«Чёрный ящик» как средство решения задач моделирования и исследования моделей


МОУ Гимназия №12
Краснооктябрьского района г. Волгограда
Тема:
«Чёрный ящик» как средство решения задач моделирования и исследования моделей.
Выполнила:
ученица 8 класса «А»
Колчина Надежда
Руководитель:
Овчинникова Ирина Ивановна,
учитель информатики.
Волгоград
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………..………………….. 3
Цель исследования ………………..…………………….4
Гипотеза………………………….……………….……..4
Методы исследования…………….………………..……5
Основная часть
Глава 1. Проблема и метод "черного ящика"……………........6
Глава 2. Для чего используется метод «Черных ящиков»……8
Глава 3. Виды «Черных ящиков»………………………….……9
Глава 4. Моделирование «Черных ящиков» в среде объектно- ориентированного программирования Delphi………10
Заключение……………………………………………………..15 Список литературы…………………………………………….16
Приложения
Приложение 1. Программа «Черный ящик»

«Чёрный ящик» как средство решения задач моделирования и исследования моделей
Введение
В древние времена каждый человек знал и назначение, и устройство своих орудий: - молотка, лука, стрелы. Прогрессирующее разделение труда уменьшало это индивидуальное знание, и в современном промышленном обществе существует отчетливая граница между теми, кто обслуживает устройства (рабочие, техники) или пользуется ими (человек в лифте, у телевизора, за рулем автомашины), и теми, кто знает их конструкцию.
Процесс отчуждения, процесс изымания сведений об орудиях из сознания людей развивается. Кибернетика продолжает этот процесс, поднимая его на более высокую ступень. И тогда говорят, что устройство превращается в "черный ящик". "Черный ящик", например, может быть регулятором, подключенным к определенному процессу (к процессу производства товаров или к процессу их экономического круговорота, к процессам управления транспортом, лечением болезни и т. п.).
Цель исследования
выявить, что такое "черный ящик";
установить, почему иногда бывает удобно рассматривать систему как "черный ящик";
обосновать, что такое хорошо поставленная и плохо поставленная задача? В чем их отличие?;
уточнить, в чем отличие "черного ящика"- функции и "черного ящика"- автомата;
разработать компьютерную программу «Черный ящик» и провести ее исследования.
С проблемой «черного ящика» человек сталкивается буквально с первых шагов жизни. Правда, в практической деятельности справляется с ней довольно успешно, не пытаясь каким-либо образом классифицировать эту проблему и не замечая типичный «черный ящик». Едва ребенок становится на ноги, начинает передвигаться по своей кроватке, как ему сразу же хочется вырваться в большой мир. Но ... Перед малышом вырастает не что иное, как «черный ящик»: малыш ничего не знает об устройстве кроватного ограждения. Ребенок дергает его и так и этак. Выражаясь языком кибернетики, он начинает манипулировать «входами», надеясь получить на «выходе» устранение препятствия. Такой же «черный ящик» - заводная игрушка. Дети не знают, что у нее внутри. Им известно одно: заведи - она едет. Мы скажем так: на «входе» - энергия сжатой пружины, на «выходе» - движение колес. Иногда и обычные телевизоры, и радиоприемники выступают в роли «черных ящиков»: когда они стоят перед человеком, ничего не знающим об их устройстве. Для такого человека и телевизор, и радиоприемник известны только с двух сторон: на «входе» - электрический ток, на «выходе» звук (для приемника) или звук и изображение (для телевизора). Значит, любая вещь, любой предмет, любое явление - любой познаваемый объект - всегда первоначально выступает как «черный ящик». В приведенных примерах «черные ящики» быстро перестают быть «черными». Накапливается опыт, и «чернота» рассеивается, исчезает. Перед инженером стоит электронный аппарат. Разбирать его нельзя. Но инженер должен решить, возвращать аппарат для ремонта или выбросить его. А практическая деятельность врача, когда он сталкивается с внешними проявлениями болезни, но неизвестно истинное состояние организма больного? Перед врачом задача «черного ящика». «Черный ящик» - это проблема и электротехники, и электроники, и автоматического регулирования, и медицины, и управления, и обществознания.Гипотеза
Знакомые нам из курса информатики 7 класса "черные ящики" настолько просты, что после разгадывания мы знаем характер связи между величинами на их "входах" и "выходах". Эта связь выражается какой-нибудь математической функцией.
Но алгоритм, которым пользуются инженер в реальной жизни, может и подвести, потому что в нем "все предусмотрено заранее" только внешне. Например, мосты рассчитывают на прочность по определенным алгоритмам, что, однако, не гарантирует их абсолютной сохранности. Мост может обрушиться, если на него действуют силы, превосходящие те, которые предусмотрел конструктор.
Можем ли мы смоделировать такой черный ящик, в котором одно и то же значение на входе, совсем не обязано вести себя одинаково на выходе, так как это обстоит дело со всеми системами очень высокой сложности?
Как можно строить такие "черные ящики"? Мы знаем, что это в принципе возможно.
Методы исследования
1-й этап.
Изучить, что уже известно по этой проблеме. На этом этапе нужно выяснить, что такое «черные ящики» с точки зрения науки, для чего создаются, как и где функционируют.
2-й этап.
Определить, с помощью каких средств можно создавать «черные ящики».
Подобрать наиболее подходящие для нашей задачи средства. Изучить способы работы с подобранными программными средствами.
3-й этап.
Построение модели. Мы создаем для себя некоторое представление об изучаемом объекте или процессе, помогающее лучше понять его функционирование и устройство, его характеристики, путем создания модели. Модели значительно облегчают понимание системы, позволяют проводить исследования, прогнозировать поведение реальной системы в интересующих нас условиях. Основное назначение и преимущество модели заключается в том, что в ней сконцентрированы важные факторы реальной системы, которые подлежат изучению в конкретном исследовании.
Наиболее важное преимущество модели — возможность простыми средствами изменять ее параметры; вводить некоторые воздействия с целью изучения реакции системы.
Чтобы модель можно было хорошо изучить и проводить с нею эксперименты, она сама должна быть достаточно простой.
4-й этап
Исследование модели.
Этот этап проводится после того, как модель создана. Основным назначением этого этапа является выяснение поведения моделируемой системы в различных условиях.
Необходимо, чтобы определенным состоянием "входа" отвечали определенные состояния "выхода". При отгадывании алгоритма черного ящика сначала проделывают с ним несколько опытов, накапливают информацию о его работе.
Опыт заключается в том, чтобы подать на вход ящика информацию и просмотреть, что получится в результате ее обработки. Вводимую информацию называют входной. Черный ящик выдает выходную информацию. Входную и выходную информацию записывают в таблицу.
Затем выдвигают предположение (гипотезу) о работе черного ящика.
Предположение может быть ошибочным, поэтому его надо хорошо проверить. Для этого надо проделать побольше опытов. Если найдется опыт, в котором гипотеза не подтвердится, то надо выдвигать новую гипотезу. Если все опыты ее подтверждают, то можно считать алгоритм угаданным.
Основная часть
Глава 1. Проблема и метод "черного ящика".
В 1948 году американский ученый Норберт Винер (1894—1964) "сформулировал основные положения новой науки, названной им "кибернетикой"". Он ввел в рассмотрение новую категорию — "управление". Выделение категории управления дало возможность пользоваться понятием информации, положив в основу кибернетики изучение законов передачи и преобразования информации.
Без информационного обмена системы с окружающей средой также немыслимы функционирование и развитие системы, ее адаптация к постоянно меняющимся условиям и возможность воздействия на внешний мир, она не будет жизнеспособной. Если ребенок не будет получать информацию об окружающем мире или не будет взаимодействовать с ним, то из него не вырастет полноценного человека.
Таким образом, информационные связи необходимы, чтобы шли процессы управления как внутри самой системы, так и между системой и окружающей ее средой.
Для принятия решений по управлению системой нужна информация о состоянии управляемой системы и внешней среды и для решения этих задач используется метод «Черных ящиков».
Чтобы понять проблему "черного ящика" можно вспомнить рассказ о сороконожке, которую спросили, как это она помнит, какую ногу ей нужно поднять после двадцать седьмой. Сороконожка, как известно, надолго задумалась над этим и, не сумев найти ответ, умерла с голоду, потому что
больше уже не могла сдвинуться с места.
Эта сороконожка является в действительности "черным ящиком", который выполняет определенные действия, хотя и "не имеет понятия", как он их выполняет. Принцип действия "черного ящика" является необычайно общим и, как правило, очень простым, выраженным фразами вроде "сороконожки ходят" или "кошки ловят мышей". "Черный ящик" обладает определенной "внутренней программой" действия, которая определяет все отдельные акты его поведения.
В 1964 году Станислав Лем написал книгу «СУММА ТЕХНОЛОГИИ».
Эссе, вошедшие в состав сборника, рассказывают о путях развития цивилизации в далеком будущем, возможных тупиках на ее пути и многообещающих направлениях ее развития.
Многие прогнозы Лема в области культуры и технологии чудесным образом оказались абсолютно точными. Очень интересно в этой книге написано о проблеме «Черных ящиков»
Разберемся, где и как используются понятия «Черный ящик».
Обратимся к различным справочникам и словарям:
ЧЕРНЫЙ ЯЩИК — "ЧЕРНЫЙ ЯЩИК" - термин, употребляемый главным образом в системотехнике для обозначения систем, структура и внутренние процессы которых неизвестны или очень сложны; метод изучения таких систем основан на исследовании их реакций (изменений… (Большой Энциклопедический словарь) ЧЕРНЫЙ ЯЩИК — (сленг.) - маркетинговый прием, модель поведения покупателей, отражающая процесс принятия решения о покупке, где фиксируется только поведение покупателя во время самой покупки. Мотивы, критерии и установки, повлиявшие на решение, во внимание не… (Энциклопедический словарь экономики и права)
черный ящик — (любая система неизвестного устройства с известной реакцией на сигналы) black box; (на самолете) flight recorderblack box… (Большой англо-русский и русско-английский словарь)
черный ящик — 1) black box f, pl -es … (Большой немецко-русский и русско-немецкий словарь)
Черный ящик — Чёрный ящик термин, используемый в точных науках (в частности, системотехнике, кибернетике и физике) для обозначения системы, механизм работы которой очень сложен, неизвестен или неважен в рамках данной задачи. Такие системы обычно имеют некий… (Википедия)
Черный ящик (значения) — Чёрный ящик:Чёрный ящик термин, используемый для обозначения системы, механизм работы которой неизвестен или принимается неизвестным.Бортовой самописец в авиации бортовой самописец, регистрирующий параметры полёта летательного аппарата и…
Черный ящик (авиация) — Бортовой самописец. Надпись гласит Бортовой самописец. Не открывать Бортовой самописец самолёта ТУ 22М3 Бортовой самописец или чёрный ящик устройство, в основном используемое в авиации для регистрации основных параметров полёта, внутренних…
black box — тех. черный ящик (любая система неизвестного устройства с известной реакцией на сигналы)(специальное) "черный ящик" (любая система неизвестного устройства с известной реакцией на сигналы (сленг) засекреченное изобретение, устройство;… (Большой англо-русский и русско-английский словарь)
Модель Черного Ящика — модель системы, представляющая собой ""черный ящик"" с известными выходными и входными параметрами и неизвестным внутренним устройством. Исследуя известные параметры, с помощью такой модели можно получить представление о внутреннем… (Словарь бизнес-терминов)
flight recorder — noun черный ящик (на самолете)… (Англо-русский словарь Мюллера)
ЧЕРНЫЙ ЯЩИК, устройство для автоматической записи данных во время эксплуатации самолета. Следователи анализируют эти данные после аварии или неисправной работы. Небольшой самолет обычно снабжается только речевым самописцем в кабине экипаже (РСК), регистрирующим звуки в кабине, а также все переговоры по радио с ответственными за управление воздушным движением. Большие самолеты снабжены специальным регистратором полетной информации (РПИ). Контрольные установки, отсчет показаний и другие данные записываются на магнитную проволоку. РПИ, который часто называют также черным ящиком, обычно бывает оранжевого цвета, чтобы его было легче разыскать после аварии.
Глава 2. Для чего используется метод «Черных ящиков».
Каждый из нас в своей жизни неоднократно сталкивается с какими-либо проблемами, и поэтому каждому приходится принимать определенные решения.
По какой дороге идти в магазин, чтобы быстрее вернуться? Какой суп сварить на обед? Какое задание в контрольной делать вначале? Одним словом, нам часто приходится принимать решения и в школе, и дома. Ну а для руководителей любого ранга решения — это основной вид продукции. Каждый, кто сталкивался с решением сложных проблем, с принятием деловых или личных решений, знает, насколько это сложно и сколько сил на это требуется.
Задачи такого типа не рассматриваются ни на одном из школьных предметов, все это — "жизненные задачи".
Принимая решение, руководитель предприятия, врач, военачальник, учитель наряду с количественными результатами должен учитывать множество обстоятельств и соображений. В результате решение не сводится к однозначным ответам. Как правило, получается, что в одинаковых условиях можно действовать и так, и иначе.
Все "жизненные задачи" являются плохо поставленными задачами, т.е. из их условия нельзя однозначно извлечь, что является исходными данными, а что — результатами, а также — какова связь между ними.
К примеру, задание "Решить уравнение 2x + 3 = 7", конечно, является задачей (возможно, для кого-то и весьма трудной), но не является плохо поставленной задачей, так как в ней абсолютно ясно, что дано, что надо найти и какова связь между исходными данными и результатами. Точно так же любая текстовая задача из учебника математики (да и практически любого другого предмета) — это хорошо поставленная задача.
Оказывается, для решения самых разнообразных жизненных, плохо поставленных задач существуют специальные методы и подходы, которые позволяют выбрать более правильное решение, добиться лучших результатов при тех же затратах. Любые методы, которые помогают человеку понять, что он хочет и что у него есть, которые позволяют оценить с единых позиций желаемые цели и имеющиеся ресурсы, являются не только полезными, но порой и просто необходимыми. Один их таких методов – метод «черного ящика».
Глава 3. Виды «Черных ящиков»

Чёрный ящик
Все «Чёрные ящики» можно разделить на две группы:
функции;
автоматы.
«Чёрный ящик», в котором при одинаковых значениях на входах всегда получаются одинаковые результаты на выходах, называется функцией.
Примером «Чёрного ящика»-функции может считаться обычное радио: поворачивая регулятор громкости по часовой стрелке, мы всегда получаем усиление звука.
«Чёрный ящик», у которого значения на выходах зависят от определенного внутреннего состояния самого ящика, называется автоматом.
Примером «Чёрного ящика»-автомата является швейная машинка. Если крутить ручку (или педаль) швейной машинки, то шов получается различный, в зависимости от текущих настроек регулятора.
Некоторые «Чёрные ящики» могут не иметь входов (например, микропередатчик, который посылает сигнал о своем местонахождении) или выходов (примером может служить абсолютно чёрное тело, не отражающее света).
Глава 4. Моделирование «Черных ящиков» в среде объектно-ориентированного программирования Delphi.
Выбор объектно-ориентированного программирования Delphi связан с тем, что есть возможность написать программу для реализации своей идеи и представить работу в стандартном окне с привычным интерфейсом, в отличие от языка программирования Pascal, где программирование интерфейса само по себе – отдельная задача. В то же время формулы закрыты, недоступны для пользователя, в отличие от среды электронных таблиц.
Вначале был разработан черный ящик с одной функцией, заданной какой-нибудь формулой, например, возведение исходного числа в квадрат или куб. Пользователю дается 5 попыток для проведения экспериментов, затем нужно ввести решение для «черного ящика»

.

Вот текст программы:
unit Box;
interfaceuses Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls;
type TForm1 = class(TForm)
Edit1: TEdit;
Edit2: TEdit;
Memo1: TMemo;
Button1: TButton;
Button2: TButton;
Image1: TImage;
Label1: TLabel;
Label2: TLabel;
Label3: TLabel;
Label4: TLabel;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
procedure Button2Click(Sender: TObject);
private { Private declarations }
public { Public declarations } end;
var Form1: TForm1;
implementation{$R *.dfm}
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var vhod, f : Integer;
begin if Button1.Caption <> 'Проверить' then
begin if Memo1.Tag <= 5 then
begin vhod := StrToInt(Edit1.Text);
f := vhod * vhod;
// Edit2.Text := IntToStr(f);
Memo1.Lines.Add('Попытка №' + IntToStr(Memo1.tag));
Memo1.Lines.Add('Вход: ' + Edit1.Text);
Memo1.Lines.Add('Выход: ' + IntToStr(f));
Memo1.Tag := Memo1.Tag + 1;
Edit1.Text := '';
Edit1.SetFocus;
end else ShowMessage('Попытки исчерпаны!');
end else begin vhod := StrToInt(Edit1.Text);
f := vhod * vhod;
if f = StrToInt(Edit2.Text) then
Memo1.Lines.Add('Правильно')
else Memo1.Lines.Add('Неправильно');
end;
end;
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
var vhod : Integer;
begin Edit2.Text := '';
randomize;
vhod := random(9) + 1;
Edit1.Text := IntToStr(vhod);
Edit1.ReadOnly := True;
Edit2.ReadOnly := False;
Edit2.SetFocus;
Button1.Caption := 'Проверить';
end;
end.
Проводя эксперименты в подобными ящиками, мы убедились, что модель работает, но она не решает проблему исследования: «Можем ли мы смоделировать такой черный ящик, в котором одно и то же значение на входе, совсем не обязано вести себя одинаково на выходе, так как это обстоит дело со всеми системами очень высокой сложности?».
Для реализации этой задачи в программу были внесены изменения, был использован оператор множественного выбора, причем функция, по которой работает «черный ящик» при запуске программы выбирается случайно.
Поэтому принцип действия «черного ящика» неизвестен при каждом новом запуске программы, хотя и ограничен десятком функций.
Это означает, что задача нашего исследования решена.

Изменения в программе:
unit Box;
interfaceuses Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls;
type TForm1 = class(TForm)
Edit1: TEdit;
Edit2: TEdit;
Memo1: TMemo;
Button1: TButton;
Button2: TButton;
Image1: TImage;
Label1: TLabel;
Label2: TLabel;
Label3: TLabel;
Label4: TLabel;
Button3: TButton;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
procedure Button2Click(Sender: TObject);
procedure Button3Click(Sender: TObject);
private { Private declarations }
public { Public declarations }
end;
var Form1: TForm1;
vibor:integer;
implementation{$R *.dfm}
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var vhod, f : Integer;
begin if vibor=0 then
begin randomize;
vibor:= random(9) + 1;
end;
if Button1.Caption <> 'Проверить' then
begin if Memo1.Tag <= 5 then
begin vhod := StrToInt(Edit1.Text);
case vibor of
1: f := vhod * vhod * vhod;
2: f := vhod * vhod ;
3: f := vhod * vhod * vhod-2;
4: f := vhod * vhod+5;
5: f := vhod * vhod+5;
6: f := vhod * vhod+5;
7: f := vhod + vhod;
8: f := vhod + vhod-3;
9: f := vhod+1 * vhod;
10: f := vhod + vhod+5;
end ; Edit2.Text := IntToStr(f);
Memo1.Lines.Add('Попытка №' + IntToStr(Memo1.tag));
Memo1.Lines.Add('Вход: ' + Edit1.Text);
Memo1.Lines.Add('Выход: ' + IntToStr(f));
Memo1.Tag := Memo1.Tag + 1;
Edit1.Text := '';
Edit1.SetFocus;
end else ShowMessage('Попытки исчерпаны!');
end else begin vhod := StrToInt(Edit1.Text);
case vibor of
1: f := vhod * vhod * vhod;
2: f := vhod * vhod ;
3: f := vhod * vhod * vhod-2;
4: f := vhod * vhod+5;
5: f := vhod * vhod+5;
6: f := vhod * vhod+5;
7: f := vhod + vhod;
8: f := vhod + vhod-3;
9: f := vhod+1 * vhod;
10: f := vhod + vhod+5;
end ; if f = StrToInt(Edit2.Text) then
Memo1.Lines.Add('Правильно')
else Memo1.Lines.Add('Неправильно');
end;
end;
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
var vhod : Integer;
begin Edit2.Text := '';
randomize;
vhod := random(9) + 1;
Edit1.Text := IntToStr(vhod);
Edit1.ReadOnly := True;
Edit2.ReadOnly := False;
Edit2.SetFocus;
Button1.Caption := 'Проверить';
end;
procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);
begin vibor:= 0;
Button1.Caption :='Расчитать';
Edit1.ReadOnly := False;
Edit2.ReadOnly := True;
Edit1.Text := '';
Edit2.Text := '';
Edit1.SetFocus;
Memo1.Tag := 1;
Memo1.Lines.clear;
end;
end.
Как и любая модель, наша программа ограничена по возможностям. Так, она работает только с числовыми данными, и ввод значения, которое программа не может обработать, вызывает сбой в работе программы. При дальнейшем, более глубоком изучении среды программирования Delphi планируется усовершенствовать нашу модель так:
В программе должны быть реализованы алгоритмы
Сумма цифр в числе
Перевод числа в двоичную систему счисления
Отбрасывание дробной части у введенного числа
Округление до целых частного 1 цифры числа и 2
Подсчитать количество единиц в числе
Подсчитать количество разрядов в числе
Подсчитать количество букв в слове
Подсчитать количество гласных в слове
Напечатать символы через 1
Напечатать 1 гласную
Отсортировать буквы по алфавиту
Напечатать начальную букву названия 1 цифры в числе
Заменить на пробел буквы через одну
Гласные заменять на букву «п»
Напечатать слово наоборот
Слово разделить пополам, перевернуть и склеить
Напечатать букву, следующую после 1 гласной
Ввод недопустимого для данного ящика значения должен вызвать сообщение «Не могу обрабатывать такие данные».
Заключение
В процессе работы над исследованием было получено много новых знаний и умений. Мы выявили, что такое "черный ящик", определили виды «черных ящиков», установили, почему иногда бывает удобно рассматривать систему как "черный ящик", разобрались, что такое хорошо поставленная и плохо поставленная задача, в чем их отличие.
Была разработана компьютерная программа «Черный ящик», для чего изучался язык объектно-ориентированного программирования Delphi.
Литература
«Delphi. Учебный курс», В.В. Фаронов, Издательство «Нолидж», Москва, 2007
«Сумма технологии», Станислав Лем ИЗДАТЕЛЬСТВО "МИР" , Москва, 1968  
Информатика: 7-9 класс: Базовый курс: Практикум-задачник по моделированию (под ред. Макаровой Н.В.), Питер,2008
«Информатика», учебник для 7 кл, Босова Л, Москва, Бином, 2008

Приложенные файлы

  • docx box
    Овчинникова И.И. Колчина Н
    Размер файла: 300 kB Загрузок: 2

Добавить комментарий