Учебная компьютерная модель это аппаратно программная учебная среда которая
Непрерывное и быстрое расширение областей исследования, в которых удается эффективно использовать математические методы, составляет одну из характерных черт развития современной науки. Раздвигая традиционные рамки «точных наук», этот процесс вовлекает сегодня в свою сферу биологию и социологию, языкознание и психологию, юриспруденцию и историю. Применение математических методов открывает во всех этих областях знаний пути для более глубокого проникновения в сущность и закономерности изучаемых явлений, более точного предсказания их развития в различных условиях, а значит, и более эффективного управления ими, практического их использования
Модель Колмогорова, связанная с педагогикой
Несмотря на потребность в применении математических методов в педагогике, специалисты в области математики отмечают, что применение математических методов в социальных и гуманитарных науках связано с большими трудностями, так как выделение однородного качества и его математическое изучение затруднены тем, что при этом приходится учитывать и такие субъективные факторы, как воля, цели, ценностные ориентировки и мотивации людей. Основная трудность в этом случае состоит в построении качественной теории процессов. Если не учитывать этого, возникает опасность бесплодного увлечения формулами и математическим аппаратом, за которыми исследователи перестают видеть реальное содержание изучаемых процессов. Фактически речь идет об опасности узкого подхода к сложнейшим, многофакторным явлениям социального, а следовательно, и педагогического порядка. На необходимость применять методы точных наук с учетом специфики объектов такого применения указывают многие крупные учёные.
Таким образом, можно утверждать, что применение математических методов в педагогикеограничено спецификой гуманитарной сферы. Тем не менее Л. Н. Колмогоров не отрицает возможности применения математических методов в науках, изначально достаточно далеких от математики, в том числе и гуманитарных.
Одним из важных математических методов являетсяматематическое моделирование. Математические модели представляют собой многофункциональноедидактическое средство, способствующее решению разнообразных педагогических задач. Возможности этого средства остаются до сих пор недостаточно раскрытыми. Несмотря на то, что такие модели являются формальным инструментарием познания, его использование способствует достижению не толькообразовательных, но и развивающих дидактических целей. Эго объясняетсятем, что модели, неразрывно связанные с конкретным содержанием учебного предмета,помогаютего представить ярко, выпукло, соединив строгость научныхрассуждений с глубоким научным анализом структур изучаемых процессов и явленийлюбой качественной природы. Рассмотрим пример применения математических моделейк процессу обучения в группе.
Математическое образование в учебных заведениях связано, преждевсего, с обучением в группе. Необходимой предпосылкой эффективности групповогообучения является адекватный подбор последовательности (траектории) изученияэлементов знания из учебного пособия в соответствии с поставленными целями.
Обучение в группе допускает различные стратегии. Одна изних, например, предполагает изучение всех элементов знания за исключением знанийусвоенных каждым учеником группы. При такой стратегии практически каждомуученику преходится затрачивать время на повторное изучение уже известных емуэлементов знания.Другая стратегия группового обучения предполагает изучениенового материала,ориентируясь на «средний» уровень знаний учащихся группы. Вторая стратегияобучения в большей степени учитывает начальную подготовку учащихся, во требуетразработки ни диви дуальных траекторий выравнивания знаний каждого из учеников.
ПримерПустьGUI,OU2. GUk- графы, представляющие модели знанийучеников Ul,U2. Uk; ОС -модель цели обучения;NZ- набор задач. Опишемалгоритм построения ориентированной на первую стратегию обучения моделизнаний труппыUgучащихся:
окрасить вершины и дуги графаQ=GCв черный цвет;
все вершины и ребра графаG, входящие в модель знаний каждого ученика Ug, окрасить в зеленыйцвет.
Полученный таким образом цветной граф называется моделью знаний группы Ug, учащихся, ассоциированнойс цельюобучения GC.
Второй алгоритм построения модели знаний группы ориентирован на вторую стратегию обучения. При такой стратегии материал, усвоенный большей частью группы, изучается только учащимися плохо знакомыми с данным материалом:
окрасить вершины и дуги графа G=GCв черный цвет;
все вершины и ребра графа G, входящие в половину и более моделей знаний учениковGUi(i= 1. к), окрасить в синий цвет;
все вершины и ребра графа G, входящие в каждую из моделей знаний учениковGUi, гдеi=I,к,окрасить в зеленый цвет.
Получим цветной граф GUg, который называется ассоциированной с целью обученияGCмоделью знаний группыUg учащихся и обозначаетсяM3r(Ug).
Ликвидация пробелов в знаниях учащихся производится по индивидуальной траектории выравнивания для каждого из учащихся.
Программные средства для моделирования предметно-коммуникативных сред (предметной области)
В настоящее время имеется большой набор компьютерных проектных сред, предназначенных для использования в учебном процессе. Одним из таких примеров IpSMRCflпакет «Живая геометрия». Он предназначен для построения и изучения основных геометрических объектов и их характеристик. Это электронный аналог готовальни, позволяющий создавать интерактивные чертежи, а также выполнять различные измерения. Программа позволяет организовать деятельность учащихся по построению моделей геометрических объектов и исследованию их свойств. Подобные пакеты могут использоваться на уроках: либо учениками - в качестве средства решения задач, либо учителем — в качестве средства предоставления учебной задачи путем оформления определенного сценария, позволяющего организовать демонстрацию задачи и ее решения, вызов справочной информации и т. п.
Пакет «Живая физика» — это компьютерная проектная среда, с помощьюкоторой можно организовать деятельность по моделированию объектов, процессов иявлений. Набор объектов, законы, формулы и т. п. уже заданы. Пользовательвыбирает ит предоставляемого набора какой-либо объект, устанавливает егопараметры, святи с другимиобъектами и внешние условия проведения эксперимента. Естьвозможность использования виртуальных измерительных инструментов ивыбора способа представления результатов: мультипликация, график, таблица,вектор. .пакет может быть востребован при изучении школьного курсафизики или в старших классах науроках математики или информатики прирассмотрении тем, связанных с компьютерным моделированием. Он призван помочьучащимся понять теорию, научиться решать задачи, самостоятельно организоватьи провести эксперименты.
Специфика использования компьютерного моделировании в педагогических программных средствах
Важную часть информационной среды школы составляет правильно подобранный набор программного обеспечения, в состав ко торого могу т входить:
- программные средства общего назначения для работы со всеми видами информации;
I источники информации в форме электронных энциклопедий и коллекций текстов, изображений, видео и т. д.;
виртуальные лаборатории/конструкторы, позволяющие создавать наглядные н символические имитационные модели математической, физической и биологической реальности и проводить эксперименты о этими моделями;
■ интегрированные творческие среды, включающие в себя редакторы тек- рщрфики, музыки и набор программируемых объектов.
Важнейшая задача современной школы - гармоническое развитие личности, которое основывается на прочных знаниях, овладении определенными навыками и умение применять их на практике.Мастерство учителя основано на умении строить процесс обучения в соответствии сзакономерностями этою процесса, одним из которых является принцип наглядности.Использование наглядности в обучении имеет как сторонников, так и противников. Это свидетельствует о нечетком понимании принципа наглядности, дополненногонедавно принципом моделирования. Вторым фактором, определяющим качествообучения, являютсяспособности учащихся. Чтобы расширить сферу чувственного познания и как-то воспринимать объекты, непосредственно чувственно не воспринимаемые, разрабатываются особые методы и средства. Эго разного рода приборы, усиливающие органы чувств (на* пример - телескоп X приборы для восприятия объектов прошлого (фотоаппарат) шт объекты, находящиеся в замкнутом пространстве и далеко (телевидение).
Если говорить о программных средствах для построения компьютерных моделей, то все авторы рекомендуют использовать наиболее популярное средство компьютерного моделирования - электронные таблицы. СУБД не задумывалось как средство моделирования, но создание информационных моделей объектов с возможностью проводить при помощи таких моделей выборку информации, удовлетворяющей каким-либо условиям с целью дальнейшего анализа этого объекта, позволяет проводить моделирование с помощью баз данных,
Алгоритмические языки программировании издавна используются для построения моделей. Если нет возможности использовать для построения моделей другие средства, то спомощью языков программирования можно строить модели из самых различных классовмоделей (физические и логические, геометрические и экологические и т. п.). У А. Г. Кушнеренко приводится пример построения модели зрительного зала. Здеськомпьютерная модель зрительного зала - это программа на учебном алгоритмическомязыке, которая затем должна быть реализована на языке программирования. Для тогочтобы ученик в 9-м классе построил такую модель (в ней множество встроенныхциклов) необходимо, чтобы он достаточно хорошоумел программировать. Но,к сожалению, процент девятиклассников, которые слегкостью используют встроенныециклы, совсем невелик.
Одним из важнейших направлений развития общества является образование. Образование «работает» на будущее, оно определяет личные качества каждого человека, его знания, умения, навыки, культуру поведения, мировоззрение, тем самым создавая экономический, нравственный и духовный потенциал общества. Информационные технологии являются одним из главных инструментов в образовании, поэтому разработка стратегии их развития и использования в сфере образования составляет одну из ключевых проблем.
Содержание
Введение 2
Информационные технологии в образовании. Основные аспекты информатизации образования 4
Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения 7
Основные факторы, влияющие на эффективность использования
информационных ресурсов в образовательном процессе. 10
Заключение 12
Список литературы 14
Прикрепленные файлы: 1 файл
Модель учебной ЭВМ.docx
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Филиал Санкт-Петербургского государственного морского технического университета в городе Северодвинске – СЕВМАШВТУЗ
Факультет кораблестроения и океанотехники
по дисциплине “Архитектура ЭВМ”
Модель учебной ЭВМ
Студент Соболев С.В.
Группа 4208
Преподаватель Чецкий В.И.
Пояснительная записка 3
Введение 4
Задание № 1 5
Задание № 2 7
Задание № 3 9
Задание № 4 11
Задание № 5 14
Задание № 6 18
Задание № 7 21
Задание № 8 24
Заключение 26
Список литературы 27
Цикл работ выполнен в рамках курса „Архитектура ЭВМ“.
Все работы выполнены на программной модели учебной ЭВМ и взаимодействующих с ней программных моделях ВУ и кэш-памяти. Учебная ЭВМ является упрощенной программной моделью компьютера, позволяющей обучаемым освоить базовые понятия архитектуры: система команд, командный цикл, способы адресации, уровни памяти, способы взаимодействия процессора с внешними устройствами.
Цикл включает работы различного уровня. Работы № 1-4 ориентированы на первичное знакомство с архитектурой процессора, системой команд, способами адресации и основными приемами программирования на машинно-ориентированном языке. Работа № 5 иллюстрирует реализацию командного цикла процессора на уровне микроопераций. Работа № 6 посвящена способам организации связи процессора с внешними устройствами, а в работах № 7 и 8 рассматривается организация кэш-памяти и эффективность различных алгоритмов замещения.
Во многих случаях знание операторов языка высокого уровня, структуры данных и способов их обработки является достаточным для создания различных полезных приложений. Однако по-настоящему решать проблемы, связанные с управлением различной, особенно нестандартной, аппаратурой (программирование „по железу“) невозможно без знания ассемблера. Не случайно практически все компиляторы языков высокого уровня содержат средства связи своих модулей с модулями на ассемблере либо поддерживают выход на ассемблерный уровень программирования.
Однако проводить начальное обучение программированию на низком уровне с рассмотрением механизмов взаимодействия устройств на реальном языке, например x86 на персональной ЭВМ, не всегда удобно. В этом случае между пользователем и аппаратурой ЭВМ присутствует операционная система (ОС), которая существенно ограничивает желания пользователя экспериментировать с аппаратными средствами. Для преодоления этих ограничений необходимо обладать глубокими знаниями как ОС, так и аппаратных средств ЭВМ.
Используемая программная модель учебной ЭВМ отражает все основные особенности систем команд и структур современных простых ЭВМ, включает в себя, помимо процессора и памяти, модели нескольких типичных внешних устройств. Модель позволяет изучить основы программирования на низком уровне, вопросы взаимодействия различных уровней памяти в составе ЭВМ и способы взаимодействия процессора с внешними устройствами.
Архитектура ЭВМ и система команд
Цель работы – знакомство с интерфейсом модели ЭВМ, методами ввода и отладки программы, действиями основных классов команд и способов адресации.
Теоретические положения:
Модель содержит процессор, оперативную (ОЗУ) и сверхоперативную память, устройство ввода и устройство вывода.
Процессор состоит из устройства управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), десяти регистров общего назначения (РОН) и системных регистров (CR, PC, SP и др.). Доступ ко всем регистрам и флагам процессора обеспечивается через окно Процессор.
Регистры Асс, DR, IR, OR, CR и все ячейки ОЗУ и РОН имеют длину 6 десятичных разрядов, регистры PC, SP, RA и RB – 3 разряда. В окне Процессор отражаются текущие значения регистров и флагов, причем в состоянии Останов все регистры, включая регистры блока РОН, и флаги (кроме флага I) доступны для непосредственного редактирования.
Сверхоперативная память с прямой адресацией содержит десять регистров общего назначения R0-R9. Доступ к ним осуществляется через регистры RAR и RDR.
АЛУ выполняет одну из арифметических операций, определяемую кодом операции (СОР), над содержимым аккумулятора (Асс) и регистра операнда (DR). Результат операции всегда помещается в Асс. При завершении выполнения операции арифметическое устройство вырабатывает сигналы признаков результата: Z = 1, если результат равен нулю; S = 1, если результат отрицателен; OV = 1, если при выполнении операции произошло переполнение разрядной сетки. В случаях, когда эти условия не выполняются, соответствующие сигналы имеют нулевое значение.
В модели ЭВМ предусмотрены внешние устройства двух типов: первый – регистры IR и OR, которые могут обмениваться с аккумулятором с помощью безадресных команд IN (Асс := IR) и OUT (OR := Асс); второй – набор моделей внешних устройств, которые могут подключаться к системе и взаимодействовать с ней в соответствии с заложенными в моделях алгоритмами.
Устройство управления осуществляет выборку команд из ОЗУ в последовательности, определяемой естественным порядком выполнения команд (т. е. в порядке возрастания адресов команд в ОЗУ) или командами передачи управления; выборку из ОЗУ операндов, задаваемых адресами команды; инициирование выполнения операции, предписанной командой; останов или переход к выполнению следующей команды.
Вариант задания:
№ | IR | Команда 1 | Команда 2 | Команда 3 | Команда 4 | Команда 5 |
17 | 000381 | 01 0 000 | 25 1 006 | 22 0 003 | 22 3 003 | 14 0 001 |
Команды и коды:
Результаты выполнения:
PC | Асс | М(3) | PC | Асc | М(3) |
001 | 000381 | 001 | |||
002 | 002286 | 002 | 002286 | ||
003 | 002286 | 003 | 002286 | ||
004 | 004 | ||||
001 | 001 | ||||
002 | 013716 | 002 | 013716 | ||
003 | 013716 | 003 | 013716 | ||
004 | 000381 | 004 | 00381 |
Программирование разветвляющегося процесса
Целью работы является ознакомление с командами безусловной и условной передачи управления, а также исследование механизма прямой и непосредственной адресации.
Теоретические положения:
Для нарушения естественной последовательности выполнения команд используются команды передачи управления, изменяющие содержимое счетчика команд (регистра PC). Учебная ЭВМ располагает следующими командами передачи управления: безусловный и шесть условных переходов, вызов подпрограммы, возврат из подпрограммы, цикл, программное прерывание, возврат из прерывания. Команды условной передачи управления используются для реализации алгоритмов, пути в которых зависят от исходных данных.
Исходные данные варианта задания:
Граф-схема алгоритма решения задачи:
Оценив размер программы примерно в 20-25 команд, отведем для области данных ячейки ОЗУ, начиная с адреса 030. Составленная программа с комментариями представлена в виде таблицы.
Все работы выполнены на программной модели учебной ЭВМ и взаимодействующих с ней программных моделях ВУ и кэш-памяти. Учебная ЭВМ является упрощенной программной моделью компьютера, позволяющей обучаемым освоить базовые понятия архитектуры: система команд, командный цикл, способы адресации, уровни памяти, способы взаимодействия процессора с внешними устройствами.
Содержание
Пояснительная записка 3
Введение 4
Задание №1 5
Задание №2 7
Задание №3 9
Задание №4 11
Задание №5 14
Задание №6 18
Задание №7 21
Задание №8 24
Заключение 26
Список литературы 27
Прикрепленные файлы: 1 файл
Содержание
Информационные технологии в образовании. Основные аспекты информатизации образования 4
Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения 7
Основные факторы, влияющие на эффективность использования
информационных ресурсов в образовательном процессе. 10
Список литературы 14
Модель учебной ЭВМ.docx
Результаты выполнения программы:
Программирование цикла с переадресацией
Целью работы является ознакомление с приёмами обработки массивов, а также исследование механизма косвенной адресации.
Теоретические положения:
При решении задач, связанных с обработкой массивов, возникает необходимость изменения исполнительного адреса при повторном выполнении некоторых команд. Эта задача может быть решена путем использования косвенной адресации.
Формулировка варианта задания:
Найти максимальное положительное число в последовательности чисел С1, С2, . , Сn.
Граф-схема алгоритма решения задачи:
Распределение памяти таково: программу разместим в ячейках ОЗУ, начиная с адреса 000, примерная оценка объема программы – 25 команд. Значения массива необходимо прописать с 40-го адреса.
Текст программы:
Подпрограммы и стек
Цель работы – изучение организации программ с использованием подпрограмм; исследование сверхоперативной памяти, ознакомление с постинкрементным и предекрементным способами адресации.
Теоретические положения:
В программировании часто встречаются ситуации, когда одинаковые действия необходимо выполнять многократно в разных частях программы (например, вычисление функции sinx). При этом с целью экономии памяти не следует многократно повторять одну и ту же последовательность команд – достаточно один раз написать подпрограмму (в терминах языков высокого уровня – процедуру) и обеспечить правильный вызов этой подпрограммы и возврат в точку вызова по завершению подпрограммы.
Для вызова подпрограммы необходимо указать ее начальный адрес в памяти и передать (если необходимо) параметры – те исходные данные, с которыми будут выполняться предусмотренные в подпрограмме действия. Адрес подпрограммы указывается в команде вызова CALL, а параметры могут передаваться через определенные ячейки памяти, регистры или стек.
Возврат в точку вызова обеспечивается сохранением адреса текущей команды (содержимого регистра PC) при вызове и использованием в конце подпрограммы команды возврата RET, которая возвращает сохраненное значение адреса возврата в PC.
Для реализации механизма вложенных подпрограмм (возможность вызова подпрограммы из другой подпрограммы и т. д.) адреса возврата и содержимое регистров общего назначения целесообразно сохранять в стеке. Под стек отводится некоторая область ОЗУ, доступ к которой осуществляется через единственную ячейку, называемую вершиной стека. Адрес вершины хранится в указателе стека SP. Стек обслуживается по принципу LIFO (Last In – First Out, последним пришел – первым вышел).
В стек можно поместить содержимое регистра общего назначения по команде push или извлечь содержимое верхушки в регистр общего назначения по команде pop. Кроме того, по команде вызова подпрограммы call значение программного счетчика PC (адрес следующей команды) помещается в верхушку стека, а по команде ret содержимое верхушки стека извлекается в PC. При каждом обращении в стек указатель SP автоматически модифицируется.
В большинстве ЭВМ стек „растет“ в сторону меньших адресов, поэтому перед каждой записью содержимое SP уменьшается на 1, а после каждого извлечения содержимое SP увеличивается на 1. Таким образом, SP всегда указывает на верхушку стека.
Цель настоящей лабораторной работы – изучение организации программ с использованием подпрограмм. Кроме того, в процессе организации циклов мы будем использовать новые возможности системы команд модели ЭВМ, которые позволяют работать с новым классом памяти – сверхоперативной (регистры общего назначения – РОН). В реальных ЭВМ доступ в РОН занимает значительно меньшее время, чем в ОЗУ; кроме того, команды обращения с регистрами короче команд обращения к памяти. Поэтому в РОН размещаются наиболее часто используемые в программе данные, промежуточные результаты, счетчики циклов, косвенные адреса и т. п.
В системе команд учебной ЭВМ для работы с РОН используются специальные команды, мнемоники которых совпадают с мнемониками соответствующих команд для работы с ОЗУ, но в адресной части содержат символы регистров R0-R9.
Формулировка варианта задания:
Даны три массива чисел. Требуется вычислить номер первого положительного числа. Каждый массив задается двумя параметрами: адресом первого элемента и длиной.
Текст программы:
Программа нахождения произведения нечётных чисел:
WR R3 ; в R3 - здесь будем накапливать произведение
L2:RD @R1+ ; Читаем очередное число с приращением адреса
WR R4 ; Сохраним
; сравнить с исходным
SUB R4 ; Если не равны, то нечетное!
JZ L1 ; Если четное, то обходим
RD R4 ; Читаем найденное число
MUL R3 ; Умножим на сохранное произведение
WR R3 ; Сохраним
L1:JRNZ R2,L2 ; Циклим, пока R2 не 0
RD R3 ; Искомое произведение
Командный цикл процессора
Целью работы является исследование командного цикла процессора на уровне микрокоманд.
Теоретические положения:
Реализация программы в ЭВМ сводится к последовательному выполнению команд. Каждая команда, в свою очередь, выполняется как последовательность микрокоманд, реализующих элементарные действия над операционными элементами процессора. Для пояснения логики функционирования ЭВМ ее целесообразно представить в виде совокупности узлов, связанных между собой коммуникационной сетью.
Процесс функционирования вычислительной машины состоит в последовательности пересылок информации между ее узлами и элементарных действий (микроопераций), выполняемых в узлах. Понятие узла здесь трактуется весьма широко: от регистра до АЛУ или основной памяти. Также широко следует понимать и термин „элементарное действие“. Это может быть установка регистра в некоторое состояние или выполнение операции в АЛУ.
Любое элементарное действие производится при поступлении соответствующего сигнала управления (СУ) из микропрограммного автомата устройства управления. Возможная частота формирования сигналов на выходе автомата определяется синхронизирующими импульсами, поступающими от генератора тактовых импульсов (ГТИ).
Элементарные пересылки или преобразования информации, выполняемые в течение одного такта синхронизации, называются микрооперациями. В течение одного такта могут одновременно выполняться несколько микроопераций. Совокупность сигналов управления, вызывающих микрооперации, выполняемые в одном такте, называют микрокомандой.
Относительно сложные действия, осуществляемые вычислительной машиной в процессе ее работы, реализуются как последовательность микроопераций и могут быть заданы последовательностью микрокоманд, называемой микропрограммой. Реализует микропрограмму, то есть вырабатывает управляющие сигналы, задаваемые ее микрокомандами, микропрограммный автомат (МПА).
1-я часть задания:
Выполнить снова последовательность команд по варианту лабораторной работы №1, но в режиме Шаг. Зарегистрировать изменения состояния процессора и памяти в форме таблицы.
Вариант задания лабораторной работы №1:
№ | IR | Команда 1 | Команда 2 | Команда 3 | Команда 4 | Команда 5 |
17 | 000381 | 01 0 000 | 25 1 006 | 22 0 003 | 22 3 003 | 14 0 001 |
2-я часть задания:
Записать последовательность микрокоманд для следующих команд модели учебной ЭВМ:
Что называется моделью? Для чего необходима модель? Какие бывают компьютерные модели? Что такое вычислительный эксперимент?
Моделью называется объект , который заменяет реальный предмет или явление для изучения его свойств . Модель называют инструментом познания объекта .
Известно , что , правильно построенная модель информативнее и доступнее при изучении свойств , чем реальный объект . Существует несколько требований к модели , после выполнения которых модель можно считать информативной . К ним относятся :
наглядность и видимость основных свойств и построения ;
доступность ее для исследования или воспроизведения ;
простота исследования , воспроизведения ;
сохранение информации , содержащейся в оригинале и способность получение новой информации .
Для того , чтобы результаты моделирования можно было использовать при работе с реальным объектом , модель должна быть адекватной , то есть свойства модели должны совпадать со свойствами реального объекта . Смысл замены реального объекта для исследования его моделью в том , что исследовать модель дешевле и проще , к тому же в некоторых случаях безопаснее .
Модель отражает наиболее значимые свойства объекта , оставляя без внимания второстепенными .
К основному предназначению моделирования можно отнести изучение поведения сложных систем физических процессов и явлений . Некоторые объекты и явления не могут быть изучены естественным образом ввиду различных факторов . В других случаях , исследования компьютерных моделей могут предшествовать реальным экспериментам для оценки необходимых ресурсов .
Естественно , модель любого реального явления или объекта недостаточно точна , нежели само явление или объект , но хорошо построенная модель способна отобразить все свойства и нюансы поведения системы в целом . Благодаря отображению всех характеристик объекта разом .
Модель способна научить надлежащим образом управлять реальным объектом путем проб и ошибок . Использовать для этой цели реальный объект бывает невозможно либо рискованно и неоправданно .
Итак , модель необходима для :
изучения структуры реального объекта , его свойств , законов взаимодействия с внешней средой ;
обучения управлению явлением или объектом ;
предсказаний поведения и состояний объекта при изменяющихся условиях .
Если классифицировать модели по способу реализации , то они бывают абстрактными и материальными . Абстрактную модель можно назвать мысленной , она находится только в нашем воображении . Примером могут быть алгоритмы , которые можно представить в виде блок — схемы . Материальные или физические модели представляют собой макеты или устройства, имеющие функции и свойства изучаемого объекта , над которыми в процессе исследования проводится ряд экспериментов . Например , модель двигателя автомобиля или уменьшенная точная модель подводной лодки .
Модели можно разделить на вербальные , математические и компьютерные . Вербальные модели представляют собой утверждения , записанные на естественном или формализованном языке , которые описывают изучаемый объект . Математические модели представляют собой совокупность математических операторов и действий с ними , часто это есть система уравнений . Компьютерная модель это программа или их совокупность , которая благодаря математическим преобразованиям имитирует поведение изучаемой системы .
Одним из эффективных способов изучения явлений является научный эксперимент, то есть воспроизведение изучаемого явления в контролируемых условиях, которыми можно управлять. Исследуемый объект часто заменяют компьютерной моделью ввиду большей удобности и экономичности. Благодаря распространению мощных ЭВМ и информационных технологий в настоящее время компьютерное моделирование можно назвать самым результативным методом исследования физических, технических и других систем. Компьютерные модели позволяют выявить основные условия, которые определяют свойства изучаемых явлений и объектов, изучить обратную связь системы на изменяющиеся условия.
Компьютерная модель – это отдельная программа либо программный комплекс, которые позволяют при помощи вычислений и графического отображения результатов воспроизводить реальные объекты и процессы при воздействии на них различных факторов. Такие модели еще называют имитационными.
Компьютерное моделирование – метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе изучения ее компьютерной модели. Смысл такого моделирования состоит в получении количественных и качественных результатов по созданной модели, что позволяет изучить неизвестные ранее свойства системы. Компьютерная модель должна отображать максимальное количество взаимосвязей и характеристик реального объекта, существующие ограничения. Модель следует строить универсальной, чтобы использовать ее для описания подобных объектов; простой, чтобы обойтись разумными тратами на исследование.
Компьютерная модель также является отличным наглядным и обучающим пособием для учащихся. При использовании компьютерной модели в качестве обучающего механизма существуют возможности:
- рассмотреть сложные явления и процессы на доступном уровне;
- сделать акцент на главных свойствах системы благодаря гибкой форме ее представления и наличию эффектов мультимедиа;
- наблюдать за процессом в динамике, учитывая все его изменения;
- представлять работу системы в наглядном виде: графики, схемы, диаграммы;
- предпринимать действия невозможные в реальности из-за пространственно-временных рамок или опасения за безопасность модели и окружающей среды.
Виды компьютерных моделей.
Для начала определимся, каким может быть компьютерное моделирование.
- Физическое моделирование – моделирование, при котором создается целая установка для проведения экспериментов либо отдельный тренажер, например, для тренировки управления самолетом. Такая модель принимает внешние сигналы, осуществляет необходимые математические операции и выдает соответствующие сигналы для управления моделью.
- Численное моделирование – решение системы уравнений математическими методами, проведение вычислительного эксперимента на основе входных параметров системы и внешних воздействий на нее. Примером может служить моделирование любых природных и искусственных процессов.
- Суть имитационного моделирования в создании программы, которая будет имитировать поведение сложной системы. Такая имитация основана на формальном описании логики существования системы, при котором учитываются взаимодействия всех ее составляющих. Примерами являются исследования биологических, физических и других систем, а также создание игр, обучающих программ.
- Информационное моделирование – создание информационной модели, то есть объединенных вместе данных, классифицированных по определенным признакам, определяющих суть исследуемого объекта. Информационной моделью являются таблицы, графики, анимации, диаграммы, карты.
- Моделирование знаний, к которому относится создание систем искусственного интеллекта. За основу таких моделей берутся знания какой-либо области, состоящие из данных и правил. Примером служат экспертные системы, логические игры, программы для роботов, создания эффектов виртуальной реальности и прочее.
Исходя из всего вышеперечисленного, компьютерные модели можно разделить на:
- дискриптивные модели, описывающие исследуемый объект и факторы, влияющие на изменения в его поведении.
- оптимизационные модели помогают определить наиболее подходящий способ взаимодействия со сложной системой, управления ею.
- прогностические модели предсказывают состояние объекта в конкретные моменты в будущем.
- учебные модели, используемые для наглядного обучения обучающихся, их тестирования.
- игровые модели создают несуществующие ситуации, имитирующие реальность, играют в логические игры.
Под компьютерным моделированием изначально подразумевалось только имитационное моделирование, однако, не трудно заметить, что использование компьютера для других целей может значительно помочь для решения поставленных задач. Например, построение современных математических моделей по входным экспериментальным данным невозможно или труднодостижимо без использования компьютера.
Первые задач, решаемые с помощью компьютерного моделирования, были связаны с физикой и представляли собой в основном сложные нелинейные задачи физики с помощью итерационных схем и по сути являлось математическим моделированием. Хорошие результаты в моделировании в области физики распространили использование этого метода исследования и на другие области. Сложность решаемых моделированием задач зависела только от мощности используемых компьютеров, тем самым и ограничивалась несовершенными мощностями
После публикации в 1948 году статьи Дж. Неймана и С. Улама, в которой впервые было описано применение метода Монте-Карло, многие исследователи стали называть компьютерное моделирование методами Монте-Карло. Это не верно, правильней будет выглядеть разделение компьютерного моделирования на несколько направлений[6]:
- Методы Монте-Карло или методы вычислительной математики. Используются численные методы, объекты заменяются числами, результаты формируются в таблицы или графики;
- Методы имитационного моделирования;
- Методы статистической обработки данных на основе метода планирования эксперимента;
- Комплексы имитационного моделирования, в которых объединяются все вышеупомянутые методы.
Разновидностью компьютерного моделирования является вычислительный эксперимент, который предполагает дальнейшее численное исследование модели после ее создания, позволяющее исследовать объект в различных его модификациях и при различных условиях.
С использованием ЭВМ для выполнения арифметических и логических операций производительность интеллектуального труда человека значительно возросла. Первые задачи, для которых создавались ЭВМ, были связаны с ядерной энергией и освоением пространства космоса. Сейчас же компьютер принимает участие в различных задачах и исследованиях, эта технология теоретических экспериментов получила название вычислительного эксперимента. Основой вычислительного эксперимента является математическое моделирование, теоретической базой – прикладная математика, а технической – мощные электронные вычислительные машины.
Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент становятся новым методом научного познания для исследования сложных моделей систем. Цикл вычислительного эксперимента принято разделять на несколько этапов для лучшего восприятия сути этого метода.
Информационные технологии в образовании. Основные аспекты информатизации образования
Цель информатизации общества - создание гибридного интегрального интеллекта всей цивилизации, способного предвидеть и управлять развитием человечества. Образовательная система в таком обществе должна быть системой опережающей. Переход от консервативной образовательной системы к опережающей должен базироваться на опережающем формировании информационного пространства Российского образования и широком использовании информационных технологий.
Вхождение России в единое мировое информационное пространство ставит серьезные проблемы перед отечественным образованием. Начиная с 80-х годов, сумма знаний в обществе возрастает вдвое каждые 2 года. Изменится и структура знаний: доля традиционных знаний уменьшится с 70 до 40%, прагматических - с 15 до 10%, но возрастет доля новых знаний - с 5 до 15% и знаний, направленных на развитие творческих способностей личности - с 3 до 25%. Современное образование является поддерживающим, перспективное образование должно стать в информационном обществе опережающим.
Такое развитие информационного пространства требует обеспечения как психологической, так и профессиональной подготовленности всех участников образовательного процесса. В условиях радикального усложнения жизни общества, его технической и социальной инфраструктуры решающим оказывается изменение отношения людей к информации, которая становится важнейшим стратегическим ресурсом общества. Успешность перехода к информационному обществу существенным образом зависит от готовности системы образования в кратчайшие сроки осуществить реформы, необходимые для ее приспособления к нуждам информационного общества.
По существу, речь идет о решении проблемы качественного изменения состояния всей информационной среды (пространства) обитания российского образования в сопряжении с отечественной наукой и общественной практикой, а также в сопряжении с мировой высшей школой и мировой наукой. Решение этой задачи открывает новые возможности для ускоренного прогрессивного индивидуального развития каждого человека в системе образования и для роста качества совокупного общественного интеллекта, что в перспективе окажет свое положительное влияние на все стороны общественной жизни России.
Эффективность процесса информатизации непосредственно зависит от эффективности процессов создания и использования информационного ресурса, т.е. всего информационного потенциала общества. Информационный ресурс фактически есть совокупность информации о прошлом и настоящем опыте человечества, база для воспроизводства новой информации.
По развитию информационного общества Россия отстала от многих западных стран. Это можно легко пронаблюдать на примере общего индекса зрелости информационного общества (Information Imperative Index). Он состоит из 20 четко сформулированных показателей из трех областей: социальной, информационной и компьютерной. Социальные показатели состоят из законодательной базы, регулирующих норм и политических факторов. Информационный показатель состоит в основном из сектора информатики и информационного бизнеса (программное обеспечение, мультимедиа и т.д.). Компьютерный показатель отражает объем и насыщенность рынка оборудования, такого как РС, Интернет, мобильные телефоны и пр. Россия находится на 34 месте из 54 стран, т.е. в группе III. Наилучшие показатели в России достигнуты в социальной сфере (20 место), затем идет информационная сфера (32 место), и наихудший уровень наблюдается в компьютерной сфере (46 место). Все это вместе составляет ясную картину, демонстрируя, что телекоммуникационная инфраструктура и аппаратное обеспечение требуют в целом большего развития, чем законодательная база.
В процессе информатизации образования необходимо выделить следующие аспекты:
- методологический;
- методический;
- экономический;
- технический;
- технологический.
Проанализируем состояние и развитие каждого аспекта.
Главной проблемой методологического аспекта является выработка основных принципов образовательного процесса, соответствующих современному уровню информационных технологий. К сожалению, на данном этапе новые технологии искусственно накладываются на традиционные образовательные формы. Поэтому необходимо найти новые подходы к формированию основных требований к каждому уровню образования. Например, как сочетать традиционные требования умения грамотно писать и считать с возможностями компьютера, который это делает лучше и в силу присущей человеку лени не способствует формированию таких навыков. Аналогичный пример касается чтения. Легкий доступ к информационным ресурсам, создание которых никто не контролирует, атрофирует у человека стремление работать с литературой. Такие же тенденции прослеживаются в области черчения и других дисциплин. Реальные лабораторные исследования заменяются работой в виртуальной среде. Но поскольку технический прогресс остановить невозможно, крайне важно выработать новые образовательные стандарты.
Основные преимущества современных информационных технологий (наглядность, возможность использования комбинированных форм представления информации - данные, стереозвучание, графическое изображение, анимация, обработка и хранение больших объемов информации, доступ к мировым информационным ресурсам) должны стать основой поддержки процесса образования, в этом заключается сущность методического аспекта.
Экономической основой информационного общества являются отрасли информационной индустрии (телекоммуникационная, компьютерная, электронная, аудиовизуальная), которые переживают процесс технологической конвергенции и корпоративных слияний. Происходит интенсивный процесс формирования мировой «информационной экономики», заключающийся в глобализации информационных, информационно-технологических и телекоммуникационных рынков, возникновении мировых лидеров информационной индустрии, превращении «электронной торговли» по телекоммуникациям в средство ведения бизнеса.
К сожалению, наша страна активно не участвует в информационной индустрии, что во многом приводит к навязыванию западных стандартов в образовании.
Рассматривая технический аспект, отмечу, что в настоящее время создано и внедрено достаточно большое число программных и технических разработок, реализующих отдельные информационные технологии. Но при этом используются различные методические подходы, несовместимые технические и программные средства, что затрудняет тиражирование, становится преградой на пути общения с информационными ресурсами и компьютерной техникой, приводит к распылению сил и средств. Наряду с этим различный подход к информатизации на школьном и вузовском уровнях вызывает большие трудности у учащихся при переходе с одного уровня обучения на другой, приводит к необходимости расходования учебного времени на освоение элементарных основ современных компьютерных технологий.
Отсутствие единой политики в области оснащения техническими и программными средствами в угоду сиюминутной выгоде инициирует использование устаревших информационных технологий, вызывает трудности при переходе с одного уровня обучения на другой, является препятствием для включения в мировую образовательную систему. Очень серьезным моментом, связанным с использованием низкосортной вычислительной техники, является игнорирование вопросов экологической безопасности работы с компьютерами. Этому аспекту за рубежом уделяется серьезное внимание и расходуются значительные средства на проведение в этой области научных исследований и практических мероприятий.
Поэтому необходима интеграция усилий участников образовательного процесса в рамках формирования единого информационного пространства общероссийского и регионального образования на единых концептуальных, методологических и технологических принципах. В связи с этим новизной данного проекта является разработка типовой модели информатизации со всеми компонентами компьютеризации и видами обеспечения. Научно-технический уровень современных базовых информационных технологий образования в общем, соответствует требованиям, предъявляемым прикладными информационными технологиями. Проблема заключается в недостаточном уровне проработки методологических вопросов.
Все работы выполнены на программной модели учебной ЭВМ и взаимодействующих с ней программных моделях ВУ и кэш-памяти. Учебная ЭВМ является упрощенной программной моделью компьютера, позволяющей обучаемым освоить базовые понятия архитектуры: система команд, командный цикл, способы адресации, уровни памяти, способы взаимодействия процессора с внешними устройствами.
Содержание
Пояснительная записка 3
Введение 4
Задание №1 5
Задание №2 7
Задание №3 9
Задание №4 11
Задание №5 14
Задание №6 18
Задание №7 21
Задание №8 24
Заключение 26
Список литературы 27
Прикрепленные файлы: 1 файл
специфика использования комп мод в обуч процессе.docx
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
Кафедра информатики и математического обеспечения автоматизированных систем
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ»
«Специфика использования компьютерного моделирования в педагогических программных средствах »
к.ф.-м.н.,доцент Темботова М.М
Введение
Одним из важнейших направлений развития общества является образование. Образование «работает» на будущее, оно определяет личные качества каждого человека, его знания, умения, навыки, культуру поведения, мировоззрение, тем самым создавая экономический, нравственный и духовный потенциал общества. Информационные технологии являются одним из главных инструментов в образовании, поэтому разработка стратегии их развития и использования в сфере образования составляет одну из ключевых проблем. Следовательно, использование вычислительной техники приобретает общегосударственное значение. Многие специалисты полагают, что в настоящее время компьютер позволит осуществить качественный рывок в системе образования, так как учитель получил в свои руки мощное средство обучения. Обычно выделяют два основных направления компьютеризации. Первое ставит цель обеспечить всеобщую компьютерную грамотность, второе - использовать компьютер в качестве средства, повышающего эффективность обучения.
В системе обучения различают два вида деятельности: обучающую и учебную. Н.Ф. Талызина и Т.В. Габай предложили рассматривать роль компьютера в обучении с точки зрения той функции, которую он выполняет.
Если компьютер выполняет функцию управления учебной деятельностью, то его можно рассматривать как обучающее средство, заменяющее педагога, так как компьютер моделирует обучающую деятельность, задает вопросы и реагирует на ответы и вопросы школьника как педагог.
Если компьютер используется только как средство учебной деятельности, то взаимодействие его с учащимися осуществляется по типу «пользователь ЭВМ». В данном случае компьютер не является средством обучения, хотя он и может сообщать новые знания. Поэтому, когда говорят о компьютерном обучении, то имеют в виду использование компьютера как средства управления учебной деятельностью.
Несмотря на то, что пока нет единой классификации обучающих программ, многие авторы выделяют среди них следующие пять типов: тренировочные, наставнические, проблемного обучения, имитационные и моделирующие, игровые. Компьютерные модели имеют наиболее высокий ранг среди выше указанных. Согласно В.В. Лаптеву «компьютерная модель - это программная среда для вычислительного эксперимента, объединяющая в себе на основе математической модели явления или процесса средства интерактивного взаимодействия с объектом эксперимента и развитие средства отображения информации.
Современное состояние компьютерного обучения характеризуется большим набором обучающих программ, значительно отличающихся по качеству. Дело в том, что на начальном этапе компьютеризации школ учителя, использовавшие компьютерное обучение, создавали свои обучающие программы, а поскольку они не являлись профессиональными программистами, то и созданные ими программы были малоэффективными. Поэтому, наряду с программами, обеспечивающими проблемное обучение, компьютерное моделирование и так далее, имеется большое число примитивных обучающих программ, не влияющих на эффективность обучения. Таким образом, задачей учителя становится не разработка обучающих программ, а умение использовать готовые качественные программы, отвечающие современным методическим и психолого-педагогическим требованиям.
Одним из главных критериев дидактической значимости моделирующих программ является возможность проведения исследований, которые ранее в условиях школьного физического кабинета были неосуществимы. В содержании физического школьного образования есть ряд разделов, натурный эксперимент в которых лишь качественно описывает изучаемое явление или процесс. Применение компьютерных моделей позволило бы провести и количественный анализ данных объектов.
Важнейшим критерием эффективности компьютерного обучения следует, вероятно, считать возможность получения учащимися в диалоге с ЭВМ нового, важного знания по предмету, путем такого уровня или при таком характере познавательной активности, которые невозможны при безмашинном обучении, при условии, конечно, что их педагогический эффект и окупает затраты времени учителя и учащегося».
Значит, чтобы использование ЭВМ приносило реальную пользу, необходимо определить, в чем существующая методика несовершенна, и показать, какие свойства компьютера и каким образом способны повысить эффективность обучения.
Анализ состояния компьютерного моделирования свидетельствует о том что:
1) компьютерное моделирование представлено небольшим количеством программ вообще и в частности тех, которые моделируют физические процессы, исходя из положений молекулярно-кинетической теории (MKT);
2) в программах, моделирующих на основе MKT, нет никаких количественных результатов, а имеет место лишь качественная иллюстрация какого-либо физического процесса;
3) во всех программах не представлено связи микропараметров системы частиц с её макропараметрами (давлением, объёмом и температурой);
4) не существует разработанной методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ по ряду физических процессов MKT.
Читайте также: