابی پاسخ سیستم در هنگام تغییر پارامترهای مدل همراه است.

شرح انتزاعی مدل. مرحله فرمول بندی کلی مدل مفهومی، ساخت مدل انتزاعی را در یک محیط مناسب از اصطلاحات انتزاعی تکمیل می کند - به عنوان مثال، در قالب یک نمودار بلوکی، به عنوان یک نمودار جریان (Data Flow Diagram)، در قالب یک نمودار گرافیکی. نمودار (شبکه انتقال ایالت) و غیره این نمایش انتزاعی ساخت یک مدل ریاضی را آسان می کند.

برنج. 5. طرح روش شناختی مطالعه مدل.

صحنه "طراحی"

طراحی یک مدل کامپیوتری با توسعه یک مدل ریاضی و توضیحات نرم افزاری آن همراه است.

مدل ریاضی نمایشی از ساختار شی مورد مطالعه و فرآیندهای در حال انجام در یک فرم ریاضی مناسب Y=Ф(X, S, A, T) است که در آن: X مجموعه ای از تأثیرات خارجی است. S - مجموعه ای از پارامترهای سیستم؛ A - رفتار عملکردی (الگوریتم های عملکردی) را منعکس می کند. T - زمان اجرا. بنابراین، رفتار (واکنش) شیء Y مجموعه‌ای از تأثیرات عملکردی Ф را مدل‌سازی می‌کند، که وابستگی‌های تحلیلی (قطری یا احتمالی) را نشان می‌دهد. در این معنا، مدل ریاضی توصیف یک مدل انتزاعی با استفاده از یک سیستم ریاضی انتخابی، ارزیابی فرضیه ها و تقریب های پذیرفته شده، شرایط اولیه و پارامترهای تعریف شده تحقیق است. هنگام توسعه یک مدل ریاضی، می توان فرمول های ریاضی شناخته شده، وابستگی ها یا قوانین ریاضی (به عنوان مثال، توزیع های احتمال)، و همچنین ترکیب و تکمیل آنها را اعمال کرد. متداول‌ترین سیستم‌های ریاضی نظری برای مدل‌سازی، فرصتی را برای ارائه یک مدل ریاضی به شکل گرافیکی فراهم می‌کنند - شبکه‌های پتری، زنجیره‌های مارکوف، سیستم‌های صف و غیره. بر اساس معیارهای تعیین‌شده در مرحله قبل، مدل ریاضی ایجاد شده باید به منظور دستیابی به درجه اعتبار و کفایت لازم مورد ارزیابی قرار گیرد و سپس می توانید آن را تایید یا رد کنید.

یک مدل نرم افزار اجرای یک توصیف ریاضی در یک زبان برنامه است - برای این کار ابزارهای فنی و تکنولوژیکی مناسب انتخاب می شود. در فرآیند پیاده سازی نرم افزار، یک طرح منطقی ساختاری-عملکردی مدل بر اساس یک مدل ریاضی توسعه می یابد. برای ساخت این مدار، می توانید از بلوک دیاگرام های سنتی یا ابزارهای گرافیکی که توسط یک محیط شبیه سازی تخصصی نشان داده می شوند استفاده کنید - مانند GPSS (سیستم شبیه سازی هدف عمومی). پیاده سازی نرم افزار مدل وظیفه توسعه نرم افزار است و از این نظر تابع اصول فناوری برنامه نویسی است.

مرحله "روشن سازی"

برنج. 6. روش تکراری برای اصلاح مدل.

هدف اصلی بررسی قابلیت اطمینان مدل، تعیین سطح دقت مطابقت هنگام نمایش فرآیندهای یک شی واقعی و مکانیسم ثبت نتایج مدل است. به طور کلی، یک مدل کامپیوتری مجموعه‌ای از اجزای منفرد را نشان می‌دهد و از این نظر، برنامه‌ریزی مناسب آزمون‌های کفایت اهمیت ویژه‌ای دارد.

مرحله "اجرا"

این مرحله اجرای مدل ایجاد شده (حل به روش عددی یا اجرا در زمان) است. هدف اصلی به دست آوردن حداکثر اطلاعات برای حداقل زمان ماشین است. دو مرحله فرعی وجود دارد:

برنامه ریزی آزمایش مدل - تعیین مقدار عوامل کنترل شده و قوانین ثبت عوامل مشاهده شده هنگام اجرای مدل. انتخاب یک طرح آزمایشی خاص به هدف مطالعه و در عین حال بهینه سازی زمان اجرا بستگی دارد. برای به دست آوردن یک طرح مؤثر، معمولاً از روش های آماری (طرح کامل، طرح تک عاملی، طرح تصادفی و غیره) استفاده می شود که امکان حذف تأثیر ترکیبی عوامل مشاهده شده و تخمین خطای آزمایشی مجاز را فراهم می کند.

اجرای آزمایش - تهیه داده های ورودی، اجرای رایانه ای طرح آزمایشی و ذخیره سازی نتایج تجربی. اجرای آزمایش را می توان به صورت زیر انجام داد: شبیه سازی کنترل (برای آزمایش عملکرد و حساسیت مدل و تخمین زمان مدل). شبیه سازی کار (اجرای واقعی طرح آزمایشی توسعه یافته).

مرحله "تحلیل و تفسیر نتایج مدل"

هنگام اجرای طرح آزمایش مدل، اطلاعات (نتایج شبیه سازی) انباشته می شود که باید برای به دست آوردن ارزیابی و نتیجه گیری در مورد رفتار شی مورد مطالعه تجزیه و تحلیل شود. این دو جنبه را تعیین می کند - انتخاب روش ها برای تجزیه و تحلیل اطلاعات تجربی و استفاده از روش های مناسب برای تفسیر برآوردهای به دست آمده. مورد دوم به ویژه برای شکل‌گیری نتیجه‌گیری صحیح از مطالعه مهم است. از نظر جنبه اول، معمولاً از روش های آماری استفاده می شود - تجزیه و تحلیل های توصیفی (محاسبه مقادیر مرزی پارامترها، انتظارات ریاضی، واریانس و خطای استاندارد؛ تعیین طبقه بندی برای یک عامل انتخاب شده؛ محاسبه هیستوگرام و غیره). ; تجزیه و تحلیل همبستگی (تعیین سطح رابطه فاکتوریل)؛ تحلیل رگرسیون (بررسی رابطه علی در گروهی از عوامل). تجزیه و تحلیل واریانس (برای تعیین تأثیر نسبی عوامل خاص بر اساس نتایج تجربی).

نتایج تجزیه و تحلیل داده های مدل را می توان به صورت عددی یا جدولی و با استفاده از وابستگی های گرافیکی، نمودارها، هیستوگرام ها و غیره ارائه کرد. برای ارائه نتایج آزمایش

نتیجه

هدف اصلی سازماندهی هر آزمایش شبیه سازی، اجرای شبیه سازی موثر است. این با زمان ماشین مرتبط است - مقدار قابل توجهی از پردازش در مدل هزینه مدل سازی را افزایش می دهد و کارایی را کاهش می دهد. اعتبار سنجی سریع مدل و دستیابی به همگرایی برای اثربخشی مطالعه ضروری است. برای هر سیستم واقعی، اغلب لازم است مدل های مختلفی ایجاد شود که از نظر نحوه تجزیه و سطح جزئیات، روش مدل سازی، ابزارهای پیاده سازی نرم افزار و غیره متفاوت هستند. در فرآیند انتخاب بهترین گزینه، تنها ارزیابی صحت و کفایت کافی نیست. از میان مجموعه مدل های همگرا، باید کارآمدترین گزینه ای را انتخاب کرد که حداقل زمان را صرف اجرا کند.

زبان کاربردی پیاده‌سازی نرم‌افزار و همچنین کامل بودن سیستم رسمی نمایش انتزاعی مدل مفهومی، سادگی شرایط توصیف، توسعه یک طرح بهینه و غیره برای دستیابی به کارایی کافی ضروری است. استفاده از سیستم‌های نرم‌افزاری جهانی با عدم وجود عملگرهای زبانی خاص متمایز می‌شود و بنابراین آنها در درجه اول برای مدل‌سازی تحلیلی مناسب هستند. برای پیاده سازی مدل های شبیه سازی، استفاده از محیط های زبان تخصصی تمرین خوبی است.

کتابشناسی - فهرست کتب

[Bruyul 2002] Bruyul A. SPSS: هنر پردازش اطلاعات. تجزیه و تحلیل داده های آماری. سن پترزبورگ: DiaSoft، 2002، - 608 p.

[Romansky، 2001] Romansky R. مدل‌سازی ریاضی و مطالعه ویژگی‌های زمان تصادفی پردازش داده‌های کامپیوتری // فناوری‌های اطلاعات. - مسکو، روسیه، 2001، شماره 2، - S. 51 - 55.

Arons H., van Asperen E. کمک کامپیوتری برای تعریف مدل // مجموعه مقالات سی و دومین کنفرانس شبیه سازی زمستانی. - فلوریدا، ایالات متحده آمریکا، دسامبر 2000. - P. 399-408.

Benveniste A.، Fabre E.، Haar St. شبکه های مارکوف: مدل های احتمالی برای سیستم های توزیع شده و همزمان // IEEE Transactions on Automatic Control. نوامبر 2003، ج. 48، شماره 11. - ص 1936-1950.

Butler J.E., Brockman J. B. یک ابزار یادگیری مبتنی بر وب که یک معماری ساده کامپیوتری را شبیه سازی می کند // ACM SIGCSE Bulletin. ژوئن 2001، جلد. 33، شماره 2. - ص 47-50.

Crosbie R. E. یک برنامه درسی مدل در مدل سازی و شبیه سازی: آیا ما به آن نیاز داریم؟ آیا می توانیم این کار را انجام بدهیم؟ // مجموعه مقالات سی و دومین کنفرانس شبیه سازی زمستانی. دسامبر 2000.-P. 1666-1668.

Fabre E., Pigourier V. نظارت بر سیستم های توزیع شده با الگوریتم های توزیع شده // مجموعه مقالات چهل و یکمین کنفرانس IEEE در مورد تصمیم گیری و کنترل. - جلد 1. 10-13 دسامبر 2002 - ص 411-416.

Ibbett R.N. WWW تجسم شبیه سازی های معماری کامپیوتر // مجموعه مقالات 7th Annual Conf. در مورد نوآوری و فناوری در آموزش علوم کامپیوتر. ژوئن 2002. - ص 247.

لیلجا دی.جی. مقایسه روش های ارائه آموزشی برای آموزش تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم های کامپیوتری // IEEE Trans. در مورد آموزش و پرورش فوریه 2001، جلد. 44، شماره 1، - ص 35-40.

Music G.، Zupancic B.، Matko D. Petri مبتنی بر مدل سازی و طراحی کنترل نظارتی شبکه در Matlab // مجموعه مقالات کنفرانس IEEE EUROCON 2003 "رایانه ها به عنوان ابزار". - جلد 1. 22-24 سپتامبر. 2003. - اسلوونی. - ص 362-366.

Pandey S., Ramamritham K., Chakrabarti S. نظارت بر وب پویا برای پاسخگویی به سؤالات مستمر // مجموعه مقالات دوازدهمین کنفرانس بین المللی وب جهانی. - مجارستان، می 2003، - ص 659-668.

Pockec P., Mardini W. مدل سازی با صف: یک مطالعه تجربی // مجموعه مقالات کنفرانس کانادا در مهندسی برق و کامپیوتر. - جلد 1. 13-16 مه 2001. - ص 685-689.

رومانسکی آر و همه. سازمانی از شبکه اطلاعاتی InfoNet برای آموزش الکترونیکی توزیع شده // مجموعه مقالات سومین کنفرانس بین المللی سیستم ها و فناوری های رایانه ای (آموزش الکترونیکی). 20-21 ژوئن 2002. صوفیه، بلغارستان. - ص IV.4-1 - IV.4-6.

سارجنت آر.جی. تایید و اعتبار مدل های شبیه سازی // مجموعه مقالات کنفرانس شبیه سازی زمستانی 2003. - جلد 1. 7-10 دسامبر 2003. - ص 27-48.

Stahl، I. GPSS: 40 سال توسعه // مجموعه مقالات سی و سومین کنفرانس شبیه سازی زمستانی. دسامبر 2001. - ص 577-585.

یه دی، شیائوفر خو، یولیو چن. روش‌شناسی مدل‌سازی یکپارچه برای شرکت‌های مجازی // مجموعه مقالات دهمین کنفرانس کامپیوتر، ارتباطات، کنترل و مهندسی قدرت. - جلد 3. اکتبر 2002. - ص 1603-1606.

آموزش مدلسازی کامپیوتر در دوره آموزشگاهی علوم کامپیوتر

در کار تحقیقاتی ما، ما فرض می کنیم که مؤثرترین آنها از نظر توسعه توانایی های خلاقانه دانش آموزان، مطالب مرتبط با مدل سازی اطلاعات است. قبل از آزمون این فرضیه، به جایگاه و اهمیت مدل سازی کامپیوتری، اهداف و مقاصد آموزش مدل سازی کامپیوتری و مفاهیم شکل گرفته در آموزش مدل سازی می پردازیم.

جایگاه و اهمیت مدل سازی کامپیوتری در دوره آموزشگاه انفورماتیک

در حداقل محتوای اجباری آموزش در انفورماتیک ردیف "مدل سازی و رسمی سازی" وجود دارد که در کنار خط اطلاعات و فرآیندهای اطلاعاتی، مبنای نظری دوره پایه انفورماتیک است.

نباید در نظر گرفت که مبحث مدلسازی صرفاً نظری و مستقل از سایر مباحث است. بیشتر بخش‌های دوره پایه مستقیماً با مدل‌سازی مرتبط هستند، از جمله موضوعات مرتبط با خط فناوری دوره. ویرایشگرهای متن و گرافیک، DBMS، پردازنده های صفحه گسترده، ارائه های کامپیوتری باید به عنوان ابزاری برای کار با مدل های اطلاعاتی در نظر گرفته شوند. الگوریتم سازی و برنامه نویسی نیز مستقیماً با مدل سازی ارتباط دارد. در نتیجه، خط مدل‌سازی برای بسیاری از بخش‌های دوره پایه مقطعی است.

به گفته Beshenkov S.A. و سرفصل های دیگر «فرایندهای اطلاعاتی و اطلاعاتی» و «رسمی سازی و مدل سازی» سرفصل های کلیدی درس انفورماتیک هستند. این عناوین موضوعات دوره سنتی مانند «الگوریتم ها و مجریان»، «فناوری اطلاعات» و غیره را در یک کل واحد ترکیب می کنند.

پدیدآورندگان دوره های مؤلف «انفورماتیک در بازی ها و وظایف» و «انفورماتیک- پلاس» بر این باورند که وظیفه اصلی دوره آموزشگاهی انفورماتیک، شکل گیری و توسعه توانایی تحلیل و ساخت مدل های اطلاعاتی-منطقی است.

بویارشینوف M.G. مقتضی می داند در چارچوب موضوع علوم کامپیوتر یک درس مدل سازی کامپیوتری را معرفی کند که هدف آن آشنایی دانشجویان با روش های حل مسائل فیزیک، شیمی، ریاضی، اقتصاد، بوم شناسی، پزشکی، جامعه شناسی، رشته های بشردوستانه باشد. ، طراحی و مشکلات تکنولوژیک با استفاده از تکنولوژی مدرن کامپیوتری.

Kuznetsov A.A.، Beshenkov S.A.، Rakitina E.A. در نظر بگیرید که مؤلفه‌های اصلی درس انفورماتیک که به آن خصلت سیستماتیک می‌دهد، «فرایندهای اطلاعاتی»، «مدل‌های اطلاعاتی»، «مبانی اطلاعات مدیریت» است. حل یک مسئله همیشه با مدل سازی شروع می شود: ساختن یا انتخاب تعدادی مدل: مدلی از محتوای مسئله (رسمی کردن شرایط)، مدل شی ای که به عنوان کارکرد برای حل این مشکل خاص انتخاب می شود، مدل (روش) ) راه حل، و مدلی از فرآیند حل مسئله.

بنابراین، مطالعه فرآیندهای اطلاعاتی، و همچنین به طور کلی هر پدیده دنیای خارج، بر اساس روش شناسی مدل سازی است. ویژگی علم کامپیوتر این است که نه تنها از مدل های ریاضی، بلکه از مدل هایی از اشکال و انواع مختلف (متن، جدول، شکل، الگوریتم، برنامه) - مدل های اطلاعاتی استفاده می کند. مفهوم مدل اطلاعاتی به دوره انفورماتیک طیف وسیعی از ارتباطات میان رشته ای را می دهد.، که تشکیل آن یکی از وظایف اصلی این دوره در مقطع ابتدایی است. خود فعالیت ساخت یک مدل اطلاعاتی - مدل سازی اطلاعات یک نوع فعالیت تعمیم یافته است که دقیقاً انفورماتیک را مشخص می کند.

یکی از روش‌های مؤثر برای درک واقعیت پیرامون، روش مدل‌سازی است که یک ابزار تحلیلی قدرتمند است که کل زرادخانه آخرین فناوری‌های اطلاعاتی را در خود جای داده است.

ماهیت تعمیم دهنده مفهوم "مدل سازی اطلاعات" به این دلیل است که هنگام کار با اطلاعات، ما همیشه یا با مدل های اطلاعاتی آماده سروکار داریم (به عنوان ناظر آنها عمل می کنیم)، یا مدل های اطلاعاتی را توسعه می دهیم.

مدل سازی اطلاعات نه تنها موضوع مطالعه در علوم کامپیوتر است، بلکه مهم ترین روش فعالیت های شناختی، آموزشی و عملی است. همچنین می توان آن را به عنوان یک روش تحقیق علمی و به عنوان یک فعالیت مستقل در نظر گرفت.

Zubko I.I. مدل سازی اطلاعات به عنوان "روش علمی کلی جدید برای شناخت اشیاء واقعیت اطراف (واقعی و ایده آل) با تمرکز بر استفاده از رایانه تعریف می شود. الگوسازی از یک سو به عنوان یک راه شناخت و از سوی دیگر به عنوان محتوایی که دانش آموزان باید آن را یاد بگیرند تلقی می شود. نگارنده بر این باور است که در صورتی مؤثرترین آموزش مدل سازی اطلاعات به دانش آموزان امکان پذیر است که روش پروژه ها به صورت عملی و ادغام پژوهش، کار مستقل و خلاقانه به طرق مختلف اجرا شود.

Galygina I.V. معتقد است که آموزش مدلسازی اطلاعات باید بر اساس رویکردهای زیر انجام شود:

مدلی که بر اساس آن مدل سازی به عنوان ابزار دانش، موضوع مطالعه و وسیله یادگیری در نظر گرفته می شود.

شی، دلالت بر انتخاب و تجزیه و تحلیل انواع مختلف اشیا دارد: موضوع مورد مطالعه، مدل اطلاعاتی به عنوان یک شی جدید، اشیاء زبان مدل سازی مورد استفاده برای ساخت مدل.

مدل سازی اطلاعات در آموزش از سه جنبه قابل بررسی است:

ابزاری برای شناخت، از آنجایی که کسب دانش جدید در مورد یک شی واقعی، مدل اطلاعات مربوطه، اشیاء زبان مدل سازی مورد استفاده برای توصیف این مدل در فرآیند ساخت و تحقیق مدل رخ می دهد.

یک ابزار یادگیری، از آنجایی که فرآیند یادگیری در بیشتر موارد با مدل‌های اطلاعات عملیاتی شی مورد مطالعه، مانند توصیف کلامی، تصویر گرافیکی، مرتبط است.

نمایش فرمولی از قاعده ها و غیره؛

هدف مطالعه است، زیرا مدل اطلاعاتی را می توان به عنوان یک شی اطلاعاتی مستقل با ویژگی ها، ویژگی ها و ویژگی های ذاتی آن در نظر گرفت.

تفاوت اصلی این جنبه ها از دیدگاه دانش آموز این است که در حالت اول، در فرآیند فعالیت شناختی، خود دانش آموز بر اساس تجربه، دانش و تداعی های خود مدلی از شی مورد مطالعه می سازد. در حالت دوم، مدلی از موضوع مورد مطالعه به دانش آموز ارائه می شود که توسط معلم، نویسنده کتاب درسی یا خالق یک نظریه علمی توسعه یافته است. در مورد دوم، مجموعه مدل ها موضوع مورد مطالعه است.

گنجاندن در خط محتوای "مدل سازی و رسمی سازی" درس پایه انفورماتیک ماژول "مدل سازی اطلاعات" پایه محکمی برای:

استفاده آگاهانه از مدل های اطلاعاتی در فعالیت های آموزشی؛

آشنایی دانشجویان با روش تحقیق علمی؛

مطالعه عمیق بعدی مدل سازی اطلاعات در دوره های تخصصی علوم کامپیوتر.

تیتووا یو.ف. بر این باور است که مهم ترین کارکرد آموزشی، پرورش استعداد خلاق دانش آموزان است. تجربه فعالیت خلاق از طریق حل مسائل مشکل ساز در جهت های مختلف و به ویژه از طریق فعالیت های تحقیقاتی شکل می گیرد. یکی از مهمترین ابزارهای تحقیق مدلسازی است. نویسنده روشی را برای آموزش مدل‌سازی در دوره انفورماتیک پایه ایجاد کرده است، ترکیبی از مطالب نظری مبتنی بر رویکردی رسمی برای توسعه و تحقیق مدل‌ها، و مجموعه‌ای از وظایف پژوهشی که ادغام دانش از زمینه‌های آموزشی مختلف را تضمین می‌کند. نگارنده بر این باور است که استفاده از این تکنیک رشد طیف وسیعی از مهارت‌های فکری دانش‌آموزان را تضمین می‌کند، مانند انتزاع و عینیت‌سازی، تعمیم، طبقه‌بندی، تحلیل و درک نتایج اعمال آنها.

R. P. Romansky

دانشگاه فنی، صوفیه، بلغارستان

مقدمه

برای توسعه فناوری کامپیوتر و بهبود سازمان معماری سیستم های کامپیوتری (CS)، آموزش مستمر و خودسازی متخصصان و دانشجویان کامپیوتر ضروری است. این آموزش باید اشکال یادگیری سنتی را با فرصت‌هایی برای خودآموزی، آموزش از راه دور، توسعه پروژه عملی و آزمایش‌های تحقیقاتی ترکیب کند. نقش اساسی در تدریس در زمینه علوم کامپیوتر با استفاده از روش های مدرن برای مطالعه سازمان معماری و تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم CS ایفا می شود. به این معنا، استفاده از روش‌های مدل‌سازی در فرآیند مطالعه ساختارهای اساسی CS‌های مختلف و سازمان‌دهی فرآیندهای رایانه‌ای، این امکان را فراهم می‌کند که توصیف ریاضی مناسبی از شی مورد مطالعه ایجاد شود و نرم‌افزاری برای انجام آزمایش‌های رایانه‌ای ایجاد شود [Romansky, 2001, آرونز، 2000]. تجزیه و تحلیل نتایج تجربی مدل‌سازی [Bruyul, 2002] ارزیابی ویژگی‌های اصلی سیستم و عملکرد CSهای مورد مطالعه را ممکن می‌سازد.

استفاده از مدل سازی در فرآیند مطالعه CS به ما امکان می دهد ویژگی های معماری و سازماندهی محاسبات و کنترل را کشف کنیم. این را می توان بر اساس یک آزمایش مدل انجام داد که سازماندهی آن شامل طراحی یک مدل کامپیوتری به عنوان دنباله ای از سه جزء (مدل مفهومی، مدل ریاضی، مدل نرم افزار) و پیاده سازی این مدل در یک محیط عملیاتی مناسب است. در این مقاله امکان استفاده از روش‌های مختلف برای مطالعه CSها در فرآیند مطالعه آنها و به‌ویژه استفاده از اصول مدل‌سازی برای مطالعه فرآیندهای در حال انجام و همچنین تحلیل عملکرد سیستم CSها را در نظر می‌گیریم. هدف اصلی، تعریف یک روش تعمیم‌یافته برای مدل‌سازی رایانه‌ای به عنوان دنباله‌ای از مراحل مرتبط و ارائه مراحل اصلی روش تحقیق مدل‌سازی است. برای انجام این کار، بخش بعدی رسمی سازی کلی پردازش کامپیوتری اطلاعات و ویژگی های محاسبات کامپیوتری به عنوان یک موضوع مطالعه را ارائه می دهد. کاربرد اصول مدلسازی در فرآیند مطالعه CS با سازماندهی روش شناختی یادگیری به معنای سنتی، از راه دور یا توزیع شده همراه است.

سیستم های کامپیوتری به عنوان موضوع مطالعه و روش های تحقیق

یکی از اهداف اصلی دوره های آموزشی تخصصی در زمینه سیستم های کامپیوتری و تحقیقات عملکرد، آموزش طراحان کامپیوتر آینده و فعلی، توسعه دهندگان تجهیزات کامپیوتری و کاربران CS در استفاده صحیح از قابلیت های تکنولوژیکی مدل سازی و اندازه گیری ویژگی های کامپیوتر است. سیستم های. این امکانات هم در فرآیند ارزیابی اثربخشی پروژه های کامپیوتری جدید و هم برای انجام تحلیل مقایسه ای سیستم های موجود استفاده می شود. در فرايند يادگيري، وظيفه روشن كردن توالي مراحل تحقيق و امكان پردازش نتايج آزمايشي به منظور دستيابي به برآوردهاي كافي از شاخص هاي عملكرد است. این کار بسته به حوزه خاص یادگیری رایانه و ویژگی های اصول پردازش رایانه ای در نظر گرفته شده اطلاعات قابل اصلاح است.

برنج. 1. پشتیبانی اطلاعات از پردازش کامپیوتری.

به طور کلی، پردازش کامپیوتری مربوط به اجرای توابع خاص برای تبدیل داده های ورودی به راه حل های نهایی است. این دو سطح از تبدیل عملکردی اطلاعات را تعیین می کند (شکل 1):

تبدیل ریاضی اطلاعات - پردازش داده های واقعی به شکل اشیاء ریاضی و با یک تابع تعمیم یافته f:D®R نشان داده می شود که عناصر مجموعه داده D را در عناصر مجموعه نتیجه R نشان می دهد.

اجرای پردازش کامپیوتری - نشان دهنده اجرای خاصی f*:X®Y از تابع ریاضی f بسته به کامپیوتر و تجهیزات نرم افزاری بر اساس نمایش فیزیکی مناسب اشیاء اطلاعات واقعی است.

در نتیجه، می‌توانیم یک مدل عملکردی تعمیم‌یافته از پردازش رایانه بنویسیم r = f(d)ºj 2 (f*[ 1(d)])، که در آن توابع j 1 و j 2 برای رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات کمکی هستند.

با در نظر گرفتن CS به عنوان یک موضوع مطالعه، باید در نظر داشت که پردازش کامپیوتری شامل فرآیندهایی است که هر یک از آنها را می توان به عنوان یک ساختار I = نشان داد. ، جایی که: t لحظه اولیه وقوع فرآیند است. الف - تعریف صفات. T - ردیابی فرآیند. آخرین مؤلفه از توصیف رسمی، توالی زمانی رویدادها را تعیین می کند تا فرآیند داده شده را به عناصر منبع سیستم S=(S 1 , S 2 , ..., Sn ) خطاب کند. توالی مراحل زمانی و بار منبع سیستم، تعیین مشخصات فرآیند محاسبه را ممکن می سازد (شکل 2).

برنج. 2. مشخصات تقریبی فرآیند کامپیوتر.

پشتیبانی از فرآیندهای مختلف در سازمان پردازش رایانه، بار سیستم محیط رایانه را تشکیل می دهد. برای هر لحظه (t =1,2,...) می توان آن را با بردار V(t)=Vt= نشان داد. ، که عناصر آن آزاد (v j = 0) یا مشغول (v j = 1) دستگاه S j єS (j=1,2,...,n) را بیان می کنند.

هنگام مطالعه CS، تعیین مجموعه ای از پارامترهای اساسی سیستم که منعکس کننده ماهیت پردازش رایانه است، و همچنین توسعه روشی برای مطالعه رفتار یک منبع سیستم و فرآیندهای در حال انجام ضروری است. به عنوان پارامترهای اصلی سیستم (شاخص های عملکرد)، می توان به عنوان مثال، بار کاری هر عنصر از منبع سیستم، بار کل سیستم CS، زمان پاسخگویی هنگام حل مجموعه ای از وظایف در حالت چند برنامه ای، درجه پایداری (دوام) تجهیزات، هزینه پردازش کامپیوتری، کارایی زمان‌بندی فرآیندهای موازی یا شبه موازی و غیره.

یک دوره معمولی مطالعه در زمینه تجزیه و تحلیل و تحقیق عملکرد CS باید مسائل اصلی نظری و عملی را در زمینه های زیر مورد بحث قرار دهد:

امکان مطالعه عملکرد تجهیزات کامپیوتری و کارایی فرآیندهای کامپیوتری؛

بکارگیری روشهای پژوهشی مؤثر (اندازه گیری، مدلسازی).

ویژگی های تکنولوژیکی پارامترهای سیستم اندازه گیری (معیار، نظارت)؛

ویژگی های فن آوری و سازماندهی مدل سازی (تحلیلی، شبیه سازی و غیره)؛

روش های تجزیه و تحلیل نتایج تجربی

همه اینها با کاربرد این روش تحقیق و انتخاب ابزار مناسب مرتبط است. از این نظر، در شکل. 3 یک طبقه بندی تقریبی از روش ها برای مطالعه CS و فرآیندها را نشان می دهد. سه گروه اصلی را می توان شناسایی کرد:

مخلوط های نرم افزاری - وابستگی های ریاضی را برای ارزیابی عملکرد پردازنده بر اساس ضرایب کاربردی کلاس های عامل فردی نشان می دهد. به شما امکان می دهد تا بار پردازنده را با تجزیه و تحلیل آماری پس از اجرای برنامه های معمولی ارزیابی کنید.

روش های شمارش - به شما امکان می دهد اطلاعات قابل اعتمادی در مورد روند فرآیندهای رایانه ای بر اساس ثبت مستقیم مقادیر مشخصی از پارامترهای موجود COP بدست آورید. برای این کار باید از ابزار شمارش مناسب (مانیتور) استفاده یا توسعه داد و اجرای آزمایش شمارش را سازماندهی کرد. لازم به ذکر است که سیستم عامل های مدرن دارای مانیتورهای سیستم مخصوص به خود هستند که می توان از آنها در سطح نرم افزار یا سیستم عامل استفاده کرد.

روش های مدل سازی - در مواردی استفاده می شود که هدف واقعی آزمایش وجود نداشته باشد. مطالعه ساختار یا فرآیندهای در حال انجام در CS بر اساس یک مدل کامپیوتری انجام می شود. این مهم ترین جنبه های رفتار پارامترهای ساختاری و سیستم را بسته به هدف منعکس می کند. برای توسعه یک مدل، لازم است که مناسب ترین روش مدل سازی را انتخاب کنید، که اجازه می دهد حداکثر کفایت و قابلیت اطمینان را به دست آورید.

برنج. 3. طبقه بندی روش های تحقیق برای CS و فرآیندها.

فرآیند یادگیری سنتی شامل اجرای دوره اصلی سخنرانی ها در ارتباط با مجموعه ای از تمرینات کلاس درس و / یا تمرین آزمایشگاهی است. در زمینه علوم کامپیوتر، هنگام مطالعه سازماندهی یک CS و اصول مدیریت فرآیندهای کامپیوتری (در سطح پایین و بالا)، و همچنین هنگام تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم، اغلب نیاز به توسعه مدل‌های کامپیوتری در حین انجام وظایف آزمایشگاهی است. در کلاس درس یا هنگام اجرای پروژه ها به طور مستقل. برای اجرای موفقیت آمیز این کارهای عملی و کسب مهارت های عملی لازم، تعیین توالی مراحل و ارائه ویژگی های فناورانه توسعه مدل ضروری است. این به دانش آموزان اجازه می دهد تا دانش لازم را در مورد توسعه مدل های کامپیوتری کافی و قابل اعتماد برای مطالعه، ارزیابی و تجزیه و تحلیل مقایسه ای عملکرد سیستم معماری های مختلف رایانه به دست آورند. در نتیجه، یک روش تعمیم‌یافته برای انجام مدل‌سازی بیشتر پیشنهاد می‌شود، و همچنین یک طرح روش‌شناختی برای مدل‌سازی مطالعه CS و فرآیندها.

روش شبیه سازی کامپیوتری در مطالعه CS و فرآیندها

480 روبل. | 150 UAH | 7.5 دلار "، MOUSEOFF، FGCOLOR، "#FFFFCC"،BGCOLOR، "#393939");" onMouseOut="return nd();"> پایان نامه - 480 روبل، حمل و نقل 10 دقیقه 24 ساعت شبانه روز، هفت روز هفته و تعطیلات

240 روبل. | 75 UAH | 3.75 دلار "، MOUSEOFF، FGCOLOR، "#FFFFCC"،BGCOLOR، "#393939");" onMouseOut="return nd();"> چکیده - 240 روبل، تحویل 1-3 ساعت، از 10-19 (به وقت مسکو)، به جز یکشنبه

روزوا ناتالیا بوریسوونا. استفاده از مدل‌سازی کامپیوتری در فرآیند یادگیری: 13.00.01، 13.00.02 Rozova, Nataliya Borisovna استفاده از مدل‌سازی کامپیوتری در فرآیند یادگیری (در مثالی از مطالعه فیزیک مولکولی در دبیرستان): Dis. ... کند. Ped علوم: 13.00.01, 13.00.02 Vologda, 2002 163 p. RSL OD، 61:03-13/523-2

مقدمه

فصل 1. الگوها و الگوسازی در علم و آموزش 14

1.1 مدل ها و مدل سازی در علم مدرن 14

1.2 کاربرد الگوها در فرآیند آموزش دانش آموزان 26

1.3 شبیه سازی کامپیوتری در آموزش 33

فصل 2. مبانی روانشناختی و تربیتی یادگیری کامپیوتر 50

2.1 جنبه های روانشناختی و تربیتی آموزش کامپیوتر 50

2.2 ویژگی های فعالیت آموزشی و مدیریت آن بر اساس یادگیری کامپیوتری 58

فصل 3

3.1 تجزیه و تحلیل وضعیت شبیه سازی کامپیوتری در بخش "فیزیک مولکولی" 74

3.2 ویژگی های برنامه آزمایشی شبیه سازی کامپیوتری دینامیک سیستم های بسیاری از ذرات و امکان استفاده از آن در فرآیند آموزشی 83

3.3 روش سازماندهی و اجرای دروس فیزیک در پایه دهم هنگام مطالعه بخش "فیزیک مولکولی" بر اساس برنامه تجربی 92

4.1 وظایف آزمایش و سازماندهی اجرای آن 128

4.2 تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش آموزشی 140

نتیجه گیری 147

معرفی کار

یکی از مهمترین زمینه های توسعه جامعه آموزش است. آموزش برای آینده "کار می کند"، ویژگی های شخصی هر فرد، دانش، مهارت ها، فرهنگ رفتار، جهان بینی او را تعیین می کند و از این طریق پتانسیل اقتصادی، اخلاقی و معنوی جامعه را ایجاد می کند. فناوری اطلاعات یکی از ابزارهای اصلی در آموزش است، بنابراین تدوین استراتژی برای توسعه و استفاده از آن در آموزش یکی از مشکلات اساسی است. در نتیجه استفاده از فناوری رایانه از اهمیت ملی برخوردار است. بسیاری از کارشناسان معتقدند که در حال حاضر رایانه امکان پیشرفت کیفی در سیستم آموزشی را فراهم می کند، زیرا معلم یک ابزار آموزشی قدرتمند را در دستان خود دریافت کرده است. معمولاً دو جهت اصلی کامپیوتری وجود دارد. هدف اول تضمین سواد کامپیوتری همگانی است، دومی استفاده از کامپیوتر به عنوان ابزاری است که اثربخشی یادگیری را افزایش می دهد.

در نظام آموزشی دو نوع فعالیت متمایز می شود: آموزش و یادگیری. N.F. Talyzina و T.V. گبایی پیشنهاد کرد که نقش کامپیوتر در یادگیری از نقطه نظر عملکردی که انجام می دهد در نظر گرفته شود.

اگر كامپيوتر وظيفه مديريت فعاليت‌هاي آموزشي را انجام دهد، مي‌توان آن را به عنوان يك ابزار يادگيري جايگزين معلم در نظر گرفت، زيرا كامپيوتر فعاليت‌هاي يادگيري را مدل‌سازي مي‌كند، سؤال مي‌پرسد و به پاسخ‌ها و سؤالات دانش‌آموز به عنوان معلم پاسخ مي‌دهد.

اگر رایانه فقط به عنوان وسیله ای برای فعالیت آموزشی استفاده شود، تعامل آن با دانش آموزان بر اساس نوع "کاربر کامپیوتر" انجام می شود. در این مورد، کامپیوتر یک ابزار یادگیری نیست، اگرچه می تواند دانش جدید را منتقل کند. بنابراین، وقتی صحبت از یادگیری رایانه می شود، منظور استفاده از رایانه به عنوان وسیله ای برای مدیریت فعالیت های آموزشی است.

علیرغم این واقعیت که هنوز طبقه بندی واحدی از برنامه های آموزشی وجود ندارد، بسیاری از نویسندگان پنج نوع زیر را در میان آنها تشخیص می دهند: آموزش، راهنمایی، یادگیری مبتنی بر مشکل، شبیه سازی و مدل سازی، بازی. مدل های کامپیوتری بالاترین رتبه را در بین موارد فوق دارند. به گفته V.V. Laptev، "مدل کامپیوتری یک محیط نرم افزاری برای یک آزمایش محاسباتی است که بر اساس یک مدل ریاضی از یک پدیده یا فرآیند، ابزارهای تعامل تعاملی با شی آزمایشی و توسعه ابزار نمایش اطلاعات را ترکیب می کند ... مدل‌های رایانه‌ای هدف اصلی فیزیک محاسباتی هستند که روش متمایز آن آزمایش محاسباتی است، همانطور که آزمایش طبیعی روش متمایز فیزیک تجربی است. آکادمیک V.G. رازوموفسکی خاطرنشان می کند که "با ورود رایانه ها به فرآیند آموزشی، امکانات بسیاری از روش های دانش علمی افزایش می یابد، به ویژه روش مدل سازی، که به شما امکان می دهد تا شدت یادگیری را به طور چشمگیری افزایش دهید، زیرا ماهیت پدیده ها در طول مدل سازی برجسته می شود. و اشتراک آنها روشن می شود.»

وضعیت فعلی یادگیری کامپیوتر با مجموعه بزرگی از برنامه های آموزشی مشخص می شود که به طور قابل توجهی از نظر کیفیت متفاوت هستند. واقعیت این است که در مرحله اولیه کامپیوتری شدن مدارس، معلمانی که از آموزش کامپیوتر استفاده می کردند، برنامه های آموزشی خود را ایجاد کردند و از آنجایی که برنامه نویسان حرفه ای نبودند، برنامه هایی که ایجاد کردند بی اثر بود. بنابراین، در کنار برنامه هایی که آموزش مبتنی بر مسئله، شبیه سازی کامپیوتری و غیره را ارائه می دهند، تعداد زیادی برنامه آموزشی ابتدایی وجود دارد که تأثیری بر اثربخشی یادگیری ندارند. بنابراین، وظیفه معلم توسعه برنامه های آموزشی نیست، بلکه توانایی استفاده از برنامه های آماده با کیفیت بالا است که الزامات روش شناختی و روانشناختی و آموزشی مدرن را برآورده می کند.

یکی از معیارهای اصلی برای اهمیت آموزشی برنامه‌های مدل‌سازی، امکان انجام تحقیقاتی است که قبلاً در شرایط آزمایشگاه فیزیک مدرسه غیرممکن بود. در محتوای تربیت بدنی تعدادی بخش وجود دارد که در آنها یک آزمایش در مقیاس کامل فقط به صورت کیفی پدیده یا فرآیند مورد مطالعه را توصیف می کند. استفاده از مدل های کامپیوتری نیز امکان انجام تجزیه و تحلیل کمی از این اشیاء را فراهم می کند.

یکی از این بخش‌های فیزیک مدرسه، فیزیک مولکولی است، وضعیت یادگیری کامپیوتر که در آن به تجزیه و تحلیل خواهیم پرداخت. با مطالعه آن، دانش آموزان با شکل کیفی جدیدی از حرکت ماده روبرو می شوند - حرکت حرارتی، که در آن، علاوه بر قوانین مکانیک، قوانین آمار نیز عمل می کنند. آزمایشات میدانی (حرکت براونی، انتشار، برهمکنش مولکول ها، تبخیر، پدیده های سطحی و مویرگی، خیس شدن) فرضیه ساختار مولکولی ماده را تأیید می کند، اما به ما اجازه نمی دهد مکانیسم فرآیندهای فیزیکی در حال انجام را مشاهده کنیم. مدل‌های مکانیکی: آزمایش استرن، تخته گالتون، نصبی برای نشان دادن قوانین گاز، توضیح قانون ماکسول در مورد توزیع مولکول‌های گاز بر روی سرعت‌ها و به دست آوردن تجربی روابط بین فشار، حجم و دمای لازم برای استخراج قوانین گاز را ممکن می‌سازد.

استفاده از فناوری مدرن محاسبات الکترونیکی و الکترونیکی می تواند به طور قابل توجهی فرمول و انجام آزمایش را تکمیل کند. متاسفانه تعداد آثار در این زمینه بسیار کم است.

این مقاله استفاده از رایانه را برای نشان دادن وابستگی سرعت مولکول‌های گازهای مختلف به دما، محاسبه تغییر انرژی داخلی بدن در طول تبخیر، ذوب و تبلور و همچنین استفاده از رایانه توصیف می‌کند. در پردازش کارهای آزمایشگاهی همچنین شرحی از درس تعیین بازده یک موتور حرارتی ایده آل بر اساس چرخه کارنو ارائه می دهد.

روش برای راه اندازی یک آزمایش با استفاده از رایانه های الکترونیکی و الکترونیکی توسط V.V. لپتف طرح آزمایش به این صورت است: مقادیر اندازه گیری شده - حسگرها - مبدل آنالوگ به دیجیتال - ریزمحاسبه MK-V4 یا رایانه یاماها. بر اساس این اصل، یک تاسیسات الکترومکانیکی جهانی برای مطالعه قوانین گاز در یک دوره مدرسه در فیزیک طراحی شد.

در کتاب A.S. Kondratiev و V.V. Laptev "فیزیک و کامپیوتر"، برنامه هایی توسعه داده شده است که در قالب نمودار فرمول توزیع ماکسول مولکول ها بر اساس سرعت را تجزیه و تحلیل می کند، از توزیع بولتزمن برای محاسبه ارتفاع صعود استفاده می کند و به مطالعه آن می پردازد. چرخه کارنو

I.V. گربنف برنامه ای ارائه می دهد که انتقال حرارت را با برخورد ذرات دو جسم شبیه سازی می کند.

در مقاله "مدل سازی کار آزمایشگاهی کارگاه فیزیکی" V.T. پتروسیان و دیگران شامل برنامه ای برای مدل سازی حرکت براونی ذرات هستند که تعداد آنها با آزمایش تعیین می شود.

کامل ترین و موفق ترین پیشرفت بخش فیزیک مولکولی دوره آموزشی کامپیوتر "Open Physics" LLP SC PHYSICS است. مدل های ارائه شده در آن کل دوره فیزیک مولکولی و ترمودینامیک را پوشش می دهد. برای هر آزمایش، انیمیشن کامپیوتری، نمودارها و نتایج عددی ارائه شده است. برنامه های با کیفیت خوب، کاربر پسند، به شما امکان می دهد هنگام تغییر پارامترهای کلان ورودی، پویایی فرآیند را مشاهده کنید.

در عین حال، به نظر ما، این دوره کامپیوتر برای ادغام مطالب تحت پوشش، به تصویر کشیدن قوانین فیزیکی و کار مستقل دانش آموزان مناسب ترین است. اما استفاده از آزمایش‌های پیشنهادی به عنوان نمایش رایانه‌ای دشوار است، زیرا از پشتیبانی روش‌شناختی برخوردار نیستند، کنترل زمان فرآیند در حال انجام غیرممکن است.

لازم به ذکر است که در حال حاضر "هیچ دیدگاه ثابتی در مورد یک نشانه خاص وجود ندارد: مکان و زمان استفاده از رایانه در فرآیند یادگیری، هیچ تجربه عملی در ارزیابی تأثیر رایانه بر کارایی یادگیری به دست نیامده است. الزامات نظارتی برای نوع، نوع و پارامترهای سخت افزار و نرم افزار آموزشی تعیین شده است.

سوالاتی در مورد پشتیبانی روش شناختی نرم افزار آموزشی توسط I.V. گربنف. مهمترین معیار برای اثربخشی یادگیری رایانه را احتمالاً باید امکان کسب دانش جدید و مهم در یک موضوع در گفتگو با رایانه از طریق چنین سطحی یا با ماهیت فعالیت شناختی که با آن غیرممکن است برای دانش آموزان در نظر گرفت. یادگیری بدون ماشین، البته به شرطی که اثر آموزشی آنها باشد و هزینه وقت معلم و دانش آموز را بپردازد."

این بدان معنی است که برای اینکه استفاده از رایانه سود واقعی به همراه داشته باشد، باید مشخص شود که روش موجود از چه نظر ناقص است و نشان داده شود که چه خصوصیاتی از رایانه و به چه طریقی می تواند اثربخشی آموزش را افزایش دهد.

تجزیه و تحلیل وضعیت شبیه سازی کامپیوتری نشان می دهد که:

1) شبیه سازی کامپیوتری با تعداد کمی از برنامه ها به طور کلی و به طور خاص آنهایی که فرآیندهای فیزیکی را بر اساس مفاد نظریه جنبشی مولکولی (MKT) مدل می کنند، نشان داده می شود.

2) در برنامه های شبیه سازی شده بر اساس MCT، نتایج کمی وجود ندارد، بلکه فقط یک تصویر کیفی از برخی فرآیندهای فیزیکی صورت می گیرد.

3) در همه برنامه ها، ارتباط بین ریزپارامترهای یک سیستم ذرات و ماکروپارامترهای آن (فشار، حجم و دما) ارائه نمی شود.

4) هیچ روش توسعه یافته ای برای اجرای دروس با استفاده از برنامه های شبیه سازی رایانه ای برای تعدادی از فرآیندهای فیزیکی MCT وجود ندارد.

این موضوع ارتباط مطالعه را تعیین می کند.

هدف مطالعه، فرآیند یادگیری در یک دبیرستان است.

موضوع تحقیق، فرآیند استفاده از شبیه سازی کامپیوتری در آموزش فیزیک در مقطع متوسطه است.

هدف از این مطالعه مطالعه امکانات آموزشی مدل سازی کامپیوتری و توسعه پشتیبانی روش شناختی برای استفاده از برنامه های مدل سازی کامپیوتری بر اساس مواد یک دوره فیزیک مدرسه است.

بر اساس هدف مطالعه، وظایف زیر در کار تعیین شد:

1) تجزیه و تحلیل جامع از احتمالات استفاده از شبیه سازی کامپیوتری در فرآیند یادگیری انجام دهید.

2) الزامات روانشناختی و آموزشی برای مدل های کامپیوتری آموزشی را تعیین کنید.

3) تجزیه و تحلیل برنامه های کامپیوتری داخلی و خارجی که پدیده های فیزیکی را شبیه سازی می کنند و یک اثر یادگیری واقعی می دهند.

4) یک برنامه شبیه سازی کامپیوتری بر اساس مواد محتوای فیزیکی آموزش عمومی متوسطه (بخش "فیزیک مولکولی") ایجاد کنید.

5) کاربرد یک برنامه شبیه سازی کامپیوتری تجربی را بررسی کنید و نتیجه آموزشی و روش شناختی آن را ارزیابی کنید.

فرضیه تحقیق.

در صورتی که در فرآیند آموزش فیزیک از برنامه های شبیه سازی کامپیوتری استفاده شود که پشتیبانی روش شناختی آن به شرح زیر است، کیفیت دانش، مهارت و فرهنگ اطلاعاتی دانش آموزان قابل ارتقاء است:

متناسب با مبانی نظری مدلسازی کامپیوتری در دوره وظایف آموزشی، مکان، زمان، شکلی از استفاده از مدل های کامپیوتری آموزشی تعریف شده است.

تنوع شکل ها و روش های مدیریت فعالیت های دانش آموزان انجام می شود.

دانش آموزان مدرسه در انتقال از اشیاء واقعی به مدل ها و بالعکس آموزش می بینند.

مبنای روش شناختی مطالعه عبارت است از: رویکردهای سیستمی و فعالیتی برای مطالعه پدیده های آموزشی. نظریه های فلسفی، سایبرنتیک، روانشناختی مدل سازی کامپیوتری (A.A. Samarsky، V.G. Razumovskiy، N.V. Razumovskaya، B.A. Glinsky، B.V. Biryukov، V.A. Shtoff، V.M. Glushkov و دیگران)؛ مبانی روانشناختی و آموزشی کامپیوتری کردن آموزش (V.V. Rubtsov، E.I. Mashbits) و مفهوم توسعه آموزش (L.S. Vygotsky، D.B. Elkonin، V.V. Davydov، N.F. Talyzina، P. Ya. Galperin).

روش های پژوهش:

تحلیل علمی و روش شناختی ادبیات فلسفی، روانشناختی، آموزشی و روش شناختی در مورد مسئله مورد مطالعه؛

تجزیه و تحلیل تجربیات معلمان، تجزیه و تحلیل تجربه خود از تدریس فیزیک در دبیرستان و روش های فیزیک در دانشگاه؛

تحلیل مدل سازی برنامه های کامپیوتری بر روی فیزیک مولکولی نویسندگان داخلی و خارجی به منظور تعیین محتوای برنامه.

مدل سازی پدیده های فیزیکی در فیزیک مولکولی.

آزمایش های کامپیوتری بر اساس برنامه های شبیه سازی انتخاب شده.

پرسش، گفتگو، مشاهده، آزمایش آموزشی.

روش های آمار ریاضی.

پایگاه تحقیقاتی: مدارس شماره 3، 11، 17 ولوگدا، دبیرستان طبیعی و ریاضی دولتی ولوگدا، دانشکده فیزیک و ریاضیات دانشگاه آموزشی دولتی ولوگدا.

این مطالعه در سه مرحله و منطق زیر انجام شد.

در مرحله اول (1993-1995) مسئله، هدف، وظایف و فرضیه پژوهش تعریف شد. ادبیات فلسفی، آموزشی و روان‌شناختی به منظور شناسایی مبانی نظری برای توسعه و استفاده از مدل‌های کامپیوتری در فرآیند یادگیری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

در مرحله دوم (1995 - 1997)، کار تجربی در چارچوب مسئله مورد مطالعه انجام شد، پیشرفت های روش شناختی برای استفاده از برنامه های شبیه سازی کامپیوتری در دروس فیزیک پیشنهاد شد.

در مرحله سوم (1997-2000)، تجزیه و تحلیل و تعمیم کار تجربی انجام شد.

پایایی و اعتبار نتایج به دست آمده توسط: رویکردهای نظری و روش شناختی برای مطالعه مشکل شبیه سازی کامپیوتری در آموزش تضمین می شود. ترکیبی از تجزیه و تحلیل کیفی و کمی نتایج، از جمله استفاده از روش های آمار ریاضی. روشهای مناسب با هدف و موضوع مطالعه؛ الزامات مبتنی بر علم برای توسعه یک برنامه شبیه سازی کامپیوتری

مورد دوم نیاز به توضیح دارد. ما برنامه ای برای مدل سازی دینامیک سیستم های بسیاری از ذرات ایجاد کرده ایم که محاسبه حرکت آن بر اساس الگوریتم Verlet است که توسط H. Gould و J. Tobochnik استفاده شده است. این الگوریتم ساده است و حتی برای بازه های زمانی کوچک نیز نتایج دقیقی را ارائه می دهد که در مطالعه الگوهای آماری بسیار مهم است. رابط برنامه اصلی نه تنها امکان مشاهده پویایی فرآیند و تغییر پارامترهای سیستم، رفع نتایج را فراهم می کند، بلکه امکان تغییر زمان آزمایش، توقف آزمایش، ذخیره این فریم و شروع کار بعدی بر روی از آن مدل کنید

سیستم مورد مطالعه متشکل از ذراتی است که سرعت آنها به صورت تصادفی تنظیم شده و بر اساس قوانین مکانیک نیوتنی با یکدیگر برهمکنش می کنند و نیروهای برهمکنش بین مولکول ها توسط منحنی لنارد-جانسون نمایش داده می شود، یعنی برنامه حاوی یک مدل است. از یک گاز واقعی اما با تغییر پارامترهای اولیه می توان مدل را به گاز ایده آل رساند.

برنامه شبیه سازی کامپیوتری ارائه شده توسط ما امکان به دست آوردن نتایج عددی در واحدهای نسبی را فراهم می کند و قوانین و فرآیندهای فیزیکی زیر را تأیید می کند:

الف) وابستگی نیروی برهمکنش و انرژی پتانسیل ذرات (مولکول ها) به فاصله بین آنها.

ب) توزیع سرعت ماکسول.

ج) معادله اصلی نظریه جنبشی مولکولی.

د) قوانین بویل ماریوت و چارلز.

ه) آزمایش های ژول و ژول تامسون.

آزمایش های فوق می تواند اعتبار روش فیزیک آماری را تأیید کند، زیرا نتایج آزمایش عددی با نتایج به دست آمده بر اساس قوانین آمار مطابقت دارد.

آزمایش آموزشی اثربخشی روش برای اجرای دروس با استفاده از برنامه های شبیه سازی رایانه ای را تأیید کرد.

تازگی علمی و اهمیت نظری مطالعه:

1. شرح جامعی از مدل سازی کامپیوتری مورد استفاده در فرآیند یادگیری (فلسفی، سایبرنتیکی، آموزشی) انجام شده است.

2. الزامات روانشناختی و آموزشی برای مدل های آموزش کامپیوتری اثبات شده است.

3. روش شبیه سازی کامپیوتری دینامیک بسیاری از ذرات به کار گرفته شد که برای اولین بار در دوره مدرسه فیزیک مولکولی امکان ایجاد یک مدل کامپیوتری از گاز ایده آل را فراهم کرد که امکان نشان دادن رابطه بین ریزپارامترهای سیستم (سرعت، تکانه، جنبشی، پتانسیل و انرژی کل ذرات متحرک) با پارامترهای کلان (فشار، حجم، دما).

4. بر اساس برنامه های شبیه سازی کامپیوتری در روش شناسی فیزیک، آزمایش های عددی زیر انجام شد: معادله پایه نظریه مولکولی- جنبشی به دست آمد. رابطه بین دما و انرژی جنبشی حرکت انتقالی ذرات (مولکول ها) نشان داده شده است. آزمایش‌های ژول و ژول تامسون برای گازهای ایده‌آل و واقعی مدل‌سازی شده‌اند.

اهمیت عملی مطالعه در این واقعیت نهفته است که محتوای انتخاب شده و برنامه های شبیه سازی کامپیوتری توسعه یافته را می توان در یک مدرسه متوسطه برای انجام یک آزمایش عددی بر روی تعدادی از مسائل فیزیک مولکولی استفاده کرد. تکنیکی برای اجرای دروس در فیزیک مولکولی با استفاده از برنامه‌های کامپیوتری مدل‌سازی در این آزمایش توسعه و آزمایش شده است. مواد و نتایج مطالعه را می توان در فرآیند آموزش دانشجویان دانشگاه های آموزشی و آموزش پیشرفته معلمان فیزیک و علوم کامپیوتر نیز به کار برد.

تایید مواد اصلی و نتایج به دست آمده در طول مطالعه انجام شد

در کنفرانس بین المللی علمی و فنی الکترونیکی (Vologda، 1999)؛

در کنفرانس علمی و عملی بین دانشگاهی "جنبه های اجتماعی سازگاری جوانان با شرایط زندگی در حال تغییر" (ولوگدا، 2000).

در دومین کنفرانس علمی و روش شناختی منطقه ای "فناوری های مدرن در آموزش عالی و متوسطه حرفه ای" (پسکوف، 2000).

در ششمین کنفرانس علمی-عملی همه روسی "مشکل آزمایش فیزیکی آموزشی" (گلازوف، 2001).

هنگام تدریس فیزیک در مدارس متوسطه شهر وولوگدا، در کلاس های روش های آموزش فیزیک با دانش آموزان VSPU، در سمینارها برای دانش آموزان فارغ التحصیل VSPU و معلمان گروه فیزیک عمومی و نجوم.

موارد زیر برای دفاع ارائه می شود:

1. رویکردهای نظری برای استفاده از شبیه سازی کامپیوتری در فرآیند یادگیری و پشتیبانی روش شناختی آن.

3. روش تنظیم و اجرای دروس فیزیک در پایه دهم متوسطه در هنگام مطالعه مبحث "فیزیک مولکولی" بر اساس برنامه شبیه سازی کامپیوتری.

ساختار پایان نامه.

ساختار پایان نامه با منطق و توالی حل تکالیف تعیین می شود. پایان نامه شامل مقدمه، چهار فصل، نتیجه گیری، کتابشناسی می باشد.

مدل ها و مدل سازی در علم مدرن

در حال حاضر مدل‌سازی و مدل‌سازی به‌عنوان یکی از روش‌های شناخت دنیای اطراف، به‌طور گسترده در علم، فناوری و آموزش مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اصطلاح "مدل" از کلمه لاتین modulus گرفته شده است که به معنای اندازه گیری، الگو، هنجار است. دیدگاه کل نگر از یک فرد در مورد جهان در بیشتر موارد به شکل یک مدل فیزیکی خاص در ذهن او منعکس می شود.

در فلسفه مدرن، تعاریف زیر از مفاهیم مدل و شبیه سازی ارائه شده است.

«مدل (مدل فرانسوی) در منطق و روش‌شناسی علم، آنالوگ (طرح، ساختار، سیستم نشانه‌ای) از بخش خاصی از واقعیت طبیعی یا اجتماعی، محصول فرهنگ انسانی، آموزش مفهومی و نظری و غیره است. مدل اصلی این آنالوگ برای ذخیره و گسترش دانش (اطلاعات) در مورد اصل، خواص و ساختارهای آن، تغییر یا مدیریت آن است. از منظر معرفت‌شناختی، مدل یک «نماینده»، «جانشین» اصل در شناخت و عمل است. نتایج پردازش و تحقیق مدل در شرایط معینی که در منطق و روش شناسی و مختص حوزه ها و انواع مدل ها مشخص می شود به نسخه اصلی منتقل می شود. «مدل‌سازی روشی برای مطالعه موضوعات دانش بر روی مدل‌های آنهاست. ساخت و مطالعه مدل ها، اشیاء و پدیده های واقعی (سیستم های آلی و معدنی، دستگاه های مهندسی، فرآیندهای مختلف - فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی، اجتماعی) و اشیاء ساخته شده برای تعیین یا بهبود ویژگی های آنها، منطقی کردن روش های ساخت و کنترل آنها. و غیره P." . بسته به نوع مدل ها، مدل سازی شی و نشانه متمایز می شود. در مدل‌سازی شی، تحقیق روی مدلی انجام می‌شود که ویژگی‌های هندسی، فیزیکی یا عملکردی خاص را بازتولید می‌کند. به عنوان مثال، در مدل سازی آنالوگ با کمک مدل های انرژی، پدیده های مکانیکی، صوتی، هیدرودینامیکی و سایر پدیده ها مورد مطالعه قرار می گیرند، زیرا عملکرد مدل و مدل اصلی با همان معادلات دیفرانسیل توصیف می شود.

«در مدل‌سازی نشانه‌ها، مدل‌ها نمودارها، نقشه‌ها، فرمول‌هایی هستند که به برخی از الفبا (زبان طبیعی یا مصنوعی) پیشنهاد می‌شوند.» . مدل‌سازی یکی از روش‌های مهم شناخت است، بنابراین در دسته معرفت‌شناختی قرار می‌گیرد. نتایج به‌دست‌آمده در مطالعه مدل‌ها در صورتی که مدل ویژگی‌های اصلی را منعکس کند، می‌تواند به نسخه اصلی منتقل شود.

این طبقه بندی بر اساس روش بازتولید ویژگی های اصلی در مدل است. تمامی مدل ها به دو دسته متریال و ایده آل تقسیم می شوند. مدل های مادی شامل مدل هایی هستند که به طور عینی وجود دارند و توسط انسان برای بازتولید ساختار و ماهیت فرآیند یا پدیده مورد مطالعه ایجاد می شوند.

برای مدل های مشابه فضایی، یک پیش نیاز شباهت هندسی آنها به مدل اصلی است، زیرا آنها ویژگی های فضایی و روابط یک شی را منعکس می کنند. این گروه شامل چیدمان های مختلف، مدل های دستگاه های فنی، شبکه های کریستالی و ... می باشد.

در مدل های مشابه فیزیکی، شباهت ماهیت فیزیکی آن با اصل و هویت قوانین حرکت ضروری است. چنین مدل هایی با ماهیتی که نشان می دهند تنها با تغییر مقیاس مکانی یا زمانی متفاوت هستند. این گروه شامل مدل های عملیاتی دستگاه های فنی مختلف، به عنوان مثال، موتورهای الکتریکی و ژنراتورها، کشتی ها، هواپیماها و غیره است.

مدل های ریاضی مشابه عملکرد اشیاء مورد مطالعه باید با همان معادلات ریاضی توصیف شوند و به عنوان یک قاعده، شباهت فیزیکی و هندسی با اصلی ندارند. مدل های ریاضی شامل مدل های آنالوگ، ساختاری، دیجیتال، سایبرنتیک می باشد.

جنبه های روانشناختی و تربیتی یادگیری کامپیوتر

در سال های اخیر روانشناسان داخلی و خارجی به نقش ویژگی های فردی دانش آموزان در فرآیند یادگیری توجه کرده اند. جستجوی راه هایی برای حفظ و توسعه بیشتر فردیت کودک، پتانسیل ها و توانایی های او منجر به توسعه مفاهیمی برای فردی شدن آموزش شد. کمک از طریق فردی سازی در اجرای برنامه های آموزشی توسط هر دانش آموز، جلوگیری از شکست دانش آموزان. شکل گیری مهارت های آموزشی عمومی بر اساس منطقه رشد نزدیک هر دانش آموز. بهبود انگیزه آموزشی و توسعه علایق شناختی؛ شکل گیری ویژگی های شخصی: استقلال، کوشش، خلاقیت - جوهر فردی سازی آموزش. مزیت اصلی این است که فردی سازی به شما امکان می دهد محتوا، روش ها و سرعت فعالیت های یادگیری کودک را به طور کامل با ویژگی های او تطبیق دهید، اقدامات او را در هر مرحله از حل مشکل نظارت کنید، تنظیمات به موقع را در فعالیت های دانش آموز و معلم انجام دهید، وفق دهید. آنها را به موقعیت های دائماً در حال تغییر، اما کنترل شده دانش آموزان و معلمان می رسانند. همه اینها به دانش آموز اجازه می دهد تا کار اقتصادی داشته باشد، هزینه های نیروهای خود را کنترل کند و نتایج بهتری کسب کند.

فن آوری فردی سازی آموزش همه بخش های فرآیند آموزشی - اهداف، محتوا، روش ها و وسایل را پوشش می دهد. ویژگی های یادگیری فردی در مبنای فلسفی خود انسان گرایانه است. عوامل رشد: زیستی، اجتماعی و روانی. اصل مدیریت سیستم "مربی" است، رویکرد به کودک انسانی-شخصی است، اشکال سازمانی آکادمیک، فردی-گروهی است. روش غالب برنامه ریزی شده، خود در حال توسعه، خلاق است. یکی از گزینه های پیاده سازی فردی سازی یادگیری، توسعه ایده های یادگیری تطبیقی ​​است. هم سن و هم ویژگی های فردی دانش آموزان را در نظر می گیرد. انطباق می تواند بر اساس اطلاعات جمع آوری شده از تجربه یادگیری هر دانش آموز یا از پیش برنامه ریزی شده باشد. یک سیستم تطبیقی، که از قبل برنامه ریزی شده است، معمولاً یادگیری را طبق یک برنامه شاخه ای پیاده سازی می کند، که در آن، بسته به ماهیت خطای ایجاد شده، مشخص می شود که کدام اقدامات کمکی صادر می شود. سیستم های یادگیری تطبیقی، به عنوان یک قاعده، موارد زیر را در نظر می گیرند: الف) صحت پاسخ، ب) دلایلی که باعث ایجاد مشکلات در تکمیل وظایف آموزشی شده است.

توسعه فن آوری، توسعه انواع مختلف دستگاه های فنی این امکان را فراهم می کند که امکانات فن آوری برای فردی کردن آموزش با استفاده از فناوری مدرن رایانه ترکیب شود.

آموزش رایانه مبتنی بر سازگاری سریع و انعطاف پذیر با ویژگی های فردی هر دانش آموز قادر است از بروز ناراحتی های روانی، کاهش عزت نفس، کاهش انگیزه یادگیری جلوگیری کند، زیرا می تواند فردیت دانش آموز را در نظر بگیرد. حداکثر.

L.V. شنشو سه نوع یادگیری تطبیقی ​​را توصیف می کند. اولین گزینه مفهوم حداکثر سازگاری سایبرنتیک انگلیسی G. Pasca است. دوم نظریه سازگاری جزئی روانشناس آمریکایی N. Crowder است. سومین مفهوم بی. اسکینر از حداقل سازگاری است. نویسندگان نظریه های یادگیری تطبیقی ​​در ارزیابی دلایل کارایی پایین یادگیری سنتی و در انتخاب حذف این علل مشابه هستند. مفاهیم یادگیری تطبیقی ​​الزامات خاصی را بر فرآیند یادگیری تحمیل می کند:

1. سازگاری سریع با ویژگی های فردی دانش آموزان با در نظر گرفتن سرعت یادگیری، تشخیص علل مشکلات، تنظیم به موقع مطالب آموزشی.

2. مدیریت مستمر و هدفمند حوزه عاطفی- انگیزشی دانش آموز، تثبیت وضعیت وی. 3. حفظ گفتگوی مستمر، تحریک فعالیت دانش آموزان.

4. یادگیری اتوماسیون.

تحقق این الزامات آسان‌تر به یادگیری رایانه نسبت داده می‌شود، زیرا معلم نمی‌تواند به طور همزمان با دانش‌آموزان مختلف سازگار شود، در حالی که دستگاه بی‌طرف، صبور و خستگی‌ناپذیر است.

مفاهیم فوق از یادگیری تطبیقی ​​به سرعت وارد عمل شد و باعث ایجاد یک شوق مد روز برای یادگیری دستگاه ها و برنامه های کامپیوتری شد. آنها آماتور و بدوی در توانایی های آموزشی خود، ایده اصلی در نظر گرفتن ویژگی های فردی و تثبیت وضعیت عاطفی مثبت دانش آموزان را نادیده گرفتند. در ارتباط با این وضعیت، اثربخشی آموزش کامپیوتر زیر سوال می رود. استدلال مدرن به نفع استفاده از رایانه، نتیجه گیری توسعه دهندگان یادگیری تطبیقی ​​را تکرار می کند. این اهمیت در نظر گرفتن پویایی جذب و اتوماسیون یادگیری است که به معلم اجازه می دهد تا با وظایف سازمانی منحرف نشود.

تجزیه و تحلیل وضعیت شبیه سازی کامپیوتری در بخش "فیزیک مولکولی"

در فصل اول و دوم به بررسی مسائل استفاده از مدل سازی کامپیوتری در تعلیم و تربیت از منظر معرفت شناسی، تربیتی و روانشناسی پرداخته و جایگاه و کارکرد آنها را نیز مشخص کردیم. استفاده از مدل های کامپیوتری در آموزش فیزیک نشان دادن اهمیت مدل سازی به عنوان روشی برای شناخت دنیای اطراف، به شکل گیری تفکر انتزاعی، توسعه علاقه شناختی و تسلط بر عناصر فرهنگ اطلاعات کمک می کند. در عین حال، برای درک بهتر مزایایی مانند امکان یادگیری فردی، هدایت فعالیت‌های آموزشی، دید، ویژگی‌های شبیه‌سازی مدل‌های رایانه‌ای، لازم است آن بخش از فیزیک، استفاده از شبیه‌سازی رایانه‌ای را که در آن اثر یادگیری واقعی داشته باشد و روش های روش شناختی برای گنجاندن آن در درس تعیین شود.

دشواری مطالعه درس "فیزیک مولکولی و ترمودینامیک" در مقطع متوسطه ابتدایی این است که در اینجا دانش آموزان با شکل کیفی جدیدی از حرکت ماده روبرو می شوند - حرکت حرارتی که در آن علاوه بر قوانین مکانیک، قوانین آمار نیز وجود دارد. نیز اعمال شود. علاوه بر این، آزمایشات میدانی (حرکت براونی، انتشار، برهمکنش مولکول ها، تبخیر، پدیده های سطحی و مویرگی، خیس شدن) تنها فرضیه ساختار مولکولی ماده را تایید می کنند، اما به ما اجازه نمی دهند مکانیسم فرآیندهای فیزیکی در حال انجام را مشاهده کنیم. مدل‌های مکانیکی: آزمایش استرن، تخته گالتون، نصب برای نشان دادن قوانین گاز، توضیح قانون ماکسول در مورد توزیع مولکول‌ها بر روی سرعت‌ها و به دست آوردن تجربی روابط بین فشار، حجم و دمای لازم برای استخراج قوانین گاز را ممکن می‌سازد. افزایش اثربخشی درس می‌تواند باعث گسترش و بهبود یک آزمایش نمایشی یا آزمایشگاهی با استفاده از رایانه شود (ما به اهمیت مدل‌های کامپیوتری در مطالعه فیزیک اشاره کردیم). چنین ابزارهای نرم افزاری برای انجام یک آزمایش نمایشی در دوره مدرسه فیزیک مولکولی و ترمودینامیک در دسترس هستند، اگرچه به مقدار کم. بررسی تعدادی از کارها توسط ما انجام شد و در اینجا تجزیه و تحلیلی از تمام برنامه های رایانه ای شناخته شده برای ما در مطالعه فیزیک مولکولی و ترمودینامیک ارائه خواهیم کرد.

استفاده از فناوری مدرن محاسبات الکترونیکی و الکترونیکی می تواند به طور قابل توجهی فرمول بندی و انجام آزمایش را بهبود بخشد. استفاده از کامپیوتر را برای نشان دادن وابستگی سرعت مولکول های نیتروژن، هیدروژن، آرگون و هوا به دما، محاسبه تغییر انرژی داخلی بدن در حین ذوب و تبلور، در حین تبخیر و حالت گازی توصیف می کند. و همچنین استفاده از کامپیوتر در پردازش نتایج کار آزمایشگاهی.

در همین کتاب شرحی از درس تعیین بازده موتور حرارتی ایده آل بر اساس چرخه کارنو آورده شده است. مدل چرخه کارنو کامپیوتری بود که آدیابات ها و ایزوترم ها را به صورت برنامه نویسی روی صفحه نمایشگر پیاده سازی می کرد و به صورت گرافیکی چرخه کارنو را نشان می داد.

روش انجام آزمایش با استفاده از فناوری الکترونیک و کامپیوتر توسط V.V. لپتف او از جهانی بودن سیگنال الکتریکی استفاده کرد که نه تنها حاوی اطلاعات لازم است، بلکه می تواند توسط رایانه های الکترونیکی نیز پردازش شود. بنابراین، لازم است تمام مقادیر غیر الکتریکی درگیر در آزمایش را با استفاده از مبدل های اولیه - حسگرهایی که در خروجی آنها یک سیگنال آنالوگ الکتریکی، معمولاً به شکل ولتاژ الکتریکی ظاهر می شود، به الکتریکی تبدیل کنید. Laptev V.V. با کارمندان، چندین سنسور برای اندازه گیری روشنایی، دما و زمان ساخته و تولید شد. سیگنال های سنسورها را می توان با اشاره گر یا ابزار اندازه گیری دیجیتال ثابت کرد. برای استفاده از کامپیوترهای الکترونیکی دیجیتال هنگام پردازش نتایج آزمایش، لازم است سیگنال آنالوگ را با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال با استفاده از ریزمدارهای مناسب برای این کار به دیجیتال تبدیل کنید. بنابراین، طرح آزمایش به این صورت است: مقادیر اندازه گیری شده - حسگرها - مبدل آنالوگ به دیجیتال - ریز حساب MK-64 یا رایانه "یاماها". طبق این اصل، یک تاسیسات نمایشی الکترومکانیکی جهانی برای مطالعه قوانین گاز در یک دوره مدرسه در فیزیک طراحی شد. مقادیر فشار، حجم و دمای اندازه‌گیری شده در آزمایش به نوبه خود بر روی یک نشانگر دیجیتال نمایشی ثابت می‌شوند و به گذرگاه داده‌های کامپیوتری داده می‌شوند که نمودارهایی از تمام روابط ممکن بین فشار، حجم و دما را روی صفحه نمایش نمایش می‌دهد. پس از رسم نمودارها، مقادیر عددی این مقادیر وارد حافظه رم کامپیوتر می شود و می تواند در صفحه نمایش به صورت جدولی از داده های تجربه نمایش داده شود و برای محاسبات کمی استفاده شود. بنابراین، دانش آموزان این فرصت را دارند تا خصوصیات کمی و کیفی فرآیندهای گاز را به طور همزمان مشاهده کنند.