Современные проблемы моделирования. Роль и место моделирования в образовании.

Лекция 1. Современные проблемы моделирования. Роль и место моделирования в образовании. Стандарты образования, нормативные требования по дисциплинам моделирования.

Современный этап развития человечества это век информатики, информатизации общества и образования. В связи с этим происходит интенсивное внедрение новых информационных технологий во все виды человеческой деятельности. Изменяется и структура знаний в обществе. На базе знаний формируются новые информационные ресурсы общества. Для получения новых знаний используется модельный подход, т.е. используются различные виды формальных моделей.

В связи с такими изменениями в образовании в качестве профилирующих базовых дисциплин становятся «Моделирование систем»,

« Компьютерное моделирование», « Математическое моделирование» как в структуре подготовке бакалавров, так и магистрантов.

Среди направлений следует выделить 654600 Информатика и вычислительная техника, 654700 Информационные технологии, 090304 Программная инженерия, 090301 Информатика и вычислительная техника ( для бакалавров), 090401 Информатика и вычислительная техника ( для магистрантов, 2014 г), 090303 Прикладная информатика ( 2015 г), 010402 Прикладная математика и информатика, 380305 Бизнес информатика ( 2016 г), Фундаментальная информатика и информационные технологии ( 2016 г), 440305 Педагогическое образование информатика физика), 030100 Педагогическое образование информатика математика и много других информационных направлений. В школьном курсе информатики вводится раздел Моделирование и формализация.

Моделирование в широком смысле слова является основным методом исследования во всех областях знания и научно обоснованным методом оценок сложных систем, используемым для принятия решения в различных сферах

В настоящее время все модели ( моделирование) могут использоваться для следующих целей:

1. Чтобы понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства и взаимодействие его с окружающим миром.

2. Чтобы научиться управлять объектом, системой или процессом с целью определения наилучших способов управления с учетом требуемых критериев качества.

3. Чтобы прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации данных способов и форм воздействия на объект, процесс или явление.

4. Чтобы выбрать оптимальный план из множества вариантов предложений или действий.

Научная мудрость гласит: «Если построенная Вами модель никуда не годится - не огорчайтесь, это все равно самый дешевый способ строительств».

Наиболее простое определение модели. Модель – это упрощенный объект, система, процесс. А  моделирование – это замещение сложного объекта простым для получения информации о важнейших свойствах объекта – оригинала с помощью модели. При разработки программ в начале строится модель с целью получения результата без учета тех параметров объекта, которые в большей степени не влияют результат моделирования.

Если результаты моделирования подтверждают и могут служить основой для прогнозирования процессов, протекающих в исследуемых объектах, то модель адекватна объекту. При этом адекватность модели зависит от цели моделирования и принятых критериев.

В системе образования модели используются для: изучения объектов, систем и процессов; для исследования и прогнозирования самой системы образования; для научно-исследовательской деятельности преподавательского состава и учителей в различных областей знаний.

Но беда в том, что при наличии дисциплин по моделированию, проведения практических работ, выполнения курсовых, дипломных и магистерских работ целевая функция моделирования практически сводится к формальному включению вопроса по моделированию

Все студенты: бакалавры, магистранты, ученики старших классов прекрасно знают, что такое модель и ее назначение. Но в течение многих лет преподавания я очень мало припоминаю, что модель строится при написании курсовых и дипломных работ, магистерских и аспирантских диссертаций для проведения эксперимента (исследования) объектов, систем или процессов. И только после проведения экспериментов разрабатывается программа реального объекта с учетом результата моделирования модели. Модель строится в зависимости от цели работы и изображается в математической или графической форме. Но никакого исследования не проводится и не делается никаких выводов от эксперимента.

Любой эксперимент может иметь существенное значение в конкретной области науки только при специальной обработке и обобщении.

Единственный эксперимент никогда не может быть решающим, для подтверждения гипотезы, проверки теории.

Поэтому исследователи должны не забывать основного положения материалистической философии, что именно экспериментальные исследования, опыт, практика являются критерием истины.

На этапах проектирования, внедрения, эксплуатации и эволюции больших систем используются различные виды моделирования. Ограниченность возможностей экспериментального исследования таких систем делает актуальной разработку методики их моделирования. Эффективность метода моделирования зависит от того, насколько грамотно разработчик использует возможности моделирования. Выбор метода моделирования и необходимая детализация зависит от этапа разработки моделей. Роль моделирования очень высока также при прогнозировании развития систем.

В настоящее время основные достижения в различных областях науки и техники связаны с процессом совершенствования ЭВМ. Ресурсы современной информационно- вычислительной техники дают возможность ставить и решать математические задачи такой сложности, которые в недавнем прошлом назывались нереализуемыми. Исторически вначале исследовались аналитические модели, а ЭВМ использовались в качестве вычислителя по аналитическим зависимостям.

Поэтому в настоящее время наряду с построением аналитических моделей большое внимание уделяется задачам оценки систем на основе имитационных моделей, реализованных на современных ЭВМ с высоким быстродействием и большим объемом оперативной памяти.

Данный недостаток внимания к моделированию устраняется путем использования методов программной инженерии. В этом подходе при проектировании систем вначале программный менеджер планирует весь этап разработки систем, а затем архитектор разрабатывает функциональную или математическую модель, а по модели с использованием методов CASE технологий разрабатывается программа. И после анализа результатов моделирования разрабатывается конечный код программы. Поэтому формальный этап использования моделей устраняется, но в этом вопросе есть сложности использования CASE технологий. Однако CASE технологии используются очень редко, так как это сложно и проще сделать как обычно.

В связи с важностью вопроса моделирования в различных областях знаний в настоящее время должны приобретать знания стандартов образований, в которых имеются основные нормативные требования к вопросам обучения с учетом приобретения основных компетенций для специалистов в области информационных технологий и в частности компетенций в вопросах моделирования.

Федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС) — совокупность обязательных требований к образованию определенного уровня и (или) к профессии, специальности и направлению подготовки, утвержденных федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере образования. К образовательным стандартам, принятым до 2009 года, применялось название «Государственные образовательные стандарты». До 2000 года, до принятия государственных стандартов по каждой ступени общего образования и специальности (направления подготовки) профессионального образования, в рамках общего государственного образовательного стандарта применялись государственные требования к минимуму содержания уровню подготовки выпускника по каждой ступени образования и специальности.

ФГОС ВО обязательны к применению всеми имеющими государственную аккредитацию вузами Российской Федерации.

Стандартизация образования - одна из глобальных тенденций в реформировании профессионального образования во всем мире. Ее рассматривают в качестве основного средства преодоления кризиса.

Основными задачами стандартизации применительно к профессиональному образованию являются создание системы нормативной документации, определяющей прогрессивные требования к уровню и качеству профессионального образования, а также обеспечение контроля за выполнением этих требований и правильностью использования документации. Стандартизация образования - это установление единых требований к результатам образовательной деятельности в однотипных учебных заведениях, не исключающее многообразия способов их достижения.

Государственный образовательный стандарт как документ, регламентирующий формирование основных образовательных программ, введен Законом РФ «Об образовании» в 1992 г. (ст. 7).

В соответствии с указанным законом в период с 1994 по 1998 гг. было разработано и введено в действие первое поколение государственных образовательных стандартов (ГОС) общего образования, высшего профессионального образования (ГОС ВПО), среднего профессионального образования (ГОС СПО) и начального профессионального образования (ГОС НПО).

Несмотря на то, что образовательные стандарты расширили академическую свободу образовательных учреждений общего и профессионального образования в формировании образовательных программ (с 10% в 1988 г. до 30-40% в 2000 г.), они в полной мере не изменили культуру проектирования содержания образования, поскольку: сохранили ориентацию на информационной модель общего и профессионального образования, в которой основной акцент делается на формирование перечня дисциплин, их объемов и содержания, а не на требованиях к уровню освоения учебного материала;

не преодолели отрыва от развивающейся экономики страны и отдельных регионов при проектировании компонента образовательного учреждения, обеспечивающего подготовку специалиста под конкретного потребителя.

Ускоряющаяся динамика структурных изменений в экономике обусловила также необходимость постоянного обновления содержания профессионального образования, что потребовало принятия федеральных государственных образовательных стандартов нового поколения для всех уровней профессионального образования. Это вызвано, во- первых, назревшей необходимостью реформирования образования, вошедшего в явно кризисное состояние по всем его подсистемам, во- вторых, развитием рыночных отношений. Одновременное удовлетворение требований личности, работодателя, рынка труда, потребности в образовательных услугах становится возможным только на основе строгой регламентации требований к образованию.

ФГОС предусматривает деление основной образовательной программы на обязательную (базовую) часть и часть, формируемую участниками образовательного процесса (вариативную).

Макетом ФГОС ВПО впервые было предусмотрено применение системы зачетных единиц для расчета трудоемкости ООП и их компонентов. Предполагается, что российская система зачетных единиц по основным параметрам должна быть аналогична европейской системе

Это позволит российским вузам развивать свои программы на основе академической мобильности студентов, создаст основу для реализации совместных образовательных программ, позволит унифицировать форму приложения к российскому диплому о высшем образовании по типу европейского Diploma Supplement.

ФГОС устанавливает необходимые свободы образовательному учреждению для формирования основных образовательных программ с участием всех заинтересованных субъектов.

С другой стороны, ФГОС общего и профессионального образования формулируют требования к результатам освоения ООП в терминах компетенций выпускников, что должно нацеливать образовательные учреждения обеспечивать не столько набор определенных учебных предметов, курсов, дисциплин, сколько приобретение обучающимися востребованных компетенций, в первую очередь, способности самостоятельно приобретать и применять знания, а также использовать умения, навыки и личностные качества в познавательной и профессиональной деятельности в условиях инновационной экономики, а значит, при решении нестандартных задач. Во всех образовательных стандартах по информационным технологиям большое место занимают вопросы, связанные с моделированием. Так, в курсе информатика имеется раздел моделирование и формализация.

Содержание

• Введение 

• Глава 1. Теоретические основы преподавания раздела "Моделирование и формализация" в основной школе

• 1.1 Анализ нормативных документов. 

• 1.2 Анализ основных учебников 

• Глава 2. Методические материалы для изучения раздела 

• 2.1 Система задач по формализации и моделированию 

• 2.1.1 Моделирование в среде графического редактора 

• 2.1.2 Моделирование в среде текстового процессора 

• 2.1.3 Моделирование в электронных таблицах 

• 2.1.4 Моделирование в системе программирования Visual Basic 

• 2.2 Методические рекомендации по изучению 

• Заключение 

В настоящее время получил распространение компетентностный подход. Это направление связано с желанием определить изменения в образовании, необходимость в которых возникает из-за перемен, происходящих в обществе Компетентностный подход – это комплекс общих принципов, которые необходимы для того чтобы определить цели образования, организовать образовательный процесс и оценить его результаты. Смысл образования состоит в том, чтобы развить у обучаемых способности к самостоятельному решению проблем в разных видах и сферах деятельности, используя социальный опыт, в который включен и собственный опыт учеников. Утверждение компетентностного подхода характеризуется активным использованием категории компетенции в образовании. В материалах ЮНЕСКО приводится круг компетенций, которые рассматриваются как желаемый результат образования. В 1996 г. Совет Европы вводит понятие «ключевые компетенции», которые должны способствовать сохранению демократического общества, соответствовать новым требованиям рынка труда и экономическим преобразованиям. Компетентностный подход – это будущее образования, который характеризуется свойствами: обучаемость, самоопределение, социализация и развитие индивидуальности. В качестве инструментальных средств достижения этих целей выступают принципиально новые метаобразовательные конструкты метакачества.

Мета-качества – это способности, качества, свойства личности, обусловливающие, определяющие продуктивность широкого круга учебно-познавательной, социальной и профессиональной деятельности человека.

Таки образом, компетентностный подход является важным условием обеспечения непрерывного образования и выступают как конкретные цели общего и профессионального образования.

 Рассмотрим основные компетенции в сфере образования.

Компетенции учителя информатики

Требования, предъявляемые федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) третьего поколения к образовательной подготовке будущего специалиста степени бакалавра по направлению подготовки 050100 Педагогическое образование профиля подготовки 050202 Информатика.

Руководствуясь требованиями компетентностного подхода и ФГОС ВПО, рассмотрим построение модели подготовки будущего учителя информатики на основе компетентностного подхода:

Модели, моделирование используется много лет и является мощным инструментом науки и техники. Сегодня моделирование в подавляющем большинстве случаев – это компьютерное моделирование. В образовании получили развитие три направления: компьютер - объект изучения, компьютер - инструмент обучения и компьютер - инструмент познания.

• Рассмотрим основные теоретические положения компьютерного моделирования. И так, моделирование – это замена реального объекта (или объекта, который проектируется), его моделью. Причем модель более доступна, более удобна, более наглядна для изучения, чем сам объект. Она существенно упрощает получение информации о свойствах моделируемого объекта. Моделирование – это и построение моделей, и применение моделей на практике. Собственно модель – это самостоятельный объект, который подобен моделируемому объекту, обладает с ним некоторым сходством, отражает главные, с точки  зрения решаемой задачи, свойства объекта моделирования.

• Понятие модели включает в себя следующие компоненты: объект моделирования; решаемая задача; способ построения и реализации модели. В этом комплексе задача является главным элементом, определяющим характер создаваемой модели и перечень существенных свойств моделируемого объекта. Без задачи понятие модели не имеет смысла.

• Таким образом, технология моделирования подразумевает вариативность в разработке и выборе типов моделей, и даже получение ряда различных по адекватности (полезности, точности, быстродействию) моделей.

• Основные функции моделей в современной науке и практической деятельности:

• 1.Познавательная функция, получение новых знаний, познание законов функционирования объекта. Этим занимается любая наука.

• 2. Передача информации и знаний, выявление закономерностей и свойств.

• 3. Решение задач оптимизации и управления состоянием объекта или протеканием процессов. Действительно, прежде чем принять какое либо управленческое решение интересно узнать предполагаемый результат выполнения этого решения. В любом случае желательно получить наилучший (оптимальный) результат.

• 4. Создание объектов с заранее заданными свойствами. Такая задача решается при проектировании любой системы.

• 5. Диагностика состояния объекта, прогнозирование его поведения или прогнозирование развития процесса.

• 6. Имитация объектов и создание тренажеров.

• 7. Разработка игровых моделей и когнитивных моделей обучения.

Проектирование и эксплуатация современных сложных технических систем все больше требует «поддержки» со стороны моделирования. Давно ушли в историю методы проектирования, основанные на опыте и интуиции. Современные технологии проектирования подразумевают применение научных знаний, математических моделей, методов оптимизации с целью получения объекта с наилучшими свойствами. В настоящее время моделирование в современной науке и технике трудно переоценить. Пройденный путь начат с применения макетов и материальных моделей на сегодня продолжен сложнейшими математическими и имитационными компьютерными моделями.

Компьютер – мощный инструмент проведения модельных экспериментов, так как позволяет хранить и быстро обрабатывать большие объемы информации. Компьютерное моделирование позволяет исследовать модели высокой степени сложности, анализировать влияние множества факторов. Компьютерные модели стали основой математизации ряда областей науки и практической деятельности, которые ранее развивались как описательные и носили сугубо качественный характер. В ходе компьютерного моделирования возможна визуализация результатов моделирования средствами виртуальной реальности.

• Компьютер является инструментом создания самих моделей: предоставляется возможность автоматизированного построения модели, выбора численных методов и  создания программы, реализующей вычислительную модель. Традиционный путь создания реальной компьютерной модели начинается с описания объекта. Разделение ролей несколько утрированно, но не меняет сути и содержания действий. Постановка всех задач осуществляется специалистом в конкретной предметной области средствами соответствующего профессионального языка. Далее математик  создает описание (модель) объекта средствами языка математики и преобразует математическую модель в вычислительную. На следующем этапе программист приступает к разработке алгоритмов и программ, реализующих решение задачи моделирования.

В течении многих лет препятствиями для широкого использования компьютерного моделирования в образовательных целях была необходимость создания компьютерных моделей средствами программирования. Современное программирование – это самостоятельна дисциплина, освоение которой требует серьезных затрат времени и сил. Применение инструментальных программных комплексов визуального моделирования предоставляет возможность быстрой разработки компьютерных моделей и проведения модельного эксперимента. Причем  программирования (написания кода) при разработке моделей не требуется. Примерами таких комплексов являются математические пакеты MatLab, MathCad, Maple, SciLab, Компас и другие. Программные комплексы визуального моделирования позволяют быстро конструировать модели, наглядно представлять результаты моделирования, варьировать значения параметров модели в ходе экспериментов, т.е. позволяют сконцентрировать внимание на модельном эксперименте. Если построение моделей принципиально упрощается, то основой изучения процессов и явлений становится компьютерный эксперимент, т.е. активная творческая форма проведения занятий. Таким образом, организация занятий на основе инструментальных программных комплексов моделирования позволяет повысить качество преподавания и результаты учебной деятельности. Результатом обучения будет знание, полученное активным творческим путем. Следовательно, моделирование, в том числе компьютерное,  составляет неотъемлемую часть не только современной науки и техники, но и образования, причем по важности для образования оно приобретает первостепенное значение.

В связи с тем, что направлений в подготовке специалистов в области информационных технологий и в частности по моделированию достаточно много, то за основу анализа можно выбрать направление Программная инженерия. Эта дисциплина относительно новая и  готовит специалистов не только одной специальности.

15