>>Информатика: Графические информационные модели
§ 7. Графические информационные модели
Основные темы параграфа:
♦ карта как информационная модель;
♦ чертежи и схемы;
♦ график - модель
процесса.
Карта как информационная модель
Можно ли назвать информационной моделью
карту местности (рис. 2.2)? Безусловно, можно! Во-первых, карта описывает конкретную местность, которая является для нее объектом
моделирования. Во-вторых, это графическая делить расстояние между различными пунктами. Однако никаких более подробных сведений о населенных пунктах, кроме их положения, эта карта не дает.
Другими знакомыми вам примерами графических информационных моделей являются чертежи, схемы, графики.
Чертеж должен быть очень точным, не нем указываются все необходимые размеры. Например, чертеж болта нужен для того, чтобы, глядя на него, токарь мог выточить болт на стенке (рис.2.3).
У схемы электрической цепи нет никакого внешнего сходства с реальной электрической цепью (рис.2.4). Электроприборы (лампочка, источник тока, конденсатор, сопротивление) изображены символическими значками, а линии – это соединяющие их проводники электрического тока. Электрическая схема нужна для того, чтобы понять принцип работы цепи, чтобы можно было рассчитать в ней токи и напряжения, чтобы при сборке цепи правильно соединить ее элементы.
На рисунке 2.5 приведена схема.
Схема – это графическое отображение состава и структуры сложной системы.
Структура – это определенный порядок объединения элементов системы в единое целое.
Структуру московского метрополитена называют радикально-кольцевой.
График - модель процесса
Для отображения различных процессов часто прибегают к построению графиков. На рис. 2.6 изображен график изменения температуры в течение некоторого периода.
С картами, чертежами, схемами, графиками вы имели дело и раньше. Просто раньше вы их не связывали с понятием информационной модели.
Коротко о главном
Наглядными способами представления информационных моделей являются графические изображения: карты, чертежи, схемы, графики.
Вопросы и задания
1. Приведите различные примеры графических информационных моделей.
2. Постройте графическую модель вашей квартиры. Что это: карта, схема, чертеж?
3. Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график) применима для отображения процессов? Приведите примеры.
4. Постройте графическую модель собственной успеваемости по двум различным дисциплинам школьной программы (самой любимой и самой «нелюбимой»). Спрогнозируйте по этой модели свой дальнейший процесс обучения данным предметам.
И. Семакин, Л. Залогова, С. Русаков, Л. Шестакова, Информатика, 9 класс
Отослано читателями из интернет-сайтов
Основы информатики, подборка рефератов к урокам информатики , скачать рефераты, уроки информатики 9 класс онлайн, домашняя работа
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
Услышав такие слова как «моделирование», «модель», человек представляет себе образы из своего детства: макеты домов, маленькие автомобили, самолеты, глобус. Именно с помощью таких упрощенных вариантов отражают функции и характеристики подлинных предметов и объектов. Глядя на примеры информационных моделей, намного проще понять суть и предназначение самого оригинала.
Основная цель моделирования
Примеры графических информационных моделей в повседневной жизни встречаются часто. Именно с их помощью можно наглядно представить сложность реальных процессов. Они являются подобием реальных предметов, но обладают только теми характеристиками, которые будут востребованы в определенной ситуации. Примеры информационных моделей показывают, что нет смысла наделять их абсолютно всеми характеристиками реального объекта. Ведь придется существенно усложнить структуру, ею будет неудобно пользоваться.
Важно понимать, какова основная цель создания модели, в какой ситуации она будет использоваться. Исходя из этих характеристик, создаваемую уменьшенную копию реального объекта наделяют определенными параметрами. В современном моделировании стараются придерживаться четкой последовательности. Она включает в себя создание самого объекта, постановку цели для сотворения уменьшенной копии, определение ее основных характеристик.
Системный анализ
Если анализировать примеры информационных моделей, необходимо остановиться на словесных, графических, математических, табличных вариантах. Попробуем выявить наиболее важные параметры, которые необходимы для моделирования, а также найти между ними взаимосвязь. Процесс, касающийся составления совокупности свойств реального объекта для формирования его уменьшенной копии, принято называть системным анализом.
Вариант представления
Примеры информационных моделей различных видов подтверждают важность поиска оптимальной формы их представления. Именно она связана с формированием некого образа о реальном предмете. Среди основных требований, которые предъявляются к проекту, лидирующие позиции принадлежат наглядности. Ее обеспечивает информационная графическая модель. О ней поговорим подробней.
Примеры графических привести достаточно легко. Ими могут стать карты определенного участка местности, электрические схемы, разнообразные чертежи, графики. Интересным можно считать тот факт, что одну и ту же изучаемую величину, к примеру, среднесуточную температуру воздуха, можно представить в разнообразных формах. Она может быть выражена в виде таблицы, системы координат, текста. Пример построения информационной модели по одним и тем же данным применяется и в общеобразовательных учреждениях, и в высшей школе.
Применение моделирования
После того как сформирован прообраз реального объекта, его параметры можно применять для знакомства с оригиналом, прогнозировать поведение изучаемого предмета в зависимости от условий, проводить необходимые расчеты. Примеры информационных моделей объектов свидетельствуют о том, что часто удобнее пользоваться смешанными вариантами. Где можно встретить подобный симбиоз? Примеры информационных моделей смешанного вида распространены в строительстве. Они позволяют определять путем предварительных математических вычислений оптимальные нагрузки на разные части здания, не допускать «просадки» фундамента.
Яркие примеры графических информационных моделей смешанного вида - разнообразные географические карты. Они дополняются таблицами, пояснительными надписями, топографическими специальными символами. Кроме того, в географии часто пользуются диаграммами, графиками, схемами. Последние подразделяют на графы, блоки, карты.
О классификации моделей
Для того чтобы работать с создаваемыми моделями было удобно, существует условное подразделение их на блоки:
- по сферам применения;
- отрасли знаний;
- временному фактору;
- виду представления.
Кроме того, возможно разделение по типу построения на сетевые, иерархические, табличные виды. В зависимости от варианта представления данных существуют различные примеры графических информационных моделей знакового либо образно - знакового вида. Рассматриваться реальный объект может с помощью описания свойств либо анализа принципа его действия.
Примеры образной информационной модели
Допустим, преподаватель на уроке дал задание учащимся: приведите примеры графических информационных моделей. Что нужно сделать для этого? Для начала можно подобрать варианты, зафиксированные на бумажном носителе. Ими можно считать любые географические карты, рисунки, фотографии, графики. В учебных заведениях подобных примеров довольно много. Ведь одним из основных способов наглядного обучения является предоставление изучаемого материала в графическом и табличном виде.
Не только на уроках географии педагог предлагает своим воспитанникам многочисленные схемы и карты. Такой предмет, как история, также тесно связан с рисунками, графиками, разнообразными таблицами. Если учитель истории скажет своему воспитаннику: «Приведите примеры графических информационных моделей, касающихся Сталинградской битвы», ребенку достаточно открыть атлас на нужной странице. С помощью стрелок и цветового акцента на карте отражены все основные моменты, касающиеся этого легендарного события. Помимо учебных заведений, варианты образной информационной модели встречаются и научных учреждениях, специализирующихся на разделении объектов по их внешним признакам.
Подразделение моделей по времени
Существуют динамические и статические варианты. Они существенно отличаются. Статические информационные модели предполагают изучаемого объекта в конкретный промежуток времени. Их примеры можно встретить при возведении здания. Строительство предполагает первоначальные расчеты прочности, устойчивости к статической нагрузке. Встречаются статические варианты и в стоматологии. Описывая состояние полости рта пациента при медицинском осмотре, доктор отмечает присутствие различных дефектов, количество пломб.
С помощью стоматолог будет анализировать динамику изменения состояния зубов у человека на протяжении определенного промежутка времени. Например, за последний год или от момента предыдущего приема. Встречаются динамические информационные модели и при работе с характеристиками либо факторами, предполагающими изменение во времени. Среди таких параметров можно упомянуть сейсмические колебания, скачки температур, изменение влажности воздуха.
Вербальные информационные модели
Наглядно поясняет эту группу пример информационной модели ученика. Во время ответа на вопросы, предлагаемые учителем, ребенок пользуется словесным описанием явления, процесса. Например, рассказывая о правилах поведения пешехода на дороге, школьник самостоятельно моделирует ситуацию, предлагает свой способ ее разрешения. Относят к этой категории и рифму, которую поэт еще не успел перенести на лист бумаги. Вербальная информационная модель имеет описательный характер. Ее примером является проза в произведениях, текстовое описание определенных объектов и явлений.
Знаковые модели
В качестве еще одной характеристики можно представить отображение средствами формального языка характеристик объекта. Приводя 2 примера знаковой информационной модели, остановимся на текстах и схемах. Оба способа представления объекта применяются практически во всех сферах деятельности современного человека. Существует подразделение знаковых моделей на структурные, специальные, словесные, логические, геометрические виды.
Математические формы
Основной особенностью математической информационной модели является поиск при описании объекта соотношения между количественными характеристиками. К примеру, зная массу рассматриваемого тела, можно, воспользовавшись формулой, рассчитать скорость его передвижения за определенный временной промежуток. Математические информационные модели подразделяют на виды: дискретные, статические, имитационные, непрерывные, динамические, логические, алгоритмические, множественные, игровые, вероятностные.
Табличные информационные модели
Если свойства объекта, модели представлены в виде списка, а значения находятся в ячейках, речь идет о табличной модели. Ее считают одним из самых распространенных способов передачи сведений. С помощью таблиц формируют динамические и статические информационные характеристики в разнообразных прикладных областях. В повседневной жизни человек сталкивается с подобными вариантами, анализируя расписание пригородных поездов, изучая программу телевизионных передач, просматривая прогноз погоды. Существуют двоичные таблицы, в которых представлено две характеристики рассматриваемого процесса или явления.
Например, для того чтобы составить график скорости, чертится таблица данных. В ней присутствуют параметры перемещения и времени. Таблицы «объект - объект» предполагают перечисление в строках и столбцах их названий. К примеру, там может быть указание населенных пунктов. Взаимосвязью между ними будут качественные характеристики. Таблицы варианта «объект - свойство» содержат сведения о событии в строке, информацию о его характеристиках в столбике. По подобным таблицам можно определить параметры погоды: температуру, силу ветра, осадки на несколько дней. Пользоваться табличными моделями удобно в тех случаях, когда у рассматриваемого объекта немного характеристик. Если же необходимо составить схему линий метрополитена, имеющую массу разветвлений, переходов, нужна сетевая информационная модель. Примером иерархической информационной модели является генеалогическое древо.
Заключение
Многочисленные информационные модели помогают современному человеку упорядочить характеристики предметов и объектов, находящихся в природе, технике, встречающиеся ему в повседневной жизни. Именно с их помощью можно получить представление о каком-то реальном объекте, явлении, чтобы найти оптимальные способы для его применения, управления им. Без информационных моделей разных типов проблематично работать представителям многих профессий.
Проверка домашнего задания Приведите различные примеры графических информационных моделей. Приведите различные примеры графических информационных моделей. Графическая модель вашей квартиры. Что это: карта, схема, чертеж? Графическая модель вашей квартиры. Что это: карта, схема, чертеж? Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график) применима для отображения процессов? Приведите примеры. Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график) применима для отображения процессов? Приведите примеры.
Динамическое моделирование
Содержательная постановка задачи В процессе тренировок теннисистов используются автоматы по бросанию мячика в определенное место площадки. Необходимо задать автомату необходимую скорость и угол бросания мячика для попадания в площадку определенного размера, находящуюся на известном расстоянии.
Качественная описательная модель мячик мал по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой; мячик мал по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой; изменение высоты мячика мало, поэтому ускорение свободного падения можно считать постоянной величиной g=9,8 м/с 2 и движение по оси Y можно считать равноускоренным; изменение высоты мячика мало, поэтому ускорение свободного падения можно считать постоянной величиной g=9,8 м/с 2 и движение по оси Y можно считать равноускоренным; скорость бросания тела мала, поэтому сопротивлением воздуха можно пренебречь и движение по оси X можно считать равномерным. скорость бросания тела мала, поэтому сопротивлением воздуха можно пренебречь и движение по оси X можно считать равномерным.
Математическая модель x = v0· cosα·t y = v0· sinα· t – g· t 2 /2 v0· sinα· t – g· t 2 /2 = 0 t· (v0· sinα – g· t/2) = 0 v0· sinα – g· t/2 = 0 t = (2· v0· sinα)/g x = (v0· cosα· 2· v0·sinα)/g = (v0 2 · sin2α)/g S x S+L – «попадание» Если х S+L, то это означает "перелет".
Компьютерная модель на языке Паскаль Компьютерная модель на языке Паскаль program s1; uses graph; {подключение графического модуля} uses graph; {подключение графического модуля} var g, V0, A, t: real; var g, V0, A, t: real; gr, gm, S, L, x, i, y: integer; gr, gm, S, L, x, i, y: integer;
Компьютерная модель на языке Турбо Паскаль Компьютерная модель на языке Турбо Паскаль begin g:=9.8; g:=9.8; readln (v0, a, S, L); gr:=detect; initgraph(gr,gm,""); {вызов процедуры GRAPH} line(0,200,600,200);{чертим ось ох} line(0,0,0,600);{чертим ось оу} setcolor(3);{устанавливаем голубой цвет} line(S*10,200,(S+L)*10,200);{чертим площадку}
Компьютерная модель на языке Турбо Паскаль Компьютерная модель на языке Турбо Паскаль x:=round(v0*v0*sin(2*a*3.14/180)/g); if x S+L then outtextxy(500,100,"perelet") else outtextxy(500,100,"popal"); {записываем результат полёта} readln;closegraph;end.
Разнообразие графических моделей достаточно велико. Рассмотрим некоторые из них.
Графы
Наглядным средством отображения состава и структуры систем являются графы. Рассмотрим пример. Имеется словесное описание некоторой местности.
Район состоит из пяти поселков: Дедкино, Репкино, Бабкино, Кошкино и Мышкино. Автомобильные дороги проложены между: Дедкино и Бабкино, Дедкино и Кошкино, Бабкино и Мышкино, Бабкино и Кошкино, Кошкино и Репкино.
По такому описанию довольно трудно представить себе эту местность. Гораздо легче та же информация воспринимается с помощью схемы. Это не карта местности. Здесь не выдержаны направления по сторонам света, не соблюден масштаб. На этой схеме отражен лишь факт существования пяти поселков и дорожной связи между ними. Такая схема, отображающая элементный состав системы и структуру связей, называется графом.
Составными частями графа являются вершины и ребра. На рисунке вершины отображены кружками – это элементы системы, а ребра изображены линиями – это связи (отношения) между элементами. Глядя на этот граф, легко понять структуру дорожной системы в данной местности.
Построенный граф позволяет, например, ответить на вопрос: через какие поселки надо проехать, чтобы добраться из Репкино в Мышкино? Видно, что есть два возможных пути: 1) Р - К - Б - М и 2) Р- К - Д - Б - М. Можно ли отсюда сделать вывод, что 1-й путь короче 2) –го? Нет, нельзя. Данный граф не содержит количественных характеристик. Это не карта, где соблюдается масштаб и есть возможность измерить расстояние.
Граф, приведенный на следующем рисунке, содержит количественные характеристики. Числа около ребер обозначают длины дорог в километрах. Это пример взвешенного графа. Взвешенный граф может содержать количественные характеристики не только связей, но и вершин. Например, в вершинах может быть указано население каждого поселка. Согласно данным взвешенного графа, оказывается, что второй путь длиннее первого.
Подобные графы еще называют сетью. Для сети характерна возможность множества различных путей перемещения по ребрам между некоторыми парами вершин. Для сетей также характерно наличие замкнутых путей, которые называются циклами. В данном случае имеется цикл: К-Д-Б-К
На рассмотренных схемах каждое ребро обозначает наличие дорожной связи между двумя пунктами. Но дорожная связь действует одинаково в обе стороны: если по дороге можно проехать от Б к М, то по ней же можно проехать и от М к Б (предполагаем, что действует двустороннее движение). Такие графы являются неориентированными, а их связи называются симметричными.
Качественно иной пример графа изображен на следующем рисунке.
Этот пример относится к медицине. Известно, что у разных людей кровь отличается по группе. Существуют четыре группы крови. Оказывается, что при переливании крови от одного человека к другому не все группы совместимы. Граф показывает возможные варианты переливания крови. Группы крови – это вершины графа с соответствующими номерами, а стрелки указывают на возможность переливания одной группы крови человеку с другой группой крови. Например, из этого графа видно, что кровь первой группы можно переливать любому человеку, а человек с первой группой крови воспринимает только кровь своей группы. Видно также, что человеку с IV группой крови можно переливать любую, но его собственную кровь можно переливать только в ту же группу.
Связи между вершинами данного графа несимметричны и поэтому изображаются направленными линиями со стрелками. Такие линии принято называть дугами (в отличие от ребер неориентированных графов). Граф с такими свойствами называется ориентированным. Линия, выходящая и входящая в одну и ту же вершину, называется петлей. В данном примере присутствуют четыре петли.
Дерево – граф иерархической структуры
Весьма распространенным типом систем являются системы с иерархической структурой. Иерархическая структура естественным образом возникает, когда объекты или некоторые их свойства находятся в отношении соподчинения (вложения, наследования). Как правило иерархическую структуру имеют системы административного управления, между элементами которых установлены отношения подчиненности (директор завода – начальники цехов – начальники участков – бригадиры - рабочие). Иерархическую структуру имеют также системы, между элементами которых существуют отношения вхождения одних в другие.
Граф иерархической структуры называется деревом. Основным свойством дерева является то, что между любыми двумя его вершинами существует единственный путь. Деревья не содержат циклов и петель.
Дерево административной структуры РФ
Посмотрите на граф, отражающий иерархическую административную структуру нашего государства: РФ делится на семь административных округов; округа делятся на регионы (области и национальные республики), в состав которых входят города и другие населенные пункты. Такой граф называется деревом.
У дерева существует одна главная вершина, которая называется корнем дерева. Эта вершина изображается вверху; от нее идут ветви дерева. От корня начинается отсчет уровней дерева. Вершины, непосредственно связанные с корнем, образуют первый уровень. От них идут связи к вершинам второго уровня и т.д. Каждая вершина дерева (кроме корня) имеет одну исходную вершину на предыдущем уровне и может иметь множество порожденных вершин на следующем уровне. Такой принцип связи называется “один ко многим”. Вершины, которые не имеют порожденных, называются листьями (на нашем графе это вершины, обозначающие города).
Графическое моделирование результатов научных исследований.
Общую цель научной графики можно сформулировать так: сделать невидимое и абстрактное “видимым”. Последнее слово заключено в кавычки, т.к. эта видимость часто весьма условна. Можно увидеть распределение температуры внутри неоднородно нагретого тела сложной формы без введения в него сотен микродатчиков, т.е. по существу его разрушения? – Да, можно, если есть соответствующая математическая модель и, что очень важно, договоренность о восприятии определенных условностей на рисунке. Можно увидеть распределение металлических руд под землей без раскопок? Строение поверхности чужой планеты по результатам радиолокации? Да, можно, с помощью компьютерной графики и предшествующей ей математической обработки.
Более того, можно “увидеть” и то, что, строго говоря, вообще плохо соответствует слову “видеть”. Так, возникшая на стыке химии и физики наука – квантовая химия – дает нам возможность “увидеть” строение молекулы. Эти изображения – верх абстракции и системы условностей, так как в атомном мире обычные наши понятия о частицах (ядрах, электронах и т.п.) принципиально неприменимы. Однако многоцветное “изображение” молекулы на экране компьютера для тех, кто понимает всю меру его условности, приносит большую пользу, чем тысячи чисел, являющихся результатами вычислений.
Изолинии.
Стандартный прием обработки результатов вычислительного эксперимента – построение линий (поверхностей), называемых изолиниями (изоповерхностями), вдоль которых некоторая функция имеет постоянное значение. Это очень распространенный прием визуализации характеристик некоторого скалярного поля в приближении сплошной среды: изотермы – линии равной температуры; изобары – линии равного давления; изолинии численности экологической популяции на местности и т.д.
Условные цвета, условное контрастирование
Это прием современной научной графики – условная раскраска. Она находит широчайшее применение в самых разных приложениях науки и представляет собой набор приемов по максимально удобной визуализации результатов компьютерного моделирования.
В различных исследованиях температурных полей встает проблема наглядного представления результатов, например, температур на метеорологических картах. Для этого можно рисовать изотермы на фоне карты местности. Но можно добиться еще большей наглядности, учитывая, что большинству людей свойственно воспринимать красный цвет как “горячий”, синий – как “холодный”. Переход по спектру от красного к синему отражает промежуточные значения температур. При поиске полезных ископаемых методами аэросъемки с самолетов или космических спутников компьютеры строят условные цветовые изображения распределений плотности под поверхностью Земли и т.д.
Изображения в условных цветах и контрастах – мощнейший прием научной графики.
- Не следует путать изучение графического информационного моделирования с изучением технологий обработки графической информации
- Построение простых графических моделей в форме графов и иерархических структур уместно в базовом курсе информатики.
- Реализация моделей научной графики через программирование - материал повышенной трудности, практическая отработка которого уместна в профильном курсе информатики.
Задание :
-
Составить схему ключевых понятий;
- Подобрать практические задания с решениями для базового и профильного курсов информатики.
