Смекни!
smekni.com

Линия "Формализация и моделирование" учебного курса "Информатика" (стр. 7 из 9)

Такой способ решения задачи оказывается, в некотором смыс­ле, полуавтоматическим. Ученик приходит к окончательному от­вету, анализируя полученную числовую таблицу. Визуально он определяет, какому положению станции соответствует (в каком столбце таблицы находится) найденное оптимальное расстояние 7,21 км. Если требуется уменьшить шаг дискретизации, то, изме­нив величину шага в ячейке Е1, нужно будет увеличивать число столбцов в расчетной таблице. Делается это легко, простым копи­рованием столбцов. Максимальный размер электронной таблицы, хотя и ограничен, но все-таки достаточно большой (в Exsel — 256 столбцов). Правда, в этом случае придется подправить форму­лу в ячейке D10.

Все эти дополнительные проблемы компенсируются прозрач­ностью модели. Ученик видит все промежуточные результаты рас­четов, видит весь механизм работы выбранной модели. Понятие вычислительного эксперимента становится для учеников более содержательным, более наглядным.

Электронная таблица — средство более высокого уровня, чем язык программирования. В то же время задача проектирования расчетной таблицы того же типа, что нами рассмотрена, совсем не тривиальна. Можно говорить о том, что язык электронных таб­лиц — это своеобразный язык программирования — язык таблич­ных алгоритмов. Следовательно, этап алгоритмизации в таблич­ном способе математического моделирования тоже присутствует. Большим достоинством электронных таблиц является возможность легко осуществлять графическую обработку данных, что бывает очень важным в математическом моделировании.

Моделирование знаний в курсе информатики

Изучаемые вопросы:

• Что такое база знаний.

• Различные типы моделей знаний.

• Логическая модель знаний и Пролог.

Среди разнообразных систем искусственного интеллекта наи­более распространенными являются экспертные системы. В основе экспертной системы лежит база знаний — модель знаний в оп­ределенной предметной области, представленная в формализо­ванном виде и сохраненная в памяти компьютера.

Существуют различные типы моделей знаний. Наиболее извес­тные из них — продукционная модель, семантическая сеть, фрей­мы, логическая модель.

Продукционная модель знаний построена на правилах (они на­зываются продукциями), представляемыми в форме:

ЕСЛИ выполняется некоторое условие ТО выполняется некоторое действие

На основе поступающих данных экспертная система, анализи­руя имеющиеся правила, принимает решение о необходимых дей­ствиях. Например:

ЕСЛИ температура в помещении ≤15° ТО включить отопление

Продукционные модели часто используются в промышленных экспертных системах.

Семантические сети. Семантической сетью называется система понятий и отношений между ними, представленная в форме ориен­тированного графа. Это одна из наиболее гибких и универсальных форм моделей знаний. На рис. 3 приведен пример, представляю­щий в форме графа сведения, заключенные в предложении: «Петух Петя является птицей, и он умеет кукарекать».

Рис. 3. Пример семантической сети

Фреймы. Фрейм — это некоторый абстрактный образ, относя­щийся к определенному типу объектов, понятий. Фрейм объеди­няет в себе атрибуты (характеристики), свойственные данному объекту. Фрейм имеет имя и состоит из частей, которые называ­ются слотами. Изображается фрейм в виде цепочки:

Имя фрейма = <слот 1><слот 2>...<слот N>

Вот пример фрейма под названием «Битва»:

Битва = <кто?><с кем?><когда?><где?><результат>

Такое представление называется прототипом фрейма. Если же в слоты подставить конкретные значения, то получится экземп­ляр фрейма. Например:

Битва = <Царевич><Кощей Бессмертный><утром><в чис­том поле><победил>

Слоты сами могут быть фреймами. Таким образом, возможны иерархии фреймов, сети фреймов. К фреймам применимо поня­тие наследования свойств. Для реализации моделей знаний с ис­пользованием фреймов хорошо подходит технология объектно-ориенированного программирования.

Логическая модель знаний представляет собой совокупность ут­верждений. О каждом утверждении можно сказать: истинно оно или ложно. Утверждения делятся на факты и правила. Совокуп­ность фактов представляет собой базу данных, лежащую в основе базы знаний. Правила имеют форму «ЕСЛИ А, ТО Б» (здесь есть сходство с продукционной моделью). Механизм вывода основан на аппарате математической логики (он называется исчислением предикатов первого порядка). Прикладные возможности этой мо­дели весьма ограничены. Логическая модель знаний лежит в осно­ве языка ПРОЛОГ.

ПРОЛОГ является языком логического программирования. Как известно, в программировании для ЭВМ существует не­сколько различных направлений (парадигм): процедурное про­граммирование, функциональное программирование, логичес­кое программирование, объектно-ориентированное программи­рование. В языке Пролог реализована логическая парадигма. Однако в рамках базового курса информатики использование Пролога очень ограничено и о программировании, в полном смысле этого слова, здесь речи не идет. Пролог рассматривается лишь как средство построения несложных баз знаний логичес­кого типа. При таком подходе систему Пролог можно рассмат­ривать как своеобразную систему управления базами знаний (по аналогии с СУБД). Она позволяет создавать базу знаний и обра­щаться к ней с запросами.

Реализации Пролога существуют для большинства компьюте­ров, доступных школам. Поэтому представляется возможным пред­лагать Пролог в качестве средства для практической работы по теме «Искусственный интеллект и моделирование знаний».

Требования к знаниям и умениям учащихся по линии формализации и моделирования

Учащиеся должны знать:

- что такое модель; в чем разница между натурной и информа­ционной моделью;

- какие существуют формы представления информационных моделей (графические, табличные, вербальные, математические);

- что такое реляционная модель данных; основные элементы реляционной модели: запись, поле, ключ записи;

- что такое модель знаний, база знаний;

- из чего строится логическая модель знаний;

- какие проблемы решает раздел информатики «Искусствен­ный интеллект»;

- что такое система, системный анализ, системный подход;

- что такое граф, элементы графа;

- что такое иерархическая система и дерево;

- состав базы знаний на Прологе;

- как в Прологе представляются факты и правила;

- как в Прологе формулируются запросы (цели).

Учащиеся должны уметь:

- приводить примеры натурных и информационных моделей;

- проводить в несложных случаях системный анализ объекта (фор­мализацию) с целью построения его информационной модели;

- ставить вопросы к моделям и формулировать задачи;

- проводить вычислительный эксперимент над простейшей математической моделью;

- ориентироваться в таблично-организованной информации;

- описывать объект (процесс) в табличной форме для простых случаев;

- различать декларативные и процедурные знания, факты и правила.

- ориентироваться в информационных моделях на языке гра­фов;

- описать несложную иерархическую систему в виде дерева;

- построить базу знаний на Прологе для простой предметной области (типа родственных связей);

- сформулировать на Прологе запросы к данной базе знаний;

- работать на компьютере в среде системы программирования Пролог.


Примерное содержание и планирование линии «Формализация и моделирование» в базовом курсе средней школы по учебнику Макаровой Н.В. «информатика 7 – 9 кл.»

№п/п № раздела, темы Название раздела, темы Определения Класс, в котором изучается данная тема Количество часов, отведенных на данную тему
Всего теор практ
1 2 3 4 5 6 7 8
РАЗДЕЛ 2 ИНФОРМАЦИОННАЯ КАРТИНА МИРА
Тема 6. Представление об объектах окружающего мира 7 кл. 2 2 0
8 кл. 0 0 0
9 кл. 0 0 0
6.1. Что такое объект Объект (материальный, нематериальный) 7 кл. 1 1 0
6.2. Свойства и параметры объекта Параметр (значение, свойство, величина, признаки) 7 кл.
6.3 Действие как характеристика объекта Состояние объекта, процесс 7 кл. 1 1 0
6.4 Среда существования объекта Среда 7 кл.
Тема 7. Информационная модель объекта 7 кл. 1 1 0
8 кл. 0 0 0
9 кл. 0 0 0
7.1. Понятие модели Модель (предметные и абстрактные), примеры моделей 7 кл. 1
7.2 Информационная модель объекта Информационная модель, цель, формы представления моделей
7.3. Примеры информационных моделей объектов
Тема 8. Представление о системе объектов 7 кл. 3,5 2 1,5
8 кл. 0 0 0
9 кл. 0 0 0
8.1 Отношения объектов Пространственные, временные, части и целого, формы и содержания, математические, общественные, примеры отношений 7 кл. 1 0,5 0,5
8.2. Связи объектов Связи (примеры связей: механические, электромеханические, межличностные, географические, экономические, экологические)
8.3. Понятие о системе

- Элемент системы, система, цель изучения системы (примеры систем: организационная, техническая, знаковая, биологическая),

- связи и отношения между элементами системы (примеры связей: пространственные, временные, социальные, генетические, материальные),

- среда, целостность, работоспособность.

7 кл. 0,5 0,5
8.4. Информационная модель системы

-Система как объект, ее информационная модель (анализ);

- информационные модели элементов системы

- связи и отношения между элементами

- взаимодействие элементов( системный подход, системное мышление)

- примеры

7 кл. 2 1 1
Тема 9. Основы классификации (объектов) 7 кл. 0 0 0
8 кл. 3 2 1
9 кл. 0 0 0
9.1. Классы и классификация Класс, классификация (дерево, иерархическая схема) 8 кл. 1 1 0
9.2. Основание классификации Классификация (группировка по намеченным признакам, основание классификации (несколько признаков))
9.3. Наследование свойств Наследование, роль классификации,
9.4. Примеры классификации различных объектов 8 кл. 1 0,5 0,5
9.5. Классификация компьютерных документов Текст, графика, таблица, БД, составной документ 8 кл. 1 0,5 0,5
Тема 10. Классификация моделей 7 кл. 4 1 3
8 кл. 6 2 4
9 кл. 4 1 3
10.1 Виды классификации моделей

По области использования (учебные, опытные, научно – технические, игровые, имитационные);

По фактору времени (статистическая, динамическая)

8 кл. 2 1 1

1

2 3 4 5 6 7 8
10.2. Классификация моделей по способу представления По способу представления (материальные, абстрактные(мысленные, вербальные, информационные)
10.3 Инструменты моделирования

Компьютерные и некомпьютерные информационные модели,

аппаратная и программная поддержка (прикладные программные среды, среда программирования)

7 кл. моделирование в графическом и текстовом редакторах 4 1 3
8 кл. моделирование в табличном редакторе 4 1 3
9 кл. Моделирование в среде БД 4 1 3
Тема 11. Основные этапы моделирования 7 кл. 10 3 7
8 кл. 12 3,5 8,5
9 кл. 11 2,5 8,5
11.1 Место моделирования в деятельности человека

Моделирование (модели материальных объектов, модели явлений, модели процессов, модель системы)

Этапы деятельности при исследовании объекта, этапы моделирования,

7 кл.

1 1 0
8 кл. 2 1 1
11.2 Постановка задачи Описание задачи, цель моделирования, формализация, 7 кл 1 0,5 0,5
8 кл 2 1 1
9 кл 3 1 2
11.3 Разработка модели Информационная модель, компьютерная модель, алгоритм построения, программная среда 7 кл 4 1 3
8 кл 4 1 3
9 кл 4 1 3
11.4 Компьютерный эксперимент Компьютерный эксперимент, план эксперимента (тестирование, тест), проведение исследования, анализ результатов. 7 кл 3 0 3
8 кл 3 0 3
9 кл 3 0 3
11.5 Анализ результатов моделирования Корректировка 7 кл 1 0,5 0,5
8 кл 1 0,5 0,5
9 кл 1 0,5 0,5
Всего за год при нагрузке 2 часа в неделю (по плану 68 часов) 7 кл. 20,5 9 1,5
8 кл. 21 7,5 13,5
9 кл. 15 3,5 11,5

УРОК ПО ИЗУЧЕНИЮ ПОНЯТИЯ МОДЕЛИ