ИЗУЧЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕA NYLOGIC В КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ СТАРШЕЙ ШКОЛЫ



ИЗУЧЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕANYLOGICВ КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ СТАРШЕЙ ШКОЛЫ

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА I. ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ И ДИДАКТИЧЕСКИЕОСНОВЫ ОБУЧЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СТАРШЕЙ ШКОЛЕ   7

Психолого-педагогические особенности старшеклассников 7

Исторические аспекты введения моделирования в курс информатики... 9

Авторские подходы к изучению моделирования в старшей школе 14

ГЛАВА II. ИЗУЧЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВУГЛУБЛЕННОМ КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ   17

Сравнительный анализ сред имитационного моделирования 17

Учебные материалы в среде имитационного моделированияAnyLogic и методические аспекты их использования в углубленном курсе

информатики 22

Апробация учебных материалов в старшей школе 55

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 60

Введение

Актуальность и постановка проблемы.Стремительная информатиза- ция почти всех сфер производственной, общественной и образовательной дея- тельности неизбежно привела к смене технического уклада последнего десяти- летия. В следствие, изменились и требования, предъявляемые к обучению ин- форматике на всех ступенях школьного образования. Все большее внимание в образовании уделяется не самой системе человеческих знаний, а способам их получения. Концептуальной основой новых образовательных стандартов явля- ется деятельностный подход. Так, например, новый федеральный государ- ственный образовательный стандарт включает в себя реальные виды деятель- ности, которыми учащийся должен овладеть во время обучения, к которым в том числе относится умение самостоятельно добывать знания, анализировать и отбирать нужную информацию, уметь контактировать.

Также в последнее время имеет место тенденция, при которой обучающи- еся все раньше сталкиваются с изучением методов исследования объектов и си- стем, характеризуемых сложными внутрисистемными связями и разного рода параметрами. Одним из наиболее эффективных и очень часто используемых в настоящее время методов исследования систем различной сложности и приро- ды является метод компьютерного моделирования.

Реализация деятельного подхода в процессе обучения компьютерному моделированию подразумевает развитие у учащихся умения решать различного рода задачи при помощи создания имитационных моделей в специализирован- ных компьютерных средах. Таким образом, при использовании моделирования как средства исследовательской деятельности школьников возможно достичь определенного результата в формировании у них понятийного аппарата моде- лирования, а также развить их интеллектуальные умения.

Однако, существующие учебники по информатике, а также различные методические пособия и практикумы лишь фрагментарно освещают тему моде- лирования, касаясь далеко не всех ее аспектов. До конца не разработана мето- дика формирования у учащихся базовых понятий моделирования. Не уделяется

должное внимание и программным продуктам, позволяющим организовать практическую деятельность школьников по созданию и использованию компь- ютерных имитационных моделей.

Таким образом, на лицо противоречие между важностью обучения ком- пьютерному имитационному моделированию и недостаточной освещенностью этого вопроса в учебной и методической литературе.

Таким образом, актуальность исследования определяется целым рядом факторов, важнейшими среди которых является следующие:

Все это обуславливает чрезвычайную актуальность использования ими- тационных моделей в курсе информатики старшей школы.

Анализ научно-методических работ показал, что эта задача осознается се- годня широким кругом методистов, преподавателей и авторов учебников и учебных пособий по информатике, подчеркивается, что вопросы имитационно- го моделирования должны занимать особое место в содержании курса инфор- матики.

Научная новизна исследованиязаключается в предложении эффектив- ной организации учебной деятельности школьников по освоению аспектов имитационного моделирования в курсе информатики старшей школы, обеспе- чивающей достижение новых образовательных результатов, предусмотренных ФГОС среднего общего образования[27].

Цель исследованиязаключается в разработке учебно-методических ма- териалов для обучения имитационному моделированию в курсе информатики старшей школы.

Объектом исследованияявляется процесс обучения информатике в старшей школе.

Предмет исследования— обучение компьютерному имитационному моделированию на углубленном уровне.

Задачи исследования:

  1. Рассмотреть психолого-педагогическую литературу для уточнения возможностей старшеклассников в освоении современных программных сред имитационного моделирования.
  2. Проанализировать существующие научные, учебные и методиче- ские материалы, предназначенные для изучения моделирования в курсе инфор- матики старшей школы.
  3. Сделать сравнительный анализ сред имитационного моделирова-

ния.

  1. Разработать учебные материалы для изучения моделирования с ис-

пользованием сред имитационного моделирования в углубленном курсе ин- форматики.

  1. Проверить эффективность разработанной методики в ходе обучения информатике в старшей школе.

В ходе исследования были использованы различныетеоретические и эмпирические методы: изучение и анализ психолого-педагогической, научной, методической и специальной литературы; анализ учебных программ, учебников и методических пособий по информатике, анализ ФГОС ООО; педагогический эксперимент и его анализ.

Практическая значимостьисследования заключается в том, что разра- ботаны учебно-методические материалы по теме "Имитационное моделирова- ние" для использования в процессе обучения информатике на углубленном уровне, предложены и экспериментально проверены методы проведения лабо- раторно-практических работ.

ГлаваI. Психолого-педагогические и дидактические основы обуче- ния моделирования в старшей школе

Психолого-педагогические особенности старшеклассников

Обучение, безусловно, должно учитывать возрастные особенности детей. Возраст старшеклассников – переходный возраст между подростковым и юно- шеским. В этот период дети практически готовы к выполнению всех видов ум- ственной деятельности взрослого человека. Юноши и девушки уже способны логически излагать мысли, заниматься самоанализом и теоретическими рас- суждениями. Они могут относительно свободно размышлять на политические, нравственные, и другие темы, не доступные для интеллекта младшего школь- ника. Старшеклассники способны к индукции и дедукции. Умение оперировать гипотезами является важнейшим приобретением подросткового возраста.

Дети усваивают научные понятия и учатся использовать их при решении различных задач. Так формируется словесно-логическое мышление. Парал- лельно наблюдается развитие остальных познавательных процессов: интеллек- та, здравого смысла, интуиции и смекалки. Если говорить о совершенствовании практических качеств, то у старшеклассников можно выделить видимую ини- циативность, расчетливость, умение быстро решать возникающие задачи.

Данный возраст отличается высокой интеллектуальной активностью, ко- торая подкрепляется естественной возрастной любознательностью и желанием обратить на себя внимание окружающих, продемонстрировав свои способности и получив наивысшую оценку с их стороны. При решении одних и тех же за- дач, дети стремительно учатся формулировать гипотезы, наблюдать и сравни- вать между собой альтернативы решений. Сфера познавательных и учебных интересов все больше выходит за рамки школьной программы и приобретает форму самостоятельной деятельности – стремление к поиску и приобретению знаний, к формированию полезных навыков и умений.

Характерной особенностью и подросткового, является стремление к са- мообразованию. Старшеклассники стараются   применять мотивации  основных

видов деятельности: обучения, диалога со сверстниками и труда, что позволяет им проявить взрослость. Старшеклассники отличаются особой готовностью и способностью ко многим видам обучения как в практическом плане, так и в теоретическом. На данном этапе развития дети способны вполне самостоятель- но выбирать актуальную для них информацию.

Мышление в этом возрасте характеризуется стремлением к широким обобщениям. Одновременно формируется особое отношение к учению, особен- но в последние года обучения в школе. Выпускников привлекают те предметы, в которых они способны проявить самостоятельность, что приводит к особенно благоприятному отношению и к таким знаниям. Специфической особенностью юности является то, что в эти годы идет активный процесс становления миро- воззрения, и к окончанию школы мы имеем дело с человеком, уже более опре- делившимся с взглядами, хотя и не всегда правильными, но стабильными.

Очень заметны индивидуальные различия, связанные с взаимоотношени- ями между старшеклассниками. Это связано с дифференциацией учебных про- грамм, заведений и относительной свободой выбора учебных предметов. Наибольшее количество школьников уже самоопределяются в будущей про- фессии к окончанию школы. Многие имеют профессиональные предпочтения и представления о будущем труде, которые не всегда являются окончательными.

Трудовые навыки и умения, сформированные в школьные годы, опреде- ленно влияют на будущие профессиональные достижения. Не менее важны специальные способности, которые проявляются в тех навыках, являющиеся базой для многих различных видов профессиональной деятельности. У детей этого возраста необходимо окончательно выявить и развить способности, на основе которых ребенку было бы разумно и правильно осуществлять выбор профессии.

В ходе анализа психолого-педагогической литературы была выявлена го- товность старшеклассников к решению сложных задач, ориентированных на развитие абстрактно-логического мышления.

Исторические аспекты введения моделирования в курс инфор- матики

Моделирование, как метод познания, тесно связано с развитием знаний человечества об окружающем мире и протекающих в нем процессах. В настоя- щее время разработка и применение моделей – один из самых эффективных способов познания в различных науках, в том числе науках об обществе, живой и неживой природе. Моделирование является одним из способов решения прак- тических задач. Зачастую решение проблемы нельзя найти путем проведения реальных экспериментов: строить новые объекты, разрушать или вносить изме- нения в уже имеющиеся процессы может быть слишком дорого, опасно или не- возможно.

Моделирование, как особое средство научного познания, нельзя назвать современной технологией последних столетий. Достаточно вспомнить описа- ние атомов древнегреческих философов Эпикура и Демокрита, их геометрии, и способов взаимодействия, об атомных ливнях и вихрях, представления о физи- ческих свойствах различных веществ, зависящих от круглой и гладкой или крючковатой формы частиц, связанных между собой. Их модели послужили прообразами современных моделей, отображающих ядерно-электронное строе- ние атома. Также огромное влияние на развитие математики и физики оказал Рене Декарт, создавший прямоугольную систему координат, которая использу- ется и сегодня для различного рода практических задач.

Широкое распространение моделирование получило в эпоху Возрожде- ния. Микеланджело Буонарроти, Филиппо Брунеллески, Леон Баттиста Альбер- ти, Донато Браманте, Джорджо Вазари, и другие итальянские архитекторы и скульпторы использовали модели проектируемых ими сооружений. А Г. Гали- лей и Леонардо да Винчи, помимо простого применения модели в своих теоре- тических работах, также находят пределы применимости метода моделирова- ния.

Немаловажную методологическую роль сыграли и разработки Кельвина, Дж. Максвелла, Ф. А. Кекуле, А. М. Бутлерова и других физиков и химиков   —

именно эти науки позволили методу моделирования развиться до высокого уровня.

Помимо достижения определенных успехов, вXX веке моделирование постигло и множество проблем. С одной стороны, теория относительности, а также, квантовая механика, обнаружили неабсолютный, относительный харак- тер механических моделей, сложности, связанные с моделированием. С другой же стороны, прогрессирующий математический аппарат нашел новые перспек- тивы этого способа в обнаружении общих законов и особенностей структуры систем разной физической природы, происходящих из разных уровней органи- зации материи, форм движения.

Использование первых электронных вычислительных машин (Джон фон Нейман, 1947) и формулирование основных принципов кибернетики (Норберт Винер, 1948) позволили многогранно использовать новые универсальные мето- ды — как в абстрактных знаниях, так и в их приложениях.

В нашей стране кибернетика многократно критиковалась в конце 40-х го- дов прошлого века. В литературе, в том числе и в учебных пособиях, говори- лось, что это провокационная лженаука, поставленная на службу империализ- му, которая пытается заменить мыслящего, борющегося человека машиной и в быту и на производстве, используется для разработки электронного оружия.

Возрождение репутации кибернетики произошло, когда целый ряд из- вестных научных умов, таких как А.А. Ляпунов [16], стали отстаивать право- мерность и материалистичность кибернетического взгляда на реальность. А.А. Ляпунов начал научно обосновывать необходимость моделирования как науки:

«В наше время возникает проблема: настолько продвинуть наши знания о стро- ении и функционировании природных сообществ, чтобы можно было предви- деть результаты тех или иных вмешательств в жизнь этих сообществ, а еще лучше теоретическим путем подобрать такие вмешательства, которые позволят оптимизировать «съем» полезных веществ при обеспечении биологического самовоспроизводства сообщества в целом» [15]. Таким образом, встал вопрос  о

развитии математического моделирования с целью оптимизации использования природных ресурсов.

В 1966 году вышла книга Виктора Александровича Штоффа [30], кото- рый рассматривал моделирование с философской точки зрения. Книга посвя- щена гносеологическим аспектам моделирования, автор рассмотрел проблемы моделирования как научного подхода к изучению окружающего мира, а также описал различные научные подходы к определению модели и моделирования в целом. Глинский Б. А. [9] формулирует значимость роли моделирования сле- дующим образом: «Причины популярности моделирования коренятся в таких специфических особенностях современного научного познания, как не возмож- ность непосредственного исследования изучаемого предмета, явления; услож- нение экспериментальных устройств, используемых в современной науке; воз- растание роли теории во многих ведущих отраслях науки, познание которых невозможно без абстракции высокого уровня и т.д.»

К концу 70-х годовXX века стало актуально компьютерное моделирова- ние (абстрактное или информационное). Весомый вклад в развитие компьютер- ного моделирования внес академик А. А. Самарский [19], разработчик техноло- гии компьютерного моделирования, используемой для изучения физических явлений. Он же предложил триаду «модель – алгоритм - программа». Можно заключить, что первые компьютерные системы моделирования были ориенти- рованы на математическое моделирование, а затем появились программные продукты, позволяющие строить графические модели. Стоит отметить, что в 1985 году в школы был введен курс «Основы информатики и вычислительной техники», содержащий в себе некоторые основные понятия моделирования. В процессе «спуска» моделирования в школу, появляется новая проблема: отсут- ствие единой терминологии. Например, понятие «модель», опираясь на все раз- личные источники, можно было определить следующим образом: модель – это упрощенное подобие некоторого объекта, воспроизводящее существенные, с точки  зрения цели моделирования, свойства исходного  объекта.   Аналогично,

моделирование – это деятельность по созданию и использованию моделей [22]. Однако, единой классификации моделей не существует до сих пор.

В середине 90-ых годов Белошапка В. К., Бешенков С. А. и Лесенвский А. С. начинают совместно работать над проблемой терминологии. В своих науч- ных и методических трудах, посвященных основам информационного модели- рования [2],[3] и преподаванию моделирования в школе, они предложили свою классификацию моделей (схема 1).

Схема 1.Классификация моделей Бешенкова С. А.

Параллельно с ними, Могилев А. В. И Хеннер Е. К. предлагают альтерна- тивную классификацию моделей (схема 2)[28].

Схема 2.Классификация моделей Могилева А. В.

Таким образом, можно заключить, что проблема неопределенности тер- минологии не была завершена, что, в конечно счете, приводит к проблеме изу- чения теоретической базы в области моделирования, особенно на уровне обще- образовательных учреждений.

Тем не менее, в современном мире моделирование должно находить, и находит большое количество сторонников, так как такой метод научного по-

знания позволяет наиболее полно и быстро, с учетом развития (и не только) всего мира проводить качественные эксперименты, наблюдения, изучение про- цессов и их имитации.

Авторские подходы к изучению моделирования в старшей школе

Место, которое занимает тема «Моделирование» в различных учебниках имеет существенные отличия. Ниже приведен перечень учебно-методических комплексов (УМК) для 10-11 классов по информатике на углубленном уровне, рекомендуемых к использованию в настоящее время (начиная с 2012 года и до 2018 года).

Углубленный уровень. УМК для 10-11 классов;

УМК для 10-11 классов;

В настоящее время в курсе информатики рассматриваются следующие основные понятия темы «Моделирование»: модель, система, моделирование, классификация моделей, типы моделирования. Традиционно в курсе 7-9 обуча- ющихся знакомят с программным обеспечениемMicrosoftExcel, которое поз- воляет строить математические модели. Однако в старшей школе нет строгой однозначности: здесь имеет место как продолжение изучения вышеуказанной среды (с выходом на численные методы), так и переход к другим инструментам моделирования, принципиально отличающихся отMicrosoftExcel. Рассмотрим подробнее изучение линии «Моделирования» в вышеперечисленных рекомен- дуемых учебниках.

В комплекте учебников под авторством Семакина И. Г. изучение модели- рования начинается в девятом классе, а в одиннадцатом классе в учебнике углубленного уровня в 3 главе изучается табличное моделирование в програм- меMicrosoftExcel с акцентом на математическое моделирование.Глава «ком- пьютерное моделирование» состоит из пяти разделов[23],[24]:

На тему отводится 50 часов, основное время выделено на практические задания.

Глава «моделирование» вторая по счету в учебнике 11 класса Полякова К. Ю. и Еремина Е.А. [18], в которую входит 6 параграфов:

На главу отводится 12 часов, половина из которых – работа компьютер- ного практикума. Практические физические и математические задачи реализу- ются с помощью программного обеспеченияMicrosoftExcel, а задачи биологи- ческого  и  экономического характера  – с  помощью языков программирования

«КуМир» и «Pascal».

В учебнике Калинина И. А. и Самылкиной Н. Н. [20],[21] линия модели- рования изучается в 10 классе в третьей главе, на которую выделяется 32 часа, приблизительно поровну на теорию и практику.Глава состоит из 5 параграфов:

Теоретический материал главы опирается на изученный в основной шко- ле понятийный аппарат, который в старшей школе конкретизируется и допол- няется.

Особое внимание уделяется очень популярному и востребованному на се- годняшний день способу моделирования – имитационному моделированию. В задачнике-практикуме рассматриваются основные виды моделей, которые поз- воляют проиллюстрировать и основные подходы, и сам метод моделирования на практических, жизненных примерах с использование современной и гибкой среды имитационного моделированияAnyLogic. В практикум входят четыре проектные задачи, к каждой из которых предусмотрены дополнительные зада- ния.

Таким образом, можно заключить, что современная концепция курса ин- форматики ориентирует на широкий подход к теме моделирования. Безусловно, математическое моделирование является важным разделом этой линии, но да- леко не единственным. Все более востребованными становятся продукты ими- тационного моделирования, позволяющие интегрировать возможности матема- тического, графического и экспериментального методов решения задач.

ГлаваII. Изучение имитационного моделирования в углубленном курсе информатики

Сравнительный анализ сред имитационного моделирования

В настоящее время существует множество классификаций моделей. В со- временном курсе информатики старшей школы рассматриваются те, которые создаются и используются с помощью основного инструмента исследования моделей, то есть с помощью компьютера: описательные модели (например, ба- зы данных) и нормативные модели (например, программы).

Для исследований, решения и иллюстрации в различных задачах часто используют: аналитические  и  имитационные модели.

Аналитические модели применяются в самых разных науках и дисципли- нах. Общий принцип построения таких моделей – выделить важные характери- стики и связать их меду собой математическим соотношением, позволяющим исследовать полученную модель математическими методами. Как правило, та- кие задачи носят статический характер.

Самыми популярными инструментами аналитического моделирования на уроках информатики в старшей школе являются:

Однако существуют задачи, для которых математическое решение найти очень сложно или оно вовсе отсутствует. К таким задачам можно отнести, например, динамические системы, которым свойственно нелинейное поведе- ние, неопределенность, нестандартные зависимости между переменными, большой набор параметров. Поэтому для анализа подобных задач необходимо использовать другую технологию – имитационное моделирование.

Имитационные модели – это совокупность правил, по которым си- стема переходит из одного  состояния в другое. Правила могут задаваться    как

дифференциальными уравнениями, диаграммами состояний или процессов, так и временным расписанием.

На данный момент существует очень много различных систем ими- тационного моделирования. Многие программные продукты данного направле- ния имеют весьма узкую направленность (бухгалтерскую, экономическую). Рассмотрим несколько программных продуктов, которые можно использовать для изучения имитационного моделирования в старшей школе:

Рассмотрим вышеперечисленные программы подробнее.

ExtendLT.Программный пакетExtendLT – средство имитационного моделирования, позволяющее создавать динамические модели процессов ре- ального времени в различных областях.

ВExtend можно создавать модели быстро, так как его среда разработки содержит все блоки, которые требуются для большинства задач имитации. Эти блоки действуют подобно макросам, что позволяет строить многие модели, не используя математические уравнения. Также средстваExtend содержат редак- тор уравнений.

Extend позволяет динамически моделировать непрерывные, дисркетные, линейные, нелинейные и смешанные системы. В данной системе имитационно- го моделирования используется компилируемый, С-подобный язык программи- рованияModL. В свободном доступе данное программное обеспечение отсут- ствует.

Pilgrim.Средством построения моделей в системеPilgrim является гра- фический конструкторGem, представляющий сбой набор узлов различного ти- па. На схеме имитационной модели узел есть графическое изображение некото- рого типового процесса. При этом элементарный процесс может быть,   вообще

говоря, представлен несколькими узлами имитационной модели, если этого требует логика его работы.

Таким образом, схема имитационной модели представляет собой направ- ленный граф, вершины которого представляют собой компоненты элементар- ных процессов, а дуги определяют направление потоков заявок и управляющих воздействий в моделируемой системе.

КонструкторGem генерирует программу на языкеC++.

Для системы характерны следующие типы моделирования: системная ди- намика, стохастическое дискретное моделирования и пространственное моде- лирование.

В свободном доступе данная система имитационного моделирования от- сутствует.

Powersim.Система имитационного моделированияPowersim предназна- чена для построения непрерывных и частично дискретных моделей.

Для задания имитационных моделей вPowersim существует редактор диаграмм, в котором все переменные представляются с помощью графический объектов, соединенных между собой при помощи стрелок, обозначающих по- токи и связи. Каждая связь отражает некоторую зависимость между перемен- ными, соединенными данной связью. Точное определение вида зависимости определяется уравнением, записанном на языкеPowersim. В свободном доступе данное программное обеспечение отсутствует. [13]

AnyLogic.AnyLogic – программное обеспечение для имитационного мо- делирования. Инструмент обладает современным графическим интерфейсом и позволяет использовать языкJava для разработки моделей.

МоделиAnyLogic могут быть основаны на любой из основных парадигм имитационного моделирования: дискретно-событийное моделирование, си- стемная динамика и агентное моделирование.

Данная среда моделирования также включает в себя: низкоуровневые конструкции моделирования (переменные, уравнения, параметры, события и т.п.), формы представления (линии, квадраты, овалы и т.п.;    укомплектованная

дорожная библиотека с улицами, перекрестками, развязками), элементы анали- за (базы данных, гистограммы, графики), стандартные картинки и формы экс- периментов.

Стоит отметить, что ни одна из систем имитационного моделирования, кроме средыAnyLogic, не позволяет строить все типы имитационных моделей. Следовательно, для того, чтобы построить все типы вышеперечисленных моде- лей, необходимо изучить не менее двух программных продуктов. Это становит- ся существенной проблемой, как с точки зрения значительного уменьшения ко- личества часов, отводимых на практическую работу учащихся, так и нецелесо- образная концентрация внимания на программный продукт, а не на сам процесс моделирования. Учащиеся должны к концу обучения хорошо понимать, что си- стема имитационного моделирования – это инструмент, а не цель моделирова- ния, что при данном подходе осознать будет непросто.

С другой стороны, при изучении моделирования с помощью программно- го продукта, допускающего, например, только дискретное моделирование, можно «опустить» некоторые типы моделей, но тогда в целом изучение имита- ционного моделирования становится нецелесообразным.

Таким образом, можно выделить несколько существенных достоинств программного продуктаAnyLogic относительно аналогичных систем имитаци- онного моделирования: