Что такое формализация? Метод формализации. Понятие, суть, этапы, результат, примеры, виды формализации. Основные принципы формализации В чем заключается суть формализации

Цели:

дать учащимся общее представление о формализации объекта;

сформировать понятие формализации;

развить исследовательскую компетентность учащихся при формализации модели, логическое мышление, расширить кругозор;

развить познавательный интерес, воспитать информационную культуру.

Программно-дидактическое обеспечение

ЭВМ типа IBM , операционная система Windows , ППП MS Office XP и выше,

Презентация Формализация . pps .

Теоретический материал

Формализация как важнейший этап моделирования

Слайд №1

В своей деятельности - художественной, научной, практической - человек очень часто создает некоторый образ того объекта (процесса или явления), с которым ему приходится или придется иметь дело, - модель этого объекта. Создание этого образа всегда преследует некую цель. Модель важна не сама по себе, а как инструмент, облегчающий познание или наглядное представление.

В процессе познания окружающего мира и общения мы сталкиваемся с формализацией почти на каждом шагу: формулируем мысли, оформляем отчеты, заполняем всевозможные формуляры и формы, преобразуем формулы. При изучении нового объекта сначала обычно строится его описательная информационная модель на естественном языке, затем она формализуется, то есть, выражается с использованием формальных языков (математики, логики и др.).

Таким образом, прежде чем построить модель объекта (явления, процесса), необходимо выделить составляющие его элементы и связи между ними (провести системный анализ) и «пере­вести» (отобразить) полученную структуру в какую-либо заранее определенную форму - формализовать информацию.

Слайд №2

Формализация - это процесс выделения и перевода внутренней структуры предмета, явления или процесса в определенную информационную структуру - форму. Моделирование любой системы невозможно без предварительной формализации. По сути, формализация - это первый и очень важный этап процесса моделирования.

Формализация - это замена реального объекта или процесса его формальным описанием, т. е. его информационной моделью.

Слайд №3

Построив информационную модель, человек использует ее вме­сто объекта-оригинала для изучения свойств этого объекта, прогнозирования его поведения и пр. Прежде чем строить какое-то сложное сооружение, например мост, конструкторы делают его чертежи, проводят расчеты прочности, допустимых нагрузок. Та­ким образом, вместо реального моста они имеют дело с его мо­дельным описанием в виде чертежей, математических формул. Если же конструкторы пожелают воспроизвести мост в уменьшенном размере, то это уже будет натурная модель - макет моста.

Слайд №4

Естественные языки используются для создания описательных информационных моделей. В истории науки известны многочисленные описательные информационные модели; например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник, формулировалась следующим образом:

Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца;

орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.

Слайд №5

С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели (математические, логические и др.). Одним из наиболее широко используемых формальных языков является математика. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называются математическими моделями. Язык математики является совокупностью формальных языков.

Слайды №6-8

Язык алгебры (алгебры высказываний) позволяет формализовать функциональные зависимости между величинами. Так, Ньютон формализовал гелиоцентрическую систему мира, открыв законы механики и закон всемирного тяготения и записав их в виде алгебраических функциональных зависимостей. В школьном курсе физики рассматривается много разнообразных функциональных зависимостей, выраженных на языке алгебры, которые представляют собой математические модели изучаемых явлений или процессов.

Язык алгебры логики позволяет строить формальные логические модели. С помощью алгебры высказываний можно формализовать (записать в виде логических выражений) простые и сложные высказывания, выраженные на естественном языке. Построение логических моделей позволяет решать логические задачи, строить логические модели устройств компьютера (сумматора, триггера) и так далее.

В энциклопедическом словаре приведена следующая трактовка этого понятия: «Формализация - это представление и изучение какой-либо содержательной области знаний (научной теории, рассуждения, процедур поиска и т. п.) в виде формальной системы или исчисления.

Слайд №9

В контексте моделирования под формализацией будем понимать процесс перевода описания задачи в общем виде (общей формулировки задачи) на язык формального представления, с тем чтобы создать компьютерную модель и исследовать ее. С точки зрения обработки информации следует определить исходные данные (что необходимо обрабатывать) и описать правила обработки (как обрабатывать).

Слайд №10

Формализация - один из главных инструментов математики. Т.к. математика оперирует реально несуществующими сущностями, абстрактными понятиями, описывает законы, теоремы, правила, гипотезы и прочее, то без соглашений о представлении всего этого здесь невозможно обойтись.

Сегодня очень часто можно встретить многим непонятный термин «формализация», причем в самых разных областях науки и техники. Тем, кто хочет своих знаний, желательно понять, что такое формализация. В статье будет рассмотрена суть этого термина и практическое применение процесса.

Что такое формализация с научной точки зрения в общем понимании?

Затронем немного научный аспект. Будем отталкиваться от того, что слово формализация происходит от слова "формальность", то есть является условным, а иногда даже абстрактным понятием, позволяющим объяснить природу несуществующего объекта или явления и спрогнозировать его свойства в определенной среде при заданных начальных условиях.

Лингвистика любого современного языка абсолютно не совпадает с выражением или природой мышления. Таким образом, логика сама по себе вынуждена использовать некие отвлеченные понятия, чтобы описать то или иное явление. Так и появляется относительное понятие формальности происходящего.

Как уже нетрудно догадаться, суть формализации сводится к тому, чтобы описать или предопределить некие свойства объекта или процесса (даже не существующего на данный момент) и спрогнозировать его применение в случае появления в реальном мире. Но это общее представление. Само понятие формализации куда шире. Для начала остановимся на компьютерных технологиях, рассмотрим, как в мире электронники применяется данное понятие.

Компьютерная формализация

Если затрагивать тему компьютеров, метод формализации такого типа является, скорее, обработкой начально заданных условий, которые позволяют с достаточно высокой степенью точности определить дальнейшее поведение объекта или процесса.

По такому принципу работают практически все метеослужбы. Имея компьютерную модель циклона, можно спрогнозировать его цикл и мощность над сушей или над водным пространством.

Вспомните фильм «Послезавтра», в котором ученый предсказал глобальное потепление, исходя именно из такой методики. У него была разработана компьютерная модель, позволявшая с определенной долей вероятности предсказать дальнейшие события.

Данные примеры доступно объясняют, что такое формализация.

Принципы моделирования объектов и процессов

Основные методы формализации - это прогнозирование и моделирование. Применяются такие технологии исключительно для получения конечных данных об объектах или процессах, которые не известны, но их можно предположить и с высокой точностью рассчитать.

Если посмотреть на виды формализации, практически все они сводятся только к логическим умозаключениям и вычислениям. Читателю не составит труда провести параллель между компьютерным моделированием, доказательством теорем и т. д. на основе аксиом и постулатов.

Посмотрите, ведь та же тоже может быть трактована как метод формализации, ведь на практике проверить доказательство не представляется возможным. В частности это касается константы распространения света, замедления времени на пороге ее достижения, увеличения гравитационной массы объекта и искривления пространства. Руками, как говорится, это не пощупаешь и глазами не увидишь.

Когда-то это были только смелые умозаключения ученого на основе простейших опытов. Сегодня все это подтверждается официальной наукой на основе все того же компьютерного моделирования.

Этапы формализации

Если рассматривать компьютерные системы, то первым этапом формализации является описание процесса. Но здесь не используются инструменты обычного языка (буквы, слова, словосочетания, предложения). Создать определенную можно только с использованием некоего алгоритма на основе выбранного языка программирования, но только после постановки общей задачи.

Иными словами, при моделировании поведения объекта или процесса суть происходящего нужно описать чисто математическими символами, применив математический алгоритм.

Результатом формализации является получение анализа действительного предсказуемого события, которое последует после того, как исследуемая технология будет применена на практике или определенный природный процесс войдет в стадию реального проявления.

Далее следует концептуализация поставленной задачи. Здесь есть два варианта: в первом случае это определение подхода в виде использования атрибутов и признаков; второй вариант подразумевает применение когнитивного анализа, не говоря уже о постановке задачи, сбора начально используемых данных, условий и т. д.

После и начальных условий изучаются существующие взаимосвязи между объектами и процессами, а также так называемые семантические отношения, подразумевающие использование методики локального представления.

Далее следует обработка начальных данных на основе выбранного алгоритма, после чего выдается результат с указанием процента погрешности. Как правило, она не превышает 5%, а в большинстве случаев результат вероятности доходит до 99%. Любой человек или машина все равно оставляют «запас прочности» на ведь абсолютно все учесть невозможно.

Зачем все это нужно?

Если разобраться, такие принципы позволяют производить анализ поведения объектов и процессов. Иными словами, можно предугадать, как будет развиваться тот или иной процесс.

Теперь уже понятно, что такое формализация. Давайте рассмотрим простейший пример.

Применение формализации на практике, простейшие примеры

Допустим, какой-то специалист разработал новую конструкцию самолета. С учетом дороговизны проекта строить модель оригинального размера без предварительного прогноза ее поведения в воздухе является задачей совершенно нецелесообразной. Более того, проведение испытаний в той же аэродинамической трубе самолета размером с Boeing является абсолютно нереальной задачей.

Формализация позволяет при заранее заданных характеристиках будущего летательного аппарата (сопротивления воздуха, бокового ветра, высоты и параметров самой аэродинамической трубы и остальных характеристик) смоделировать полет без постройки модели самолета.

Еще одним примером можно назвать тестирование новых машин, проводимое автомобильными концернами. Основной метод формализации в данном случае заключается в том, что сначала все они проходят виртуальный тест, а после получения положительных результатов опытные образцы запускаются в производство для тестирования в реальных условиях.

Основные результаты

Результат математического моделирования во многом (если не на все сто процентов, то с вероятностью до 95%) может стать весомым аргументом в пользу выпуска современной техники, поможет предсказать погоду, даже спрогнозировать общественное поведение как реакцию на события в мире.

Да-да! в мире тоже подчиняется своим собственным законам. Достаточно воздействовать на него в нужнои направлении. Сегодня уже создано немало программ, позволяющих спрогнозировать реакцию общества на то или иное событие. И это далеко не все примеры формализации. Если копнуть глубже, мы с этим сталкиваемся каждый день.

Одним из самых ярких примеров формализации можно назвать и обнаружение при столкновении элементарных частиц в Большом Адронном коллайдере. А ведь раньше считалось, что существование этой частицы - чистой воды теория, причем абсолютно не доказуемая реальными опытами.

Заключение

Как видим, в понятии формализации, несмотря на научную сложность сути процесса, легко разобраться на примерах. Она в большинстве случаев сводится к использованию неких логических цепочек, предопределяющих конечный результат.

ФГКОУ СОШ № 8

Класс: 9

Предмет: информатика

Тема мероприятия: «Формализация описания реальных объектов и процессов. Виды информационных моделей. Табличные модели».

Форма мероприятия: урок.

Методическое обеспечение урока: на основе информационно-коммуникативных, личностно-ориентированных, технологии развивающего обучения, создаются условия для формирования познавательных, регулятивных, коммуникативных и личностных УУД с целью формирования у учащихся понятий формализация, информационная модель, научить строить табличную информационную модель с помощью электронных таблиц и осуществлять визуализацию модели. Развивать исследовательскую компетентность учащихся при формализации модели через структурирование учебного материала с помощью электронных таблиц.

Для слабых учащихся: Пробудить интерес к процессу моделирования путем использования посильных задач, учебных программных средств, позволяющих ученику работать в соответствии с его индивидуальными способностями.

Для средних учащихся: Развить устойчивый интерес к предмету, через построение табличных моделей.

Для сильных учащихся: Развить устойчивый интерес к процессу моделирования, через решение различных задач в Excel.

Способствовать обогащению внутреннего мира учащихся, повышению интереса к изучению предмета, воспитание культуры поведения и компьютерной грамотности.

Тип урока: Урок формирования первоначальных предметных навыков, овладения предметными умениями.

Средства обучения: мультимедийный проектор, презентация в Power Point.

Приемы для формирования общеучебных умений и навыков: фронтальная беседа, самостоятельная индивидуальная работа, самоконтроль, групповая рефлексия.

Ход урока

Этапы урока. Цели

Деятельность учителя

Деятельность ученика

Планируемые результаты

I. Орг. момент.

Цель: Формирование навыка научной организации труда

1. Учитель проверяет готовность класса к уроку.
2. Совместно с учениками формулирует цель урока.
3. Настраивает класс на продуктивную деятельность

1.Готовятся к работе: организуют рабочее место.
2. Совместно с учителем формулируют цель урока, исходя из формулировки поставленной темы.

Регулятивные УУД (универсальные учебные действия) на основе умения организовать рабочее место

Коммуникативные УУД на основе инициативного сотрудничества в поиске информации, умения выражать свои мысли

II. Актуализация прежних знаний:

Цель:

Мотивация учащихся на предстоящую деятельность.

Фронтальное обсуждение материала, изученного на прошлом уроке.

На прошлом уроке мы познакомились с понятием модель, моделирование, формализация.

Итак, что такое модель? (Слайд 1 )

Поставьте в соответствие оригинал и модель.

Какая связь существует между количеством моделей и количеством оригиналов?

Зачем нужно изучать и рассматривать много моделей? От чего зависит выбор модели?

Отвечают на вопросы, воспроизводя изученный материал прошлого урока, устанавливают причинно-следственные связи между объектами.

Модель – это объект, который обладает некоторыми свойствами другого объекта (оригинала) и используется вместо него.

(Слайд 2 )

(Слайд 3 )

Познавательные УУД на основе умения извлекать необходимую информацию из прослушанной и увиденной информации, умения определять основное и второстепенное, устанавливать причинно-следственные связи

Цель: 1) первичная проверка усвоения пройденного материала, необходимого и достаточного для усвоения нового

Организует индивидуальную самостоятельную работу в тестовой форме. Вопросы демонстрируются на интерактивной доске.

Слайд 4-8

Учащиеся отвечают на вопросы теста. Проверяют правильность выполнения работы

Познавательные УУД на основе поиска и отбора необходимой информации и способов решения задач. Самооценка и самоанализ собственных учебных достижений.

Коммуникативные УУД на основе контроля друг друга.

III. Первичное восприятие и усвоение теоретического материала

2) Предоставить учащимся информацию по теме «Табличные модели»

Представляет новый материал в виде опорных схем, иллюстративного материала.

Слайд 9-11

Познавательные УУД на основе умения извлекать необходимую информацию из прослушанного материала. Коммуникативные УУД на основе инициативного сотрудничества совершенствуют владение диалогической формой речи

IV. Применение теоретических положений

Цель: первичное применение технологии решения задач на составление табличных моделей

Организует закрепление учебного материала, демонстрирует презентацию с технологией решения задач на структурирование текста, представление информации в табличной форме. Ставит проблему о результатах решения задачи.

Инструктирует о правилах ТБ при работе за компьютером

Организует деятельность учащихся по выполнению самостоятельной работы за компьютером с составлением таблицы в среде табличного процессора Excel .

Проводит гимнастику для глаз

Воспринимают полученную информацию, работают по образцу, предложенному учителем, задают вопросы, уясняют основные этапы технологии решения задач за компьютером при создании и реализации математической модели

Слайд 12-14

Правильное воспроизведение образцов выполнения заданий, безошибочное применение алгоритмов и правил при решении учебных задач

Регулятивные УУД через усвоение стандартных технологий решения, познавательные УУД на основе понимания сущности решения задач за компьютером в среде табличного процессора Excel , коммуникативные – общение с учителем на основе умения задавать «умные вопросы»

V . Закрепление знаний и способов деятельности

Цель: самооценка и самоанализ результатов деятельности

Проводит проверку результатов с/р, выявляет уровень знаний учащихся по теме. Организует коррекцию на основе индивидуальной работы с учащимися по технологическим карточкам

Осуществляют анализ и самоанализ результатов с/р, соотносят результат своих достижений с образцом, выполняют задания по индивидуальным карточкам

Познавательные УУД – формирование прочных знаний и умений структурировать текст, составлять табличную модель, диаграмму. Личностные УУД на основе самооценки и самоанализа собственный учебных достижений

VI .Подведение итогов, домашнее задание

Цель: подведение итогов и самооценка полученного результата

Консультирует учащихся по решению домашнего задания (Слайд 15 )

Проводит промежуточную рефлексию.

Записывают домашнее задание, комментируют, фиксируют рекомендации.

Формулируют свое отношение к уроку, используя предложенные высказывания.

Регулятивные УУД – на основе самоанализа выявить пробелы в знаниях и планирование деятельности по устранению этих пробелов

Литература: http://kpolyakov.narod.ru/

При формализованном описании выделяют основные процессы, которые протекают в объекте и которые должны найти отражение в математическом описании объекта. При этом также формулируются основные допущения, позволяющие сократить до разумных пределов число элементарных процессов и определить характер их протекания.

При математическом моделировании металлургических объектов обычно принимаются во внимание следующие «элементарные» процессы:

1) движение сырьевых и продуктовых потоков;

2) массо- и теплообмен между фазами

3) химические превращения компонентов

4) тепловые эффекты химических и физических процессов

5) теплообмен с окружающим пространством

6) изменение агрегатного состояния реагентов (плавление, испарения, конденсация и т.д.).

Полнота учета «элементарных» процессов при составлении математической модели объекта зависит от того, насколько тесно взаимосвязаны эти процессы и какое влияние они оказывают на общий итог функционирования процесса. При этом на этом этапе часто вводят различные упрощающие допущения, что позволяет упростить структуру объекта и выделить только основные свойства, имеющие значение для достижения поставленной цели моделирования .

Поэтому одним из важных и основных этапов при составлении формализованного описания объекта моделирования является формулирование цели моделирования. Это позволяет создать достаточно простую модель и выделить основные свойства, интересующие исследователя на данном этапе.

При формализованном описании выделяются также основные параметры, характеризующие объект. Эти параметры должны быть включены в математическое описание. Среди основных параметров можно выделить следующие группы параметров:

· Конструктивные параметры. К этому классу параметров относятся структурные и геометрические параметры, отражающие конструктивное оформление моделируемого объекта.

Структурные параметры. Под структурными параметрами понимают описательные характеристики моделируемого объекта, не имеющие численного выражения. К таким параметрам относится тип модели потоков (идеально вытеснение или идеальное смешение), последовательность прохождения сырьевых потоков через аппарат (прямоток или противоток), организация теплообмена и т.д.

Геометрические параметры. Под геометрическими параметрами понимаются численные характеристики аппаратурного оформления моделируемого объекта, например, объем печи, площадь поперечного сечения и высота аппарата, число секций нагрева, удельная поверхность шихты и другие характеристики.

· Физические параметры. К этому классу относятся параметры, описывающие физические характеристики сырьевых и продуктовых потоков веществ моделируемого объекта. Среди этих параметров можно выделить следующие группы:

Параметры состояния потоков представляют численные значения потоков веществ и характеристики их состава.

Параметры свойств потоков. Под параметрами свойств потоков понимают количественные характеристики параметров потоков, не входящие непосредственно в выражение для движущих сил, но необходимые для расчетов условий протекания процессов – теплоемкость, вязкость, плотность, теплота испарения и другие. Параметры этой группы могут зависеть от параметров состояния потоков, например, от состава и температуры, что требует учета этих свойств при составлении математического описания объекта.

· Параметры «элементарных» процессов. К этому классу параметров относятся гидродинамические и физико-химические параметры, используемые для описания механизмов «элементарных» процессов, например, движения потов фаз, тепло- и массопередачи, химических реакций и т.д.