R. P. Romanski
Technická univerzita, Sofia, Bulharsko
Úvod
Na rozvoj výpočtovej techniky a zlepšenie architektonickej organizácie počítačových systémov (CS) je potrebné neustále vzdelávanie a sebazdokonaľovanie počítačových špecialistov a študentov. Pri realizácii tohto školenia je potrebné kombinovať formy tradičného školenia s možnosťami samoštúdia, dištančného vzdelávania, praktického vypracovania projektov a realizácie výskumných experimentov. Významnú úlohu vo vzdelávaní v oblasti informatiky zohráva využívanie moderných metód na štúdium architektonickej organizácie a analýzu systémového výkonu počítačových systémov. V tomto zmysle nám použitie metód modelovania v procese štúdia základných štruktúr rôznych CS a organizácie počítačových procesov umožňuje vyvinúť vhodný matematický popis skúmaného objektu a vytvoriť softvér na vykonávanie počítačových experimentov [Romanski, 2001 , Arons, 2000]. Analýza výsledkov experimentálneho modelovania [Bruyul, 2002] nám umožňuje vyhodnotiť hlavné charakteristiky systému a výkonnosť študovaného CS.
Použitie modelovania v procese štúdia CS umožňuje študovať vlastnosti architektúry a organizácie výpočtu a riadenia. Dá sa to uskutočniť na základe modelového experimentu, ktorého organizácia zahŕňa navrhnutie počítačového modelu ako postupnosti troch komponentov (konceptuálny model, matematický model, softvérový model) a implementáciu tohto modelu vo vhodnom operačnom prostredí. Tento článok skúma možnosť využitia rôznych metód na štúdium CS v procese ich štúdia a najmä aplikáciu princípov modelovania na štúdium prebiehajúcich procesov, ako aj analýzu výkonnosti systému CS. Hlavným cieľom je definovať všeobecný postup počítačového modelovania ako postupnosť vzájomne súvisiacich etáp a prezentovať hlavné etapy metodológie výskumu modelovania. Na tento účel ďalšia časť predstavuje všeobecnú formalizáciu počítačového spracovania informácií a vlastnosti počítačovej výpočtovej techniky ako predmetu štúdia. Aplikácia princípov modelovania v procese štúdia CS je spojená s metodickou organizáciou tréningu v tradičnom, dištančnom alebo distribuovanom zmysle.
Počítačové systémy ako objekt štúdia a metódy výskumu
Jedným z hlavných cieľov špecializovaných vzdelávacích kurzov v oblasti počítačových systémov a výskumu výkonnosti je vyškoliť budúcich a súčasných konštruktérov počítačov, vývojárov počítačového hardvéru a používateľov počítačov v správnom používaní technologických možností na modelovanie a meranie výkonnosti systémov. Tieto schopnosti sa využívajú tak v procese hodnotenia efektívnosti nových počítačových projektov, ako aj pri vykonávaní porovnávacej analýzy existujúcich systémov. Počas tréningového procesu je úlohou objasniť postupnosť výskumných etáp a možnosti spracovania experimentálnych výsledkov na získanie adekvátnych odhadov výkonnostných indexov. Táto úloha môže byť objasnená v závislosti od konkrétnej oblasti počítačového školenia a vlastností uvažovaných princípov spracovania počítačových informácií.
Ryža. 1. Informačná podpora pre počítačové spracovanie.
Počítačové spracovanie sa vo všeobecnosti týka implementácie určitých funkcií na transformáciu vstupných údajov do konečných riešení. To definuje dve úrovne funkčnej transformácie informácie (obr. 1):
matematická transformácia informácie je samotné spracovanie údajov vo forme matematických objektov a je reprezentovaná zovšeobecnenou funkciou f:D®R, ktorá zobrazuje prvky množiny údajov D v prvkoch množiny výsledkov R;
počítačová implementácia spracovania - predstavuje špecifickú implementáciu f*:X®Y matematickej funkcie f v závislosti od počítačového a softvérového vybavenia na základe vhodnej fyzickej reprezentácie reálnych informačných objektov.
Výsledkom je, že môžeme napísať zovšeobecnený funkčný model počítačového spracovania r = f(d)ºj 2 (f*[ 1(d)]), kde funkcie j 1 a j 2 sú pomocné na kódovanie a dekódovanie informácií.
Pri posudzovaní CS ako predmetu štúdia musíme mať na pamäti, že počítačové spracovanie pozostáva z procesov, z ktorých každý môže byť reprezentovaný vo forme štruktúry I =
Ryža. 2. Približný profil počítačového procesu.
Podpora rôznych procesov pri organizácii počítačového spracovania tvorí systémové zaťaženie počítačového prostredia. Pre každý moment (t =1,2,...) môže byť reprezentovaný vektorom V(t)=Vt=
Pri štúdiu CS je potrebné určiť súbor základných systémových parametrov, ktoré odrážajú podstatu počítačového spracovania, ako aj vypracovať metodiku na štúdium správania sa systémového zdroja a prebiehajúcich procesov. Ako hlavné parametre systému (indexy výkonu) môžete študovať napríklad pracovné zaťaženie každého prvku systémového zdroja, celkové zaťaženie počítačového systému, čas odozvy pri riešení súboru problémov v režime viacerých programov, stupeň stability (odolnosti) zariadení, nákladov na počítačové spracovanie, efektívnosti plánovania paralelných alebo pseudoparalelných procesov a pod.
Typický kurz v oblasti analýzy a výskumu výkonnosti CS by mal diskutovať o hlavných teoretických a praktických problémoch v nasledujúcich oblastiach:
možnosti študovať výkonnosť počítačového vybavenia a efektívnosť počítačových procesov;
aplikácia efektívnych výskumných metód (meranie, modelovanie);
technologické vlastnosti parametrov meracieho systému (benchmark, monitoring);
technologické vlastnosti a organizácia modelovania (analytické, simulačné atď.);
metódy na analýzu experimentálnych výsledkov.
To všetko je spojené s využitím tejto výskumnej metódy a výberom vhodných nástrojov. V tomto zmysle je na obr. Obrázok 3 predstavuje približnú klasifikáciu metód na štúdium CS a procesov. Možno identifikovať tri hlavné skupiny:
Softvérové zmesi - predstavujú matematické závislosti pre posúdenie výkonu procesora na základe koeficientov aplikácie jednotlivých prevádzkových tried. Umožňuje odhadnúť zaťaženie procesora štatistickou analýzou po spustení typických programov.
Metódy počítania - umožňujú získať spoľahlivé informácie o priebehu počítačových procesov na základe priamej registrácie určitých hodnôt dostupných parametrov CS. Na to je potrebné použiť alebo vyvinúť vhodný počítací nástroj (monitor) a zorganizovať vykonanie počítacieho experimentu. Je potrebné poznamenať, že moderné operačné systémy majú svoje vlastné systémové monitory, ktoré možno použiť na úrovni softvéru alebo firmvéru.
Metódy modelovania sa používajú vtedy, keď neexistuje žiadny skutočný experimentálny objekt. Štúdium štruktúry alebo prebiehajúcich procesov v CS sa uskutočňuje na základe počítačového modelu. Odráža najdôležitejšie aspekty správania sa konštrukčných a systémových parametrov v závislosti od cieľa. Pre vývoj modelu je potrebné zvoliť najvhodnejšiu metódu modelovania, ktorá vám umožní získať maximálnu primeranosť a spoľahlivosť.
Ryža. 3. Klasifikácia metód pre štúdium CS a procesov.
Tradičný vzdelávací proces zahŕňa základný kurz prednášok kombinovaný so súborom cvičení v triede a/alebo laboratórnych workshopov. V oblasti informatiky, pri štúdiu organizácie počítačových systémov a princípov riadenia počítačových procesov (na nízkej a vysokej úrovni), ako aj pri analýze výkonu systému, je často potrebné vyvíjať počítačové modely pri vykonávaní laboratórnych prác. úlohy v triede alebo pri samostatnej realizácii projektov. Pre úspešné ukončenie týchto praktických prác a získanie potrebných praktických zručností je potrebné určiť postupnosť etáp a prezentovať technologické vlastnosti vyvíjaných modelov. To umožní študentom získať potrebné vedomosti o vývoji adekvátnych a spoľahlivých počítačových modelov na výskum, hodnotenie a porovnávaciu analýzu výkonnosti systémov rôznych počítačových architektúr. V dôsledku toho sa ďalej navrhuje zovšeobecnený postup vykonávania modelovania, ako aj metodická schéma pre modelový výskum CS a procesov.
Postup počítačového modelovania pri štúdiu CS a procesov
Využitie simulácie pre vzdelávanie v oblasti informatiky
R. P. Romanski
Technická univerzita, Sofia, Bulharsko
Úvod
Na rozvoj výpočtovej techniky a zlepšenie architektonickej organizácie počítačových systémov (CS) je potrebné neustále vzdelávanie a sebazdokonaľovanie počítačových špecialistov a študentov. Pri realizácii tohto školenia je potrebné kombinovať formy tradičného školenia s možnosťami samoštúdia, dištančného vzdelávania, praktického vypracovania projektov a realizácie výskumných experimentov. Významnú úlohu vo vzdelávaní v oblasti informatiky zohráva využívanie moderných metód na štúdium architektonickej organizácie a analýzu systémového výkonu počítačových systémov. V tomto zmysle nám použitie metód modelovania v procese štúdia základných štruktúr rôznych CS a organizácie počítačových procesov umožňuje vyvinúť vhodný matematický popis skúmaného objektu a vytvoriť softvér na vykonávanie počítačových experimentov [Romanski, 2001 , Arons, 2000]. Analýza výsledkov experimentálneho modelovania [Bruyul, 2002] nám umožňuje vyhodnotiť hlavné charakteristiky systému a výkonnosť študovaného CS.
Použitie modelovania v procese štúdia CS umožňuje študovať vlastnosti architektúry a organizácie výpočtu a riadenia. Dá sa to uskutočniť na základe modelového experimentu, ktorého organizácia zahŕňa navrhnutie počítačového modelu ako postupnosti troch komponentov (konceptuálny model, matematický model, softvérový model) a implementáciu tohto modelu vo vhodnom operačnom prostredí. Tento článok skúma možnosť využitia rôznych metód na štúdium CS v procese ich štúdia a najmä aplikáciu princípov modelovania na štúdium prebiehajúcich procesov, ako aj analýzu výkonnosti systému CS. Hlavným cieľom je definovať všeobecný postup počítačového modelovania ako postupnosť vzájomne súvisiacich etáp a prezentovať hlavné etapy metodológie výskumu modelovania. Na tento účel ďalšia časť predstavuje všeobecnú formalizáciu počítačového spracovania informácií a vlastnosti počítačovej výpočtovej techniky ako predmetu štúdia. Aplikácia princípov modelovania v procese štúdia CS je spojená s metodickou organizáciou tréningu v tradičnom, dištančnom alebo distribuovanom zmysle.
Počítačové systémy ako objekt štúdia a metódy výskumu
Jedným z hlavných cieľov špecializovaných vzdelávacích kurzov v oblasti počítačových systémov a výskumu výkonnosti je vyškoliť budúcich a súčasných konštruktérov počítačov, vývojárov počítačového hardvéru a používateľov počítačov v správnom používaní technologických možností na modelovanie a meranie výkonnosti systémov. Tieto schopnosti sa využívajú tak v procese hodnotenia efektívnosti nových počítačových projektov, ako aj pri vykonávaní porovnávacej analýzy existujúcich systémov. Počas tréningového procesu je úlohou objasniť postupnosť výskumných etáp a možnosti spracovania experimentálnych výsledkov na získanie adekvátnych odhadov výkonnostných indexov. Táto úloha môže byť objasnená v závislosti od konkrétnej oblasti počítačového školenia a vlastností uvažovaných princípov spracovania počítačových informácií.
Ryža. 1. Informačná podpora pre počítačové spracovanie.
Počítačové spracovanie sa vo všeobecnosti týka implementácie určitých funkcií na transformáciu vstupných údajov do konečných riešení. To definuje dve úrovne funkčnej transformácie informácie (obr. 1):
matematická transformácia informácie je samotné spracovanie údajov vo forme matematických objektov a je reprezentovaná zovšeobecnenou funkciou f:D®R, ktorá zobrazuje prvky množiny údajov D v prvkoch množiny výsledkov R;
počítačová implementácia spracovania - predstavuje špecifickú implementáciu f*:X®Y matematickej funkcie f v závislosti od počítačového a softvérového vybavenia na základe vhodnej fyzickej reprezentácie reálnych informačných objektov.
Výsledkom je, že môžeme napísať zovšeobecnený funkčný model počítačového spracovania r = f(d)ºj 2 (f*[ 1(d)]), kde funkcie j 1 a j 2 sú pomocné na kódovanie a dekódovanie informácií.
Pri posudzovaní CS ako predmetu štúdia je potrebné mať na pamäti, že počítačové spracovanie pozostáva z procesov, z ktorých každý môže byť reprezentovaný vo forme štruktúry I = , kde: t je počiatočný moment výskytu procesu ; A - definovanie atribútov; T - procesná stopa. Posledná zložka formálneho popisu definuje časový sled udalostí e j pre daný proces na prístup k prvkom systémového zdroja S = (S 1, S 2, ..., S n). Postupnosť časových etáp a zaťaženie systémového zdroja umožňujú určiť profil výpočtového procesu (obr. 2).
Ryža. 2. Približný profil počítačového procesu.
Podpora rôznych procesov pri organizácii počítačového spracovania tvorí systémové zaťaženie počítačového prostredia. Pre každý moment (t =1,2,...) môže byť reprezentovaný vektorom V(t)=Vt= , ktorého prvky vyjadrujú voľné (v j =0) alebo obsadené (v j =1) zariadenie S. j єS (j=1,2,...,n).
Pri štúdiu CS je potrebné určiť súbor základných systémových parametrov, ktoré odrážajú podstatu počítačového spracovania, ako aj vypracovať metodiku na štúdium správania sa systémového zdroja a prebiehajúcich procesov. Ako hlavné parametre systému (indexy výkonu) môžete študovať napríklad pracovné zaťaženie každého prvku systémového zdroja, celkové zaťaženie počítačového systému, čas odozvy pri riešení súboru problémov v režime viacerých programov, stupeň stability (odolnosti) zariadení, nákladov na počítačové spracovanie, efektívnosti plánovania paralelných alebo pseudoparalelných procesov a pod.
Typický kurz v oblasti analýzy a výskumu výkonnosti CS by mal diskutovať o hlavných teoretických a praktických problémoch v nasledujúcich oblastiach:
možnosti študovať výkonnosť počítačového vybavenia a efektívnosť počítačových procesov;
aplikácia efektívnych výskumných metód (meranie, modelovanie);
technologické vlastnosti parametrov meracieho systému (benchmark, monitoring);
technologické vlastnosti a organizácia modelovania (analytické, simulačné atď.);
metódy na analýzu experimentálnych výsledkov.
To všetko je spojené s využitím tejto výskumnej metódy a výberom vhodných nástrojov. V tomto zmysle je na obr. Obrázok 3 predstavuje približnú klasifikáciu metód na štúdium CS a procesov. Možno identifikovať tri hlavné skupiny:
Softvérové zmesi - predstavujú matematické závislosti pre posúdenie výkonu procesora na základe koeficientov aplikácie jednotlivých prevádzkových tried. Umožňuje odhadnúť zaťaženie procesora štatistickou analýzou po spustení typických programov.
Metódy počítania - umožňujú získať spoľahlivé informácie o priebehu počítačových procesov na základe priamej registrácie určitých hodnôt dostupných parametrov CS. Na to je potrebné použiť alebo vyvinúť vhodný počítací nástroj (monitor) a zorganizovať vykonanie počítacieho experimentu. Je potrebné poznamenať, že moderné operačné systémy majú svoje vlastné systémové monitory, ktoré možno použiť na úrovni softvéru alebo firmvéru.
Metódy modelovania sa používajú vtedy, keď neexistuje žiadny skutočný experimentálny objekt. Štúdium štruktúry alebo prebiehajúcich procesov v CS sa uskutočňuje na základe počítačového modelu. Odráža najdôležitejšie aspekty správania sa konštrukčných a systémových parametrov v závislosti od cieľa. Pre vývoj modelu je potrebné zvoliť najvhodnejšiu metódu modelovania, ktorá vám umožní získať maximálnu primeranosť a spoľahlivosť.
Ryža. 3. Klasifikácia metód pre štúdium CS a procesov.
Tradičný vzdelávací proces zahŕňa základný kurz prednášok kombinovaný so súborom cvičení v triede a/alebo laboratórnych workshopov. V oblasti informatiky, pri štúdiu organizácie počítačových systémov a princípov riadenia počítačových procesov (na nízkej a vysokej úrovni), ako aj pri analýze výkonu systému, je často potrebné vyvíjať počítačové modely pri vykonávaní laboratórnych prác. úlohy v triede alebo pri samostatnej realizácii projektov. Pre úspešné ukončenie týchto praktických prác a získanie potrebných praktických zručností je potrebné určiť postupnosť etáp a prezentovať technologické vlastnosti vyvíjaných modelov. To umožní študentom získať potrebné vedomosti o vývoji adekvátnych a spoľahlivých počítačových modelov na výskum, hodnotenie a porovnávaciu analýzu výkonnosti systémov rôznych počítačových architektúr. V dôsledku toho sa ďalej navrhuje zovšeobecnený postup vykonávania modelovania, ako aj metodická schéma pre modelový výskum CS a procesov.
Postup počítačového modelovania pri štúdiu CS a procesov
Hlavnou úlohou počítačového modelovania pri štúdiu CS a procesov je získavanie informácií o výkonnostných indexoch. Plánovanie modelového experimentu počas procesu učenia sa vykonáva na základe nasledujúcich etáp:
zber empirických údajov pre konkrétne hodnoty základných parametrov systému;
štruktúrovanie a spracovanie empirických informácií a vývoj funkčného diagramu modelu;
určenie apriórnych informácií a definičných oblastí prevádzkových parametrov pre vypracovanie vhodného matematického modelu pôvodného objektu;
implementácia modelových experimentov, akumulácia modelových informácií a ich následná analýza.
Zovšeobecnený formalizovaný modelový výskumný postup na organizáciu modelového experimentu je znázornený na obr. 4.
Ryža. 4. Modelový výskumný postup.
Počiatočný cieľ je určený potrebou študovať skutočný objekt (systém alebo proces). Hlavné kroky postupu sú nasledovné:
Definovanie základného konceptu budovania modelu rozkladom objektu na subsystémy a zavedením prijateľnej miery idealizácie pre určité aspekty správania sa systémových procesov.
Matematická formalizácia štruktúry a vzťahov v skúmanom objekte na základe vhodného formálneho systému.
Matematický popis fungovania reálneho systému a vývoj vhodného funkčného modelu v závislosti od účelu simulácie.
Implementácia matematického modelu pomocou najvhodnejšej modelovacej metódy.
Popis vytvoreného matematického modelu pomocou vhodného softvérového prostredia (špecializovaného alebo univerzálneho).
Vykonanie experimentov na základe vytvoreného modelu a následné spracovanie a interpretácia modelových informácií na posúdenie parametrov výskumného objektu.
Hlavné metódy počítačového modelovania sú nasledovné:
Analytické metódy – využívajú matematické nástroje na popis komponentov reálneho systému a prebiehajúcich procesov. Na základe zvoleného matematického prístupu sa zvyčajne zostavuje matematický model ako systém rovníc, ktorý umožňuje jednoduché programovanie, no implementácia si vyžaduje vysokú presnosť formulácií a prijatých pracovných hypotéz, ako aj významné overenie.
Simulačné (imitačné) metódy - správanie sa reálneho objektu napodobňuje softvérový simulátor, ktorý pri svojej prevádzke využíva reálnu záťaž (emuláciu) alebo softvérový model záťaže (simuláciu). Takéto modely umožňujú štúdium zložitých systémov a získavanie spoľahlivých výsledkov, ale sú vykonávané v čase a to určuje hlavnú výhodu metódy - značnú spotrebu počítačového času.
Empirické metódy sú kvantitatívne techniky na zaznamenávanie, zhromažďovanie a analyzovanie informácií o fungovaní reálneho objektu, na základe ktorých je možné zostaviť štatistický model pre jeho štúdium. Na vyjadrenie vzťahu vybraných parametrov (napríklad zo súboru primárnych faktorov) a na výpočet štatistických charakteristík sa zvyčajne používajú lineárne alebo nelineárne rovnice.
Hlavnou úlohou počítačového modelovania je vytvorenie adekvátneho modelu, pomocou ktorého možno pomerne presne znázorniť štruktúru skúmaného systému a prebiehajúce procesy. Vývoj počítačového modelu zahŕňa tri po sebe nasledujúce úrovne – konceptuálny model (ideologický koncept pre štruktúrovanie modelu), matematický model (obraz konceptuálneho modelu pomocou matematického formálneho systému) a softvérový model (softvérová implementácia matematický model s vhodným jazykovým prostredím). Na každej úrovni počítačového modelovania je potrebné skontrolovať primeranosť modelu, aby sa zabezpečila spoľahlivosť výsledného modelu a presnosť výsledkov modelových experimentov. Špecifiká jednotlivých etáp postupu modelovania určujú použité prístupy a prostriedky hodnotenia primeranosti. Tieto vlastnosti našli miesto vo vyvinutej metodológii počítačového modelovania, ktorá je uvedená nižšie.
Metodológia modelového výskumu
V procese počítačového modelovania, bez ohľadu na použitú metódu, je možné určiť zovšeobecnenú matodologickú schému pre modelovú štúdiu (obr. 5). Navrhovaná formalizovaná metodologická postupnosť zahŕňa niekoľko hlavných fáz, ktoré sú uvedené nižšie. V podstate predstavuje iteratívny postup na získanie potrebnej spoľahlivosti vyvinutého počítačového modelu na základe formulácie hypotézy počiatočného modelu a jej postupnej modifikácie. Tento prístup je úspešný pri štúdiu zložitých systémov, ako aj pri absencii dostatočných a priori informácií pre skúmaný objekt.
Fáza formulácie
V prvej fáze vývoja modelu je potrebné presne a jasne definovať objekt modelovania, podmienky a hypotézy štúdie, ako aj kritériá hodnotenia efektívnosti modelu. To nám umožní vyvinúť konceptuálny model a definovať ho v abstraktných termínoch a konceptoch. Abstraktný popis zvyčajne definuje počiatočné princípy konštrukcie modelu (základné aproximácie, definičné oblasti premenných, výkonnostné kritériá a typy očakávaných výsledkov). V tejto fáze je možné definovať tieto čiastkové fázy:
Definícia a analýza úlohy. Zahŕňa jasne definovaný charakter výskumného problému a plánovanie potrebných aktivít. Na základe rozboru problému sa určí rozsah očakávaných akcií a potreba dekompozície úlohy.
Objasnenie typu prvotných informácií. Tieto informácie nám umožňujú získať správne výsledky modelovania výstupov a preto je potrebné zabezpečiť potrebnú úroveň spoľahlivosti odhadov.
Zavedenie predpokladov a hypotéz. Je to potrebné, keď nie je dostatok informácií na implementáciu modelu. Predpoklady nahrádzajú chýbajúce alebo úplné údaje. Hypotézy sa týkajú typu možných výsledkov alebo prostredia na implementáciu skúmaných procesov. Počas procesu modelovania je možné tieto hypotézy a predpoklady prijať, zamietnuť alebo upraviť.
Určenie hlavného obsahu modelu. Na základe použitej metódy modelovania sa uvádzajú vlastnosti reálneho objektu, úlohy a prostriedky na jej riešenie. Výsledkom tejto podetapy je formulácia základnej koncepcie modelu, formalizovaný popis reálnych procesov a výber vhodnej aproximácie.
Stanovenie parametrov modelu a výber výkonnostných kritérií. V tejto podetape sa zisťujú primárne a sekundárne faktory, vstupné vplyvy a očakávané výstupné reakcie modelu, čo je dôležité najmä pre dosiahnutie požadovanej presnosti matematického popisu. Objasnenie kritérií efektívnosti je spojené s definovaním funkčných závislostí pre hodnotenie odozvy systému pri zmene parametrov modelu.
Abstraktný popis modelu. Všeobecná formulačná fáza konceptuálneho modelu sa končí abstrakciou modelu vo vhodnom médiu abstraktných pojmov - napríklad ako blokový diagram, ako diagram toku dát, ako grafický diagram (State Transition Network) atď. Táto abstraktná reprezentácia umožňuje jednoducho zostaviť matematický model.
Ryža. 5. Metodologická schéma modelovej štúdie.
Fáza "dizajn"
Návrh počítačového modelu je spojený s vývojom matematického modelu a jeho softvérovým popisom.
Matematický model je znázornenie štruktúry skúmaného objektu a prebiehajúcich procesov vo vhodnej matematickej forme Y=Ф(X, S, A, T), kde: X je súbor vonkajších vplyvov; S - súbor parametrov systému; A - odráža funkčné správanie (fungujúce algoritmy); T - prevádzkový čas. Správanie (reakcia) objektu Y teda modeluje súbor funkčných vplyvov Ф, reprezentujúcich analytické závislosti (deterministické alebo pravdepodobnostné). V tomto zmysle je matematický model popisom abstraktného modelu pomocou vybraného matematického systému, vyhodnocovaním prijatých hypotéz a aproximácií, počiatočných podmienok a definovaných parametrov výskumu. Pri vývoji matematického modelu je možné aplikovať známe matematické vzorce, závislosti alebo matematické zákony (napríklad rozdelenia pravdepodobnosti), ako aj kombinovať a dopĺňať. Najbežnejšie teoretické matematické systémy pre účely modelovania poskytujú možnosť prezentovať matematický model v grafickej podobe - Petriho siete, Markovove reťazce, systémy radenia atď. Na základe kritérií stanovených v predchádzajúcej fáze je potrebné vytvorený matematický model vyhodnotiť v aby ste dosiahli požadovaný stupeň spoľahlivosti a primeranosti a potom ho môžete schváliť alebo vyradiť.
Softvérový model je implementácia matematického popisu v programovom jazyku - na tento účel sa vyberajú vhodné technické a technologické prostriedky. V procese implementácie softvéru sa na základe matematického modelu vypracuje logický štruktúrny a funkčný diagram modelu. Na zostavenie tohto diagramu môžete použiť tradičné blokové diagramy alebo grafické nástroje, ktoré sú prezentované v špecializovanom modelovacom prostredí – napríklad v GPSS (General Purpose Simulation System). Softvérová implementácia modelu je úlohou vývoja softvéru a v tomto zmysle podlieha princípom programovacej technológie.
Fáza "objasnenie"
Akcie v tejto fáze sú určené na úplné overenie navrhnutého modelu a stanovenie jeho primeranosti. Pre ich účinnosť je nevyhnutné posúdenie súčasnej primeranosti v predchádzajúcich fázach. V tomto zmysle by sa mal proces zdokonaľovania modelu považovať za súbor distribuovaných akcií vo všetkých predchádzajúcich fázach počítačového modelovania. Vo všeobecnosti možno fázu spresnenia reprezentovať ako iteračný postup (obr. 6), ktorý umožňuje konzistentnú modifikáciu počiatočnej verzie vyvíjaného modelu.
Ryža. 6. Iteračný postup na spresnenie modelu.
Hlavným účelom kontroly spoľahlivosti modelu je určiť úroveň presnosti zhody pri reprezentácii procesov reálneho objektu a mechanizmu na zaznamenávanie výsledkov modelu. Vo všeobecnosti počítačový model predstavuje súbor jednotlivých komponentov av tomto zmysle je obzvlášť dôležité správne naplánovať kontroly primeranosti.
Fáza vykonávania
Ide o fázu implementácie vytvoreného modelu (riešenie pomocou numerickej metódy alebo realizácia v čase). Najdôležitejším cieľom je získať maximum informácií za minimálny čas počítača. Existujú dva čiastkové kroky:
Plánovanie modelového experimentu - určenie hodnoty kontrolovaných faktorov a pravidiel registrácie pozorovaných faktorov pri realizácii modelu. Výber konkrétneho experimentálneho dizajnu závisí od stanoveného cieľa štúdie pri optimalizácii času realizácie. Na získanie efektívneho návrhu sa zvyčajne používajú štatistické metódy (úplný návrh, jednofaktorový návrh, randomizovaný návrh atď.) na odstránenie spoločného vplyvu pozorovaných faktorov a odhad prijateľnej experimentálnej chyby.
Realizácia experimentu - príprava vstupných údajov, počítačová realizácia plánu experimentu a uloženie výsledkov experimentu. Experiment je možné realizovať nasledovne: kontrolné modelovanie (na kontrolu výkonu a citlivosti modelu a odhad času modelovania); pracovné modelovanie (skutočná realizácia vypracovaného experimentálneho plánu).
Etapa "Analýza a interpretácia výsledkov modelu"
Pri implementácii modelového plánu experimentu sa zhromažďujú informácie (výsledky modelovania), ktoré sa musia analyzovať, aby sa získalo hodnotenie a závery o správaní sa skúmaného objektu. To určuje dva aspekty – výber metód na analýzu experimentálnych informácií a aplikáciu vhodných metód na interpretáciu získaných odhadov. To posledné je dôležité najmä pre tvorbu správnych záverov výskumu. V zmysle prvého aspektu sa zvyčajne používajú štatistické metódy - deskriptívne analýzy (výpočet hraničných hodnôt parametrov, matematického očakávania, rozptylu a strednej štvorcovej chyby; určenie stratifikácie pre vybraný faktor; výpočet histogramu atď.). ); korelačná analýza (určenie úrovne vzťahu faktorov); regresná analýza (štúdium kauzálneho vzťahu v skupine faktorov); analýza rozptylu (na stanovenie relatívneho vplyvu určitých faktorov na základe experimentálnych výsledkov).
Výsledky analýzy modelových dát je možné prezentovať v numerickej alebo tabuľkovej forme pomocou grafických závislostí, diagramov, histogramov a pod. Pre výber vhodných grafických nástrojov je nevyhnutná použitá metóda analýzy, ako aj subjektívne schopnosti experimentátora pre formátovanie výsledkov experimentu.
Záver
Hlavným cieľom organizovania každého modelového experimentu je implementácia efektívneho modelovania. Je to spojené s počítačovým časom – značné množstvo spracovania v modeli zvyšuje náklady na modelovanie a znižuje efektivitu. Rýchla validácia modelu a dosiahnutie konvergencie sú nevyhnutné pre efektívnosť štúdie. Pre každý reálny systém je často potrebné vytvoriť veľa rôznych modelov, ktoré sa líšia spôsobom rozkladu a úrovňou detailov, spôsobom modelovania, nástrojmi na implementáciu softvéru atď. V procese výberu optimálnej možnosti je nedostatočné iba posúdenie presnosti a primeranosti. Spomedzi rôznych konvergentných modelov si musíte vybrať najefektívnejšiu možnosť, ktorá strávi najmenej času implementáciou.
Pre dosiahnutie dostatočnej efektivity modelu je nevyhnutný aj použitý jazyk implementácie softvéru, úplnosť formálneho systému abstraktnej reprezentácie konceptuálneho modelu, jednoduchosť popisných pojmov, vypracovanie optimálneho plánu a pod. univerzálnych softvérových systémov sa vyznačuje absenciou špecifických jazykových operátorov, a preto sú vhodné predovšetkým na analytické modelovanie. Na implementáciu simulačných modelov je výhodné použiť špecializované jazykové prostredia.
Bibliografia
[Bruyul 2002] Bruyul A. SPSS: umenie spracovania informácií. Analýza štatistických údajov. Petrohrad: DiaSoft, 2002, - 608 s.
[Romanski, 2001] Romanski R. Matematické modelovanie a štúdium stochastických časových charakteristík procesov spracovania počítačových dát // Informačné technológie. - Moskva, Rusko, 2001, č. 2, - S. 51 - 55.
Arons H., van Asperen E. Počítačová asistencia pri definícii modelu // Zborník z 32. zimnej simulačnej konferencie. - Florida, USA, december 2000. - S. 399-408.
Benveniste A., Fabre E., Haar St. Markovove siete: pravdepodobnostné modely pre distribuované a súbežné systémy // IEEE Transactions on Automatic Control. November 2003, roč. 48, č. 11. - S. 1936-1950.
Butler J.E., Brockman J.B. Webový vzdelávací nástroj, ktorý simuluje jednoduchú počítačovú architektúru // Bulletin ACM SIGCSE. Jún 2001, roč. 33, č. 2. - S. 47-50.
Crosbie R. E. Modelové kurikulum v modelovaní a simulácii: Potrebujeme to? Dokážeme to? // Zborník referátov z 32. zimnej simulačnej konferencie. December 2000. -P. 1666-1668.
Fabre E., Pigourier V. Monitorovanie distribuovaných systémov s distribuovanými algoritmami // Zborník zo 41. konferencie IEEE o rozhodovaní a riadení. - zv. 1. 10.-13. december 2002 - S. 411-416.
Ibbett R.N. WWW Vizualizácia simulácií počítačovej architektúry // Proceedings of the 7th Annual Conf. o inováciách a technológiách vo vzdelávaní informatiky. Jún 2002. - S. 247.
Lilja D.J. Porovnanie vyučovacích metód pre analýzu výkonnosti počítačových systémov // IEEE Trans. o vzdelávaní. Február 2001, roč. 44, č. 1, - str. 35-40.
Music G., Zupancic B., Matko D. Petri sieťové modelovanie a návrh supervízneho riadenia v Matlabe // Zborník z konferencie IEEE EUROCON 2003 "Počítače ako nástroj". - zv. 1. 22.-24. sept. 2003. - Slovinsko. - S. 362-366.
Pandey S., Ramamritham K., Chakrabarti S. Monitorovanie dynamického webu s cieľom reagovať na neustále otázky // Zborník z 12. medzinárodnej konferencie o World Wide Web. - Maďarsko, máj 2003, - S. 659-668.
Pockec P., Mardini W. Modelovanie s frontami: empirická štúdia // Zborník z kanadskej konferencie o elektrotechnike a počítačovom inžinierstve. - zv. 1. 13. - 16. máj 2001. - S. 685-689.
Romansky R. a kol. Organizácia informačnej siete InfoNet pre distribuovaný e-Learning // Zborník príspevkov z 3. medzinárodnej konferencie o počítačových systémoch a technológiách (e-Learning). 20. - 21. jún 2002. Sofia, Bulharsko. - P. IV.4-1 - IV.4-6.
Sargent R.G. Verifikácia a validácia simulačných modelov // Zborník zo Zimnej simulačnej konferencie 2003. - zv. 1. 7.-10. decembra 2003. - S. 27.-48.
Stahl, I. GPSS: 40 years of development // Proceedings of the 33th Winter Simulation Conference. December 2001. - S. 577-585.
Ye D, Xiaofer Xu, Yuliu Chen. Integrovaná metodika modelovania pre virtuálne podniky // Zborník príspevkov z 10. konferencie o počítačoch, komunikáciách, riadení a energetike. - zv. 3. október 2002. - S. 1603-1606.
480 rubľov. | 150 UAH | 7,5 $, MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Dizertačná práca - 480 RUR, dodávka 10 minút 24 hodín denne, sedem dní v týždni a sviatky
240 rubľov. | 75 UAH | 3,75 $, MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Abstrakt - 240 rubľov, doručenie 1-3 hodiny, od 10-19 (moskovský čas), okrem nedele
Rozová Natália Borisovna. Využitie počítačového modelovania vo vyučovacom procese: 13.00.01, 13.00.02 Rozová, Natalia Borisovna Využitie počítačového modelovania vo vyučovacom procese (Na príklade štúdia molekulovej fyziky na strednej škole): Dis. ...sladkosti. ped. Vedy: 13.00.01, 13.00.02 Vologda, 2002 163 s. RSL OD, 61:03-13/523-2
Úvod
Kapitola 1. Modely a simulácia vo vede a vyučovaní 14
1.1 Modely a modelovanie v modernej vede 14
1.2 Aplikácia modelov v procese výučby školákov 26
1.3 Počítačová simulácia vo vyučovaní 33
Kapitola 2. Psychologické a pedagogické základy počítačovej prípravy 50
2.1 Psychologické a pedagogické aspekty počítačovej prípravy 50
2.2 Vlastnosti vzdelávacích aktivít a ich riadenie na základe počítačových školení 58
Kapitola 3. Metodika organizácie a vedenia hodín fyziky v 10. ročníku strednej školy pri štúdiu témy „Molekulárna fyzika“ s využitím počítačového modelovania 74
3.1 Analýza stavu počítačového modelovania v časti „Molekulárna fyzika“ 74
3.2 Charakteristika experimentálneho programu na počítačovú simuláciu dynamiky mnohých časticových systémov a možnosti jeho využitia vo vzdelávacom procese 83
3.3 Metodika organizácie a vedenia hodín fyziky v 10. ročníku pri štúdiu časti „Molekulárna fyzika“ na základe experimentálneho programu 92
4.1 Ciele experimentu a organizácia jeho realizácie 128
4.2 Rozbor výsledkov pedagogického experimentu 140
Záver 147
Úvod do práce
Jednou z najdôležitejších oblastí sociálneho rozvoja je vzdelávanie. Vzdelávanie „pracuje“ pre budúcnosť, určuje osobné vlastnosti každého človeka, jeho vedomosti, schopnosti, zručnosti, kultúru správania, svetonázor, čím vytvára ekonomický, morálny a duchovný potenciál spoločnosti. Informačné technológie sú jedným z hlavných nástrojov vzdelávania, preto je vypracovanie stratégie ich rozvoja a využitia vo vzdelávaní jedným z kľúčových problémov. V dôsledku toho nadobúda využívanie výpočtovej techniky celoštátny význam. Mnohí odborníci sa domnievajú, že v súčasnosti počítač umožní kvalitatívny prielom vo vzdelávacom systéme, keďže učiteľ má v rukách mocný učebný nástroj. Zvyčajne existujú dva hlavné smery informatizácie. Prvým cieľom je zabezpečiť univerzálnu počítačovú gramotnosť, druhým je používať počítač ako prostriedok na zvýšenie efektívnosti učenia.
Vo vzdelávacom systéme sa rozlišujú dva druhy činností: vyučovacie a vzdelávacie. N.F. Talyzin a T.V. Gabay navrhol zvážiť úlohu počítača vo vyučovaní z pohľadu funkcie, ktorú plní.
Ak počítač plní funkciu riadenia vzdelávacích aktivít, možno ho považovať za vyučovací nástroj, ktorý nahrádza učiteľa, keďže počítač modeluje vzdelávacie aktivity, kladie otázky a odpovedá na odpovede a otázky študenta ako učiteľ.
Ak sa počítač používa iba ako prostriedok vzdelávacej činnosti, potom sa jeho interakcia so študentmi uskutočňuje podľa typu „používateľa počítača“. V tomto prípade počítač nie je vyučovacím nástrojom, aj keď môže sprostredkovať nové poznatky. Preto, keď hovoria o počítačových školeniach, majú na mysli používanie počítača ako prostriedku na riadenie vzdelávacích aktivít.
Napriek tomu, že zatiaľ neexistuje jednotná klasifikácia vzdelávacích programov, mnohí autori medzi nimi rozlišujú týchto päť typov: tréning, mentoring, problémové učenie, simulácia a modelovanie a hry. Počítačové modely majú najvyššie hodnotenie medzi vyššie uvedenými. Podľa V.V. Laptev, „počítačový model je softvérové prostredie pre výpočtový experiment, ktoré na základe matematického modelu javu alebo procesu kombinuje prostriedky interaktívnej interakcie s experimentálnym objektom a vývoj prostriedkov na zobrazovanie informácií... Počítačové modely sú hlavným objektom výpočtovej fyziky, ktorej osobitou metódou je výpočtový experiment, rovnako ako osobitá metóda experimentálnej fyziky je experiment v plnom rozsahu.“ Akademik V.G. Razumovsky poznamenáva, že „so zavedením počítačov do vzdelávacieho procesu sa zvyšujú možnosti mnohých metód vedeckého poznania, najmä metódy modelovania, ktorá umožňuje výrazne zvýšiť intenzitu tréningu, pretože pri modelovaní sa zdôrazňuje samotná podstata javov. a ich spoločné črty sa vyjasnia.“
Súčasný stav počítačových školení je charakterizovaný veľkým súborom vzdelávacích programov, ktoré sa výrazne líšia v kvalite. Faktom je, že v počiatočnom štádiu informatizácie škôl si učitelia, ktorí používali počítačové školenia, vytvorili vlastné školiace programy, a keďže neboli profesionálnymi programátormi, programy, ktoré vytvorili, boli neúčinné. Preto spolu s programami, ktoré poskytujú problémové učenie, počítačové modelovanie atď., existuje veľké množstvo primitívnych tréningových programov, ktoré neovplyvňujú efektivitu tréningu. Úlohou učiteľa sa teda nestáva vývoj vzdelávacích programov, ale schopnosť používať hotové kvalitné programy, ktoré spĺňajú moderné metodické a psychologicko-pedagogické požiadavky.
Jedným z hlavných kritérií didaktického významu programov modelovania je schopnosť vykonávať výskum, ktorý bol predtým v školskej triede fyziky nemožný. V obsahu školskej fyzikálnej výchovy je množstvo sekcií, v ktorých prírodný experiment iba kvalitatívne opisuje skúmaný jav alebo proces. Použitie počítačových modelov by umožnilo vykonať kvantitatívnu analýzu týchto objektov.
Jednou z týchto sekcií školskej fyziky je molekulová fyzika, stav počítačového vzdelávania, ktorý budeme analyzovať. Študenti sa jej štúdiom stretávajú s kvalitatívne novou formou pohybu hmoty – tepelným pohybom, v ktorom okrem zákonov mechaniky platia aj zákony štatistiky. Prirodzené experimenty (Brownov pohyb, difúzia, interakcia molekúl, vyparovanie, povrchové a kapilárne javy, zmáčanie) potvrdzujú hypotézu o molekulárnej štruktúre hmoty, ale neumožňujú pozorovať mechanizmus prebiehajúcich fyzikálnych procesov. Mechanické modely: Sternov experiment, Galtonova doska, inštalácia na demonštráciu zákonov plynu umožňujú znázorniť Maxwellov zákon o rozdelení molekúl plynu podľa rýchlosti a experimentálne získať vzťahy medzi tlakom, objemom a teplotou potrebné na odvodenie zákonov plynu.
Použitie modernej elektronickej a elektronickej výpočtovej techniky môže významne doplniť návrh a priebeh experimentu. Bohužiaľ, počet prác na túto tému je veľmi malý.
Práca popisuje využitie počítača na demonštráciu závislosti rýchlosti molekúl rôznych plynov od teploty, výpočet zmien vnútornej energie telesa pri vyparovaní, tavení a kryštalizácii, ako aj využitie počítača v spracovanie laboratórnych prác. Tu je popis lekcie o určovaní účinnosti ideálneho tepelného motora na základe Carnotovho cyklu.
Metodiku nastavenia experimentu pomocou elektronickej a elektronickej výpočtovej techniky opísal V.V. Laptev. Experimentálny dizajn vyzerá takto: merané veličiny - snímače - analógovo-digitálny prevodník - mikrokalkulátor MK-B4 alebo počítač Yamaha. Na základe tohto princípu bola navrhnutá univerzálna elektromechanická inštalácia na štúdium zákonov o plynoch v školskom kurze fyziky.
V knihe A.S. Kondratyeva a V.V. Lapteva „Fyzika a počítač“ boli vyvinuté programy, ktoré vo forme grafov analyzujú vzorec pre Maxwellovu distribúciu molekúl podľa rýchlosti, použitie Boltzmannovho rozdelenia na výpočet výšky vzostupu a štúdium Carnotovho cyklu.
I.V. Grebenev predstavuje program, ktorý simuluje prenos tepla zrážkou častíc dvoch telies.
V článku „Modelovanie laboratórnych prác fyzickej dielne“ V.T. Petrosyan a ďalšie obsahujú program na simuláciu Brownovho pohybu častíc, ktorých počet je určený experimentom.
Najúplnejším a najúspešnejším vývojom sekcie molekulovej fyziky je vzdelávací počítačový kurz „Otvorená fyzika“ Vedeckého centra fyziky LLP. Modely v ňom prezentované pokrývajú celý kurz molekulovej fyziky a termodynamiky. Pre každý experiment je uvedená počítačová animácia, grafy a číselné výsledky. Programy sú kvalitné, užívateľsky prívetivé a umožňujú sledovať dynamiku procesu pri zmene vstupných makroparametrov.
Zároveň je podľa nás tento počítačový kurz najvhodnejší na upevnenie preberanej látky, znázornenie fyzikálnych zákonitostí a samostatnú prácu študentov. Využitie navrhovaných experimentov ako počítačových demonštrácií je však náročné, pretože nemajú metodickú podporu a nie je možné kontrolovať čas prebiehajúceho procesu.
Treba poznamenať, že do dnešného dňa „nebol vyvinutý žiadny ustálený názor na konkrétnu inštrukciu: kde a kedy by sa mal počítač použiť vo vzdelávacom procese, nezískali sa žiadne praktické skúsenosti s hodnotením vplyvu počítača na efektivitu školenia, neexistujú žiadne stanovené regulačné požiadavky na typ, typ a parametre hardvérového vzdelávacieho softvéru.“
Otázky o metodickej podpore pedagogického softvéru vzniesol I.V. Grebenev. „Najdôležitejším kritériom efektívnosti počítačového učenia by sa mala pravdepodobne považovať možnosť študentov získať nové, dôležité poznatky o predmete v dialógu s počítačom na takej úrovni alebo s takou povahou kognitívnej činnosti, ktorá je nemožná so strojom. - bezplatné učenie, samozrejme, za predpokladu, že ich pedagogický efekt stojí za investíciu času učiteľa a študenta.“
To znamená, že na to, aby používanie počítačov prinieslo skutočný úžitok, je potrebné určiť, kde je existujúca metodika nedokonalá a ukázať, ktoré vlastnosti počítača a ako môžu zvýšiť efektivitu učenia.
Analýza stavu počítačového modelovania ukazuje, že:
1) počítačové modelovanie je reprezentované malým počtom programov vo všeobecnosti a najmä tých, ktoré simulujú fyzikálne procesy založené na princípoch molekulárnej kinetickej teórie (MKT);
2) v programoch modelovania založených na MCT neexistujú žiadne kvantitatívne výsledky, ale iba kvalitatívna ilustrácia fyzikálneho procesu;
3) vo všetkých programoch neexistuje spojenie medzi mikroparametrami časticového systému a jeho makroparametrami (tlak, objem a teplota);
4) nie je vyvinutá metodika na vedenie vyučovacích hodín s použitím počítačových modelovacích programov pre množstvo fyzikálnych procesov MCT.
To určuje relevantnosť štúdie.
Predmetom štúdia je vzdelávací proces na strednej škole.
Predmetom štúdia je proces využitia počítačového modelovania vo vyučovaní fyziky na strednej škole.
Účelom štúdia je štúdium pedagogických možností počítačového modelovania a vypracovanie metodickej podpory pre využitie programov počítačového modelovania na základe látky školského kurzu fyziky.
Na základe účelu štúdie boli v práci stanovené tieto úlohy:
1) vykonať holistickú analýzu možností využitia počítačovej simulácie v procese učenia;
2) určiť psychologické a pedagogické požiadavky na vzdelávacie počítačové modely;
3) analyzovať domáce a zahraničné počítačové programy, ktoré simulujú fyzikálne javy a poskytujú skutočný vzdelávací efekt;
4) vypracovať program počítačového modelovania na základe materiálu fyzikálneho obsahu stredoškolského všeobecného vzdelávania (časť „Molekulárna fyzika“);
5) skontrolovať používanie experimentálneho počítačového modelovacieho programu a vyhodnotiť jeho didaktické a metodické výsledky.
Výskumná hypotéza.
Kvalitu vedomostí, zručností a informačnú kultúru študentov je možné zlepšiť, ak sa v procese výučby fyziky využívajú programy počítačového modelovania, ktorých metodická podpora je nasledovná:
Adekvátne k teoretickým základom počítačového modelovania v procese učenia sa definujú úlohy, miesto, čas a forma používania vzdelávacích počítačových modelov;
Existuje variabilita foriem a metód riadenia aktivít študentov;
Školákov učia prechodu od skutočných predmetov k modelom a späť.
Metodologický základ štúdia tvoria: systematické a činnostné prístupy k štúdiu pedagogických javov; filozofické, kybernetické, psychologické teórie počítačového modelovania (A.A. Samarsky, V.G. Razumovsky, N.V. Razumovskaya, B.A. Glinsky, B.V. Biryukov, V.A. Shtoff, V.M. Glushkov a ďalší); psychologické a pedagogické základy informatizácie vzdelávania (V.V. Rubtsov, E.I. Mash-bits) a koncepcia rozvojového vzdelávania (L.S. Vygotsky, D.B. Elkonin, V.V. Davydov, N.F. Talyzina, P.Ya. Galperin).
Výskumné metódy:
Vedecký a metodologický rozbor filozofickej, psychologickej, pedagogickej a metodologickej literatúry k skúmanému problému;
Analýza skúseností učiteľov, analýza vlastných skúseností s vyučovaním fyziky na strednej škole a metódami fyziky na vysokej škole;
Analýza modelovacích počítačových programov pre molekulárnu fyziku od domácich a zahraničných autorov za účelom stanovenia obsahu programu;
Modelovanie fyzikálnych javov v molekulovej fyzike;
Počítačové experimenty založené na vybraných modelovacích programoch;
Pýtanie sa, rozhovor, pozorovanie, pedagogický experiment;
Metódy matematickej štatistiky.
Výskumná základňa: školy č. 3, 11, 17 vo Vologde, Vologdské štátne prírodné matematické lýceum, Fakulta fyziky a matematiky Štátnej pedagogickej univerzity vo Vologde.
Štúdia prebiehala v troch etapách a mala nasledujúcu logiku.
V prvej etape (1993-1995) bol stanovený problém, účel, ciele a hypotéza štúdie. Analyzovala sa filozofická, pedagogická a psychologická literatúra s cieľom identifikovať teoretické základy pre vývoj a využitie počítačových modelov v procese učenia.
V druhej etape (1995 - 1997) sa v rámci skúmaného problému uskutočnili experimentálne práce a navrhli sa metodologické postupy pre využitie programov počítačového modelovania na hodinách fyziky.
V tretej etape (1997 - 2000) bola vykonaná analýza a zovšeobecnenie experimentálnych prác.
Spoľahlivosť a validitu získaných výsledkov zaručujú: teoretické a metodologické prístupy k štúdiu problematiky počítačového modelovania vo vyučovaní; kombinácia kvalitatívnej a kvantitatívnej analýzy výsledkov vrátane použitia metód matematickej štatistiky; metódy primerané účelu a predmetu štúdie; vedecky podložené požiadavky na vývoj programu počítačového modelovania.
To posledné vyžaduje určité vysvetlenie. Vyvinuli sme program na modelovanie dynamiky systémov mnohých častíc, ktorých výpočet pohybu je založený na Verletovom algoritme použitom H. Gouldom a J. Tobochnikom. Tento algoritmus je jednoduchý a poskytuje presné výsledky aj v krátkom časovom období, čo je veľmi dôležité pri štúdiu štatistických vzorcov. Originálne rozhranie programu vám umožňuje nielen vidieť dynamiku procesu a meniť systémové parametre, zaznamenávať výsledky, ale tiež umožňuje zmeniť čas experimentu, zastaviť experiment, uložiť tento rámec a začať následné odtiaľ pracujte na modeli.
Skúmaný systém pozostáva z častíc, ktorých rýchlosti sú nastavené náhodne a ktoré na seba vzájomne pôsobia podľa zákonov newtonovskej mechaniky a sily interakcie medzi molekulami sú zobrazené Lennardovou-Johnsonovou krivkou, to znamená, že program obsahuje model skutočný plyn. Ale zmenou počiatočných parametrov je možné uviesť model do ideálneho plynu.
Program počítačového modelovania, ktorý sme predstavili, nám umožňuje získať numerické výsledky v relatívnych jednotkách, ktoré potvrdzujú nasledujúce fyzikálne zákony a procesy:
a) závislosť sily interakcie a potenciálnej energie častíc (molekúl) od vzdialenosti medzi nimi;
b) Maxwellovo rozdelenie rýchlosti;
c) základná rovnica molekulárnej kinetickej teórie;
d) zákony Boyle-Mariotte a Charles;
e) Joule a Joule-Thomsonove experimenty.
Vyššie uvedené experimenty môžu potvrdiť platnosť metódy štatistickej fyziky, keďže výsledky numerického experimentu zodpovedajú výsledkom získaným na základe zákonov štatistiky.
Pedagogický experiment potvrdil účinnosť metodiky vedenia vyučovacích hodín pomocou počítačových modelovacích programov.
Vedecká novinka a teoretický význam výskumu:
1. Uskutočnil sa komplexný popis počítačového modelovania používaného v procese učenia (filozofický, kybernetický, pedagogický).
2. Psychologické a pedagogické požiadavky na počítačové vzdelávacie modely sú opodstatnené.
3. Použila sa metóda počítačovej simulácie dynamiky mnohých častíc, ktorá umožnila po prvý raz na školskom kurze molekulovej fyziky vytvoriť počítačový model ideálneho plynu, ktorý umožňuje demonštrovať tzv. vzťah medzi mikroparametrami systému (rýchlosť, hybnosť, kinetická, potenciálna a celková energia pohybujúcich sa častíc) s makroparametrami (tlak, objem, teplota).
4. Na základe programov počítačového modelovania vo fyzikálnych metódach boli uskutočnené nasledovné numerické experimenty: bola získaná základná rovnica teórie molekulovej kinetiky; je znázornený vzťah medzi teplotou a kinetickou energiou translačného pohybu častíc (molekúl); Boli simulované Joule a Joule-Thomsonove experimenty pre ideálne a skutočné plyny.
Praktický význam štúdia spočíva v tom, že vybraný obsah a vyvinuté programy počítačového modelovania je možné využiť na stredných školách na numerické experimenty s množstvom problémov molekulovej fyziky. Bola vyvinutá a experimentálne otestovaná metodika na vedenie hodín molekulárnej fyziky pomocou počítačových programov na modelovanie. Materiály a výsledky štúdia je možné využiť aj v procese výučby študentov na vysokých školách pedagogického smeru a zvyšovania kvalifikácie učiteľov fyziky a informatiky.
Bola vykonaná aprobácia hlavných materiálov a výsledkov získaných počas štúdie
Na medzinárodnej elektronickej vedecko-technickej konferencii (Vologda, 1999);
Na medziuniverzitnej vedeckej a praktickej konferencii „Sociálne aspekty adaptácie mládeže na meniace sa životné podmienky“ (Vologda, 2000);
Na druhej regionálnej vedecko-metodickej konferencii „Moderné technológie vo vyššom a strednom odbornom školstve“ (Pskov, 2000);
Na šiestej celoruskej vedeckej a praktickej konferencii „Problém vzdelávacieho fyzikálneho experimentu“ (Glazov, 2001);
Pri vyučovaní fyziky na stredných školách v meste Vologda, v triedach o metódach vyučovania fyziky so študentmi Štátnej pedagogickej univerzity Vologda, na seminároch pre postgraduálnych študentov Štátnej pedagogickej univerzity Vologda a učiteľov katedry všeobecnej fyziky a astronómie.
Na obhajobu sa predkladajú:
1. Teoretické prístupy k využitiu počítačového modelovania v procese učenia a jeho metodická podpora.
3. Metodika organizácie a vedenia vyučovania fyziky v 10. ročníku strednej školy pri štúdiu témy „Molekulárna fyzika“ na základe počítačového modelovacieho programu.
Štruktúra dizertačnej práce.
Štruktúru dizertačnej práce určuje logika a postupnosť riešenia zadaných problémov. Dizertačná práca pozostáva z úvodu, štyroch kapitol, záveru a bibliografie.
Modely a simulácie v modernej vede
V súčasnosti sa modely a simulácia, ako jedna z metód chápania sveta okolo nás, vo veľkej miere využívajú vo vede, technike a vzdelávaní.
Pojem „model“ pochádza z latinského slova moduls, čo znamená miera, vzor, norma. Holistický pohľad človeka na svet sa vo väčšine prípadov odráža v jeho vedomí vo forme určitého fyzického modelu.
V modernej filozofii sú uvedené nasledujúce definície pojmov model a simulácia.
„Model (francúzsky model) v logike a metodológii vedy je analógom (schéma, štruktúra, znakový systém) určitého fragmentu prírodnej alebo sociálnej reality, produktom ľudskej kultúry, konceptuálneho a teoretického vzdelávania atď. pôvodný model. Tento analóg slúži na uchovávanie a rozširovanie vedomostí (informácií) o origináli, jeho vlastnostiach a štruktúrach, na jeho transformáciu alebo správu. Z epistemologického hľadiska je model „reprezentantom“, „náhradníkom“ originálu v poznatkoch a praxi. Výsledky spracovania a štúdia modelu za určitých podmienok, objasnené v logike a metodológii a špecifické pre rôzne oblasti a typy modelov, sa prenášajú do originálu. „Modelovanie je metóda štúdia objektov poznania na ich modeloch; konštrukcia a štúdium modelov, reálnych objektov a javov (organické a anorganické systémy, inžinierske zariadenia, rôzne procesy – fyzikálne, chemické, biologické, sociálne) a konštruovaných objektov s cieľom určiť alebo zlepšiť ich vlastnosti, racionalizovať spôsoby ich konštrukcie, kontroly ich atď. P.“ . Podľa typu modelov sa rozlišuje predmetové a znakové modelovanie. V predmetovom modelovaní sa výskum uskutočňuje na modeli, ktorý reprodukuje určité geometrické, fyzikálne alebo funkčné charakteristiky originálu. Napríklad v analógovom modelovaní sa mechanické, akustické, hydrodynamické a iné javy študujú pomocou energetických modelov, pretože fungovanie modelu a originálu je opísané rovnakými diferenciálnymi rovnicami.
"V symbolickom modelovaní sú modely diagramy, kresby, vzorce navrhnuté v nejakej abecede (prirodzený alebo umelý jazyk) atď." . Modelovanie je jednou z dôležitých metód poznávania, preto patrí do epistemologickej kategórie. Výsledky získané štúdiom modelov je možné preniesť do originálu, ak model odráža vlastnosti originálu.
Táto klasifikácia je založená na metóde reprodukovania vlastností originálu v modeli. Všetky modely sú rozdelené do dvoch tried: materiál a ideálny. Materiálne modely zahŕňajú modely, ktoré existujú objektívne a sú vytvorené človekom, aby reprodukovali štruktúru a podstatu skúmaného procesu alebo javu.
Pre priestorovo podobné modely je predpokladom geometrická podobnosť s ich originálom, pretože odrážajú priestorové vlastnosti a vzťahy objektu. Táto skupina zahŕňa rôzne rozloženia, modely technických zariadení, krištáľové mriežky atď.
Vo fyzikálne podobných modeloch je nevyhnutná podobnosť jeho fyzikálnej podstaty s originálom a identita zákonov pohybu. Takéto modely sa líšia od povahy, ktorú zobrazujú, len zmenou priestorovej alebo časovej mierky. Táto skupina zahŕňa prevádzkové modely rôznych technických zariadení, napríklad elektromotory a generátory, lode, lietadlá atď.
Matematicky podobné modely fungovania výskumných objektov musia byť opísané rovnakými matematickými rovnicami a spravidla nemajú fyzikálnu a geometrickú podobnosť s originálom. Matematické modely zahŕňajú analógové, štrukturálne, digitálne a kybernetické modely.
Psychologické a pedagogické aspekty počítačovej prípravy
Domáci a zahraniční psychológovia v posledných rokoch venujú pozornosť úlohe individuálnych vlastností žiakov v procese učenia. Hľadanie spôsobov, ako zachovať a ďalej rozvíjať individualitu dieťaťa, jeho potenciál a schopnosti, viedlo k vytvoreniu koncepcií individualizácie vzdelávania. Presadzovanie realizácie vzdelávacích programov každým študentom prostredníctvom individualizácie, predchádzanie zlyhaniam študentov; formovanie všeobecných vzdelávacích zručností založených na zóne proximálneho rozvoja každého študenta; zlepšenie vzdelávacej motivácie a rozvoj kognitívnych záujmov; formovanie osobných vlastností: samostatnosť, pracovitosť, kreativita – podstata individualizácie učenia. Hlavnou výhodou je, že individualizácia umožňuje úplne prispôsobiť obsah, metódy a tempo výchovno-vzdelávacej činnosti dieťaťa jeho vlastnostiam, sledovať jeho konanie v každej fáze riešenia problému, včas prispôsobovať činnosti žiaka a učiteľa, prispôsobiť ich neustále sa meniacim, no kontrolovaným situáciám zo strany žiaka a učiteľa. To všetko umožňuje študentovi pracovať ekonomicky, kontrolovať výdaj svojej energie a dosahovať lepšie výsledky.
Technológia individualizácie učenia pokrýva všetky časti vzdelávacieho procesu – ciele, obsah, metódy a prostriedky. Charakteristiky individualizovaného učenia sú humanistické vo svojom filozofickom základe; faktory rozvoja: bio-, socio- a psychogénne; princípom riadenia je systém „tútor“, prístup k dieťaťu je ľudský a osobný, organizačné formy sú akademické, individuálne a skupinové; Prevláda metóda programovaná, sebarozvojová, kreatívna. Jednou z možností individualizácie učenia je rozvíjanie nápadov pre adaptívne učenie. Zohľadňuje tak vek, ako aj individuálne charakteristiky študentov. Úpravy môžu byť založené na informáciách získaných z učebných skúseností každého študenta alebo môžu byť vopred naprogramované. Vopred naprogramovaný adaptívny systém zvyčajne realizuje tréning podľa rozvetveného programu, kde sa v závislosti od povahy vykonanej chyby uvádza, aké pomocné vplyvy sa vydávajú. Adaptívne vzdelávacie systémy spravidla zohľadňujú: a) správnosť odpovede, b) dôvody, ktoré spôsobili ťažkosti pri plnení vzdelávacích úloh.
Rozvoj techniky a vývoj rôznych druhov technických zariadení umožňuje spojiť možnosti techniky individualizovaného učenia s využitím modernej výpočtovej techniky.
Počítačové vzdelávanie, založené na flexibilnom a rýchlom prispôsobení sa individuálnym charakteristikám každého študenta, dokáže predchádzať vzniku psychickej nepohody, zníženej sebaúcte a zníženej vzdelávacej motivácii, keďže dokáže zohľadňovať individualitu študentov. študenta čo najviac.
L.V. Shenshev popisuje tri možnosti adaptívneho učenia. Prvou možnosťou je koncept maximálnej adaptability anglického kybernetika G. Paska. Druhou je teória čiastočnej adaptability amerického psychológa N. Crowdera. Tretím je koncept minimálnej adaptability B. Skinnera. Autori teórií adaptívneho učenia sú podobní v posudzovaní príčin nízkej efektivity tradičného učenia a vo výbere týchto dôvodov eliminovať. Koncepty adaptívneho učenia kladú na vzdelávací proces určité požiadavky:
1. Pohotové prispôsobenie sa individuálnym charakteristikám žiakov s prihliadnutím na tempo učenia, diagnostikovanie príčin ťažkostí, včasná úprava vzdelávacieho materiálu.
2. Priebežné a cielené riadenie afektívnej a motivačnej sféry žiaka, stabilizácia jeho stavu. 3. Udržiavanie nepretržitého dialógu, podnecovanie aktivity žiaka.
4. Automatizácia tréningu.
Splnenie uvedených požiadaviek je jednoduchšie pripísať počítačovej príprave, keďže učiteľ sa nedokáže súčasne prispôsobiť rôznym študentom, pričom stroj je nestranný, trpezlivý a neúnavný.
Vyššie uvedené koncepty adaptívneho učenia sa rýchlo dostali do masovej praxe, čo vyvolalo módne šialenstvo po vzdelávacích zariadeniach a počítačových programoch. Amatérski a primitívni vo svojich pedagogických schopnostiach ignorovali základnú myšlienku zohľadňovať individuálne charakteristiky a stabilizovať pozitívnu emocionálnu náladu študentov. V súvislosti s týmto stavom sa spochybňuje efektívnosť počítačových školení. Moderné argumenty v prospech používania počítačov opakujú závery vývojárov adaptívneho učenia. To zahŕňa dôležitosť zohľadnenia dynamiky učenia a automatizácie učenia, čo umožňuje učiteľovi, aby nebol rozptyľovaný organizačnými úlohami.
Analýza stavu počítačového modelovania v časti „Molekulárna fyzika“.
V prvej a druhej kapitole sme skúmali problematiku využívania počítačového modelovania vo vyučovaní z pohľadu epistemológie, pedagogiky a psychológie, určili sme aj ich miesto a funkcie. Využitie počítačových modelov vo vyučovaní fyziky umožňuje ukázať dôležitosť modelovania ako metódy chápania sveta okolo nás, podporuje formovanie abstraktného myslenia, rozvoj kognitívneho záujmu a osvojenie si prvkov informačnej kultúry. Zároveň, aby sme si mohli plnšie uvedomiť také výhody, akými sú možnosť individuálneho učenia sa, vedenie vzdelávacích aktivít, prehľadnosť a imitačné vlastnosti počítačových modelov, je potrebné identifikovať tú časť fyziky, v ktorej je využitie počítačového modelovania prinesie skutočný efekt učenia a určí metodologické techniky na jeho zaradenie do hodiny.
Náročnosť štúdia predmetu Molekulárna fyzika a termodynamika na základnej škole je v tom, že sa tu študenti stretávajú s kvalitatívne novou formou pohybu hmoty - tepelným pohybom, v ktorom sa okrem zákonov mechaniky uplatňujú aj zákony štatistiky. uplatniť. Okrem toho prírodné experimenty (brownov pohyb, difúzia, interakcia molekúl, vyparovanie, povrchové a kapilárne javy, zmáčanie) len potvrdzujú hypotézu o molekulárnej štruktúre hmoty, ale neumožňujú pozorovať mechanizmus prebiehajúcich fyzikálnych procesov. Mechanické modely: Sternov experiment, Galtonova tabuľa, inštalácia na demonštráciu zákonov plynu umožňujú znázorniť Maxwellov zákon rozloženia molekúl podľa rýchlosti a experimentálne získať vzťahy medzi tlakom, objemom a teplotou potrebné na odvodenie zákonov plynu. Efektívnosť vyučovacej hodiny možno zvýšiť rozšírením a skvalitnením demonštračného alebo laboratórneho experimentu pomocou počítača (význam počítačových modelov pri štúdiu fyziky sme spomínali v r). Takéto softvérové nástroje na vykonávanie demonštračného experimentu v školskom kurze molekulárnej fyziky a termodynamiky sú dostupné, aj keď v malom množstve. Urobili sme prehľad niekoľkých prác a tu predstavíme analýzu všetkých známych počítačových programov používaných pri štúdiu molekulovej fyziky a termodynamiky.
Použitie modernej elektronickej a elektronickej počítačovej technológie môže výrazne zlepšiť návrh a priebeh experimentu. Popisuje využitie počítača na demonštráciu závislosti rýchlosti molekúl dusíka, vodíka, argónu a vzduchu od teploty, výpočet zmien vnútornej energie telesa pri tavení a kryštalizácii, pri vyparovaní a pre plynné skupenstvo. , ako aj využitie počítača pri spracovaní výsledkov laboratórnych prác.
Tá istá kniha popisuje lekciu o určovaní účinnosti ideálneho tepelného motora na základe Carnotovho cyklu. Modelom Carnotovho cyklu bol počítač, ktorý na obrazovke monitora programovo implementuje adiabaty a izotermy, graficky znázorňujúce Carnotov cyklus.
Experimentálnu techniku využívajúcu elektronickú a počítačovú technológiu opísal V.V. Laptev. Využil všestrannosť elektrického signálu, ktorý nielenže obsahuje potrebné informácie, ale dokáže ho spracovať aj elektronická výpočtová technika. Preto je potrebné všetky neelektrické veličiny zapojené do experimentu previesť na elektrické pomocou primárnych meničov - snímačov, na výstupe ktorých sa objaví elektrický analógový signál, zvyčajne vo forme elektrického napätia. Laptev V.V. a spolupracovníci vyvinuli a vyrobili niekoľko senzorov na meranie osvetlenia, teploty a času. Signály snímačov je možné zaznamenávať pomocou ukazovateľa alebo digitálnych meracích prístrojov. Aby bolo možné použiť digitálne elektronické počítače pri spracovaní experimentálnych výsledkov, je potrebné previesť analógový signál na digitálny pomocou analógovo-digitálneho prevodníka s použitím vhodných mikroobvodov. Experimentálny dizajn teda vyzerá takto: merané veličiny - snímače - analógovo-digitálny prevodník - mikrokalkulátor MK-64 alebo počítač Yamaha. Na základe tohto princípu bola navrhnutá univerzálna elektromechanická demonštračná inštalácia na štúdium fyziky zákonov plynov v školskom kurze. Hodnoty tlaku, objemu a teploty namerané v experimente sa postupne zaznamenávajú na demonštračnom digitálnom indikátore a privádzajú sa do dátovej zbernice počítača, ktorá na displeji zobrazuje grafy všetkých možných vzťahov medzi tlakom, objemom a teplotou. Po vykreslení grafov sa číselné hodnoty týchto veličín zadajú do pamäte RAM počítača a môžu sa zobraziť na obrazovke vo forme tabuľky experimentálnych údajov a použiť na kvantitatívne výpočty. Žiaci tak majú možnosť súčasne sledovať kvantitatívne a kvalitatívne charakteristiky procesov plynov.
Formovanie a zvyšovanie motivácie pre vzdelávacie aktivity je hlavnou podmienkou prípravy budúcich dizajnérov. Dôležitými komponentmi v procese prípravy študentských dizajnérov budú metódy trojrozmerného modelovania, ktoré môžu aktivovať motivovanú aktivitu. Znalosť metód trojrozmerného modelovania sa dnes stáva nevyhnutnou súčasťou kvalifikácie dizajnéra, pretože ani jeden problém súvisiaci s navrhovaním dizajnových objektov nemožno vyriešiť bez znalosti metód trojrozmerného modelovania.
Trojrozmerné modelovanie je jednou z najdôležitejších oblastí ľudskej činnosti, pretože sa často používa v dizajne. Napríklad pri navrhovaní nového dizajnu výrobkov pre domácnosť, ako aj pri navrhovaní malých architektonických foriem a iných objektov. Bez použitia metód trojrozmerného modelovania je prakticky nemožné vyriešiť jediný konštruktívny problém súvisiaci s návrhom, úpravou alebo modernizáciou technologického objektu.
V budúcich aktivitách budúceho dizajnéra možno použiť metódy trojrozmerného modelovania: v základných princípoch tvorby štýlu a tvaru interiérových výrobkov, nábytku a dekoratívnych predmetov; v architektonických prvkoch a stavebných konštrukciách; v malých plastových predmetoch; pri stavbe okrasných kompozícií; v dekoratívnom a úžitkovom umení pri vizualizácii rezbárstva, maľby, intarzie, mozaiky, kovania a pod.
Cieľom výučby trojrozmerného modelovania je štúdium trojrozmerných objektov, ktoré umožnia rozvoj priestorového a abstraktného myslenia. Štúdium spôsobov a metód zobrazovania týchto modelov prispeje k rozvoju dizajnérskych zručností a kultúry grafického obrazu. Modelové úlohy ovplyvnia prejav iniciatívy a vynaliezavosti. Úlohy zahŕňajúce obrázky originálneho objektu budú mať pozitívny vplyv na rozvoj tvorivých schopností.
Profesijné prostredie dizajnéra zároveň kladie nové nároky na jeho činnosť a štát určuje imidž absolventa, formuluje požiadavky na jeho vzdelanie vo forme kompetencií. Táto dynamika nás núti hľadať nové vzdelávacie zdroje založené na výpočtovej technike.
Prax informatizácie vzdelávacieho procesu jasne ukázala, že pomocou počítačových technológií je možné výrazne zvýšiť efektivitu výučby vo všetkých disciplínach, ktoré sú uvedené v osnovách vzdelávacieho smeru „Design“. Používanie počítača umožňuje získať kompaktnosť akýchkoľvek umeleckých a grafických informácií vo vizuálnej a ľahko vnímateľnej forme, hodnotiť rôzne aspekty zobrazovaných predmetov a javov vrátane vykonávania ich podrobnej a kvalitatívnej analýzy.
Zavedením výpočtovej techniky sa zlepší proces výučby 3D modelovania. Efektívnosť odbornej prípravy študentov závisí od toho, ako premyslene a kompetentne je z pedagogického hľadiska táto príprava organizovaná. Využitie výpočtovej techniky pri výučbe trojrozmerného modelovania nám umožňuje považovať počítač za vyučovací nástroj.
Trojrozmerné počítačové modelovanie je predovšetkým vizualizácia projektov. Toto je práca s materiálmi, kamerami a osvetlením potrebná na dosiahnutie realistického trojrozmerného projektu. Štúdiom trojrozmerného počítačového modelovania študenti dizajnu získavajú všeobecné vedomosti, zručnosti a schopnosti, ako aj aplikované, konkrétne schopnosť používať trojrozmerné modelovanie na sprostredkovanie dizajnérskych nápadov.
V trojrozmernom modelovaní sa počítačové technológie pohodlne používajú na demonštráciu rôznych konštrukcií a modelovacích operácií v priestore. V tomto prípade bude mať učiteľ možnosť zobraziť na obrazovke tie modely, predmety a grafické obrázky, ktoré potrebuje na vedenie vyučovania.
Praktické využitie počítačového 3D modelovania vo výchovno-vzdelávacom procese dizajnérov si vyžaduje vytvorenie aktualizovaného modelu vzdelávacieho prostredia, ktorý má pozitívny vplyv na rozvoj ich umeleckej a tvorivej činnosti, ktorá je hlavnou zložkou odborných kompetencií dizajnérov. budúci dizajnér.
Všetok ilustračný materiál kurzu trojrozmerného modelovania je možné prezentovať počas procesu učenia na obrazovke. Okrem toho musí byť táto ilustrácia vytvorená dynamicky s využitím všetkých vizuálnych možností počítača. Na rozdiel od iných tradičných technických prostriedkov výpočtová technika umožní učiteľovi riadiť demonštračný proces. Napríklad pri konštrukcii trojrozmerného objektu budú všetky akcie postupne opísané na obrazovke počítača a takýto „živý obraz“ bude priaznivo porovnateľný so statickou ilustráciou, pretože učiteľ bude môcť tento demonštračný proces ovládať. Je teda možné ukázať, že podobný proces postupných konštrukcií je možné vykonať pre akýkoľvek objekt, pričom všetky vzdelávacie materiály sprevádzajú jasné praktické príklady.
Trojrozmerné počítačové modelovanie je dnes jednou z najzložitejších oblastí počítačovej techniky a môže byť široko používané v procese vývoja dizajnérskych projektov. Vyžaduje si to osobitnú úroveň rozvoja umeleckej a tvorivej činnosti a priestorového myslenia, keďže všetky predmety a postavy sú modelované a umiestnené vo virtuálnom priestore. Proces navrhovania je sprevádzaný aktívnym prechodom z jedného projekčného okna do druhého, z jedného pozorovacieho bodu do druhého. Na popis trojrozmerného priestoru scény a objektov v ňom umiestnených sa používa súradnicová metóda. Použitie tejto technológie ako prostriedku na školenie budúcich dizajnérov umožňuje nielen zvýšiť stupeň viditeľnosti, ale aj stanoviť individuálne tempo pre študentov na zvládnutie vzdelávacieho materiálu. Vďaka práci s trojrozmernou grafikou má učiteľ možnosť v krátkom čase a s minimálnou námahou zobraziť blok informácií vo forme trojrozmerných názorných pomôcok na určitú tému, čo znamená lepšiu stráviteľnosť preberanej látky a ušetrí značnú časť vyučovacieho času, ktorý by sa dal vynaložiť na vykonávanie praktickej časti preberanej látky.
Schopnosti nových technických prostriedkov zvyšujú tvorivý potenciál a tvorivé požiadavky, prispievajú k rozvoju umeleckej a tvorivej činnosti a rozširujú zmysel pre možné. Jedine tvorivé vnímanie a ľudské potreby generujú a podporujú technologické možnosti. To znamená, že systém praktických úloh v 3D počítačovom modelovaní by mal povzbudzovať študentov nielen k zvládnutiu bohatej sady nástrojov, ale aj k vytváraniu umeleckých úloh, ktoré si vyžadujú kreatívne skúmanie tejto sady nástrojov.
1. Modelovanie objektov.
2. Modelovanie prostredia.
3. Architektonické modelovanie.
4. Modelovanie postavy.
Systém úloh v experimentálnej skupine bol rozdelený do troch typov v závislosti od úrovne zložitosti: základná, pokročilá, vysoká.
Prvý typ úloh je základný. Tento typ úloh je zameraný na osvojenie si základných nástrojov a operácií počítačových programov. Úlohy prvého typu sú poskytnuté pre všetky štyri bloky, líšia sa však úrovňou zložitosti a spôsobmi dokončenia. Vedú študentov k riešeniu zložitejších problémov, pretože všetky činnosti, ktoré študent vykonáva pri plnení tohto typu úloh, prispievajú k rozvoju schopností, ako je obrazová pamäť, predstavivosť atď.
Úlohy so zvýšenou úrovňou zložitosti, patriace do druhého typu, zahŕňajú nezávislý výber nástrojov a algoritmu na vykonávanie modelovania trojrozmerného objektu alebo scény. Pri plnení úloh tohto typu si žiak rozvíja schopnosť samostatne aplikovať získané poznatky v praxi, zároveň tieto úlohy stimulujú rozvoj intuície a flexibility myslenia a zvyšujú samostatnosť.
Tretím typom úloh sú úlohy s vysokou mierou zložitosti. V procese ich plnenia bolo potrebné zvážiť niekoľko možností dokončenia úlohy a poskytnúť pomerne široký vizuálny rozsah. Úlohy tretieho typu predpokladali rozvoj takých schopností ako originalita, flexibilita myslenia, priestorová predstavivosť a pod. Úlohy predpokladali variabilitu a samostatnosť pri hľadaní metód modelovania.
Zavádzanie výpočtovej techniky do vyučovacieho procesu je dnes jednou z najdôležitejších rezerv pre zvyšovanie efektívnosti vzdelávacieho procesu a sebavzdelávania žiakov. V porovnaní s tradičnými vzdelávacími a metodickými komplexmi majú počítačové vzdelávacie komplexy množstvo výhod, akými sú: multimediálna a hypertextová organizácia školení; redundancia a variabilita obsahu teoretického materiálu; používanie multimediálnych objektov, ktoré umožňujú využitie rôznych typov vnímania informácií; vysoký stupeň interaktivity. Vo vzdelávacom procese, kde sú prostriedkom počítačové technológie, je možné zvýšiť profesionálnu a kognitívnu motiváciu študentov využívaním multimediálnych technológií, ako sú: fragmenty animácií, zvuk a hudba, rôzne počítačové grafiky, hypertext; ako aj mnohorozmerné praktické úlohy s rôznou úrovňou náročnosti.
