Муниципальноеобщеобразовательное учреждение

 «Средняяобщеобразовательная школа № 21» Копейского городского округа

 

ИНФОРМАЦИОННО-ПОЗНАВАТЕЛЬНЫЙПРОЕКТ

 

Направлениефункциональной грамотности: Математическая грамотность

 

 

 

«Компьютерноемоделирование»

 

 

 

Разработчикпроекта:

Учащаяся7 класса,

МОУ«СОШ №21»

БогдановаЯна

 

Руководительпроекта:

ГлушковаНаталья Сергеевна,

Заместительдиректора по ИТ

МОУ«СОШ №21»

 

Копейск

2022

 

Оглавление

Введение. 3

1.Теоретическаячасть. 4

2. Практическаячасть. 8

2.1. Компьютерныемодели в физике. 8

2.2. Компьютерныемодели в химии. 9

2.3. Компьютерныемодели в метеорологии. 10

2.4. Компьютерныемодели в машиностроения. 10

Заключение. 12

Список использованныхисточников. 13

 

 

 

Введение

В большинствесфер человеческой деятельности в настоящее время применяется компьютернаятехника. Например, в парикмахерской можно с помощью компьютера подобратьзаранее ту прическу, которая понравится клиенту. Для этого клиентафотографируют, фотографию в электронном виде вводят в программу, содержащуюсамые разнообразные прически, на экране отображается фото клиента, к которомуможно «примерить» любую прическу. Также легко можно подобрать цвет волос,макияж. С помощью компьютерной модели можно заранее увидеть, подойдет ликлиенту та или иная прическа. Конечно, этот вариант лучше, нежели проводитьэксперимент реально, в реальной жизни исправить нежелательную ситуацию гораздосложнее.

Изучая тему по информатике, «Компьютерное моделирование», менязаинтересовал вопрос – «Любой ли процесс, или явление можно смоделировать спомощью ПК?». Это и послужило выбором моего проекта.

Тема моего проекта:«Компьютерное моделирование».

Цель работы: собратьинформацию о расширении знаний о компьютерном моделировании.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

1.      Собрать и изучить материал связанные с темой проекта;

2.      Проанализировать информации о компьютерноммоделировании;

3.      Создать на основе полученной информациипрезентацию.

Построениеи исследование моделей – это один из важнейших методов познания, умениеиспользовать компьютер для построения моделей – одно из требований сегодняшнегодня, поэтому я считаю данную работу актуальной. Она является важной для меня,так как я хочу рассмотреть другие программы при разработке компьютерныхмоделей, это цель на дальнейшее продолжение этой работы.

1.Теоретическая часть

Анализируялитературу по теме проекта, я выяснила, что практически во всех естественных исоциальных науках построение и использование моделей, является мощныминструментом исследований. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранныи сложны, что лучшим способом их изучения оказывается построение модели,отображающей лишь какую-то часть реальности и потому многократно более простой,чем эта реальность.

 Модель (лат. modulus — мера) —это объект-заместитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторыхсвойств оригинала.

Модель — создаваемый с цельюполучения и (или) хранения информации специфический объект (в форме мысленногообраза, описания знаковыми средствами либо материальной системы), отражающийсвойства, характеристики и связи объекта – оригинала произвольной природы,существенные для задачи, решаемой субъектом

Моделирование– процесс создания и использования модели.

Целимоделирования:

·     Познание действительности;

·     Проведение экспериментов;

·     Проектирование и управление;

·     Прогнозирование поведения объектов;

·     Тренировка и обучения специалистов;

·     Обработка информации.

Классификация по форме представления:

1.                 Материальные— воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеютреальное воплощение (детские игрушки, наглядные учебные пособия, макеты, моделиавтомобилей и самолетов и прочее):

·               геометрически подобные масштабные,воспроизводящие пространственно- геометрические характеристики оригиналабезотносительно его субстрату (макеты зданий и сооружений, учебные муляжи идр.);

·               основанные на теории подобия субстратноподобные, воспроизводящие с масштабированием в пространстве и времени свойстваи характеристики оригинала той же природы, что и модель, (гидродинамическиемодели судов, продувочные модели летательных аппаратов);

·               аналоговые приборные, воспроизводящиеисследуемые свойства и характеристики объекта оригинала в моделирующем объектедругой природы на основе некоторой системы прямых аналогий (разновидностиэлектронного аналогового моделирования).

2.     Информационные— совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта,процесса, явления, а также их взаимосвязь с внешним миром):

·               Вербальные -словесное описание на естественном языке).

·               Знаковые— информационная модель, выраженная специальными знаками (средствами любогоформального языка).

·               Математические— математическое описание соотношений между количественными характеристикамиобъекта моделирования.

·               Графические— карты, чертежи, схемы, графики, диаграммы, графы систем.

·               Табличные— таблицы: объект-свойство, объект-объект, двоичные матрицы и так далее.

3.     Идеальные– материальная точка, абсолютно твердое тело, математический маятник, идеальныйгаз, бесконечность, геометрическая точка и прочее:

·              Неформализованныемодели — системы представлений об объекте оригинале, сложившиеся в человеческоммозгу.

·              Частично формализованные.

·              Вербальные— описание свойств и характеристик оригинала на некотором естественном языке(текстовые материалы проектной документации, словесное описание результатовтехнического эксперимента).

·              Графические иконические— черты, свойства и характеристики оригинала, реально или хотя бы теоретическидоступные непосредственно зрительному восприятию (художественная графика,технологические карты).

·              Графические условные— данные наблюдений и экспериментальных исследований в виде графиков, диаграмм,схем.

·              Вполне формализованные(математические) модели.

Свойства моделей:

·        Конечность(модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений и, кроме того,ресурсы моделирования конечны);

·        Упрощенность(модель отображает только существенные стороны объекта);

·        Приблизительность(действительность отображается моделью грубо или приблизительно);

·        Адекватность(насколько успешно модель описывает моделируемую систему);

·        Информативность (модельдолжна содержать достаточную информацию о системе — в рамках гипотез, принятыхпри построении модели);

·        Потенциальность(предсказуемость модели и её свойств);

·        Сложность(удобство её использования);

·        Полнота(учтены все необходимые свойства);

·        Адаптивность.

Компьютерные модели стали обычным инструментом моделирования иприменяются в физике, астрофизике, механике, химии, биологии, экономике,социологии, метеорологии, других науках и прикладных задачах в различныхобластях радиоэлектроники, машиностроения, автомобилестроения. Компьютерныемодели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или дляприближенной оценки поведения объектов, слишком сложных для аналитическогоисследования.

Компьютерное моделированиевключает в себя процесс реализации информационной модели на компьютере иисследование с помощью этой модели объекта моделирования — проведениевычислительного эксперимента. С помощью компьютерногомоделирования решаются многие научные и производственные вопросы.

Выделениесущественных сторон реального объекта и отвлечение от его второстепенныхсвойств с точки зрения поставленной задачи, позволяет развить аналитическиеспособности. Реализация модели объекта на компьютере требует знания прикладныхпрограмм, а также языков программирования.

Любое компьютерное моделирование, независимо от того в какойпрограмме осуществляется, проходит ряд обязательных этапов:

1.     Постановка задачи (описание задачи, целимоделирования, формализация задачи);

2.     Разработка модели;

3.     Компьютерный эксперимент;

4.     Анализ результатов моделирования.

Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании отконкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двухэтапов — сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Чембольше значимых свойств будет выявлено и перенесено на компьютерную модель —тем более приближенной она окажется к реальной модели, тем большимивозможностями сможет обладать система, использующая данную модель. Компьютерноеже моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов накомпьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставлениерезультатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, принеобходимости, последующее уточнение модели и т. д.

 

 

 

 

2. Практическая часть

Компьютерные модели стали обычным инструментомматематического моделирования и применяются в физике, астрофизике, механике,химии, биологии, экономике, социологии, метеорологии, других науках иприкладных задачах в различных областях радиоэлектроники, машиностроения,автомобилестроения и проч. Компьютерные модели используются для получения новыхзнаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения систем,слишком сложных для аналитического исследования.

2.1. Компьютерные модели в физике

Физика является основой естествознания исовременного научно — технического прогресса, что определяет следующиеконкретные цели обучения: осознание учащимися роли физики в науке ипроизводстве, воспитание экологической культуры, понимание нравственных иэтических проблем, связанных с физикой.

Чтобы понять физическое явление, а потом уметьего объяснить, необходимо его визуально представить. С помощью компьютера возможно создавать не только статическиемодели физических явлений в виде иллюстраций, но и динамические модели.А эффективнее всего использовать в учебном процессе интерактивныекомпьютерные модели, которые позволяют замедлить или ускорить ход времени,увеличить или уменьшить, повторить или изменить ситуацию.

В примеры интерактивных моделей физическихпроцессов можно использовать электронный ресурс (http://interfizika.narod.ru/atom.html).

Рис. 1 Сайт «Интерактивныемодели»

2.2. Компьютерные модели в химии

Химия– наука экспериментальная. Все результаты исследований строения и реакциивеществ должны проверятся на опыте с последующими рекомендациями кпрактическому применению.

Одна из главных целей наблюдения – поискзакономерностей в результатах экспериментов. Однако некоторые наблюдениянеудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях спомощью особых приборов, установок, предметов, т.е., моделей. В моделяхкопируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаютсянесущественные для изучения. 

Компьютерные модели микромира. Объектами для моделирования науровне микромира являются атомы, ионы, молекулы, кристаллические решетки,структурные элементы атомов. На уровне микромира моделируются особенностистроения вещества, взаимодействия частиц, из которых состоит вещество.

Особый интерес представляет программа HyperChem .Она представляет собой одну из основных профессиональных программ длятеоретического расчета различных термодинамических и электронных параметровмолекул. С ее помощью оказывается возможным строить пространственные моделиразличных соединений, изучать особенности их геометрического строения,определять форму и энергию молекулярных орбиталей, характер распределенияэлектронной плотности, дипольный момент и т. д.

Рис. 2 Окнопрограммы HyperChem.

2.3. Компьютерные модели в метеорологии

 

Компьютерное моделирование позволяет эффективно изучать сложныесистемы, к которым в частности относится прогноз погоды.

Компьютерные прогнозы представляют собойсовременный подход к прогнозированию погоды, являясь однимиз важнейших достижений науки и технического прогресса. Прогнозывычисляются компьютерами, точнее мощными вычислителями, кластерами серверовполностью автоматизированно. Для простоты понимания мы называем такиепрогнозы “компьютерными”. Для прогнозирования погоды применяется технологии,которые включают в себя моделирование, расчеты и обработку данныхразличных метеорологических моделей (таких как GFS, NMM, WRF, NAMS). Технологиикомпьютерного прогнозирования вычисляют метеорологические параметрыв узлах регулярных сеток на период до 14-ти суток вперед,с разделением до 1-го часа.

Компьютерные прогнозы имеют примерно точностьна уровне 95% “попаданий” на первые сутки и далеепо нисходящей (нелинейно) до 50% на пятые-седьмые. 100%-нойточности не дает ни один известный метод прогнозирования погоды.

Рис. 3 Окнопрограммы прогноза погоды для яхтсменов.

2.4. Компьютерные модели в машиностроения

 

Необходимость успешного функционирования машиностроенияв условиях жёсткой конкурентной среды мирового рынка, диктует крайне высокиетребования к оперативности исполнения заказов и качеству продукции. Решениезадач сокращения сроков технической подготовки производства и повышениякачества изделий напрямую связывается с обеспечением эффективной информационнойподдержки всех основных процессов предприятия. Поэтому сегодня, в машиностроениини у кого не вызывает сомнений важность и практическая ценность созданиядостаточно развитой компьютерной инфраструктуры, как неотъемлемой частисовременного проектирования и производства.

Применение компьютерных моделей обеспечивает нетолько существенное ускорение процессов разработки новых образцов продукции, нои ощутимое повышение их качества за счет снижения ошибок и увеличения точностирасчетов. Многократно ускоряется модификация изделий и внесение исправлений,неизбежных в силу итерационности процессов конструкторского проектирования итехнологической подготовки производства.  Информационныетехнологии и компьютерное моделирование становятся, таким образом, важнымфактором сохранения промышленного потенциала.

Рис. 4 Окнопрограммы «Моделирование обвеса  Лада 2112»

 

 

 

 

 

 

Заключение

Компьютерное моделированиеодин из самых интересных, удобных и распространённых методов изучения насегодняшний день. Любое построение компьютерной модели подчинено определеннойцели.

Компьютерноемоделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем.Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводитьвычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные экспериментызатруднены из-за финансовых или физических препятствий, или могут датьнепредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделейпозволяет определить основные факторы, определяющие свойства изучаемогообъекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать откликмоделируемой физической системы на изменения её параметров и начальных условий.

Основными преимуществами компьютерного моделирования является:

·        расширить кругисследовательских объектов – становится возможным изучать не повторяющиесяявления, явления прошлого и будущего, объекты, которые не воспроизводятся вреальных условиях;

·        визуализировать объекты любойприроды, в том числе и абстрактные;

·        исследовать явления и процессыв динамике их развертывания;

·        управлять временем (ускорять,замедлять и т.д);

·        совершать многоразовыеиспытания модели, каждый раз возвращая её в первичное состояние;

·        получать разные характеристикиобъекта в числовом или графическом виде;

·        находить оптимальнуюконструкцию объекта, не изготовляя его пробных экземпляров;

·        проводить эксперименты безриска негативных последствий для здоровья человека или окружающей среды.

 

Выполнение данной проектнойработы в будущем можно продолжить, но уже ориентируясь на изучение средствкомпьютерного моделирования и создание компьютерной модели.

 

Список использованных источников

1.                 Покровский, А.А. Демонстрационныйэксперимент по физике в старших классах средней школы. ред. Покровский А.А., М.:Просвещение, 2012. – 160 с.

2.                 Златопольский, Д.М. Решение уравнений спомощью электронных таблиц.  Информатика, №41, М.: Дрофа, 2018. – 224 с.

3.                 Иванов В.Microsoft Office System 2013. Русская версия.Издательский дом «Питер», 2015 г.

4.                 Извозчиков В.А., Слуцкий А.М., Решениезадач по физике на компьютере, М.: Просвещение, 2016. – 148 с.

5.                 Разумовский В.Г. Урок химии в современнойшколе. М.: Просвещение, 2016. –73 с.

6.                 Майер, Р.В. Компьютерное моделирование.- Глазов: Глазовский государственный педагогический институт, 2015. — 347 с.

7.                 Что такое моделирование?[электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elhow.ru/ucheba/opredelenija/m/chto-takoe-modelirovanie