تجربة الكمبيوتر في عملية النمذجة. تجربة الكمبيوتر والنمذجة الحاسوبية. تجربة فيزيائية بالكمبيوتر
| تخطيط الدروس للعام الدراسي | المراحل الرئيسية للنمذجة
الدرس 2
المراحل الرئيسية للنمذجة
 |
 |
|
بعد دراسة هذا الموضوع ستتعلم:
ما هي النمذجة؟
- ما الذي يمكن أن يكون بمثابة نموذج أولي للنمذجة؛
- ما هو المكان الذي تشغله النمذجة في النشاط البشري؟
- ما هي المراحل الرئيسية للنمذجة؟
- ما هو نموذج الكمبيوتر؟
- ما هي تجربة الكمبيوتر؟
تجربة الكمبيوتر
لإعطاء الحياة لتطورات التصميم الجديدة، أو إدخال حلول تقنية جديدة في الإنتاج، أو اختبار أفكار جديدة، هناك حاجة إلى تجربة. التجربة هي تجربة يتم إجراؤها باستخدام كائن أو نموذج. وهو يتألف من تنفيذ إجراءات معينة وتحديد كيفية تفاعل العينة التجريبية مع هذه الإجراءات.
في المدرسة تقوم بإجراء تجارب في دروس الأحياء والكيمياء والفيزياء والجغرافيا.
يتم إجراء التجارب عند اختبار عينات المنتجات الجديدة في المؤسسات. عادةً ما يتم استخدام تثبيت تم إنشاؤه خصيصًا لهذا الغرض، والذي يسمح بإجراء تجربة في ظروف معملية، أو يخضع المنتج الحقيقي نفسه لجميع أنواع الاختبارات (تجربة واسعة النطاق). لدراسة، على سبيل المثال، الخصائص التشغيلية لأي وحدة أو مكون، يتم وضعها في منظم الحرارة، وتجميدها في غرف خاصة، واختبارها على منصات الاهتزاز، وإسقاطها، وما إلى ذلك. من الجيد أن تكون ساعة جديدة أو مكنسة كهربائية - الخسارة ليست رائعة عندما يتم تدميرها. ماذا لو كانت طائرة أو صاروخ؟
تتطلب التجارب المعملية والميدانية تكاليف مادية ووقتًا كبيرًا، لكن أهميتها مع ذلك كبيرة جدًا.
مع تطور تكنولوجيا الكمبيوتر، ظهرت طريقة بحث فريدة جديدة - تجربة الكمبيوتر. في كثير من الحالات، ساعدت الدراسات الحاسوبية للنماذج، وفي بعض الأحيان حلت محل العينات التجريبية ومناضد الاختبار. تتضمن مرحلة إجراء التجربة الحاسوبية مرحلتين: وضع خطة التجربة وإجراء البحث.
الخطة التجريبية
يجب أن تعكس الخطة التجريبية بوضوح تسلسل العمل مع النموذج. النقطة الأولى في مثل هذه الخطة هي دائمًا اختبار النموذج.
الاختبار هو عملية التحقق من صحة النموذج الذي تم إنشاؤه.
الاختبار عبارة عن مجموعة من البيانات الأولية التي تسمح لك بتحديد صحة بناء النموذج.
للتأكد من صحة نتائج النمذجة التي تم الحصول عليها، تحتاج إلى: ♦ التحقق من الخوارزمية المطورة لبناء النموذج. ♦ التأكد من أن النموذج المبني يعكس بشكل صحيح خصائص الأصل التي تم أخذها في الاعتبار أثناء النمذجة.
للتحقق من صحة خوارزمية بناء النموذج، يتم استخدام مجموعة اختبار من البيانات الأولية، والتي تكون النتيجة النهائية معروفة مسبقًا أو محددة مسبقًا بطرق أخرى.
على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم صيغ الحساب في النمذجة، فأنت بحاجة إلى تحديد عدة خيارات للبيانات الأولية وحسابها "يدويًا". هذه هي مهام الاختبار. بمجرد إنشاء النموذج، يمكنك اختباره باستخدام نفس الاختلافات في البيانات المدخلة ومقارنة نتائج المحاكاة مع الاستنتاجات التي تم الحصول عليها عن طريق الحساب. إذا كانت النتائج متطابقة، فهذا يعني أنه تم تطوير الخوارزمية بشكل صحيح، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فنحن بحاجة إلى البحث عن سبب التناقض بينهما وإزالته. قد لا تعكس بيانات الاختبار الوضع الحقيقي على الإطلاق وقد لا تحمل أي محتوى دلالي. ومع ذلك، فإن النتائج التي تم الحصول عليها أثناء عملية الاختبار قد تدفعك إلى التفكير في تغيير المعلومات الأصلية أو النموذج الرمزي، وبشكل أساسي في الجزء الذي تم تضمين المحتوى الدلالي فيه.
للتأكد من أن النموذج الذي تم إنشاؤه يعكس خصائص النموذج الأصلي التي تم أخذها في الاعتبار أثناء النمذجة، فمن الضروري تحديد مثال اختباري مع بيانات المصدر الحقيقية.
إجراء البحوث
بعد الاختبار، عندما تكون لديك ثقة في صحة النموذج الذي تم إنشاؤه، يمكنك المتابعة مباشرة إلى إجراء البحث.
ويجب أن تتضمن الخطة تجربة أو سلسلة من التجارب التي تحقق أهداف النمذجة. يجب أن تكون كل تجربة مصحوبة بفهم للنتائج، والذي يكون بمثابة الأساس لتحليل نتائج النمذجة واتخاذ القرارات.
يظهر مخطط إعداد وإجراء تجربة الكمبيوتر في الشكل 11.7.
أرز. 11.7. مخطط تجربة الكمبيوتر
تحليل نتائج المحاكاة
الهدف النهائي للنمذجة هو اتخاذ القرار، والذي ينبغي اتخاذه على أساس تحليل شامل لنتائج النمذجة. هذه المرحلة حاسمة - إما أن تستمر في البحث أو تنهيه. يوضح الشكل 11.2 أن مرحلة تحليل النتائج لا يمكن أن توجد بشكل مستقل. غالبًا ما تساهم النتائج في إجراء سلسلة إضافية من التجارب، وأحيانًا في تغيير المشكلة.
أساس تطوير الحل هو نتائج الاختبارات والتجارب. إذا كانت النتائج لا تتوافق مع أهداف المهمة، فهذا يعني أنه تم ارتكاب أخطاء في المراحل السابقة. قد يكون هذا إما صياغة غير صحيحة للمشكلة، أو بناء مبسط للغاية لنموذج المعلومات، أو اختيار غير ناجح لطريقة النمذجة أو البيئة، أو انتهاك التقنيات التكنولوجية عند بناء النموذج. إذا تم تحديد مثل هذه الأخطاء، فيجب تعديل النموذج، أي العودة إلى إحدى المراحل السابقة. يتم تكرار العملية حتى تحقق النتائج التجريبية أهداف النمذجة.
الشيء الرئيسي هو أن تتذكر دائمًا: الخطأ المحدد هو أيضًا نتيجة. كما تقول الحكمة الشعبية، أنت تتعلم من الأخطاء. كما كتب الشاعر الروسي العظيم أ.س. بوشكين عن هذا:
أوه، كم من الاكتشافات الرائعة لدينا
إعداد روح التنوير
والخبرة ابن الأخطاء الصعبة
والعبقري، صديق المفارقات،
والصدفة يا الله المخترع...
أسئلة الاختبار والواجبات
1. اذكر النوعين الرئيسيين من مشاكل النمذجة.
2. في "كتاب المشكلات" الشهير لـ G. Oster توجد المشكلة التالية:
تعمل الساحرة الشريرة بلا كلل وتحول 30 أميرة يوميًا إلى يرقات. كم يوما سيستغرقها لتحويل 810 أميرات إلى يرقات؟ كم عدد الأميرات التي يجب تحويلها إلى يرقات يوميًا لإكمال المهمة في 15 يومًا؟
ما السؤال الذي يمكن تصنيفه على أنه من النوع "ماذا سيحدث إذا..."، وأي سؤال يمكن تصنيفه على أنه من النوع "كيف نفعل ذلك..."؟
3. اذكر الأغراض الأكثر شهرة للنمذجة.
4. قم بإضفاء الطابع الرسمي على المشكلة الفكاهية من "كتاب المشكلات" لـ G. Oster:
من كشكين يقعان على مسافة 27 كم من بعضهما البعض، قفز كلبان مشاكسان تجاه بعضهما البعض في نفس الوقت. الأول يسير بسرعة 4 كم/ساعة، والثاني بسرعة 5 كم/ساعة.
كم من الوقت سيستغرق القتال لبدء؟
5.
قم بتسمية أكبر عدد ممكن من خصائص الكائن "زوج من الأحذية" قدر الإمكان. إنشاء نموذج معلومات لكائن لأغراض مختلفة:
■ اختيار الأحذية لرحلة المشي لمسافات طويلة.
■ اختيار صندوق الأحذية المناسب.
■ شراء كريم العناية بالأحذية.
6. ما هي خصائص المراهق المهمة للتوصيات بشأن اختيار المهنة؟
7. ما هي أسباب استخدام الكمبيوتر على نطاق واسع في النمذجة؟
8. قم بتسمية أدوات النمذجة الحاسوبية التي تعرفها.
9. ما هي تجربة الكمبيوتر؟ اعط مثالا.
10. ما هو اختبار النموذج؟
11. ما هي الأخطاء التي تحدث أثناء عملية النمذجة؟ ماذا يجب أن تفعل عند اكتشاف خطأ؟
12. ما هو تحليل نتائج المحاكاة؟ ما هي الاستنتاجات التي يتم استخلاصها عادة؟
تجربة الكمبيوتر تجربة الكمبيوتر لإعطاء الحياة لتطورات التصميم الجديدة، أو لإدخال حلول تقنية جديدة في الإنتاج أو لاختبار أفكار جديدة، هناك حاجة إلى تجربة. في الماضي القريب، كان من الممكن إجراء مثل هذه التجربة إما في ظروف معملية على منشآت تم إنشاؤها خصيصًا لها، أو في الموقع، أي في الموقع. على عينة حقيقية من المنتج وإخضاعها لكافة أنواع الاختبارات. وهذا يتطلب تكاليف مادية كبيرة ووقتا. جاءت دراسات الكمبيوتر للنماذج للإنقاذ. عند إجراء تجربة حاسوبية، يتم التحقق من صحة النماذج. تتم دراسة سلوك النموذج تحت معلمات الكائن المختلفة. ويرافق كل تجربة فهم للنتائج. إذا كانت نتائج تجربة الكمبيوتر تتعارض مع معنى المشكلة التي يتم حلها، فيجب البحث عن الخطأ في النموذج المختار بشكل غير صحيح أو في الخوارزمية وطريقة حلها. وبعد تحديد الأخطاء وإزالتها، يتم تكرار تجربة الكمبيوتر. لإعطاء الحياة لتطورات التصميم الجديدة، أو إدخال حلول تقنية جديدة في الإنتاج، أو اختبار أفكار جديدة، هناك حاجة إلى تجربة. في الماضي القريب، كان من الممكن إجراء مثل هذه التجربة إما في ظروف معملية على منشآت تم إنشاؤها خصيصًا لها، أو في الموقع، أي في الموقع. على عينة حقيقية من المنتج وإخضاعها لكافة أنواع الاختبارات. وهذا يتطلب تكاليف مادية كبيرة ووقتا. جاءت دراسات الكمبيوتر للنماذج للإنقاذ. عند إجراء تجربة حاسوبية، يتم التحقق من صحة النماذج. تتم دراسة سلوك النموذج تحت معلمات الكائن المختلفة. ويرافق كل تجربة فهم للنتائج. إذا كانت نتائج تجربة الكمبيوتر تتعارض مع معنى المشكلة التي يتم حلها، فيجب البحث عن الخطأ في النموذج المختار بشكل غير صحيح أو في الخوارزمية وطريقة حلها. وبعد تحديد الأخطاء وإزالتها، يتم تكرار تجربة الكمبيوتر.
يُفهم النموذج الرياضي على أنه نظام من العلاقات الرياضية للصيغ والمتباينات وما إلى ذلك، مما يعكس الخصائص الأساسية لكائن أو عملية. يُفهم النموذج الرياضي على أنه نظام من العلاقات الرياضية للصيغ والمتباينات وما إلى ذلك، مما يعكس الخصائص الأساسية لكائن أو عملية.
مشاكل النمذجة من مجالات مواضيعية مختلفة مشاكل النمذجة من مجالات مواضيعية مختلفة الاقتصاد الاقتصاد علم الفلك علم الفلك علم الفلك الفيزياء الفيزياء علم البيئة علم البيئة علم البيئة علم الأحياء الأحياء الأحياء الجغرافيا الجغرافيا الجغرافيا
حصل مصنع بناء الآلات، الذي يبيع المنتجات بأسعار متفاوض عليها، على إيرادات معينة، بعد أن أنفق مبلغًا معينًا من المال على الإنتاج. تحديد نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة. حصل مصنع بناء الآلات، الذي يبيع المنتجات بأسعار متفاوض عليها، على إيرادات معينة، بعد أن أنفق مبلغًا معينًا من المال على الإنتاج. تحديد نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة. بيان المشكلة بيان المشكلة الغرض من المحاكاة هو دراسة عملية إنتاج وبيع المنتجات من أجل الحصول على أكبر صافي ربح. باستخدام الصيغ الاقتصادية، أوجد نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة. الغرض من النمذجة هو استكشاف عملية إنتاج وبيع المنتجات من أجل الحصول على أكبر صافي ربح. باستخدام الصيغ الاقتصادية، أوجد نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة.
المعلمات الرئيسية لكائن النمذجة هي: الإيرادات والتكلفة والأرباح والربحية وضريبة الأرباح. المعلمات الرئيسية لكائن النمذجة هي: الإيرادات والتكلفة والأرباح والربحية وضريبة الأرباح. بيانات الإدخال: بيانات الإدخال: الإيرادات ب؛ الإيرادات ب؛ التكاليف (التكلفة) S. التكاليف (التكلفة) S. سنجد معلمات أخرى باستخدام التبعيات الاقتصادية الأساسية. يتم تعريف قيمة الربح على أنها الفرق بين الإيرادات والتكلفة P = B-S. سوف نجد معلمات أخرى باستخدام التبعيات الاقتصادية الأساسية. يتم تعريف قيمة الربح على أنها الفرق بين الإيرادات والتكلفة P = B-S. يتم حساب الربحية r باستخدام الصيغة:. يتم حساب الربحية r باستخدام الصيغة:. الربح المقابل للمستوى الهامشي للربحية بنسبة 50٪ هو 50٪ من تكلفة الإنتاج S، أي. S*50/100=S/2، وبالتالي يتم تحديد ضريبة الربح N على النحو التالي: الربح المقابل للمستوى الهامشي للربحية بنسبة 50٪ هو 50٪ من تكلفة الإنتاج S، أي. S*50/100=S/2، وبالتالي يتم تحديد ضريبة الربح N على النحو التالي: إذا r
تحليل النتائج تحليل النتائج يسمح النموذج الناتج، اعتمادا على الربحية، بتحديد ضريبة الأرباح، وإعادة حساب مبلغ صافي الربح تلقائيا، والعثور على نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة. يسمح النموذج الناتج، اعتمادًا على الربحية، بتحديد ضريبة الأرباح، وإعادة حساب مبلغ صافي الربح تلقائيًا، والعثور على نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة. أظهرت تجربة حاسوبية أن نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة تزداد مع زيادة الإيرادات وتنخفض مع زيادة تكاليف الإنتاج. أظهرت تجربة حاسوبية أن نسبة صافي الربح إلى الأموال المستثمرة تزداد مع زيادة الإيرادات وتنخفض مع زيادة تكاليف الإنتاج.
مهمة. مهمة. تحديد سرعة الكواكب في مدارها. للقيام بذلك، قم بإنشاء نموذج كمبيوتر للنظام الشمسي. بيان المشكلة الغرض من المحاكاة هو تحديد سرعة الكواكب الموجودة في مدارها. كائن النمذجة: النظام الشمسي الذي عناصره الكواكب. ولا يؤخذ في الاعتبار البنية الداخلية للكواكب. سننظر إلى الكواكب كعناصر ذات الخصائص التالية: الاسم؛ ص - المسافة من الشمس (بالوحدات الفلكية؛ الوحدات الفلكية. متوسط المسافة من الأرض إلى الشمس)؛ t هي فترة الثورة حول الشمس (بالسنوات)؛ V هي السرعة المدارية (وحدات فلكية/سنة)، بافتراض أن الكواكب تتحرك حول الشمس في دوائر بسرعة ثابتة.
تحليل النتائج تحليل النتائج 1. تحليل نتائج الحساب. هل يمكن القول أن الكواكب القريبة من الشمس لها سرعة مدارية أعلى؟ 1. تحليل نتائج الحساب. هل يمكن القول أن الكواكب القريبة من الشمس لها سرعة مدارية أعلى؟ 2. النموذج المعروض للنظام الشمسي ثابت. عند بناء هذا النموذج، أهملنا التغيرات في المسافة من الكواكب إلى الشمس أثناء حركتها المدارية. لمعرفة أي كوكب أبعد وما هي العلاقات التقريبية بين المسافات، هذه المعلومات كافية تماما. إذا أردنا تحديد المسافة بين الأرض والمريخ، فلا يمكننا إهمال التغييرات المؤقتة، وهنا سيتعين علينا استخدام نموذج ديناميكي. 2. النموذج المعروض للنظام الشمسي ثابت. عند بناء هذا النموذج، أهملنا التغيرات في المسافة من الكواكب إلى الشمس أثناء حركتها المدارية. لمعرفة أي كوكب أبعد وما هي العلاقات التقريبية بين المسافات، هذه المعلومات كافية تماما. إذا أردنا تحديد المسافة بين الأرض والمريخ، فلا يمكننا إهمال التغييرات المؤقتة، وهنا سيتعين علينا استخدام نموذج ديناميكي.
تجربة الكمبيوتر أدخل البيانات الأولية في نموذج الكمبيوتر. (على سبيل المثال: =0.5؛ =12) أوجد معامل الاحتكاك الذي عنده ستهبط السيارة إلى أسفل الجبل (بزاوية معينة). أوجد الزاوية التي ستقف عندها السيارة على الجبل (بمعامل احتكاك معين). ماذا ستكون النتيجة إذا أهملت قوة الاحتكاك؟ تحليل النتائج يتيح لك نموذج الكمبيوتر هذا إجراء تجربة حسابية بدلاً من التجربة المادية. من خلال تغيير قيم البيانات المصدر، يمكنك رؤية جميع التغييرات التي تحدث في النظام. ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن النتيجة في النموذج المبني لا تعتمد على كتلة السيارة أو على تسارع الجاذبية.
مهمة. مهمة. تخيل أنه لن يكون هناك سوى مصدر واحد للمياه العذبة على الأرض، بحيرة بايكال. كم سنة ستزود بايكال سكان العالم كله بالمياه؟ تخيل أنه لن يكون هناك سوى مصدر واحد للمياه العذبة على الأرض، بحيرة بايكال. كم سنة ستزود بايكال سكان العالم كله بالمياه؟
تطوير النموذج تطوير النموذج لبناء نموذج رياضي، نقوم بتحديد البيانات الأولية. نشير إلى: لبناء نموذج رياضي، نحدد البيانات الأولية. دعونا نشير إلى: V - حجم بحيرة بايكال km3؛ V هو حجم بحيرة بايكال km3؛ ن - عدد سكان الأرض 6 مليار نسمة؛ ن - عدد سكان الأرض 6 مليار نسمة؛ ع - استهلاك المياه يوميا للشخص الواحد (في المتوسط) 300 لتر. ع - استهلاك المياه يوميا للشخص الواحد (في المتوسط) 300 لتر. منذ 1 لتر. = 1 dm3 من الماء، من الضروري تحويل V من مياه البحيرة من km3 إلى dm3. V (km3) = V * 109 (m3) = V * 1012 (dm3) منذ 1l. = 1 dm3 من الماء، من الضروري تحويل V من مياه البحيرة من km3 إلى dm3. V (km3) = V * 109 (m3) = V * 1012 (dm3) والنتيجة هي عدد السنوات التي يستخدم خلالها سكان الأرض مياه بحيرة بايكال، فلنرمز إليها بالرمز g. لذا، g=(V*)/(N*p*365) والنتيجة هي عدد السنوات التي يستخدم خلالها سكان الأرض مياه بحيرة بايكال، فلنرمز إليها بالرمز g. لذا، g=(V*)/(N*p*365) هذا ما يبدو عليه جدول البيانات في وضع عرض الصيغة: هذا ما يبدو عليه جدول البيانات في وضع عرض الصيغة:
مهمة. مهمة. لإنتاج اللقاح، من المخطط زراعة ثقافة بكتيرية في المصنع. ومن المعروف أنه إذا كانت كتلة البكتيريا x g فإنها بعد يوم ستزيد بمقدار (a-bx)x g، حيث يعتمد المعاملان a وb على نوع البكتيريا. سيقوم المصنع بجمع البكتيريا يوميًا لإنتاج اللقاحات. ولوضع خطة، من المهم معرفة كيف تتغير كتلة البكتيريا بعد 1، 2، 3،...، 30 يومًا. لإنتاج اللقاح، من المخطط زراعة مزرعة بكتيرية في النبات. ومن المعروف أنه إذا كانت كتلة البكتيريا x g فإنها بعد يوم ستزيد بمقدار (a-bx)x g، حيث يعتمد المعاملان a وb على نوع البكتيريا. سيقوم المصنع بجمع البكتيريا يوميًا لإنتاج اللقاحات. لوضع خطة، من المهم معرفة كيف تتغير كتلة البكتيريا بعد 1، 2، 3،...، 30 يومًا..
بيان المشكلة بيان المشكلة الهدف من النمذجة هو عملية التغير السكاني حسب الزمن. تتأثر هذه العملية بعدة عوامل: البيئة، وحالة الرعاية الطبية، والوضع الاقتصادي في البلاد، والوضع الدولي، وأكثر من ذلك بكثير. بعد تلخيص البيانات الديموغرافية، استنتج العلماء دالة تعبر عن اعتماد السكان على الوقت: الهدف من النمذجة هو عملية تغيير السكان حسب الوقت. تتأثر هذه العملية بعدة عوامل: البيئة، وحالة الرعاية الطبية، والوضع الاقتصادي في البلاد، والوضع الدولي، وأكثر من ذلك بكثير. بعد تعميم البيانات الديموغرافية، استنتج العلماء دالة تعبر عن اعتماد السكان على الوقت: f(t)=حيث يختلف المعاملان a وb لكل ولاية، f(t)=حيث يختلف المعاملان a وb لكل ولاية كل دولة، e هي أساس اللوغاريتم الطبيعي. e هو أساس اللوغاريتم الطبيعي. هذه الصيغة تعكس الواقع تقريبًا فقط. للعثور على قيم المعاملات أ و ب، يمكنك استخدام كتاب مرجعي إحصائي. بأخذ القيم f(t) (حجم السكان في الوقت t) من الكتاب المرجعي، يمكنك تحديد a وb تقريبًا بحيث لا تختلف القيم النظرية لـ f(t) المحسوبة باستخدام الصيغة كثيرًا عن البيانات الفعلية في الكتاب المرجعي. هذه الصيغة تعكس الواقع تقريبًا فقط. للعثور على قيم المعاملات أ و ب، يمكنك استخدام كتاب مرجعي إحصائي. بأخذ القيم f(t) (حجم السكان في الوقت t) من الكتاب المرجعي، يمكنك تحديد a وb تقريبًا بحيث لا تختلف القيم النظرية لـ f(t) المحسوبة باستخدام الصيغة كثيرًا عن البيانات الفعلية في الكتاب المرجعي.
إن استخدام الكمبيوتر كأداة للأنشطة التعليمية يجعل من الممكن إعادة التفكير في الأساليب التقليدية لدراسة العديد من القضايا في العلوم الطبيعية، وتعزيز الأنشطة التجريبية للطلاب، وتقريب عملية التعلم من العملية الحقيقية للمعرفة القائمة على النمذجة تكنولوجيا. إن استخدام الكمبيوتر كأداة للأنشطة التعليمية يجعل من الممكن إعادة التفكير في الأساليب التقليدية لدراسة العديد من القضايا في العلوم الطبيعية، وتعزيز الأنشطة التجريبية للطلاب، وتقريب عملية التعلم من العملية الحقيقية للمعرفة القائمة على النمذجة تكنولوجيا. لا يعتمد حل المشكلات من مختلف مجالات النشاط البشري على الكمبيوتر على معرفة الطلاب بتكنولوجيا النمذجة فحسب، بل يعتمد أيضًا بطبيعة الحال على معرفة مجال موضوع معين. وفي هذا الصدد، من الأفضل إجراء الدروس المقترحة حول النمذجة بعد أن يدرس الطلاب المادة في مادة التعليم العام، ويحتاج مدرس علوم الكمبيوتر إلى التعاون مع المعلمين من مختلف المجالات التعليمية. هناك خبرة معروفة في إجراء الدروس الثنائية، أي. الدروس التي يدرسها مدرس علوم الكمبيوتر مع مدرس المادة. لا يعتمد حل المشكلات من مختلف مجالات النشاط البشري على الكمبيوتر على معرفة الطلاب بتكنولوجيا النمذجة فحسب، بل يعتمد أيضًا بطبيعة الحال على معرفة مجال موضوع معين. وفي هذا الصدد، من الأفضل إجراء الدروس المقترحة حول النمذجة بعد أن يدرس الطلاب المادة في مادة التعليم العام، ويحتاج مدرس علوم الكمبيوتر إلى التعاون مع المعلمين من مختلف المجالات التعليمية. هناك خبرة معروفة في إجراء الدروس الثنائية، أي. الدروس التي يدرسها مدرس علوم الكمبيوتر مع مدرس المادة.
يتم إجراء تجربة حاسوبية على نموذج النظام أثناء البحث والتصميم من أجل الحصول على معلومات حول خصائص عملية عمل الكائن قيد النظر. تتمثل المهمة الرئيسية لتخطيط تجارب الكمبيوتر في الحصول على المعلومات الضرورية حول النظام قيد الدراسة مع قيود على الموارد (تكاليف وقت الكمبيوتر، والذاكرة، وما إلى ذلك). تتضمن المشكلات الخاصة التي يتم حلها عند التخطيط لتجارب الكمبيوتر مهام تقليل وقت الكمبيوتر الذي يقضيه في النمذجة، وزيادة دقة وموثوقية نتائج النمذجة، والتحقق من كفاية النموذج، وما إلى ذلك.
تعتمد فعالية تجارب الكمبيوتر مع النماذج بشكل كبير على اختيار الخطة التجريبية، حيث أن الخطة هي التي تحدد حجم وترتيب العمليات الحسابية على الكمبيوتر وطرق التراكم والمعالجة الإحصائية لنتائج نمذجة النظام . لذلك، تمت صياغة المهمة الرئيسية لتخطيط تجارب الكمبيوتر باستخدام نموذج على النحو التالي: من الضروري الحصول على معلومات حول كائن النمذجة، المحدد في شكل خوارزمية نمذجة (برنامج)، مع إنفاق الحد الأدنى أو المحدود من موارد الآلة للتنفيذ عملية النمذجة.
وتتمثل ميزة تجارب الكمبيوتر على التجارب الطبيعية في القدرة على إعادة إنتاج الظروف التجريبية بشكل كامل باستخدام نموذج للنظام قيد الدراسة . الميزة الكبيرة على التجارب الطبيعية هي سهولة مقاطعة واستئناف تجارب الكمبيوتر، مما يسمح باستخدام تقنيات التخطيط التسلسلي والإرشادي التي قد لا تكون مجدية في التجارب على الأشياء الحقيقية. عند العمل مع نموذج كمبيوتر، من الممكن دائمًا مقاطعة التجربة للوقت اللازم لتحليل النتائج واتخاذ القرارات بشأن تقدمها الإضافي (على سبيل المثال، حول الحاجة إلى تغيير قيم خصائص النموذج).
عيب التجارب الحاسوبية هو أن نتائج ملاحظة واحدة تعتمد على نتائج واحدة أو أكثر من الملاحظات السابقة، وبالتالي تحتوي على معلومات أقل من الملاحظات المستقلة.
فيما يتعلق بقاعدة البيانات، تعني تجربة الكمبيوتر معالجة البيانات وفقًا لهدف معين باستخدام أدوات نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS). يمكن تشكيل هدف التجربة بناءً على الهدف العام للمحاكاة ومع مراعاة متطلبات المستخدم المحدد. على سبيل المثال، هناك قاعدة بيانات "مكتب العميد". الهدف العام من إنشاء هذا النموذج هو إدارة العملية التعليمية. إذا كنت بحاجة إلى الحصول على معلومات حول أداء الطالب، فيمكنك تقديم طلب، على سبيل المثال. إجراء تجربة لأخذ عينات من المعلومات الضرورية.
تسمح لك أدوات بيئة نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS) بإجراء العمليات التالية على البيانات:
1) الفرز – ترتيب البيانات وفقا لبعض المعايير؛
2) البحث (التصفية) – اختيار البيانات التي تلبي شرطًا معينًا؛
3) إنشاء حقول حسابية - تحويل البيانات إلى نوع آخر بناءً على الصيغ.
ترتبط إدارة نموذج المعلومات ارتباطًا وثيقًا بتطوير معايير مختلفة للبحث عن البيانات وفرزها. على عكس خزائن الملفات الورقية، حيث يكون الفرز ممكنًا وفقًا لمعيار واحد أو اثنين، ويتم البحث بشكل عام يدويًا عن طريق الفرز من خلال البطاقات، تسمح لك قواعد بيانات الكمبيوتر بتحديد أي شكل من أشكال الفرز حسب الحقول المختلفة ومعايير البحث المتنوعة. سيقوم الكمبيوتر بفرز أو تحديد المعلومات الضرورية وفقًا لمعيار معين دون أي استثمار للوقت.
للعمل بنجاح مع نموذج المعلومات، تسمح لك بيئات برامج قاعدة البيانات بإنشاء حقول حسابية يتم فيها تحويل المعلومات الأصلية إلى نموذج آخر. على سبيل المثال، بناءً على درجات الفصل الدراسي، يمكن حساب المعدل التراكمي للطالب باستخدام وظيفة خاصة مدمجة. تُستخدم هذه الحقول المحسوبة إما كمعلومات إضافية أو كمعايير للبحث والفرز.
تتضمن تجربة الكمبيوتر مرحلتين: الاختبار (التحقق من صحة العمليات) وإجراء تجربة باستخدام بيانات حقيقية.
بعد إنشاء صيغ لحقول الحساب وعوامل التصفية، يتعين عليك التأكد من أنها تعمل بشكل صحيح. للقيام بذلك، يمكنك إدخال سجلات الاختبار التي تكون نتيجة العملية معروفة مسبقًا.
وتنتهي التجربة الحاسوبية بإخراج النتائج في شكل مناسب للتحليل واتخاذ القرار. إحدى مزايا نماذج المعلومات الحاسوبية هي القدرة على إنشاء أشكال مختلفة لعرض معلومات المخرجات، تسمى التقارير. يحتوي كل تقرير على معلومات ذات صلة بالغرض من التجربة المعينة. تكمن راحة تقارير الكمبيوتر في أنها تسمح لك بتجميع المعلومات وفقًا لخصائص محددة، وإدخال الحقول الإجمالية لحساب السجلات حسب المجموعة وبشكل عام لقاعدة البيانات بأكملها، ثم استخدام هذه المعلومات لاتخاذ القرارات.
تسمح لك البيئة بإنشاء وتخزين العديد من نماذج التقارير القياسية والمستخدمة بشكل متكرر. بناءً على نتائج بعض التجارب، يمكنك إنشاء تقرير مؤقت، يتم حذفه بعد نسخه إلى مستند نصي أو طباعته. بعض التجارب لا تتطلب الإبلاغ على الإطلاق. على سبيل المثال، من الضروري اختيار الطالب الأكثر نجاحاً لمنحه منحة دراسية متزايدة. للقيام بذلك، ما عليك سوى الفرز حسب متوسط درجات الدرجات في الفصل الدراسي. سيحتوي الإدخال الأول في قائمة الطلاب على المعلومات التي تبحث عنها.
في نهاية الفصل سننظر في السؤال: أين يمكن تصنيف التجربة الحاسوبية والنمذجة الحاسوبية ( حاسوب المحاكاة) !
في البداية، ظهرت النمذجة الحاسوبية في مجال الأرصاد الجوية والفيزياء النووية، ولكن اليوم أصبح نطاق تطبيقاتها في العلوم والتكنولوجيا واسعًا للغاية. ومن الأمثلة الدلالية للغاية في هذا الصدد "النمذجة العالمية"، حيث يعتبر العالم مجموعة من الأنظمة الفرعية المتفاعلة مع بعضها البعض: السكان، المجتمع، الاقتصاد، إنتاج الغذاء، مجمع الابتكار، الموارد الطبيعية، الموائل، بلدان ومناطق العالم. العالم (تم نشر المثال الأول في عام 1972 د. التقرير المقدم إلى نادي روما "حدود النمو"). إن تطور وتفاعل هذه الأنظمة الفرعية يحدد الديناميكيات العالمية.
ومن الواضح أننا نتعامل هنا مع نظام فائق التعقيد يحتوي على كتلة من التفاعلات غير الخطية، ولهذا السبب ليس من الممكن بناء نموذج من نوع VIO. لذلك، هنا يتابعون على النحو التالي. يتم تجميع مجموعة متعددة التخصصات، تتكون من متخصصين ينتمون إلى أنظمة فرعية مختلفة. تقوم هذه المجموعة، بناءً على معرفة أعضائها، برسم مخطط انسيابي من مجموعة كبيرة ومتنوعة من العناصر والاتصالات. يتم تحويل هذا المخطط إلى نموذج حاسوبي رياضي يمثل النظام الذي يتم نمذجته. وبعدها يتم إجراء التجارب العددية بالنموذج الحاسوبي، أي. تجارب حاسوبية تشبه تجربة حقيقية معقدة من حيث إنشاء نماذج للكائنات والعمليات وتصحيح الأخطاء والتنفيذ.
هناك تشابه معين بين التجارب الفكرية وتجارب الكمبيوتر. في حالة تجربة الكمبيوتر، فإن نموذج الكمبيوتر الذي تم تطويره خلاله هو نظير لنموذج VIO في التجربة الفكرية. وفي كلتا الحالتين، يعد البحث التجريبي عنصرًا من عناصر البحث عن نموذج نظري مناسب. خلال هذا البحث، يتم في الحالة الأولى اختيار العناصر والتفاعلات بينها (وحجمها)، وفي الحالة الثانية يتم اختيار العناصر والارتباطات (وحجمها). ومن هذه المقارنة يتضح أن نتيجة هذا النشاط التجريبي في كلتا الحالتين هو احتمال ظهور معرفة جديدة. أي أن النماذج الحاسوبية تتوافق مع نماذج VIO النظرية للظاهرة، والتجربة الحاسوبية هي وسيلة لبنائها. في هذه الحالة يتم التجريب بنموذج وليس بظاهرة (حسب العمل يشار إلى ذلك في الأعمال).
في الفيزياء والعلوم الطبيعية الأخرى، في حالة الظواهر "المختبرية"، يمكن للتجربة الحقيقية أن تغير شيئًا ما في الظاهرة نفسها ("طرح سؤال"). إذا تبين أن هذا كافٍ لإنشاء نموذج VIO، ويبقى السؤال الوحيد حول توضيح معلماته، ففي هذه الحالة يكون لنموذج الكمبيوتر تطبيق أكثر تافهة مما هو موضح أعلاه - حل المعادلات المعقدة التي تصف النظام المادي أو التقني واختيار المعلمات للأنظمة التي تم تحديد نموذج VIO لها بالفعل. غالبًا ما تسمى هذه الحالة "التجربة العددية".
ومع ذلك، تتعامل الفيزياء أيضًا مع الظواهر التي تحتاج إلى دراسة نوعية قبل وضعها في المختبر، على سبيل المثال، إطلاق الطاقة النووية أو ولادة الجسيمات الأولية. قد ينشأ موقف مماثل: 1) في حالات التعقيد الاقتصادي أو التقني لتجربة حقيقية مدرجة في تجربة فكرية، 2) في غياب نموذج VIO، أي. عدم وجود نظرية للظاهرة (كما في حالة التدفقات المضطربة). في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات لدينا الحالة الأولى، إن لم يكن كلتا الحالتين. هنا لدينا موقف مشابه لـ "النمذجة العالمية" ونبدأ في تجربة النماذج النظرية من خلال المحاكاة الحاسوبية. ولذلك ليس من المستغرب أن النمذجة الحاسوبية ظهرت في وقت مبكر جدا في الفيزياء النووية.
لذا، فإن تجربة الكمبيوتر ونماذج الكمبيوتر في حالة غير تافهة، كما في مثال "النمذجة العالمية"، تتوافق، على التوالي، مع تجربة VIO العقلية ونماذج VIO النظرية للظاهرة.
التجربة هي شكل من أشكال التواصل بين الجانبين - الظاهرة والنموذج النظري. من حيث المبدأ، وهذا يعني إمكانية التلاعب مع الجانبين. في حالة التجربة الحقيقية، يتم التجريب بظاهرة، وفي حالة التجربة العقلية والحاسوبية، والتي يمكن اعتبارها نظيرًا للتجربة العقلية، يتم بنموذج. لكن في كلتا الحالتين، الهدف هو الحصول على معرفة جديدة في شكل نموذج نظري مناسب.
- يتضمن ذلك ملاحظة إي. وينسبرغ: "ليس صحيحًا أن التجربة الحقيقية تتعامل دائمًا مع الموضوع موضع الاهتمام فقط. في الواقع، في كل من التجربة الحقيقية والمحاكاة، هناك علاقة معقدة بين ما يتم التلاعب به في الدراسة من ناحية، وأنظمة العالم الحقيقي التي هي هدف الدراسة من ناحية أخرى... فمندل على سبيل المثال تلاعب بالبازلاء، واهتم بدراسة ظاهرة الوراثة العامة."
في التعريف الوارد أعلاه، فإن مصطلح "التجربة" له معنى مزدوج. من ناحية، في تجربة الكمبيوتر، تمامًا كما هو الحال في التجربة الحقيقية، تتم دراسة استجابات النظام لتغيرات معينة في المعلمات أو للتأثيرات الخارجية. غالبًا ما يتم استخدام درجة الحرارة والكثافة والتركيب كمعلمات. وغالبًا ما تتحقق التأثيرات من خلال المجالات الميكانيكية أو الكهربائية أو المغناطيسية. والفرق الوحيد هو أن المجرب يتعامل مع نظام حقيقي، بينما في تجربة الكمبيوتر يؤخذ في الاعتبار سلوك نموذج رياضي لكائن حقيقي. ومن ناحية أخرى، فإن القدرة على الحصول على نتائج دقيقة لنماذج محددة جيدًا تجعل من الممكن استخدام تجربة حاسوبية كمصدر مستقل للمعلومات لاختبار تنبؤات النظريات التحليلية، وبالتالي، بهذه الصفة، تلعب نتائج النمذجة دورًا دور نفس المعيار مثل البيانات التجريبية.
من كل ما قيل، من الواضح أن هناك إمكانية اتباع نهجين مختلفين للغاية لإعداد تجربة حاسوبية، وهو ما يرجع إلى طبيعة المشكلة التي يتم حلها وبالتالي تحديد اختيار وصف النموذج.
أولاً، يمكن للحسابات التي تستخدم أساليب MD أو MC أن تسعى إلى تحقيق أهداف نفعية بحتة تتعلق بالتنبؤ بخصائص نظام حقيقي معين ومقارنتها بالتجربة الفيزيائية. في هذه الحالة، من الممكن إجراء تنبؤات مثيرة للاهتمام وإجراء أبحاث في ظل ظروف قاسية، على سبيل المثال، عند ضغوط أو درجات حرارة عالية جدًا، عندما تكون التجربة الحقيقية لأسباب مختلفة غير ممكنة أو تتطلب نفقات مادية كبيرة. غالبًا ما تكون المحاكاة الحاسوبية هي الطريقة الوحيدة للحصول على المعلومات ("المجهرية") الأكثر تفصيلاً حول سلوك النظام الجزيئي المعقد. وقد تم توضيح ذلك بشكل خاص من خلال التجارب العددية الديناميكية مع الأنظمة الحيوية المختلفة: البروتينات الكروية في حالتها الأصلية، وشظايا الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) , الأغشية الدهنية. في عدد من الحالات، أجبرتنا البيانات التي تم الحصول عليها على إعادة النظر أو تغيير الأفكار الموجودة مسبقًا بشكل كبير حول بنية هذه الكائنات وعملها. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه نظرًا لاستخدام أنواع مختلفة من إمكانات التكافؤ وغير التكافؤ في مثل هذه الحسابات، والتي تقارب فقط التفاعلات الحقيقية للذرات، فإن هذا الظرف يحدد في النهاية درجة المراسلات بين النموذج والواقع. في البداية، يتم حل المشكلة العكسية، حيث يتم معايرة الإمكانات وفقًا للبيانات التجريبية المتوفرة، وعندها فقط يتم استخدام هذه الإمكانات للحصول على معلومات أكثر تفصيلاً حول النظام. في بعض الأحيان، يمكن من حيث المبدأ العثور على معلمات التفاعلات بين الذرات من خلال الحسابات الكيميائية الكمومية التي يتم إجراؤها لمركبات نموذجية أبسط. عند النمذجة باستخدام أساليب MD أو MC، لا يتم التعامل مع الجزيء كمجموعة من الإلكترونات والنوى، الخاضعة لقوانين ميكانيكا الكم، ولكن كنظام من الجسيمات الكلاسيكية المتصلة - الذرات. ويسمى هذا النموذج النموذج الميكانيكي للجزيء .
قد يكون الهدف من نهج آخر لإعداد تجربة حاسوبية هو فهم أنماط السلوك العامة (العالمية أو النموذجية الثابتة) للنظام قيد الدراسة، أي تلك الأنماط التي يتم تحديدها فقط من خلال السمات الأكثر نموذجية لنظام معين. فئة الأشياء، ولكن ليس بتفاصيل التركيب الكيميائي لمركب واحد. وهذا هو، في هذه الحالة، تهدف تجربة الكمبيوتر إلى إنشاء اتصالات وظيفية، وليس لحساب المعلمات الرقمية. هذه الأيديولوجية موجودة في شكلها الأكثر تميزًا في نظرية قياس البوليمرات. من وجهة نظر هذا النهج، تعمل النمذجة الحاسوبية كأداة نظرية، والتي تسمح في المقام الأول بالتحقق من استنتاجات الأساليب التحليلية الحالية للنظرية أو استكمال تنبؤاتها. مثل هذا التفاعل بين النظرية التحليلية وتجربة الكمبيوتر يمكن أن يكون مثمرًا جدًا عندما يمكن استخدام نماذج متطابقة في كلا النهجين. المثال الأكثر وضوحا على هذا النوع من النماذج المعممة لجزيئات البوليمر هو ما يسمى نموذج شعرية . على أساسها، تم تنفيذ العديد من الإنشاءات النظرية، لا سيما فيما يتعلق بحل المشكلة الكلاسيكية، بمعنى ما، المشكلة الرئيسية للكيمياء الفيزيائية للبوليمرات حول تأثير التفاعلات الحجمية على التشكل، وبالتالي، على خصائص سلسلة البوليمر المرنة. نعني بالتفاعلات الحجمية عادةً القوى التنافرية قصيرة المدى التي تنشأ بين الروابط البعيدة على طول السلسلة عندما تقترب في الفضاء بسبب الانحناء العشوائي للجزيء الكبير. في النموذج الشبكي، تعتبر السلسلة الحقيقية بمثابة مسار متقطع يمر عبر عقد شبكة منتظمة من نوع معين: مكعب، رباعي السطوح، إلخ. تتوافق العقد الشبكية المشغولة مع وحدات البوليمر (المونومرات)، والأجزاء التي تربط بينها تتوافق مع الروابط الكيميائية في الهيكل العظمي للجزيء. إن حظر التقاطعات الذاتية للمسار (أو، بمعنى آخر، استحالة الدخول المتزامن لاثنين أو أكثر من المونومرات في موقع شبكي واحد) يمثل تفاعلات حجمية (الشكل 1). أي، على سبيل المثال، إذا تم استخدام طريقة MK وعندما يتم إزاحة رابط محدد عشوائيًا، فإنه يقع في عقدة مشغولة بالفعل، فسيتم تجاهل هذا التشكل الجديد ولن يتم أخذه في الاعتبار عند حساب معلمات النظام ذات الاهتمام. تتوافق الترتيبات المختلفة للسلسلة على الشبكة مع تطابقات سلسلة البوليمر. يتم استخدامها لحساب متوسط الخصائص المطلوبة، على سبيل المثال، المسافة بين نهايات السلسلة R.
تتيح لنا دراسة مثل هذا النموذج أن نفهم كيف تؤثر التفاعلات الحجمية على اعتماد قيمة الجذر التربيعي المتوسط
هناك تعديلات مختلفة لنماذج الشبكة، منها على سبيل المثال تلك التي لا تكون لأطوال الروابط بين الروابط قيم ثابتة، بل يمكن أن تختلف ضمن فترة معينة، مما يضمن فقط حظر التقاطع الذاتي للسلسلة؛ هكذا تم تصميم النموذج واسع الانتشار مع "السندات المتقلبة". ومع ذلك، فإن جميع نماذج الشبكة تشترك في أنها كذلك منفصلة،أي أن عدد التطابقات المحتملة لمثل هذا النظام يكون دائمًا محدودًا (على الرغم من أنه يمكن أن يكون فلكيًا حتى مع وجود عدد صغير نسبيًا من الروابط في السلسلة). تتمتع جميع النماذج المنفصلة بكفاءة حسابية عالية جدًا، ولكن كقاعدة عامة، لا يمكن دراستها إلا باستخدام طريقة مونت كارلو.
في عدد من الحالات يتم استخدامها الأستمرارية نماذج عامة من البوليمرات القادرة على تغيير التشكل بطريقة مستمرة. أبسط مثال هو سلسلة مكونة من رقم معين نكرات صلبة متصلة على التوالي بروابط صلبة أو مرنة. يمكن دراسة مثل هذه الأنظمة بطريقة مونت كارلو وطريقة الديناميكيات الجزيئية.
