Информационное моделирование и системология

Компьютерное моделирование — одна из центральных и наи­более универсальных информационных технологий. Глубина изу­чения соответствующей темы в значительной мере определяет те­оретический уровень курса информатики, служит реализации его общеобразовательного потенциала. Отметим, что ГОС-2004 выде­ляет как одну из целей изучения информатики на базовом уровне «овладение умениями применять, анализировать, преобразовы­вать информационные модели реальных объектов и процессов, используя при этом информационные и коммуникационные тех­нологии»; раздел «Информационные системы и модели» выделен в нем как самостоятельный. Мы подчеркиваем это потому, что при технологическом и программистском уклонах, иногда свой­ственных реализуемым в школе курсам информатики, этой теме уделяется недостаточно внимания. В обсуждаемом курсе этой теме может быть посвящено 10 ч и более, что позволяет достаточно глубоко проникнуть в суть обсуждаемых понятий.

Методика введения понятий «информационная модель», «ин­формационное моделирование» в должной мере раскрыта в основном курсе; повторять сказанное там не будем. Из рассмотренных в этой главе трех уровней изучения вопросов формализации и моделирования для многих учащихся второй и для большинства третий уровни в реальности именно те, которые должны быть реализованы в стар­шей школе. Учебник Семакина содержит достаточный для этого материал. Как сказано ранее на наиболее высоком уровне базового курса (а применительно к старшей школе — на стандартном уровне обучения) в явном виде прослеживается связь между моделированием и системологией и преследуется цель вы­работки навыков активного использования методов системного анализа. В Семакине содержится специальный параграф, посвя­щенный основным понятиям системологии, иллюстрированный примера­ми из ряда наук и видов практической деятельности. Отдельный параграф посвящен описанию естественных и искусственных си­стем и систем управления, т.е. элементарному введению в кибер­нетику.

После рассмотрения понятий информационного моделирова­ния и системологии курс должен обеспечить изучение следующих, базирующихся на указанных понятиях, вопросов:

· графы и сети;

· иерархические структуры и деревья;

· табличная организация данных.

Изучение такого набора вопросов преследует, как минимум, две цели: теоретическую и практическую. В теоретическом плане важно усвоить, что предметом науки может быть не всякое опи­сание, а лишь прошедшее ту или иную формализацию, т.е. описа­ние «по правилам». В практическом плане учащ­иеся готовятся к изучению другой важной темы: информационные системы и базы данных.

Из формализованных информационных моделей уместно рас­смотреть вначале информационные модели на графах. Вводим поня­тие «граф» и связанные с ним понятия «вершина», «ребро» и т.д. Опираясь на литературные и исторические факты, строим неори­ентированные связные графы - деревья, ориентированные гра­фы, отображаем в виде графов элементы биологической класси­фикации и т.д. Основная цель этого — выработать представление о простейших информационных моделях и сформировать элемен­тарные навыки их построения.

Далее уместно перейти к изучению информационных моделей, которые составляют основу современных баз данных, т.е. табли­чных, иерархических и сетевых моделей представления данных.

Табличные информационные модели изучаются в базовом курсе информатики. Они наиболее просты (иди, по крайней мере, при­вычны благодаря обыденности использования различных прямо­угольных таблиц). Напоминаем учащимся, как в целом устроены таблицы и какие виды информационных связей в них заложены. Рассказываем о типизации таблиц и приводим примеры таблиц типа «объект —свойство» и типа «объект —объект». Поскольку изу­чаемый курс базируется на уже знакомом уча­щимся материале (из базового курса информатики), то естественно ожидать от него не только знакомства с табличной формой представления инфор­мационной модели, но и выработки навыков самостоятельного структурирования информации, расположенной «кучей», организованной в таблицу, причем разными способами, в некотором осмысленном порядке. Кроме того, желательно освоить более слож­ные типы таблиц. Например, если описываются пары объектов и свойств у пары объектов несколько, то возникает таблица типа «объекты — объекты — много». Она графически выглядит существен­но сложнее: колонки разбиты на полколонки, имеющие (наряду с колонками) собственные названия, родственные названиям ос­новных колонок, и т.д. Что же касается содержательного матери­ала, то его в данном случае естественно базировать на историчес­кой или литературной основе.

В базовом курсе информатики основной школы, как правило, не рассматривают иерархические и сетевые модели представле­ния данных. Тем не менее они часто возникают естественным об­разом из содержательной стороны задания по структурированию информации. Для введения в иерархические модели представле­ния данных полезно привести примеры иерархических отноше­ний: родители — дети, учителя — учащиеся и т.д. Если надо ин­формацию о подчиненных объектах расположить так, чтобы эта подчиненность была очевидной, то естественно сделать это в гра­фической форме (рис. ниже). При этом каждая запись является струк­турированной, т.е. состоит из нескольких полей, аналогичных стро­ке таблицы.

Су­щественно донести до учащихся следующее: информацию, структурированную в иерархической форме, чаще всего можно структурировать и в табличной. Например, в таблице можно предусмотреть поле (колонку), в которую заносятся сведения об иерархическом соотношении информации в разных строках. Воп­рос о способе структурирования решается чаще всего исходя из назначения информационной модели. Ведь мало просто как-то расположить информацию: потом последуют операции поиска по некоторому признаку (ключу) и именно в этот момент и про­явятся достоинства и недостатки избранного способа структури­рования.

Изображенная схема иерархического соотношения данных яв­ляется простейшей. Если у подчиненных объектов, изображенных на ней, есть свои подчиненные объекты, то возникает дерево. Иерархия в этом случае задается уровнями дерева.

Далее ставится вопрос: а как строить информационную модель в случае, когда объекты связаны друг с другом системой отноше­ний, не сводимых к иерархии или неудобных для оформления в таблице (в силу сложности и многочисленности отношений)? Приводим пример: отобразить наглядно связи, существующие между учителями и учащимися школы, чтобы было видно, какой учитель работает с какими уча­щимися и, наоборот, какие учите­ля у каждого учащегося. При таком задании естественным обра­зом возникает сетевая модель со сложной структурой. Впрочем, это же задание можно свести к совокупности деревьев, т.е. иерар­хических структур.

Заметим, что хотя с формальных позиций все три вида моде­лей равно интересны, наибольшее практическое значение в дан­ном курсе играет реляционная форма представления отношений между данными, хотя бы в силу того, что наиболее популярные СУБД, без которых компьютерная реализация таких моделей затруднительна, нацелены на создание и обработку именно реляци­онных баз данных.

Для проведения занятий по этой теме могут быть весьма полез­ны материалы задачника-практикума. Дополнительный мате­риал по этой теме может быть связан с изучением представления знаний в системах искусственного интеллекта и введением в экс­пертные системы.

Содержание практической работы при изучении этой темы це­лесообразно свести к следующим действиям:

· работа с таблицами в Word, построение табличных информа­ционных моделей;

· использование графических возможностей Word, внедрение графических объектов в документы Word;

· построение графовых моделей средствами текстовых и графи­ческих редакторов.

В результате обучения учащ­иеся должны:

· знать (понимать): назначение и виды табличных, иерархи­ческих, сетевых информационных моделей, описывающих реаль­ные объекты и процессы;

· уметь: строить информационные модели на графах; исполь­зовать готовые информационные модели, оценивать их соответ­ствие реальному объекту и целям моделирования; оперировать различными видами информационных объектов, в том числе с помощью компьютера, соотносить полученные результаты с ре­альными объектами; распознавать и описывать информационные процессы в социальных, биологических и технических системах;

· использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни: для развития основ системного видения мира, комплексного освоения возможностей ин­формационного моделирования.