R. P. Romanski

Universitatea Tehnică, Sofia, Bulgaria

Introducere

Pentru dezvoltarea tehnologiei informatice și îmbunătățirea organizării arhitecturale a sistemelor informatice (CS), este necesară formarea continuă și autoperfecționarea specialiștilor în informatică și a studenților. La desfășurarea acestei instruiri, este necesară combinarea formelor de pregătire tradițională cu oportunități de auto-studiu, învățământ la distanță, dezvoltarea practică a proiectelor și implementarea experimentelor de cercetare. Un rol semnificativ în formarea în domeniul informaticii îl joacă utilizarea metodelor moderne de studiere a organizării arhitecturale și analiza performanței sistemului sistemelor informatice. În acest sens, utilizarea metodelor de modelare în procesul de studiere a structurilor de bază ale diverselor CS și organizarea proceselor computerizate ne permite să dezvoltăm o descriere matematică adecvată a obiectului studiat și să creăm software pentru efectuarea experimentelor pe calculator [Romanski, 2001 , Arons, 2000]. Analiza rezultatelor modelării experimentale [Bruyul, 2002] ne permite să evaluăm principalele caracteristici ale sistemului și performanța CS studiat.

Utilizarea modelării în procesul de studiere a CS permite studierea caracteristicilor arhitecturii și organizarea calculului și controlului. Acest lucru se poate realiza pe baza unui experiment model, a cărui organizare presupune proiectarea unui model computerizat ca o secvență de trei componente (model conceptual, model matematic, model software) și implementarea acestui model într-un mediu de operare adecvat. Această lucrare examinează posibilitatea utilizării diferitelor metode de studiere a CS în procesul de studiere a acestora și, în special, aplicarea principiilor de modelare pentru studiul proceselor în curs, precum și analiza performanței sistemului CS. Scopul principal este de a defini o procedură generală de modelare computerizată ca o secvență de etape interdependente și de a prezenta principalele etape ale metodologiei de cercetare a modelării. Pentru a face acest lucru, următoarea parte prezintă formalizarea generală a procesării informației computerizate și caracteristicile computerului ca obiect de studiu. Aplicarea principiilor de modelare în procesul de studiere a CS este asociată cu organizarea metodologică a pregătirii în sens tradițional, la distanță sau distribuit.

Sistemele informatice ca obiect de studiu și metode de cercetare

Unul dintre obiectivele principale ale cursurilor de formare de specialitate în domeniul sistemelor informatice și al cercetării performanței este acela de a pregăti viitorii și actualii proiectanți de calculatoare, dezvoltatori de hardware și utilizatori de computere în utilizarea corectă a capabilităților tehnologice pentru modelarea și măsurarea performanței sistemului. Aceste capabilități sunt utilizate atât în ​​procesul de evaluare a eficacității noilor proiecte informatice, cât și pentru efectuarea unei analize comparative a sistemelor existente. Pe parcursul procesului de instruire, sarcina este de a clarifica succesiunea etapelor cercetării și posibilitatea prelucrării rezultatelor experimentale pentru a obține estimări adecvate ale indicilor de performanță. Această sarcină poate fi clarificată în funcție de domeniul specific de instruire în domeniul calculatoarelor și de caracteristicile principiilor de prelucrare a informațiilor computerizate luate în considerare.

Orez. 1. Suport informaţional pentru prelucrarea computerizată.

În general, prelucrarea computerizată se preocupă de implementarea anumitor funcții pentru a transforma datele de intrare în soluții finale. Aceasta definește două niveluri de transformare funcțională a informațiilor (Fig. 1):

transformarea matematică a informației este prelucrarea propriu-zisă a datelor sub formă de obiecte matematice și este reprezentată de o funcție generalizată f:D®R, care înfățișează elementele setului de date D în elementele setului de rezultate R;

implementarea computerizată a prelucrării - reprezintă o implementare specifică f*:X®Y a funcției matematice f în funcție de echipamentul informatic și software bazat pe o reprezentare fizică adecvată a obiectelor informaționale reale.

Ca rezultat, putem scrie un model funcțional generalizat de procesare computerizată r = f(d)ºj 2 (f*[ 1(d)]), unde funcțiile j 1 și j 2 sunt auxiliare pentru codificarea și decodificarea informațiilor.

Atunci când considerăm CS ca obiect de studiu, trebuie să ținem cont de faptul că prelucrarea computerizată constă din procese, fiecare dintre acestea putând fi reprezentate sub forma unei structuri I = , unde: t este momentul inițial al procesului; A - atribute definitorii; T - urma procesului. Ultima componentă a descrierii formale definește secvența de timp a evenimentelor e j pentru un proces dat pentru a accesa elemente ale resursei sistemului S=(S 1, S 2, ..., S n). Secvența etapelor de timp și încărcarea resursei sistemului fac posibilă determinarea profilului procesului de calcul (Fig. 2).

Orez. 2. Profilul aproximativ al unui proces computerizat.

Sprijinirea diferitelor procese în timpul organizării prelucrării computerului formează încărcarea de sistem a mediului informatic. Pentru fiecare moment (t =1,2,...) poate fi reprezentat prin vectorul V(t)=Vt= , ale căror elemente exprimă un dispozitiv liber (v j =0) sau ocupat (v j =1) S j єS (j=1,2,...,n).

Când studiem CS, este necesar să se determine un set de parametri de bază ai sistemului care reflectă esența prelucrării computerului, precum și să se dezvolte o metodologie pentru studierea comportamentului unei resurse de sistem și a proceselor în curs. Ca parametri principali ai sistemului (indici de performanță), puteți studia, de exemplu, sarcina de lucru a fiecărui element al resursei sistemului, încărcarea totală a sistemului de calculator, timpul de răspuns la rezolvarea unui set de probleme în modul multiprogram, gradul a stabilității (rezilienței) echipamentelor, costul procesării computerizate, eficiența programării proceselor paralele sau pseudo-paralele etc.

Un curs tipic în domeniul analizei și cercetării performanței CS ar trebui să discute principalele probleme teoretice și practice din următoarele domenii:

oportunități de a studia performanța echipamentelor informatice și eficiența proceselor informatice;

aplicarea unor metode eficiente de cercetare (măsurare, modelare);

caracteristicile tehnologice ale parametrilor sistemului de măsurare (benchmark, monitorizare);

caracteristicile tehnologice și organizarea modelării (analitice, simulare etc.);

metode de analiză a rezultatelor experimentale.

Toate acestea sunt legate de utilizarea acestei metode de cercetare și de selectarea instrumentelor adecvate. În acest sens, în fig. Figura 3 prezintă o clasificare aproximativă a metodelor de studiere a CS și a proceselor. Pot fi identificate trei grupuri principale:

Mixturi de software - reprezintă dependențe matematice pentru evaluarea performanței procesorului pe baza coeficienților de aplicare ai claselor de operare individuale. Vă permite să estimați încărcarea procesorului prin analiză statistică după executarea programelor tipice.

Metode de numărare - vă permit să obțineți informații fiabile despre cursul proceselor computerizate pe baza înregistrării directe a anumitor valori ale parametrilor CS disponibili. Pentru a face acest lucru, este necesar să se utilizeze sau să se dezvolte un instrument de numărare adecvat (monitor) și să se organizeze execuția experimentului de numărare. Trebuie remarcat faptul că sistemele de operare moderne au propriile lor monitoare de sistem, care pot fi utilizate la nivel de software sau firmware.

Metodele de modelare sunt folosite atunci când nu există un obiect experimental real. Studiul structurii sau al proceselor în curs în CS se realizează pe baza unui model computerizat. Acesta reflectă cele mai importante aspecte ale comportamentului parametrilor structurali și de sistem în funcție de obiectiv. Pentru a dezvolta un model, este necesar să alegeți cea mai potrivită metodă de modelare care vă permite să obțineți o adecvare și fiabilitate maximă.

Orez. 3. Clasificarea metodelor de studiere a CS și a proceselor.

Procesul tradițional de învățare implică un curs de bază de prelegeri combinate cu un set de exerciții la clasă și/sau ateliere de laborator. În domeniul informaticii, atunci când se studiază organizarea sistemelor informatice și principiile controlului proceselor computerizate (la nivel scăzut și înalt), precum și atunci când se analizează performanța sistemului, este adesea nevoie să se dezvolte modele computerizate în timpul efectuării de laborator. sarcini în clasă sau atunci când implementează proiecte în mod independent. Pentru a finaliza cu succes aceste lucrări practice și pentru a obține abilitățile practice necesare, este necesar să se determine succesiunea etapelor și să se prezinte caracteristicile tehnologice ale dezvoltării modelelor. Acest lucru va permite studenților să dobândească cunoștințele necesare despre dezvoltarea unor modele informatice adecvate și fiabile pentru cercetarea, evaluarea și analiza comparativă a performanței sistemului diferitelor arhitecturi de computer. Ca urmare, se propune în continuare o procedură generalizată de realizare a modelării, precum și o schemă metodologică pentru cercetarea modelului de CS și procese.

Procedura de modelare computerizată pentru studierea CS și a proceselor

Utilizarea simulării pentru educația informatică

R. P. Romanski

Universitatea Tehnică, Sofia, Bulgaria

Introducere

Pentru dezvoltarea tehnologiei informatice și îmbunătățirea organizării arhitecturale a sistemelor informatice (CS), este necesară formarea continuă și autoperfecționarea specialiștilor în informatică și a studenților. La desfășurarea acestei instruiri, este necesară combinarea formelor de pregătire tradițională cu oportunități de auto-studiu, învățământ la distanță, dezvoltarea practică a proiectelor și implementarea experimentelor de cercetare. Un rol semnificativ în formarea în domeniul informaticii îl joacă utilizarea metodelor moderne de studiere a organizării arhitecturale și analiza performanței sistemului sistemelor informatice. În acest sens, utilizarea metodelor de modelare în procesul de studiere a structurilor de bază ale diverselor CS și organizarea proceselor computerizate ne permite să dezvoltăm o descriere matematică adecvată a obiectului studiat și să creăm software pentru efectuarea experimentelor pe calculator [Romanski, 2001 , Arons, 2000]. Analiza rezultatelor modelării experimentale [Bruyul, 2002] ne permite să evaluăm principalele caracteristici ale sistemului și performanța CS studiat.

Utilizarea modelării în procesul de studiere a CS permite studierea caracteristicilor arhitecturii și organizarea calculului și controlului. Acest lucru se poate realiza pe baza unui experiment model, a cărui organizare presupune proiectarea unui model computerizat ca o secvență de trei componente (model conceptual, model matematic, model software) și implementarea acestui model într-un mediu de operare adecvat. Această lucrare examinează posibilitatea utilizării diferitelor metode de studiere a CS în procesul de studiere a acestora și, în special, aplicarea principiilor de modelare pentru studiul proceselor în curs, precum și analiza performanței sistemului CS. Scopul principal este de a defini o procedură generală de modelare computerizată ca o secvență de etape interdependente și de a prezenta principalele etape ale metodologiei de cercetare a modelării. Pentru a face acest lucru, următoarea parte prezintă formalizarea generală a procesării informației computerizate și caracteristicile computerului ca obiect de studiu. Aplicarea principiilor de modelare în procesul de studiere a CS este asociată cu organizarea metodologică a pregătirii în sens tradițional, la distanță sau distribuit.

Sistemele informatice ca obiect de studiu și metode de cercetare

Unul dintre obiectivele principale ale cursurilor de formare de specialitate în domeniul sistemelor informatice și al cercetării performanței este acela de a pregăti viitorii și actualii proiectanți de calculatoare, dezvoltatori de hardware și utilizatori de computere în utilizarea corectă a capabilităților tehnologice pentru modelarea și măsurarea performanței sistemului. Aceste capabilități sunt utilizate atât în ​​procesul de evaluare a eficacității noilor proiecte informatice, cât și pentru efectuarea unei analize comparative a sistemelor existente. Pe parcursul procesului de instruire, sarcina este de a clarifica succesiunea etapelor cercetării și posibilitatea prelucrării rezultatelor experimentale pentru a obține estimări adecvate ale indicilor de performanță. Această sarcină poate fi clarificată în funcție de domeniul specific de instruire în domeniul calculatoarelor și de caracteristicile principiilor de prelucrare a informațiilor computerizate luate în considerare.

Orez. 1. Suport informaţional pentru prelucrarea computerizată.

În general, prelucrarea computerizată se preocupă de implementarea anumitor funcții pentru a transforma datele de intrare în soluții finale. Aceasta definește două niveluri de transformare funcțională a informațiilor (Fig. 1):

transformarea matematică a informației este prelucrarea propriu-zisă a datelor sub formă de obiecte matematice și este reprezentată de o funcție generalizată f:D®R, care înfățișează elementele setului de date D în elementele setului de rezultate R;

implementarea computerizată a prelucrării - reprezintă o implementare specifică f*:X®Y a funcției matematice f în funcție de echipamentul informatic și software bazat pe o reprezentare fizică adecvată a obiectelor informaționale reale.

Ca rezultat, putem scrie un model funcțional generalizat de procesare computerizată r = f(d)ºj 2 (f*[ 1(d)]), unde funcțiile j 1 și j 2 sunt auxiliare pentru codificarea și decodificarea informațiilor.

Când se consideră CS ca obiect de studiu, trebuie să se țină seama de faptul că prelucrarea computerizată este formată din procese, fiecare dintre acestea putând fi reprezentate sub forma unei structuri I = , unde: t este momentul inițial al producerii procesului. ; A - atribute definitorii; T - urma procesului. Ultima componentă a descrierii formale definește secvența de timp a evenimentelor e j pentru un proces dat pentru a accesa elemente ale resursei sistemului S=(S 1, S 2, ..., S n). Secvența etapelor de timp și încărcarea resursei sistemului fac posibilă determinarea profilului procesului de calcul (Fig. 2).

Orez. 2. Profilul aproximativ al unui proces computerizat.

Sprijinirea diferitelor procese în timpul organizării prelucrării computerului formează încărcarea de sistem a mediului informatic. Pentru fiecare moment (t =1,2,...) poate fi reprezentat printr-un vector V(t)=Vt= , ale cărui elemente exprimă un dispozitiv S liber (v j =0) sau ocupat (v j =1) j єS (j=1 ,2,...,n).

Când studiem CS, este necesar să se determine un set de parametri de bază ai sistemului care reflectă esența prelucrării computerului, precum și să se dezvolte o metodologie pentru studierea comportamentului unei resurse de sistem și a proceselor în curs. Ca parametri principali ai sistemului (indici de performanță), puteți studia, de exemplu, sarcina de lucru a fiecărui element al resursei sistemului, încărcarea totală a sistemului de calculator, timpul de răspuns la rezolvarea unui set de probleme în modul multiprogram, gradul a stabilității (rezilienței) echipamentelor, costul procesării computerizate, eficiența programării proceselor paralele sau pseudo-paralele etc.

Un curs tipic în domeniul analizei și cercetării performanței CS ar trebui să discute principalele probleme teoretice și practice din următoarele domenii:

oportunități de a studia performanța echipamentelor informatice și eficiența proceselor informatice;

aplicarea unor metode eficiente de cercetare (măsurare, modelare);

caracteristicile tehnologice ale parametrilor sistemului de măsurare (benchmark, monitorizare);

caracteristicile tehnologice și organizarea modelării (analitice, simulare etc.);

metode de analiză a rezultatelor experimentale.

Toate acestea sunt legate de utilizarea acestei metode de cercetare și de selectarea instrumentelor adecvate. În acest sens, în fig. Figura 3 prezintă o clasificare aproximativă a metodelor de studiere a CS și a proceselor. Pot fi identificate trei grupuri principale:

Mixturi de software - reprezintă dependențe matematice pentru evaluarea performanței procesorului pe baza coeficienților de aplicare ai claselor de operare individuale. Vă permite să estimați încărcarea procesorului prin analiză statistică după executarea programelor tipice.

Metode de numărare - vă permit să obțineți informații fiabile despre cursul proceselor computerizate pe baza înregistrării directe a anumitor valori ale parametrilor CS disponibili. Pentru a face acest lucru, este necesar să se utilizeze sau să se dezvolte un instrument de numărare adecvat (monitor) și să se organizeze execuția experimentului de numărare. Trebuie remarcat faptul că sistemele de operare moderne au propriile lor monitoare de sistem, care pot fi utilizate la nivel de software sau firmware.

Metodele de modelare sunt folosite atunci când nu există un obiect experimental real. Studiul structurii sau al proceselor în curs în CS se realizează pe baza unui model computerizat. Acesta reflectă cele mai importante aspecte ale comportamentului parametrilor structurali și de sistem în funcție de obiectiv. Pentru a dezvolta un model, este necesar să alegeți cea mai potrivită metodă de modelare care vă permite să obțineți o adecvare și fiabilitate maximă.

Orez. 3. Clasificarea metodelor de studiere a CS și a proceselor.

Procesul tradițional de învățare implică un curs de bază de prelegeri combinate cu un set de exerciții la clasă și/sau ateliere de laborator. În domeniul informaticii, atunci când se studiază organizarea sistemelor informatice și principiile controlului proceselor computerizate (la nivel scăzut și înalt), precum și atunci când se analizează performanța sistemului, este adesea nevoie să se dezvolte modele computerizate în timpul efectuării de laborator. sarcini în clasă sau atunci când implementează proiecte în mod independent. Pentru a finaliza cu succes aceste lucrări practice și pentru a obține abilitățile practice necesare, este necesar să se determine succesiunea etapelor și să se prezinte caracteristicile tehnologice ale dezvoltării modelelor. Acest lucru va permite studenților să dobândească cunoștințele necesare despre dezvoltarea unor modele informatice adecvate și fiabile pentru cercetarea, evaluarea și analiza comparativă a performanței sistemului diferitelor arhitecturi de computer. Ca urmare, se propune în continuare o procedură generalizată de realizare a modelării, precum și o schemă metodologică pentru cercetarea modelului de CS și procese.

Procedura de modelare computerizată pentru studierea CS și a proceselor

Sarcina principală a modelării computerizate în studiul CS și proceselor este de a obține informații despre indici de performanță. Planificarea unui experiment model în timpul procesului de învățare se realizează pe baza următoarelor etape:

colectarea datelor empirice pentru valori specifice ale parametrilor de bază ale sistemului;

structurarea si prelucrarea informatiilor empirice si dezvoltarea unei diagrame functionale a modelului;

determinarea informațiilor a priori și a zonelor definitorii ale parametrilor de funcționare pentru elaborarea unui model matematic adecvat al obiectului original;

implementarea experimentelor model, acumularea de informații despre model și analiza ulterioară a acestuia.

În Fig. 4.

Orez. 4. Procedura de cercetare model.

Scopul inițial este determinat de necesitatea studierii unui obiect real (sistem sau proces). Principalii pași ai procedurii sunt următorii:

Definirea conceptului de bază al construirii unui model prin descompunerea unui obiect în subsisteme și introducerea unui grad acceptabil de idealizare pentru anumite aspecte ale comportamentului proceselor sistemului.

Formalizarea matematică a structurii și relațiilor din obiectul studiat pe baza unui sistem formal adecvat.

Descrierea matematică a funcționării unui sistem real și dezvoltarea unui model funcțional adecvat în funcție de scopul simulării.

Implementarea unui model matematic folosind cea mai adecvată metodă de modelare.

Descrierea modelului matematic creat folosind un mediu software adecvat (specializat sau universal).

Efectuarea de experimente pe baza modelului creat și prelucrarea și interpretarea ulterioară a informațiilor modelului pentru evaluarea parametrilor obiectului de cercetare.

Principalele metode de modelare pe calculator sunt următoarele:

Metode analitice - folosiți instrumente matematice pentru a descrie componentele unui sistem real și procesele în desfășurare. Pe baza abordării matematice alese, un model matematic este de obicei construit ca un sistem de ecuații care permite o programare ușoară, dar implementarea necesită o precizie ridicată a formulărilor și ipoteze de lucru acceptate, precum și o verificare semnificativă.

Metode de simulare (imitare) - comportamentul unui obiect real este imitat de un simulator software, care în funcționarea sa folosește o sarcină de lucru reală (emulare) sau un model software al sarcinii de lucru (simulare). Astfel de modele permit studiul sistemelor complexe și obținerea de rezultate fiabile, dar sunt realizate în timp și acest lucru determină principalul avantaj al metodei - consumul semnificativ de timp de calculator.

Metodele empirice sunt tehnici cantitative de înregistrare, acumulare și analiză a informațiilor despre funcționarea unui obiect real, pe baza cărora se poate construi un model statistic pentru studiul acestuia. De obicei, ecuațiile liniare sau neliniare sunt utilizate pentru a reprezenta relația parametrilor selectați (de exemplu, dintr-un set de factori primari) și pentru a calcula caracteristicile statistice.

Sarcina principală a modelării pe computer este de a crea un model adecvat, cu ajutorul căruia structura sistemului studiat și procesele în desfășurare pot fi reprezentate destul de precis. Dezvoltarea unui model computerizat include trei niveluri succesive - un model conceptual (un concept ideologic pentru structurarea unui model), un model matematic (o imagine a unui model conceptual folosind un sistem formal matematic) și un model software (o implementare software a unui model). model matematic cu un mediu de limbaj adecvat). La fiecare nivel de modelare pe calculator, este necesar să se verifice caracterul adecvat al modelului pentru a asigura fiabilitatea modelului final și acuratețea rezultatelor experimentelor cu model. Specificul etapelor individuale ale procedurii de modelare determină abordările și mijloacele de evaluare a adecvării utilizate. Aceste caracteristici și-au găsit un loc în metodologia de modelare computerizată dezvoltată, care este prezentată mai jos.

Metodologia cercetării modelului

În procesul de modelare pe calculator, indiferent de metoda utilizată, este posibilă determinarea unei scheme matodologice generalizate pentru un studiu model (Fig. 5). Secvența metodologică formalizată propusă include câteva faze principale, prezentate mai jos. Practic, reprezintă o procedură iterativă pentru obținerea fiabilității necesare a modelului computerizat dezvoltat pe baza formulării ipotezei modelului inițial și a modificării sale secvențiale. Această abordare are succes atunci când se studiază sisteme complexe, precum și în absența unor informații a priori suficiente pentru obiectul studiat.

Etapa de formulare

În prima etapă a dezvoltării modelului, este necesar să se definească cu acuratețe și clar obiectul modelării, condițiile și ipotezele studiului, precum și criteriile de evaluare a eficacității modelului. Acest lucru ne va permite să dezvoltăm un model conceptual și să-l definim în termeni și concepte abstracte. De obicei, o descriere abstractă definește principiile inițiale ale construcției modelului (aproximații de bază, domenii definiționale ale variabilelor, criterii de performanță și tipuri de rezultate așteptate). În această etapă pot fi definite următoarele subetape:

Definirea si analiza sarcinii. Include o natură clar definită a problemei de cercetare și planificarea activităților necesare. Pe baza analizei problemei, se determină sfera acțiunilor așteptate și necesitatea descompunerii sarcinii.

Clarificarea tipului de informații inițiale. Aceste informații ne permit să obținem rezultate corecte ale modelării rezultatelor și, prin urmare, este necesar să asigurăm nivelul necesar de fiabilitate al estimărilor.

Introducerea de ipoteze și ipoteze. Acest lucru este necesar atunci când nu există suficiente informații pentru a implementa modelul. Ipotezele înlocuiesc datele lipsă sau complete. Ipotezele se referă la tipul de rezultate posibile sau la mediul de implementare a proceselor studiate. În timpul procesului de modelare, aceste ipoteze și ipoteze pot fi acceptate, respinse sau modificate.

Determinarea conținutului principal al modelului. Pe baza metodei de modelare aplicată se raportează caracteristicile obiectului real, sarcina și mijloacele de rezolvare a acestuia. Rezultatele acestei subetape includ formularea conceptului de bază al modelului, o descriere formalizată a proceselor reale și selectarea unei aproximări adecvate.

Determinarea parametrilor modelului și selectarea criteriilor de performanță. În această subetapă se determină factorii primari și secundari, influențele de intrare și reacțiile așteptate de ieșire ale modelului, ceea ce este deosebit de important pentru obținerea acurateței necesare descrierii matematice. Clarificarea criteriilor de eficiență este asociată cu definirea dependențelor funcționale pentru evaluarea răspunsului sistemului la modificarea parametrilor modelului.

Descrierea abstractă a modelului. Faza generală de formulare a modelului conceptual se termină cu abstracția modelului într-un mediu adecvat de termeni abstracti - de exemplu, ca diagramă bloc, ca diagramă de flux de date, ca diagramă grafică (State Transition Network) etc. Această reprezentare abstractă permite construirea cu ușurință a unui model matematic.

Orez. 5. Schema metodologică a modelului de studiu.

Scena „Design”

Proiectarea unui model de calculator este asociată cu dezvoltarea unui model matematic și cu descrierea software-ului acestuia.

Un model matematic este o reprezentare a structurii obiectului studiat și a proceselor în curs într-o formă matematică adecvată Y=Ф(X, S, A, T), unde: X este un set de influențe externe; S - set de parametri de sistem; A - reflectă comportamentul funcțional (algoritmi de funcționare); T - timpul de funcționare. Astfel, comportamentul (reacția) obiectului Y modelează un set de influențe funcționale Ф, reprezentând dependențe analitice (deterministe sau probabiliste). În acest sens, un model matematic este o descriere a unui model abstract prin intermediul unui sistem matematic selectat, evaluând ipoteze și aproximări acceptate, condiții inițiale și parametri de cercetare definiți. Atunci când se dezvoltă un model matematic, este posibil să se aplice formule matematice cunoscute, dependențe sau legi matematice (de exemplu, distribuții de probabilitate), precum și să le combine și să le completeze. Cele mai comune sisteme matematice teoretice în scop de modelare oferă posibilitatea de a prezenta un model matematic sub formă grafică - rețele Petri, lanțuri Markov, sisteme de coadă etc. Pe baza criteriilor determinate la etapa precedentă, modelul matematic creat trebuie evaluat în pentru a atinge gradul necesar de fiabilitate și adecvare, iar după aceea îl puteți aproba sau renunța.

Un model software este o implementare a unei descrieri matematice într-un limbaj de program - în acest scop, sunt selectate mijloace tehnice și tehnologice adecvate. În procesul de implementare a software-ului, pe baza unui model matematic este elaborată o diagramă logică structurală și funcțională a modelului. Pentru a construi această diagramă, puteți utiliza diagrame bloc tradiționale sau instrumente grafice care sunt prezentate într-un mediu de modelare specializat - cum ar fi în GPSS (General Purpose Simulation System). Implementarea software a modelului este o sarcină de dezvoltare software și în acest sens este supusă principiilor tehnologiei de programare.

Etapa „Clarificare”

Acțiunile acestei etape au scopul de a valida pe deplin modelul proiectat și de a stabili caracterul adecvat al acestuia. O evaluare a adecvării actuale în etapele anterioare este esențială pentru eficacitatea acestora. În acest sens, procesul de rafinare a modelului ar trebui considerat ca un ansamblu de acțiuni distribuite la toate etapele anterioare ale modelării computerizate. În termeni generali, etapa de rafinare poate fi reprezentată ca o procedură iterativă (Fig. 6), permițând modificarea consecventă a versiunii inițiale a modelului în curs de dezvoltare.

Orez. 6. Procedura iterativă de rafinare a modelului.

Scopul principal al verificării fiabilității modelului este de a determina nivelul de acuratețe al corespondenței atunci când se reprezintă procesele unui obiect real și mecanismul de înregistrare a rezultatelor modelului. În termeni generali, un model computerizat reprezintă o colecție de componente individuale și în acest sens este deosebit de important să se planifice corect verificările de adecvare.

Etapa de execuție

Aceasta este etapa de implementare a modelului creat (soluție folosind o metodă numerică sau execuție în timp). Cel mai important obiectiv este de a obține maximum de informații pentru un timp minim de calculator. Există doi sub-etași:

Planificarea unui experiment model - determinarea valorii factorilor controlați și a regulilor de înregistrare a factorilor observați la executarea modelului. Alegerea unui design experimental specific depinde de scopul declarat al studiului la optimizarea timpului de execuție. Pentru a obține un design eficient, se folosesc de obicei metode statistice (design complet, design cu un singur factor, design randomizat etc.) pentru a elimina influența comună a factorilor observați și pentru a estima eroarea experimentală acceptabilă.

Implementarea experimentului - pregătirea datelor de intrare, implementarea computerizată a planului experimental și stocarea rezultatelor experimentale. Experimentul poate fi implementat astfel: modelare de control (pentru a verifica performanța și sensibilitatea modelului și estimarea timpului de modelare); modelarea de lucru (implementarea efectivă a planului experimental elaborat).

Etapa „Analiza și interpretarea rezultatelor modelului”

La implementarea unui plan de experiment model se acumulează informații (rezultatele modelării), care trebuie analizate pentru a obține o evaluare și concluzii despre comportamentul obiectului studiat. Aceasta determină două aspecte - alegerea metodelor de analiză a informațiilor experimentale și aplicarea unor metode adecvate de interpretare a estimărilor obținute. Acesta din urmă este deosebit de important pentru formarea concluziilor corecte ale cercetării. În sensul primului aspect, se folosesc de obicei metode statistice - analize descriptive (calculul valorilor limită ale parametrilor, așteptările matematice, dispersia și eroarea pătratică medie; determinarea stratificării pentru un factor selectat; calculul unei histograme etc. ); analiza corelației (determinarea nivelului relației factorilor); analiza de regresie (studiul relației cauzale într-un grup de factori); analiza varianței (pentru a stabili influența relativă a anumitor factori pe baza rezultatelor experimentale).

Rezultatele analizei datelor modelului pot fi prezentate sub formă numerică sau tabelară, folosind dependențe grafice, diagrame, histograme etc. Pentru selectarea instrumentelor grafice adecvate este esențială metoda de analiză utilizată, precum și abilitățile subiective ale experimentatorului pentru formatarea rezultatelor experimentale.

Concluzie

Scopul principal al organizării fiecărui experiment model este implementarea modelării eficiente. Este asociat cu timpul computerului - o cantitate semnificativă de procesare în model crește costul modelării și reduce eficiența. Validarea rapidă a modelului și realizarea convergenței sunt esențiale pentru eficacitatea studiului. Pentru fiecare sistem real, este adesea necesar să se creeze multe modele diferite care diferă în metoda de descompunere și nivelul de detaliu, metoda de modelare, instrumentele de implementare a software-ului etc. În procesul de alegere a opțiunii optime, doar evaluarea acurateței și adecvării este insuficientă. Dintr-o varietate de modele convergente, trebuie să alegeți cea mai eficientă opțiune care va petrece cel mai puțin timp implementării.

Pentru a obține o eficiență suficientă a modelului, este esențial și limbajul aplicat de implementare software, precum și completitudinea sistemului formal de reprezentare abstractă a modelului conceptual, simplitatea termenilor de descriere, elaborarea unui plan optim etc. a sistemelor software universale se caracterizează prin absența operatorilor specifici de limbaj și, prin urmare, sunt potrivite în primul rând pentru modelarea analitică. Pentru implementarea modelelor de simulare, este avantajos să se utilizeze medii de limbaj specializate.

Bibliografie

[Bruyul 2002] Bruyul A. SPSS: arta procesării informaţiei. Analiza datelor statistice. Sankt Petersburg: DiaSoft, 2002, - 608 p.

[Romanski, 2001] Romanski R. Modelare matematică și studiul caracteristicilor temporale stocastice ale proceselor de prelucrare a datelor computerizate // Tehnologii informaționale. - Moscova, Rusia, 2001, Nr. 2, - P. 51 - 55.

Arons H., van Asperen E. Asistență computerizată pentru definirea modelului // Proceedings of the 32nd Winter Simulation Conference. - Florida, SUA, decembrie 2000. - P. 399-408.

Benveniste A., Fabre E., Haar St. Rețele Markov: modele probabilistice pentru sisteme distribuite și concurente // IEEE Transactions on Automatic Control. noiembrie 2003, vol. 48, nr 11. - P. 1936-1950.

Butler J.E., Brockman J.B. Un instrument de învățare bazat pe web care simulează o arhitectură simplă a computerului // Buletinul ACM SIGCSE. iunie 2001, vol. 33, nr. 2. - P. 47-50.

Crosbie R. E. Un curriculum-model în modelare și simulare: avem nevoie de el? Putem sa o facem? // Lucrările celei de-a 32-a conferințe de simulare de iarnă. decembrie 2000. -P. 1666-1668.

Fabre E., Pigourier V. Monitorizarea sistemelor distribuite cu algoritmi distribuiti // Proceedings of the 41st IEEE Conference on Decision and Control. - vol. 1. 10-13 decembrie 2002 - p. 411-416.

Ibbett R.N. WWW Vizualizarea simulărilor de arhitectură computerizată // Proceedings of the 7th Annual Conf. privind inovația și tehnologia în educația informatică. iunie 2002. - p. 247.

Lilja D.J. Comparing Instructional Delivery Methods for Teaching Computer Systems Performance Analysis // IEEE Trans. pe Educație. februarie 2001, vol. 44, nr. 1, - p. 35-40.

Music G., Zupancic B., Matko D. Petri, modelare bazată pe rețea și proiectare de control de supraveghere în Matlab // Proceedings of the IEEE Conference EUROCON 2003 "Computers as a Tool". - vol. 1. 22-24 sept. 2003. - Slovenia. - P. 362-366.

Pandey S., Ramamritham K., Chakrabarti S. Monitorizarea web-ului dinamic pentru a răspunde la interogări continue // Proceedings of the 12th International Conference on World Wide Web. - Ungaria, mai 2003, - P. 659-668.

Pockec P., Mardini W. Modelarea cu cozi: un studiu empiric // Proceedings of the Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. - vol. 1. 13-16 mai 2001. - p. 685-689.

Romansky R. și colab. O organizație a rețelei informaționale InfoNet pentru e-Learning distribuit // Proceedings of the 3rd International Conference on Computer Systems and Technologies (e-Learning). 20-21 iunie 2002. Sofia, Bulgaria. - P. IV.4-1 - IV.4-6.

Sargentul R.G. Verificarea și validarea modelelor de simulare // Proceedings of the Winter Simulation Conference 2003 Winter Simulation Conference. - vol. 1. 7-10 decembrie 2003. - P. 27-48.

Stahl, I. GPSS: 40 de ani de dezvoltare // Proceedings of the 33rd Winter Simulation Conference. decembrie 2001. - P. 577-585.

Ye D, Xiaofer Xu, Yuliu Chen. Metodologie de modelare integrată pentru întreprinderi virtuale // Proceedings of the 10th Conference on Computers, Communications, Control and Power Engineering. - vol. 3. octombrie 2002. - P. 1603-1606.

480 de ruble. | 150 UAH | 7,5 USD ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Disertație - 480 RUR, livrare 10 minute, non-stop, șapte zile pe săptămână și sărbători

240 de ruble. | 75 UAH | 3,75 USD ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Rezumat - 240 de ruble, livrare 1-3 ore, de la 10-19 (ora Moscovei), cu excepția zilei de duminică

Rozova Natalia Borisovna. Utilizarea modelării computerizate în procesul de învățare: 13.00.01, 13.00.02 Rozova, Natalia Borisovna Utilizarea modelării computerizate în procesul de învățare (Pe exemplul studierii fizicii moleculare într-o școală secundară): Dis. ...cad. ped. Științe: 13.00.01, 13.00.02 Vologda, 2002 163 p. RSL OD, 61:03-13/523-2

Introducere

Capitolul 1. Modele și simulare în știință și predare 14

1.1 Modele și modelare în știința modernă 14

1.2 Aplicarea modelelor în procesul de predare a elevilor 26

1.3 Simularea pe calculator în predare 33

Capitolul 2. Bazele psihologice și pedagogice ale pregătirii informatice 50

2.1 Aspecte psihologice și pedagogice ale pregătirii informatice 50

2.2 Caracteristicile activităților educaționale și managementul acestora pe baza pregătirii informatice 58

Capitolul 3. Metodologia de organizare și desfășurare a lecțiilor de fizică în clasa a X-a a unei școli medii la studierea temei „Fizica moleculară” folosind modelarea computerizată 74

3.1 Analiza stării modelării pe calculator în secțiunea „Fizica moleculară” 74

3.2 Caracteristicile programului experimental de simulare pe calculator a dinamicii multor sisteme de particule și posibilitatea utilizării acestuia în procesul educațional 83

3.3 Metodologia de organizare și desfășurare a lecțiilor de fizică în clasa a 10-a la studierea secțiunii „Fizică moleculară” pe baza unui program experimental 92

4.1 Obiectivele experimentului și organizarea implementării acestuia 128

4.2 Analiza rezultatelor experimentului pedagogic 140

Concluzia 147

Introducere în lucrare

Unul dintre cele mai importante domenii ale dezvoltării sociale este educația. Educația „funcționează” pentru viitor; ea determină calitățile personale ale fiecărei persoane, cunoștințele, abilitățile, aptitudinile, cultura comportamentului, viziunea asupra lumii, creând astfel potențialul economic, moral și spiritual al societății. Tehnologiile informaționale sunt unul dintre instrumentele principale în educație, așa că dezvoltarea unei strategii pentru dezvoltarea și utilizarea lor în educație este una dintre problemele cheie. În consecință, utilizarea tehnologiei informatice capătă importanță națională. Mulți experți cred că în prezent computerul va face posibilă realizarea unei descoperiri calitative în sistemul de învățământ, deoarece profesorul are în mâini un instrument de predare puternic. De obicei, există două direcții principale de informatizare. Primul urmărește să asigure alfabetizarea universală a calculatorului, al doilea - să folosească computerul ca mijloc de creștere a eficacității învățării.

În sistemul de învățământ se disting două tipuri de activități: predare și educaționale. N.F. Talyzin și T.V. Gabay a propus să ia în considerare rolul unui calculator în predare din punctul de vedere al funcției pe care o îndeplinește.

Dacă un computer îndeplinește funcția de gestionare a activităților educaționale, atunci poate fi considerat ca un instrument de predare care înlocuiește un profesor, deoarece computerul modelează activitățile educaționale, pune întrebări și răspunde la răspunsurile și întrebările elevului ca un profesor.

Dacă un computer este folosit doar ca mijloc de activitate educațională, atunci interacțiunea acestuia cu elevii se realizează în funcție de tipul „utilizator de computer”. În acest caz, computerul nu este un instrument de predare, deși poate transmite noi cunoștințe. Prin urmare, atunci când se vorbește despre pregătirea informatică, se referă la utilizarea calculatorului ca mijloc de gestionare a activităților educaționale.

În ciuda faptului că nu există încă o clasificare unificată a programelor de formare, mulți autori disting următoarele cinci tipuri între ele: antrenament, mentorat, învățare bazată pe probleme, simulare și modelare și jocuri. Modelele computerizate au cel mai înalt rang dintre cele de mai sus. Potrivit lui V.V. Laptev, „un model de calculator este un mediu software pentru un experiment de calcul, care combină, pe baza unui model matematic al unui fenomen sau proces, mijloace de interacțiune interactivă cu obiectul experimental și dezvoltarea unui mijloc de afișare a informațiilor... Modelele computerizate sunt obiectul principal pentru fizica computațională, a cărei metodă distinctivă este un experiment computațional, la fel cum metoda distinctivă a fizicii experimentale este un experiment la scară completă.” Academicianul V.G. Razumovsky notează că „odată cu introducerea computerelor în procesul educațional, capacitățile multor metode de cunoaștere științifică cresc, în special metoda modelării, care permite o creștere bruscă a intensității antrenamentului, deoarece în timpul modelării este evidențiată însăși esența fenomenelor. iar comunitatea lor devine clară.”

Starea actuală a pregătirii informatice este caracterizată printr-un set mare de programe de formare care variază semnificativ în calitate. Cert este că în stadiul inițial de informatizare a școlilor, cadrele didactice care au folosit formarea informatică și-au creat propriile programe de formare, iar nefiind programatori profesioniști, programele pe care le-au creat au fost ineficiente. Prin urmare, alături de programele care oferă învățare bazată pe probleme, modelare pe computer și așa mai departe, există un număr mare de programe de antrenament primitive care nu afectează eficacitatea antrenamentului. Astfel, sarcina profesorului devine nu dezvoltarea de programe de formare, ci capacitatea de a utiliza programe gata făcute de înaltă calitate, care îndeplinesc cerințele metodologice și psihologice-pedagogice moderne.

Unul dintre principalele criterii pentru semnificația didactică a programelor de modelare este capacitatea de a efectua cercetări care anterior erau imposibile într-o clasă de fizică școlară. În conținutul educației de fizică școlară există o serie de secțiuni în care un experiment natural descrie doar calitativ fenomenul sau procesul studiat. Utilizarea modelelor computerizate ar face posibilă efectuarea unei analize cantitative a acestor obiecte.

Una dintre aceste secțiuni ale fizicii școlare este fizica moleculară, starea educației informatice în care vom analiza. Studiind-o, elevii întâlnesc o formă calitativ nouă de mișcare a materiei - mișcarea termică, în care, pe lângă legile mecanicii, se aplică și legile statisticii. Experimentele naturale (mișcarea browniană, difuzia, interacțiunea moleculelor, evaporarea, fenomenele de suprafață și capilare, umezirea) confirmă ipoteza structurii moleculare a materiei, dar nu ne permit să observăm mecanismul proceselor fizice care au loc. Modele mecanice: Experimentul lui Stern, placa lui Galton, instalație pentru demonstrarea legilor gazelor fac posibilă ilustrarea legii lui Maxwell a distribuției moleculelor de gaz după viteză și obținerea experimentală a relațiilor dintre presiune, volum și temperatură necesare pentru derivarea legilor gazelor.

Utilizarea tehnologiei moderne electronice și electronice computerizate poate suplimenta semnificativ proiectarea și desfășurarea experimentului. Din păcate, numărul lucrărilor pe această temă este foarte mic.

Lucrarea descrie utilizarea unui computer pentru a demonstra dependența vitezei moleculelor diferitelor gaze de temperatură, calculul modificărilor energiei interne a unui corp în timpul evaporării, topirii și cristalizării, precum și utilizarea unui computer în lucrări de laborator de prelucrare. Iată o descriere a lecției privind determinarea eficienței unui motor termic ideal pe baza ciclului Carnot.

Metodologia de realizare a unui experiment folosind tehnologia informatică electronică și electronică a fost descrisă de V.V. Laptev. Designul experimental arată astfel: mărimi măsurate - senzori - convertor analog-digital - microcalculator MK-B4 sau computer Yamaha. Pe baza acestui principiu, a fost proiectată o instalație electromecanică universală pentru studierea legilor gazelor la cursul de fizică școlară.

În cartea lui A.S. Kondratyev și V.V. Laptev „Fizica și computerul”, au fost dezvoltate programe care analizează sub formă de grafice formula pentru distribuția Maxwelliană a moleculelor în funcție de viteză, utilizarea distribuției Boltzmann pentru a calcula înălțimea creșterii și studiul ciclului Carnot.

I.V. Grebenev prezintă un program care simulează transferul de căldură prin ciocnirea particulelor a două corpuri.

În articolul „Modelarea lucrărilor de laborator a unui atelier fizic” V.T. Petrosyan și alții conțin un program pentru simularea mișcării browniene a particulelor, al cărui număr este determinat prin experiment.

Cea mai completă și de succes dezvoltare a secțiunii de fizică moleculară este cursul educațional de computer „Open Physics” al Centrului Științific pentru Fizică LLP. Modelele prezentate în acesta acoperă întregul curs de fizică moleculară și termodinamică. Pentru fiecare experiment sunt prezentate animații computerizate, grafice și rezultate numerice. Programele sunt de bună calitate, ușor de utilizat și vă permit să observați dinamica procesului atunci când schimbați macroparametrii de intrare.

În același timp, în opinia noastră, acest curs de computer este cel mai potrivit pentru consolidarea materialului acoperit, ilustrarea legilor fizice și munca independentă a studenților. Dar utilizarea experimentelor propuse ca demonstrații pe computer este dificilă, deoarece acestea nu au suport metodologic și este imposibil de controlat timpul procesului în desfășurare.

Trebuie remarcat faptul că, până în prezent, „nu s-a dezvoltat nicio viziune stabilită cu privire la o anumită instrucțiune: unde și când trebuie utilizat un computer în procesul de învățare, nu a fost dobândită experiență practică în evaluarea impactului unui computer asupra eficacității instruire, nu există cerințe de reglementare stabilite pentru tipul, tipul și parametrii software-ului educațional hardware."

Întrebări privind suportul metodologic pentru software pedagogic au fost ridicate de I.V. Grebenev. „Cel mai important criteriu pentru eficacitatea învățării pe calculator ar trebui considerat probabil posibilitatea ca studenții să obțină cunoștințe noi, importante pe un subiect în dialog cu un computer, printr-un asemenea nivel sau cu o asemenea natură a activității cognitive care este imposibilă cu mașina. -învățare gratuită, cu condiția, desigur, ca efectul lor pedagogic și să merite investiția în timpul profesorului și al elevului.”

Aceasta înseamnă că, pentru ca utilizarea computerelor să aducă beneficii reale, este necesar să se determine unde metodologia existentă este imperfectă și să se arate care proprietăți ale computerului și cum pot crește eficiența învățării.

Analiza stării modelării computerizate indică faptul că:

1) modelarea pe calculator este reprezentată de un număr mic de programe în general și în special de cele care simulează procese fizice bazate pe principiile teoriei cinetice moleculare (MKT);

2) în modelarea programelor bazate pe MCT nu există rezultate cantitative, ci doar o ilustrare calitativă a unui proces fizic;

3) în toate programele nu există nicio legătură între microparametrii sistemului de particule și macroparametrii acestuia (presiune, volum și temperatură);

4) nu există o metodologie dezvoltată pentru desfășurarea lecțiilor folosind programe de modelare computerizată pentru o serie de procese fizice de MCT.

Aceasta determină relevanța studiului.

Obiectul studiului este procesul de învățare într-o școală secundară.

Subiectul studiului este procesul de utilizare a modelării computerizate în predarea fizicii într-o școală secundară.

Scopul studiului este de a studia posibilitățile pedagogice ale modelării pe calculator și de a dezvolta suport metodologic pentru utilizarea programelor de modelare pe calculator bazate pe materialul unui curs de fizică școlară.

Pe baza scopului studiului, în lucrare au fost stabilite următoarele sarcini:

1) efectuează o analiză holistică a posibilităților de utilizare a simulării pe calculator în procesul de învățare;

2) determina cerințele psihologice și pedagogice pentru modelele informatice educaționale;

3) analizează programe informatice interne și străine care simulează fenomene fizice și dau un efect real de învățare;

4) elaborarea unui program de modelare pe calculator bazat pe materialul conținutului fizic al învățământului secundar general (secțiunea „Fizica moleculară”);

5) verificarea utilizării unui program experimental de modelare pe calculator și evaluarea rezultatelor didactice și metodologice ale acestuia.

Ipoteza cercetării.

Calitatea cunoștințelor, aptitudinilor și culturii informaționale a elevilor poate fi îmbunătățită dacă, în procesul de predare a fizicii, se folosesc programe de modelare pe calculator, al căror suport metodologic este următorul:

În mod adecvat bazelor teoretice ale modelării computerizate în procesul de învățare, sunt definite sarcinile, locul, timpul și forma de utilizare a modelelor informatice educaționale;

Există variabilitate în formele și metodele de gestionare a activităților elevilor;

Scolarii sunt invatati trecerea de la obiecte reale la modele si inapoi.

Baza metodologică a studiului constă în: abordări sistematice și bazate pe activități ale studiului fenomenelor pedagogice; teorii filozofice, cibernetice, psihologice ale modelării computerizate (A.A. Samarsky, V.G. Razumovsky, N.V. Razumovskaya, B.A. Glinsky, B.V. Biryukov, V.A. Shtoff, V.M. Glushkov și alții); Fundamentele psihologice și pedagogice ale informatizării educației (V.V. Rubtsov, E.I. Mash-bits) și conceptul de educație pentru dezvoltare (L.S. Vygotsky, D.B. Elkonin, V.V. Davydov, N.F. Talyzina, P.Ya. Galperin).

Metode de cercetare:

Analiza științifică și metodologică a literaturii filozofice, psihologice, pedagogice și metodologice privind problema studiată;

Analiza experienței profesorilor, analiza propriei experiențe de predare a fizicii în liceu și a metodelor de fizică la o universitate;

Analiza modelării programelor de calculator pentru fizica moleculară de către autori interni și străini în vederea stabilirii conținutului programului;

Modelarea fenomenelor fizice în fizica moleculară;

Experimente pe calculator bazate pe programe de modelare selectate;

Întrebare, conversație, observație, experiment pedagogic;

Metode de statistică matematică.

Baza de cercetare: școlile nr. 3, 11, 17 din Vologda, Liceul de Matematică Naturală de Stat Vologda, Facultatea de Fizică și Matematică a Universității Pedagogice de Stat Vologda.

Cercetarea a fost realizată în trei etape și a avut următoarea logică.

În prima etapă (1993-1995), s-au determinat problema, scopul, obiectivele și ipoteza studiului. A fost analizată literatura filozofică, pedagogică și psihologică pentru a identifica fundamentele teoretice ale dezvoltării și utilizării modelelor computerizate în procesul de învățare.

La a doua etapă (1995 - 1997), s-au desfășurat lucrări experimentale în cadrul problemei studiate și au fost propuse dezvoltări metodologice pentru utilizarea programelor de modelare pe calculator în lecțiile de fizică.

La a treia etapă (1997 - 2000), s-a efectuat o analiză și generalizare a lucrărilor experimentale.

Fiabilitatea și validitatea rezultatelor obținute este garantată de: abordări teoretice și metodologice ale studiului problemei modelării computerizate în predare; o combinație de analiză calitativă și cantitativă a rezultatelor, inclusiv utilizarea metodelor statistice matematice; metode adecvate scopului și obiectului studiului; cerințe bazate științific pentru dezvoltarea unui program de modelare pe calculator.

Acesta din urmă necesită unele explicații. Am dezvoltat un program de modelare a dinamicii sistemelor multor particule, al cărui calcul se bazează pe algoritmul Verlet utilizat de H. Gould și J. Tobochnik. Acest algoritm este simplu și oferă rezultate precise chiar și pe perioade scurte de timp, iar acest lucru este foarte important atunci când se studiază modelele statistice. Interfața originală a programului vă permite nu numai să vedeți dinamica procesului și să modificați parametrii sistemului, înregistrând rezultatele, dar face și posibilă modificarea timpului experimentului, oprirea experimentului, salvarea acestui cadru și începerea ulterioară. lucrați la model de acolo.

Sistemul studiat este format din particule ale căror viteze sunt stabilite aleatoriu și care interacționează între ele conform legilor mecanicii newtoniene, iar forțele de interacțiune dintre molecule sunt afișate prin curba Lennard-Johnson, adică programul conține un model de un gaz adevărat. Dar prin modificarea parametrilor inițiali, este posibil să aducem modelul la un gaz ideal.

Programul de modelare pe calculator pe care l-am prezentat ne permite să obținem rezultate numerice în unități relative, confirmând următoarele legi și procese fizice:

a) dependența forței de interacțiune și a energiei potențiale a particulelor (moleculelor) de distanța dintre ele;

b) distribuția vitezei lui Maxwell;

c) ecuaţia de bază a teoriei cinetice moleculare;

d) legile Boyle-Mariotte și Charles;

e) experimente Joule și Joule-Thomson.

Experimentele de mai sus pot confirma validitatea metodei fizicii statistice, deoarece rezultatele experimentului numeric corespund rezultatelor obținute pe baza legilor statisticii.

Un experiment pedagogic a confirmat eficacitatea metodologiei de desfășurare a lecțiilor folosind programe de modelare pe calculator.

Noutatea științifică și semnificația teoretică a studiului:

1. A fost realizată o descriere cuprinzătoare a modelării computerizate utilizate în procesul de învățare (filosofic, cibernetic, pedagogic).

2. Sunt fundamentate cerințele psihologice și pedagogice pentru modelele educaționale informatice.

3. A fost utilizată metoda de simulare pe calculator a dinamicii multor particule, care a făcut posibilă, pentru prima dată într-un curs școlar de fizică moleculară, realizarea unui model computerizat al unui gaz ideal, care să facă posibilă demonstrarea relația dintre microparametrii sistemului (viteză, impuls, cinetică, potențială și energia totală a particulelor în mișcare) cu macroparametrii (presiune, volum, temperatură).

4. Pe baza programelor de modelare pe calculator în metodele fizicii s-au realizat următoarele experimente numerice: s-a obţinut ecuaţia de bază a teoriei cinetice moleculare; este prezentată relația dintre temperatură și energia cinetică a mișcării de translație a particulelor (moleculelor); Au fost simulate experimentele Joule și Joule-Thomson pentru gaze ideale și reale.

Semnificația practică a studiului constă în faptul că conținutul selectat și programele de modelare pe computer dezvoltate pot fi utilizate în școlile secundare pentru a efectua experimente numerice pe o serie de probleme din fizica moleculară. A fost dezvoltată și testată experimental o metodologie pentru desfășurarea lecțiilor de fizică moleculară folosind programe de modelare pe calculator. Materialele și rezultatele studiului pot fi utilizate și în procesul de predare a studenților la universitățile pedagogice și de îmbunătățire a calificărilor profesorilor de fizică și informatică.

S-a efectuat aprobarea principalelor materiale și rezultate obținute în timpul studiului

La conferinţa internaţională ştiinţifică şi tehnică electronică (Vologda, 1999);

La conferința științifică și practică interuniversitară „Aspecte sociale ale adaptării tinerilor la condițiile de viață în schimbare” (Vologda, 2000);

La a doua conferință regională științifică și metodologică „Tehnologii moderne în învățământul profesional superior și secundar” (Pskov, 2000);

La cea de-a șasea conferință științifică și practică din toată Rusia „Problema experimentului fizic educațional” (Glazov, 2001);

Când predați fizica în școlile secundare din orașul Vologda, în cursurile despre metodele de predare a fizicii cu studenții Universității Pedagogice de Stat Vologda, la seminarii pentru studenții absolvenți ai Universității Pedagogice de Stat Vologda și profesorii departamentului de fizică generală și astronomie.

Se depun spre apărare următoarele:

1. Abordări teoretice ale utilizării modelării computerizate în procesul de învățare și suportul metodologic al acesteia.

3. Metodologia de organizare și desfășurare a lecțiilor de fizică în clasa a X-a a unei școli gimnaziale la studierea temei „Fizica moleculară” pe baza unui program de modelare pe calculator.

Structura disertației.

Structura disertației este determinată de logica și succesiunea rezolvării problemelor atribuite. Teza constă dintr-o introducere, patru capitole, o concluzie și o bibliografie.

Modele și simulare în știința modernă

În prezent, modelele și simularea, ca una dintre metodele de înțelegere a lumii din jurul nostru, sunt utilizate pe scară largă în știință, tehnologie și predare.

Termenul „model” provine din cuvântul latin modulus, care înseamnă măsură, model, normă. Viziunea holistică a unei persoane asupra lumii în cele mai multe cazuri este reflectată în conștiința sa sub forma unui anumit model fizic.

În filosofia modernă sunt date următoarele definiții ale conceptelor de model și simulare.

„Un model (modele francez) în logica și metodologia științei este un analog (schemă, structură, sistem de semne) al unui anumit fragment de realitate naturală sau socială, un produs al culturii umane, al educației conceptuale și teoretice etc. modelul original. Acest analog servește la stocarea și extinderea cunoștințelor (informațiilor) despre original, proprietățile și structurile sale, pentru a-l transforma sau gestiona. Din punct de vedere epistemologic, un model este un „reprezentant”, „substitut” al originalului în cunoaștere și practică. Rezultatele prelucrării și studierii modelului în anumite condiții, clarificate în logică și metodologie, și specifice diverselor domenii și tipuri de modele, sunt transferate la original. „Modelarea este o metodă de studiere a obiectelor de cunoaștere pe modelele lor; construirea și studiul modelelor, obiectelor și fenomenelor din viața reală (sisteme organice și anorganice, dispozitive de inginerie, diverse procese - fizice, chimice, biologice, sociale) și obiecte construite pentru determinarea sau îmbunătățirea caracteristicilor acestora, raționalizarea metodelor de construcție, control al acestora ei etc. P." . În funcție de tipul de modele, se disting modelarea subiectului și a semnelor. În modelarea subiectului, cercetarea este efectuată pe un model care reproduce anumite caracteristici geometrice, fizice sau funcționale ale originalului. De exemplu, în modelarea analogică, fenomenele mecanice, acustice, hidrodinamice și altele sunt studiate folosind modele energetice, deoarece funcționarea modelului și a originalului este descrisă prin aceleași ecuații diferențiale.

„În modelarea simbolică, modelele sunt diagrame, desene, formule propuse într-un anumit alfabet (limbaj natural sau artificial), etc.” . Modelarea este una dintre metodele importante de cunoaștere, de aceea aparține categoriei epistemologice. Rezultatele obținute din studierea modelelor pot fi transferate la original dacă modelul reflectă proprietățile originalului.

Această clasificare se bazează pe metoda de reproducere a proprietăților originalului în model. Toate modelele sunt împărțite în două clase: material și ideal. Modelele materiale includ modele care există în mod obiectiv și sunt create de om pentru a reproduce structura și esența procesului sau fenomenului studiat.

Pentru modelele similare din punct de vedere spațial, o condiție prealabilă este asemănarea geometrică cu originalul lor, deoarece ele reflectă proprietățile și relațiile spațiale ale unui obiect. Acest grup include diverse machete, modele de dispozitive tehnice, rețele cristaline etc.

În modelele similare din punct de vedere fizic, sunt necesare asemănarea naturii sale fizice cu originalul și identitatea legilor mișcării. Astfel de modele diferă de natura pe care o înfățișează doar prin schimbarea scarii spațiale sau temporale. Acest grup include modele de operare ale diferitelor dispozitive tehnice, de exemplu, motoare și generatoare electrice, nave, avioane etc.

Modelele similare din punct de vedere matematic de funcționare a obiectelor de cercetare trebuie descrise prin aceleași ecuații matematice și, de regulă, nu au similitudini fizice și geometrice cu originalul. Modelele matematice includ modele analogice, structurale, digitale și cibernetice.

Aspecte psihologice și pedagogice ale pregătirii informatice

În ultimii ani, psihologii autohtoni și străini au acordat atenție rolului caracteristicilor individuale ale elevilor în procesul de învățare. Căutarea modalităților de a păstra și de a dezvolta în continuare individualitatea copilului, potențialul și abilitățile acestuia a condus la dezvoltarea conceptelor pentru individualizarea educației. Promovarea implementării programelor educaționale de către fiecare elev prin individualizare, prevenind eșecul elevului; formarea deprinderilor educaționale generale pe baza zonei de dezvoltare proximă a fiecărui elev; îmbunătățirea motivației educaționale și dezvoltarea intereselor cognitive; formarea calităților personale: independență, muncă asiduă, creativitate - esența individualizării învățării. Principalul avantaj este că individualizarea vă permite să adaptați complet conținutul, metodele și ritmul activității educaționale a unui copil la caracteristicile sale, să îi monitorizați acțiunile în fiecare etapă a rezolvării unei probleme, să faceți ajustări în timp util la activitățile elevului și ale profesorului, să vă adaptați ei la situațiile în continuă schimbare, dar controlate din partea elevului și a profesorului. Toate acestea permit elevului să lucreze economic, să-și controleze consumul de energie și să obțină rezultate mai bune.

Tehnologia individualizării învățării acoperă toate părțile procesului educațional - scopuri, conținut, metode și mijloace. Caracteristicile învățării individualizate sunt umaniste în baza lor filozofică; factori de dezvoltare: bio-, socio- și psihogeni; principiul managementului este sistemul „tutor”, abordarea copilului este umană și personală, formele organizaționale sunt academice, individuale și de grup; Metoda predominantă este programată, autodezvoltare, creativă. Una dintre opțiunile de individualizare a învățării este dezvoltarea de idei pentru învățarea adaptivă. Ia în considerare atât vârsta, cât și caracteristicile individuale ale elevilor. Adaptările pot fi bazate pe informații culese din experiența de învățare a fiecărui elev sau preprogramate. Un sistem adaptativ, programat în prealabil, implementează de obicei antrenamentul după un program ramificat, unde, în funcție de natura erorii făcute, se indică ce influențe auxiliare sunt emise. Sistemele de învățare adaptivă, de regulă, țin cont de: a) corectitudinea răspunsului, b) motivele care au cauzat dificultăți în îndeplinirea sarcinilor educaționale.

Dezvoltarea tehnologiei și dezvoltarea diferitelor tipuri de dispozitive tehnice fac posibilă combinarea capacităților tehnologiei de învățare individualizate cu utilizarea tehnologiei computerizate moderne.

Învățarea pe computer, bazată pe adaptarea flexibilă și rapidă la caracteristicile individuale ale fiecărui elev, este capabilă să prevină apariția disconfortului psihologic, scăderea stimei de sine și scăderea motivației educaționale, deoarece este capabilă să țină cont de individualitatea elevul pe cât posibil.

L.V. Shenshev descrie trei opțiuni pentru învățarea adaptivă. Prima opțiune este conceptul de adaptabilitate maximă a ciberneticianului englez G. Pask. A doua este teoria adaptabilității parțiale a psihologului american N. Crowder. Al treilea este conceptul lui B. Skinner de adaptabilitate minimă. Autorii teoriilor învățării adaptive sunt similari în evaluarea motivelor eficienței scăzute a învățării tradiționale și în alegerea eliminării acestor motive. Conceptele de învățare adaptivă impun anumite cerințe procesului educațional:

1. Adaptare promptă la caracteristicile individuale ale elevilor, ținând cont de ritmul de învățare, diagnosticarea cauzelor dificultăților, ajustarea la timp a materialului educațional.

2. Managementul continuu și direcționat al sferei afective și motivaționale a elevului, stabilizarea stării acestuia. 3. Mentinerea dialogului continuu, stimularea activitatii elevilor.

4. Automatizarea instruirii.

Îndeplinirea cerințelor enumerate este mai ușor de atribuit pregătirii pe calculator, deoarece profesorul nu este capabil să se adapteze simultan la diferiți studenți, în timp ce mașina este imparțială, răbdătoare și neobosită.

Conceptele de învățare adaptivă menționate mai sus au intrat rapid în practică în masă, dând naștere unei nebunie la modă pentru dispozitive educaționale și programe de calculator. Amatori și primitivi în capacitățile lor pedagogice, au ignorat ideea de bază de a lua în considerare caracteristicile individuale și de a stabiliza starea emoțională pozitivă a elevilor. În legătură cu această stare de fapt, este pusă sub semnul întrebării eficiența pregătirii informatice. Argumentele moderne în favoarea utilizării computerelor repetă concluziile dezvoltatorilor de învățare adaptivă. Aceasta include importanța luării în considerare a dinamicii învățării și automatizarea învățării, permițând profesorului să nu fie distras de sarcinile organizaționale.

Analiza stării modelării computerizate în secțiunea „Fizica moleculară”.

În primul și al doilea capitol, am examinat problemele utilizării modelării computerizate în predare din perspectiva epistemologiei, pedagogiei și psihologiei și, de asemenea, am determinat locul și funcțiile acestora. Utilizarea modelelor computerizate în predarea fizicii face posibilă arătarea importanței modelării ca metodă de înțelegere a lumii din jurul nostru, promovează formarea gândirii abstracte, dezvoltarea interesului cognitiv și stăpânirea elementelor culturii informaționale. În același timp, pentru a realiza mai pe deplin avantaje precum posibilitatea de învățare individuală, îndrumarea activităților educaționale, claritatea și proprietățile de imitație ale modelelor computerizate, este necesar să se identifice acea secțiune a fizicii în care se utilizează modelarea computerizată. va da un efect real de învățare și va determina tehnici metodologice pentru includerea acestuia în lecție.

Dificultatea studierii cursului „Fizică moleculară și termodinamică” într-o școală secundară de bază este că aici elevii întâlnesc o formă calitativ nouă de mișcare a materiei - mișcarea termică, în care, pe lângă legile mecanicii, și legile statisticii. aplica. În plus, experimentele naturale (mișcarea browniană, difuzia, interacțiunea moleculelor, evaporarea, fenomenele de suprafață și capilare, umezirea) nu fac decât să confirme ipoteza structurii moleculare a materiei, dar nu ne permit să observăm mecanismul proceselor fizice care au loc. Modele mecanice: Experimentul lui Stern, placa lui Galton, instalatie pentru demonstrarea legilor gazelor fac posibila ilustrarea legii lui Maxwell a distributiei moleculelor dupa viteza si obtinerea experimentala a relatiilor dintre presiune, volum si temperatura necesare derivarii legilor gazelor. Eficacitatea unei lecții poate fi crescută prin extinderea și îmbunătățirea unei demonstrații sau a unui experiment de laborator folosind un computer (am menționat importanța modelelor computerizate în studiul fizicii în). Astfel de instrumente software pentru efectuarea unui experiment demonstrativ în cursul școlar de fizică moleculară și termodinamică sunt disponibile, deși în cantități mici. Am făcut o trecere în revistă a unui număr de lucrări în, și aici vom prezenta o analiză a tuturor programelor de calculator cunoscute de noi utilizate în studiul fizicii moleculare și termodinamicii.

Utilizarea tehnologiei computerizate electronice și electronice moderne poate îmbunătăți semnificativ proiectarea și desfășurarea experimentului. Descrie utilizarea unui computer pentru a demonstra dependența vitezei moleculelor de azot, hidrogen, argon și aer de temperatură, calculul modificărilor energiei interne a unui corp în timpul topirii și cristalizării, în timpul evaporării și pentru starea gazoasă. , precum și utilizarea unui computer la prelucrarea rezultatelor muncii de laborator.

Aceeași carte descrie o lecție despre determinarea eficienței unui motor termic ideal pe baza ciclului Carnot. Modelul ciclului Carnot a fost un computer, care implementează în mod programatic adiabați și izoterme pe ecranul monitorului, reprezentând grafic ciclul Carnot.

Tehnica experimentală folosind tehnologia electronică și informatică a fost descrisă de V.V. Laptev. A folosit versatilitatea semnalului electric, care nu numai că conține informațiile necesare, dar poate fi procesat și prin tehnologia electronică de calcul. Prin urmare, este necesar să se convertească toate cantitățile neelectrice implicate în experiment în cele electrice folosind convertoare primare - senzori, la ieșirea cărora apare un semnal electric analogic, de obicei sub formă de tensiune electrică. Laptev V.V. iar colaboratorii au dezvoltat și fabricat mai mulți senzori pentru măsurarea iluminării, temperaturii și timpului. Semnalele senzorilor pot fi înregistrate folosind indicatori sau instrumente digitale de măsură. Pentru a utiliza calculatoare electronice digitale la procesarea rezultatelor experimentale, este necesar să convertiți semnalul analogic într-unul digital folosind un convertor analog-digital, folosind microcircuite adecvate pentru aceasta. Astfel, designul experimental arată astfel: mărimi măsurate - senzori - convertor analog-digital - microcalculator MK-64 sau computer Yamaha. Pe baza acestui principiu, a fost proiectată o instalație demonstrativă electromecanică universală pentru studierea fizicii legilor gazelor într-un curs școlar. Valorile presiunii, volumului și temperaturii măsurate în experiment sunt înregistrate pe rând pe un indicator digital demonstrativ și introduse în magistrala de date a computerului, care afișează grafice cu toate relațiile posibile dintre presiune, volum și temperatură pe ecranul de afișare. După trasarea graficelor, valorile numerice ale acestor cantități sunt introduse în memoria RAM a computerului și pot fi afișate pe ecranul de afișare sub forma unui tabel de date experimentale și utilizate pentru calcule cantitative. Astfel, studenții au posibilitatea de a observa simultan caracteristicile cantitative și calitative ale proceselor de gaze.

Formarea și creșterea motivației pentru activitățile educaționale este condiția principală pentru formarea viitorilor designeri. Componente importante în procesul de formare a designerilor studenți vor fi metodele de modelare tridimensională, care pot activa activitatea motivată. Cunoașterea metodelor de modelare tridimensională devine, astăzi, o componentă necesară în calificările unui designer, deoarece nici o problemă legată de proiectarea obiectelor de design nu poate fi rezolvată fără cunoașterea metodelor de modelare tridimensională.

Modelarea tridimensională este una dintre cele mai importante domenii ale activității umane, deoarece este adesea folosită în design. De exemplu, atunci când proiectați un nou design pentru produse de uz casnic, precum și în proiectarea formelor arhitecturale mici și a altor obiecte. Fără utilizarea metodelor de modelare tridimensională, este practic imposibil să se rezolve o singură problemă constructivă legată de proiectarea, modificarea sau modernizarea unui obiect tehnologic.

În activitățile viitoare ale viitorului designer, se pot folosi metode de modelare tridimensională: în principiile de bază ale formării stilului și formei produselor de interior, mobilierului și obiectelor decorative; în elemente de arhitectură și structuri de construcție; în articole mici din plastic; în construcția compozițiilor ornamentale; în artele decorative și aplicate la efectuarea vizualizării sculpturilor, picturii, incrustațiilor, mozaicurilor, forjarilor etc.

Scopul predării modelării tridimensionale este studierea obiectelor tridimensionale, ceea ce va permite dezvoltarea gândirii spațiale și abstracte. Studierea modalităților și metodelor de afișare a acestor modele va contribui la dezvoltarea abilităților de design și a culturii imaginii grafice. Sarcinile de construire a modelelor vor influența exprimarea inițiativei și a ingeniozității. Sarcinile care implică imagini ale unui obiect original vor avea un impact pozitiv asupra dezvoltării abilităților creative.

În același timp, mediul profesional al designerului impune noi cerințe activităților sale, iar statul determină imaginea absolventului, formulând solicitările acestuia pentru educația sa sub formă de competențe. Această dinamică ne obligă să căutăm noi resurse educaționale bazate pe tehnologia informatică.

Practica informatizării procesului de învățare a arătat în mod clar că cu ajutorul tehnologiilor informatice este posibilă creșterea semnificativă a eficienței predării în toate disciplinele prevăzute în programa de studii a direcției de formare „Design”. Utilizarea unui calculator vă permite să obțineți compactitatea oricărei informații artistice și grafice, într-o formă vizuală și ușor perceptibilă, pentru a evalua diferitele aspecte ale obiectelor și fenomenelor afișate, inclusiv efectuarea analizei detaliate și calitative ale acestora.

Introducerea tehnologiei computerizate va îmbunătăți procesul de predare a modelării 3D. Eficacitatea pregătirii profesionale a studenților depinde de cât de atent și competent, din punct de vedere pedagogic, este organizată această pregătire. Utilizarea tehnologiei informatice în predarea modelării tridimensionale ne permite să considerăm computerul ca pe un instrument de predare.

Modelarea tridimensională pe computer este, în primul rând, vizualizarea proiectelor. Acesta este lucrul cu materialele, camerele și iluminatul necesar pentru realizarea unui proiect tridimensional realist. Studiind modelarea tridimensională pe computer, studenții în design dobândesc atât cunoștințe generale, abilități și abilități, cât și cele aplicate, și anume, capacitatea de a folosi modelarea tridimensională pentru a transmite idei de design.

În modelarea tridimensională, tehnologiile computerizate sunt utilizate în mod convenabil pentru a demonstra diferite construcții și operațiuni de modelare în spațiu. În acest caz, profesorul va avea ocazia să afișeze pe ecranul de afișare acele modele, obiecte și imagini grafice de care are nevoie pentru a conduce cursurile.

Utilizarea practică a modelării 3D pe computer în procesul educațional al designerilor dictează necesitatea creării unui model actualizat al mediului educațional care să aibă un efect pozitiv asupra dezvoltării activității lor artistice și creative, care este componenta principală a competențelor profesionale ale viitorul designer.

Tot materialul ilustrativ al cursului de modelare tridimensională poate fi prezentat, în timpul procesului de învățare, pe ecranul de afișare. Mai mult, această ilustrație trebuie creată dinamic, folosind toate capacitățile vizuale ale computerului. Spre deosebire de alte mijloace tehnice tradiționale, tehnologia computerizată va permite profesorului să gestioneze procesul demonstrativ. De exemplu, la construirea unui obiect tridimensional, toate acțiunile vor fi descrise secvenţial pe ecranul computerului și o astfel de „imagine live” se va compara favorabil cu o ilustrare statică, deoarece profesorul va putea controla acest proces demonstrativ. Astfel, se poate arăta că un proces similar de construcții secvențiale poate fi realizat pentru orice obiect, însoțind tot materialul educațional cu exemple practice clare.

Modelarea computerizată tridimensională este una dintre cele mai complexe domenii ale tehnologiei informatice de astăzi și poate fi utilizată pe scară largă în procesul de dezvoltare a proiectelor de proiectare. Este nevoie de un nivel special de dezvoltare a activității artistice și creative și a gândirii spațiale, deoarece toate obiectele și personajele sunt modelate și plasate în spațiu virtual. Procesul de proiectare este însoțit de o tranziție activă de la o fereastră de proiecție la alta, de la un punct de observare la altul. Pentru a descrie spațiul tridimensional al scenei și obiectele aflate în interiorul acesteia, se folosește metoda coordonatelor. Utilizarea acestei tehnologii ca mijloc de formare a viitorilor designeri permite nu numai creșterea gradului de vizibilitate, ci și stabilirea unui ritm individual pentru ca elevii să stăpânească materialul educațional. Datorită lucrului cu grafica tridimensională, profesorul are posibilitatea, într-o perioadă scurtă de timp și cu un efort minim, să arate un bloc de informații sub formă de suporturi vizuale tridimensionale pe o anumită temă, ceea ce presupune o mai bună digestibilitate. din materialul studiat și economisește o parte semnificativă din timpul de predare care ar putea fi alocat realizării părții practice a materialului studiat.

Capacitățile noilor mijloace tehnice cresc potențialul creativ și cererile creative, contribuie la dezvoltarea activității artistice și creative și extind simțul posibilului. Doar percepția creativă și nevoile umane generează și susțin capacitățile tehnologice. Aceasta înseamnă că un sistem de sarcini practice în modelarea computerizată 3D ar trebui să încurajeze studenții nu numai să stăpânească un set de instrumente bogat, ci și să genereze sarcini artistice care necesită explorarea creativă a acestui set de instrumente.

1. Modelarea obiectelor.

2. Modelarea mediului.

3. Modelare arhitecturală.

4. Modelarea caracterelor.

Sistemul de sarcini din lotul experimental a fost împărțit în trei tipuri în funcție de nivelul de complexitate: de bază, avansat, înalt.

Primul tip de sarcini este de bază. Acest tip de sarcină se concentrează pe învățarea instrumentelor și operațiunilor de bază ale programelor de calculator. Sarcinile de primul tip sunt prevăzute pentru toate cele patru blocuri, dar diferă în ceea ce privește nivelul de complexitate și metodele de finalizare. Ele îi conduc pe elevi la rezolvarea unor probleme mai complexe, întrucât toate acțiunile pe care un elev le realizează atunci când îndeplinește acest tip de sarcină contribuie la dezvoltarea abilităților precum memoria figurativă, imaginația etc.

Sarcinile cu un nivel crescut de complexitate, aparținând celui de-al doilea tip, implică selecția independentă de instrumente și un algoritm pentru realizarea modelării unui obiect sau a unei scene tridimensionale. La îndeplinirea sarcinilor de acest tip, elevul își dezvoltă capacitatea de a aplica în mod independent cunoștințele dobândite în practică, în același timp, aceste sarcini stimulează dezvoltarea intuiției și flexibilitatea gândirii și cresc independența.

Al treilea tip de sarcini sunt sarcini cu un nivel ridicat de complexitate. În procesul de finalizare a acestora, a fost necesar să se ia în considerare mai multe opțiuni pentru finalizarea sarcinii și să se ofere o gamă vizuală destul de largă. Sarcinile de al treilea tip au presupus dezvoltarea unor abilități precum originalitatea, flexibilitatea gândirii, imaginația spațială etc. Sarcinile au presupus variabilitate și independență în căutarea metodelor de modelare.

Introducerea tehnologiilor informatice în procesul de învățare este astăzi una dintre cele mai importante rezerve pentru creșterea eficienței procesului de învățământ și autoeducarea elevilor. Față de complexele educaționale și metodologice tradiționale, complexele educaționale bazate pe computer prezintă o serie de avantaje, precum: organizarea multimedia și hipertext a sesiunilor de pregătire; redundanța și variabilitatea conținutului materialului teoretic; utilizarea obiectelor multimedia care permit utilizarea diferitelor tipuri de percepție a informațiilor; grad ridicat de interactivitate. În procesul de învățare, unde tehnologiile informatice sunt mijloacele, este posibilă creșterea motivației profesionale și cognitive a elevilor prin utilizarea tehnologiilor multimedia, precum: fragmente de animație, sunet și muzică, grafică computerizată variată, hipertext; precum și sarcini practice multivariate de diferite niveluri de dificultate.