Кафедра інформатики і інформаційно-комунікаційних технологій

 

Шамшина Н.В. старший викладач кафедри інформатики

Сумський державний педагогічний університет

ім. А.С. Макаренка

 

В основу навчального курсу «Інформатика» покладено розвивально-компетентнісний підхід, що передбачає формування предметних та ключових компетентностей, а також розвиток певних мисленнєвих навичок. Одною з найважливіших ключових компетентностей є математична компетентність, що включає уміння розуміти, використовувати та створювати математичні моделі об’єктів та процесів для розв’язування задач із різних предметних галузей засобами інформаційних технологій, а також усвідомлення ролі математики як однієї з основ інформаційних технологій.

Поняття «ключова компетентність» у світовій освітній практиці виступає в якості центрального тематичного ядра та включає в себе: знання, поняття, відносини, навчально-пізнавальні мотиви. Кожен учень компетентний в тій мірі, в якій він здатний застосувати на практиці засвоєні ним знання. Важливо не просто володіти предметними знаннями, а вміти ефективно застосовувати їх на практиці як засіб, інструмент вирішення різноманітних життєвих завдань [1].

Аналіз стану даного питання в педагогічній теорії та освітній практиці дозволяє виділити об’єктивно існуюче протиріччя між сучасними вимогами до результатів навчання учнів загальноосвітньої школи – з одного боку, і відсутністю підходів до цілеспрямованого формування математичної компетентності учнів на уроках інформатики – з іншого.

Новий державний стандарт для старшої школи, що вступив в дію з першого вересня 2018 року, змінює ситуацію на краще. Варто зазначити, що збільшилась кількість змістових ліній шкільного курсу інформатика: з чотирьох до шести. Змінилась також змістова лінія «Моделювання». Згідно нової концепції тепер вона має назву «Комп’ютерне моделювання».

Комп’ютерне моделювання – дослідження об’єктів, явищ, процесів, пристроїв, систем за допомогою математичних моделей на комп’ютері. Поняття комп’ютерного моделювання відображає використання в цьому процесі комп’ютера як потужного сучасного засобу опрацювання даних. Завдяки комп’ютеру суттєво розширюються галузі застосування моделювання, а також забезпечується всебічний аналіз отриманих результатів.

Поняття «комп’ютерне моделювання» значно ширше за поняття «моделювання на ЕОМ». Традиційно під моделюванням на комп’ютері розумілося лише імітаційне моделювання. В останні роки, завдяки поширенню графічного інтерфейсу і графічних пакетів, широкий розвиток отримало комп’ютерне структурно-функціональне моделювання. Побудова математичних моделей за експериментальними даними в даний час неможлива без комп’ютера. Покладено початок використання комп’ютера при концептуальному моделюванні, де він використовується при побудові систем штучного інтелекту.

Теми із вищезгаданої змістової лінії у базовій школі вивчаються у 7 класі (5 годин) та у 9 класі (8 год.). В старшій школі в межах базового модулю (35 год) вивчається розділ, який має назву «Моделі і моделювання. Аналіз та візуалізація даних». В електронному доступі з’явились декілька сучасних підручників з інформатики таких авторів як Бондаренко О. О., Морзе Н. В., Ривкінд Й. Я., Руденко В. Д. [2-5], що враховують вимогі освітньої програми.

Метою вивчення даного розділу курсу інформатики є вдосконалення практичних навичок використання засобів сучасних інформаційних технологій для розв’язування різноманітних практичних завдань, усвідомлення ролі комп’ютерного моделювання як універсального методу наукового пізнання, формування математичної компетентності та основних компетентностей у природничих науках і технологіях.

Комп’ютерне моделювання як новий метод наукових досліджень ґрунтується: по-перше, на побудові математичних моделей для опису досліджуваних процесів; по-друге, на використанні новітніх обчислювальних засобів, що володіють високою швидкодією і здатних вести діалог з людиною.

Більшість природничо-наукових теорій дуже схожі на математику внутрішньою логікою побудови. Компактне і точне формулювання законів природознавства робиться мовою математики у вигляді будь-яких рівнянь. Таким чином, математичною моделлю будь-якої реальної системи є деяке рівняння або система рівнянь з певними значеннями параметрів і певними граничними умовами. Ефективний шлях розв’язування цих рівнянь – побудова комп’ютерної моделі досліджуваного явища, під якою розуміється сукупність чисельних методів вирішення основних рівнянь, алгоритмів їх реалізації та комп’ютерних програм. Ціль комп’ютерного моделювання полягає в проведенні серії обчислювальних експериментів на комп’ютері, метою яких є аналіз, інтерпретація і зіставлення результатів моделювання з реальною поведінкою досліджуваного об’єкта і, при необхідності, подальше уточнення моделі.

Розглянемо більш детально етапи комп’ютерного моделювання.

1. Постановка завдання, визначення об’єкта моделювання. На даному етапі відбувається збір інформації, формулювання питання, визначення форми представлення результатів, опис даних. Важливим моментом є визначення мети моделювання. Від вибраної мети залежить, які характеристики досліджуваного об’єкта вважати суттєвими, а якими можна знехтувати. Постановка задачі вимагає чіткого виділення початкових даних і необхідних результатів, при цьому встановлюються обмеження на допустимі значення величин, застосованих у задачі.
2. Аналіз і дослідження системи. На даному етапі відбувається аналіз системи, змістовний опис об’єкта, розробка інформаційної моделі, розробка структур даних, розробка математичної моделі. На цьому етапі визначаються параметри моделі, суттєві для даної задачі, та математичні співвідношення між ними. Для задач, у яких потрібно розрахувати значення параметрів об’єкта, необхідно скласти математичну модель.
3. Формалізація, тобто перехід до конкретної розрахункової моделі, створення алгоритму. Необхідно вибрати метод розв’язування задачі, що визначає послідовність арифметичних і логічних операцій. Вибір методу зумовлений аналізом початкових даних. У прикладних задачах знаходження точного розв’язку зазвичай є неможливим або занадто складним. Для таких задач розроблено методи наближених обчислень.
4. Програмування. На даному етапі відбувається вибір мови програмування або прикладного середовища для моделювання, уточнення способів організації даних, запис алгоритму обраною мовою програмування або в прикладному середовищі. Кожне програмне середовище має свій інструментарій і дозволяє працювати з певними видами інформаційних моделей. У середовищі програмування можна створити програму для реалізації математичної моделі. Також, використовуючи графічні засоби мови, можна створити графічну або імітаційну модель. Для розрахункових задач зручно використовувати середовище електронних таблиць [6].
5. Проведення серії обчислювальних експериментів. На даному етапі відбувається налагодження синтаксису, семантики і логічної структури, тестові розрахунки та аналіз результатів тестування, доробка програми. Після створення моделі потрібно здійснити перевірку правильності моделі за допомогою тестів і виправити виявлені помилки.
6. Аналіз і інтерпретація результатів. На даному етапі відбувається доробка програми або моделі в разі потреби. Після успішного тестування моделі можна переходити безпосередньо до проведення дослідження. Експеримент повинен супроводжуватися аналізом результатів для прийняття рішення.

Обчислювальна комп’ютерна модель реалізується програмою для розрахунку стану системи, що моделюється за її математичною моделлю. Її застосовують для моделювання різних фізичних, біологічних, соціальних та інших явищ. Наприклад, коливання маятника, поширення хвиль, зміни чисельності населення, популяції певного виду тварин тощо. Такі моделі часто застосовують для багаторазового проведення випробувань, у тому числі – зі зміною параметрів, з подальшим збором та опрацюванням отриманих результатів чи для розв’язування задач на найкращий розкрій деталі, мінімальні витрати чи максимальний прибуток.

Отже, бачимо величезний потенціал теми «Комп’ютерне моделювання» для розвитку алгоритмічного, структурного мислення, для розвитку здатності аналізувати різноманітні процеси та явища й з’ясовувати їхні причинно-наслідкові та структурні зв’язки, визначати послідовність дій, які необхідно виконати для розв’язування певних задач. Формування математичної компетентності на уроках інформатики в школі може бути реалізовано під час навчання будувати обчислювальні комп’ютерні моделі з обов’язковим дотриманням усіх етапів комп’ютерного моделювання.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Баловсяк Н.В. Формування інформатичної компетентності: дис. канд. пед. наук: 13.00.04 / Інститут педагогіки і психології професійної освіти АПН України. К., 2006. 334 с.
2. Бондаренко О. О., Ластовецький В. В., Пилипчук О. П., Шестопалов Є. А. Інформатика (рівень стандарту): підруч. для 10 (11) кл. закл. загал. серед. освіти. Харків: Вид-во «Ранок», 2018. 223с.
3. Морзе Н. В., Барна О. В. Інформатика (рівень стандарту): підруч. для 10 (11) кл. закл. загал. серед. Освіти. Київ: УОВЦ «Оріон», 2018. 240 с.
4. Ривкінд Й. Я. Інформатика (рівень стандарту): підруч. Для 10-го (11-го) кл. закл. загал. серед. Освіти. Київ: Генеза, 2018. 144 с.
5. Руденко В. Д., Речич Н. В., Потієнко В. О. Інформатика (рівень стандарту): підруч. для 10 (11) кл. закл. загал. серед. освіти. Харків: Вид-во «Ранок», 2018. 196с.
6. Шамшина Н.В. Розв’язування завдань комп’ютерного моделювання у табличному процесорі EXCEL. Фізико-математична освіта. 2018. Випуск 4 (18). С. 171-176