Информатика мамандығы студенттерін имитациялық модельдеуге үйрету әдістемесі

Модельдеудің негізгі  әдістерін былайша жіктеуге болады [1-сурет]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ғылымда, техникада және экономикада қолданатын модельдерді  екі топқа, яғни физикалық және математикалық  модельдер тобына бөлуге болады.

Физикалық модельдер  зерттеліп отырған үдерістерді оның физикалық мәнін сақтай отырып бейнелейді. Сондықтан физикалық модель ретінде, қарастырып отырған нысанның зерттеуге маңызды қасиеттерін сақтайтын, нақтылы жүйелер қолданылады. Физикалық модель өзінің түпнұсқасын көбінесе өлшемімен ғана өрнектеледі. Осындай модельдердің бірнеше мысалын келтірейік.

Планитарийлерде орнатылған күн жүйесінің модельдері жыл  мезгілдерінің өзгеруін, күн мен  айдың тұтылуын және тағы басқа астрономиялық құбылыстарды  бейнелейді. Белгілі бір өнімді шығаратын шағын лабораториялық  қондырғы осы өнімді өндіретін өнеркәсіптің моделі ретінде қарастырыла алады.

Осы мысалдардан  физикалық  модельдер нақтылы және арнайы болатын, айқын және сенімді нәтиже беретіні көрініп тұр. Дегенмен физикалық  модельдер эксперементтеуге икемсіздеу келеді, оларды жасау көбінесе қымбатқа түседі. Сондықтан бұл модельдерді қолданатын жағдай жиі кездеседі.

Физикалық модельдерге қарағанда математикалық модельдердің қолдану өрісі кеңірек.

Күрделі жүйелердің моделі компьютерде орындалатын бағдарлама түрінде құрылады. Компьютерлік модельдеудің пайда болуын алғашқы компьютердің пайда болуымен байланыстырады. Содан бері компьютерлік модельдеудің математикалық модельдеу және компьютерлік модельдеу деп сипаттауға болатын екі қиылысушы аймағы пайда болды.  Математикалық модельдеу деп, берілген үдерістерді зерттеу үшін физикалық түрі әртүрлі болса да, ұқсас математикалық өрнектермен бейнеленетін құбылыстарды қарастыру тәсілі аталады.

Мысалы, сызықтық теңдеулер, немесе теңсіздіктер жүйелер кәсіпорынның әлде транспорт мекемесінің жұмысын жоспарлайтын модель ретінде қарастырып алынады. Өзінің әмбебаптылығы мен қолдануға біршама жеңілділігі арқасында математикалық модельдеу әртүрлі зерттеулерде көп таралу тапты.

Ал имитациялық модельдеу  дегеніміз модельденетін нысанның тәртібі мен құрылымын бейнелейтін компьютерде бағдарламалық жүйені әзірлеу және орындау болып табылады.

А.Дж.Роув өзінің зерттеуінде имитациялық модельдеуді нақты модельдерден немесе нақты нысандардың макеттерінен толық абстрактілік математикалық модельдерге дейін айқын көрінетін үздіксіз спектр түрінде көрсетеді (2-сурет).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Танудың негізгі әдісі  – модельдеу. Модельдеу – тану нысандарының  моделі бойынша оларды зерттеу әдісі. Модель оқып-үйренудің эмпирикалық немесе абстрактілі бейнесі ретінде қарастырылады.

Тану үдерісінде адамның миында есептің шарттарының элементтерінен тұратын мәселелік жағдай моделі пайда болады. Осы модель ақпараттық модель деп аталады. Адамның миы әртүрлі есептерді шешу үшін білімді тиімді ұйымдастырудың әртүрлі модельдерін таңдауға қабілетті. Ойлаудың тиімді модельдерін тұрғызу арқылы математикалық және ақпараттық есептерді шығаруда көрінеді.

А.П.Ершов атап айтқандай  информатиканың ағымдағы жұмыс мазмұнының негізі – компьютерлік қызмет, яғни бағдарламалау, компьютерлік модельдеу болып табылмақ. Сондықтан имитациялық модельдеу ақпараттық модельдеудің негізгі бағыты ретінде қарастырылады.

Википедия анықтамаларына сүйенсек, имитациялық модельдеуге төмендегідей анықтамалар берілген:

 Имитациялық модельдеу — үдерістердің шындығында қалай жүретіндігін сипаттайтын модельдерді құруға мүмкіндік беретін әдіс. Осындай модельдерді уақыт бойынша бір ғана сынақ үшін ғана емес, оларды бірнеше  рет орындауға болады және де нәтижелер үдерістердің кездейсоқ мінезімен анықталады. Осылайша берілген мәліметтер бойынша тұрақты статистиканы алуға болады.

Имитациялық модельдеу — зерттеу әдісі, жүйені зерттеу барысында  шынайы жүйе нақты дәлдікпен сипатталатын модельмен алмастырылады және онымен осы жүйе туралы ақпарат алу үшін эксперименттер жүргізіледі. Модельмен экспериментті жүргізу имитация деп аталады (имитация — шынайы нысанда экспериментті жүргізбей-ақ құбылыстың мән-мағынасын түсіну).

Имитациялық модельдеу — математикалық модельдеудің дербес жағдайы. Әртүрлі себептерге байланысты кейбір нысандар класы үшін аналитикалық модельдер немесе алынатын модель үшін шешу әдісі әзірленбеген. Осындай жағдайларда математикалық модель имитатормен немесе имитациялық модельмен алмастырылады.

Имитациялық модель —  нысанды жобалау, талдау және қызмет етуін бағалау мақсатында компьютерде эксперимент үшін қолданылатын нысанның логика-математикалық сипаттамасы.

Қазіргі кезде жекелеген  мамандардың, мамандар тобының немесе ұжымның қызметі олардың қаншалықты ақпаратталғандығына және өздерінде  бар ақпаратты шешімдер қабылдауда тиімді қолдана білу қабілеттілігіне байланысты. Ақпараттық технологияларды қолдануда ақпараттың таусылмас қайнар көзі, әртүрлі үдерістерді модельдеу мүмкіндігі, оларды басқаруы бойынша мүмкін әрекеттерді имитациялау сияқты артықшылықтарын ерекше қарастыруға болады. Имитациялық модельдеу жас мамандарды даярлауда, оларға кәсіби міндеттерінде ақпараттық технологиялармен жұмыс жасау дағдысын кеңейте қалыптастырып, имитациялық модельдеудің көмегімен кез келген саладағы кәсіптік қызметін жүргізу және талдауда тиімді басқарушылық шешімдерді қабылдауға мүмкіндік береді. Қазіргі кезде жаңа ақпараттық технологиялар мен телекоммуникациялық құралдар ғылыми зерттеулер мен қоғамдағы басқа да үдерістерді басқаруда ғана емес, білім беру саласында кеңінен қолданысқа ие болды. Сол себепті оқытуда ақпараттық технологиялар мен компьютерлік желілерді қолданып, жүргізілетін оқытудың жаңа формалары ерекше орынға ие болуда. Қазіргі қоғамға мекемелерде ақпараттық және телекоммуникациялық құралдарды меңгерген білікті мамандардың қажеттілігі ерекше.

Компьютерлердің адам қызметінің кез келген саласында кеңінен  қолдана бастауының басты себептерінің бірі – әртүрлі, оның үстіне күрделі жүйелерді модельдеудің қажеттілігінен деп айтуға болады. Имитациялық модельдеу аймағындағы жұмыстарға шолу жасау арқылы имитациялық модельдеуді оқытуға байланысты жұмыстардың өте аз екендігін байқауға болады. Компьютерлік модельдеуге байланысты өтіп жатқан конференцияларда модельдеу әдістеріне байланысты баяндамалар көптеп кездеседі, ал компьютерлік модельдеуді, соның ішінде имитациялық модельдеуді оқытуда қолданылуы туралы сұрақтар өте сирек кездеседі. Мысалы, Ресейде жыл сайын дәстүрлі түрде имитациялық модельдеу тақырыбында ұйымдастырылатын «ИММОД» атты конференциясында, атап айтқанда «ИММОД-2007» конференциясы туралы А.В.Борщевтің жасаған қорытындысына қарасақ, білім беру саласында имитациялық модельдеу мүлдем қолданылмайтындығы айтылған. Баяндамашы имитациялық модельдеудің тәжірибелік қолданысына кедергі жасайтын бірнеше факторлардың ішінен ең негізгісі – аталған сала бойынша білікті мамандардың жетіспеушілігін ерекше атаған. 

Біздің зерттеуімізде ақпараттық модельдеудің негізгі бағыты ретінде қарастырылатын имитациялық модельдеу - шынайы үдерістер мен жүйелердің қызмет етуін имитациялайтын зерттеу нысандары қызметінің алгоритмдері, алгоритмдік сипаттамаларының бағдарламалық жүзеге асуы, компьютерде математикалық модельдермен есептеуіш экспериментті жоспарлау және орындау әдістерін оқып-үйрететін пән.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А.А.Самарскийдің көзқарасы бойынша есептеуіш эксперимент негізгі үш кезеңнен тұрады (3-сурет): 1-кезеңі – математикалық модельді тұрғызу. Бұл кезең есептің қойылымын, яғни зерттелетін нысанды ерекшелеу, пәндік модельді тұрғызу – ерекшеленген нысанның сапалы сипаттамасы, концептуалды ақпараттық модельді тұрғызу және формалдық жүйе (есептеулер) үшін математикалық модельді тұрғызуды қамтиды, 2-кезеңі – математикалық модельден алгоритмді ерекшелеу, яғни абстрактілік есептеуіш алгоритмді тұрғызу, 3-кезеңі – алгоритмді жүзеге асыру. Бұл кезеңде логикалық ақпараттық модель, яғни компьютерлік модель тұрғызылады.

Қазақстан Республикасының Мемлекеттік жалпыға міндетті білім беру стандарттарына (ҚР МЖМБС 3.08.066-2004, ҚР МЖМБС 3.08.317-2006), модельдеу, оның ішінде имитациялық модельдеуге байланысты еңбектерге талдау жасала келе, информатика саласы бойынша мамандарды дайындау жүйесінде имитациялық модельдеу қажетті компонент болып табылатындығы байқалды.

Компьютерлік, әсіресе имитациялық модельдеу қазіргі заман талабына сай барлық мамандықтың, соның ішінде, әрине, информатика бағытындағы мамандықтың оқу пәндерінің қатарында болуы қажет. Ол тек оқу пәні ретінде ғана емес, оқыту құралы ретінде қолданыс табуы керек.

Жоғары кәсіптік білім  бойынша Қазақстан Республикасының мемлекеттік жалпыға міндетті білім беру стандарттарына сәйкес жоғары оқу орнымен анықталатын таңдау пәндеріне, яғни элективті пәндер қатарына да студенттің болашақ мамандығының біліктілігін қалыптастыруда үлкен жауапкершілік жүктелген. Элективті пәндер мынандай негізгі қызметтерді орындайды:

• міндетті компоненттер қатарындағы пәндердің мазмұнын толықтыру; Мысалы, біздің қарастырып отырған «Имитациялық модельдеу» пәні «Оңтайландыру әдістері және операцияларды зерттеу» базалық пәнінің міндетті компонетінде қарастырылатын ұғымдар мазмұнын толықтыра түседі;
• мамандықтың кәсіби қызметінің мазмұнын нақтылай түседі. Болашақ информатика мамандығының кәсіби қызметінің мазмұнын ғылыми-зерттеу қызметі, өндірістік-технологиялық қызметі, ұйымдастырушылық-басқару қызметі және жобалау-конструкторлық қызметі құрайды. Информатика мамандығы студенттерінің кәсіби қызметін математикалық модельдердің құбылыстарын таңдау және түрлендіру, аппараттық-бағдарламалық кешендердің үдерістері және жүйелері, компьютерлік технологияларды зерттеу, ғылыми зерттеулерде, жобалау-конструкторлық, қызметтерде, технологиялық, экономикалық, әлеуметтік жүйелерді басқаруда және адам қызметінің гуманитарлық саласында, математикалық модельдерді, компьютерлік технологиялардың әдістерін және шешімдерді қабылдауды қолдану жүйелерін таңдау, кәсіптік қызметтегі объектілерді құру үшін қолданылатын формалды модельдер мен әдістерді өңдеу құрайды;
• болашақ маманның бойында адам қызметінің әртүрлі саласында кездесетін оқиғаларға деген танымдық қызығушылықтарын арттырады.

Имитациялық модельдеу курсының басқа пәндермен байланысын қарастырайық:

- әдістемеде пәнаралық байланыстарын  әдетте жаңа білімді меңгеру барысында бағдарлама материалын неғұрлым сапалы меңгеру мақсатында іргелес оқу пәндерінің мазмұнын қолданатын оқу бағдарламалары мен оқытушының жүйелі түрдегі жұмысының өзара келісімі түсіндіріледі. Байланыс – салыстырылатын жүйелердің компоненттерінің арасындағы өзара тәуелділіктің қатынасы ретінде анықталады.

- имитациялық модельдеудің оқыту нысаны ретінде математикалық модельдеу болып табылады, информатиканың нысаны ретінде қоршаған ортада болып жататын ақпараттық үдерістер саналады.

- ақпаратты жинақтау, сақтау, тасымалдау және өңдеу үдерістерінің әрбір аспектісінің мазмұнын талдай отырып, оның формалдау аспектісімен байланысты екендігін байқауға болады: ақпаратты жинақтау және сақтау есебі ақпараттың таңбалық көрсетілімімен байланысты, ақпаратты өңдеу таңбалық жүйелерді формалдық түрлендіру мүмкіндігіне негізделген, сондай-ақ ақпараттың коммуникативті аспектісі осы жүйелерді интерпретациялау есебімен тығыз байланысты.

В.К.Белошапка: «...информатика тегі жағынан математикаға, оның тілі мен формалдық құрылымына тәуелді деп атаған; егер математикада оқытылатын нысандар басынан формалды болатын болса, онда информатиканың ықпал ету аймағы – нысандарды модельдеу формалданған тілдердің формалды емес құралдарынан бастау алады», - деген. В.К.Белошапка мен С.А.Бешенковтың көзқарасына Р.К.Дименштейн және А.А.Яковлевтің көзқарастары өте жақын келеді, яғни олар информатиканы формалданған қарым-қатынас ғылымы деп түсіндіреді. Бағдарламалау және ақпараттық модельдерді тұрғызу арқылы информатиканың мазмұндық бөлігіне адам қызметінің абстракциясы, жасанды және тірі (биологиялық және социотехникалық) жүйелер кіреді. Бұл аталғандар имитациялық модельдеудің орны мен рөлін күшейте түседі.

Имитациялық модельдеу  ақпараттық модельдеудің негізгі бағыты ретінде қарастырылады. Сол себепті сурет 4-те келтірілген модельдеудің жіктемесінде имитациялық модельдеу модельдердің қызметі бойынша топталған модельдеу тобына жатады. Сондықтан да имитациялық модельдеу ақпараттық модельдеудің негізгі бағыты болып саналады. Алайда бұл жіктемені қатаң тақуа жасалынған жіктеме деп қабылдауға болмайды, себебі, имитациялық модельдеу басқа модельдеу түрлерінің қасиеттерін де қамтиды. Мысалы, анықталмағандық  дәрежесі бойынша топта анықталған немесе стохастикалық, уақытқа тәуелділігі бойынша топтастырылған топта статикалық немесе динамикалық және басқада имитациялық модельдеудің түрлерін қарастыруға болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Информатиканың негізгі  әдісі – есептеуіш экспериментті модельдеу, абстракциялау, формалдауды қамтитын имитациялық модельдеудің негізгі әдістерінен тұрады.

Есептеуіш экспериментті  жүргізу үшін математикалық модельді тұрғызудан кейін математикалық  модельді формалданған жүйеде көрсету үшін компьютерлік ақпараттық модельді тұрғызу қажет болады.

Сонымен, оқу бағдарламаларына талдау нәтижесінде имитациялық  модельдеуді оқытудың жетекші ойларын  тұжырымдауға болады:

Біріншіден, «имитациялық модельдеу» пәні қоғамның сұранысына байланысты информатика саласының мамандарын дайындауда ғылым мен техниканың жетістігіне баулитын қажетті пән екендігі анықталды.

Екіншіден, имитациялық  модельдеу информатика курстары жүйесіндегі пән және ғылыми танымның негізгі әдісі ретінде айқындалады. Студенттер теориялық білімдерін тәжірибемен ұштастыра отырып, зерттеудің әдістерін, модельдеу есептерін шешуді ұғына білуі керек.