Обучение компьютерному моделированию на примере жизненных ситуаций

В современном мире человек повсеместно использует различные модели объектов, в разных областях науки ежедневно возникают все новые и новые задачи, которые требуют умений моделирования.

Одной из дисциплин, относящихся к вариативной части математического и естественнонаучного цикла по направлению подготовки «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем» является «Компьютерное моделирование». Ее изучение направлено на формирование знаний и умений обучающихся разрабатывать и использовать компьютерные модели в решении профессиональных задач.

При постановке каждой задачи от преподавателя требуется хорошо изучить предметную область и использовать системный подход. В этом случае изучаемый объект рассматривается как целая система, состоящая из взаимосвязанных частей и работающая как единое целое. При этом каждая часть системы занимает определенное место, выполняя различные функции, и рассматривается с точки зрения дальнейшего ее использования пользователями, выступающими в разных социальных ролях [1, 2, 3]. При системном подходе на первое место выступают не только наиболее важные функции объекта, но и целесообразность его взаимосвязи с другими  элементами системы.

Продумывая алгоритмы всевозможных действий и представляя их, в зависимости от выбора того или иного варианта развития событий, студент строит сначала информационную модель на уровне мысли. После этого он переходит к системному анализу – построению математической модели и алгоритма решения задачи. Задачи из разных сфер науки требуют различных программных средств для их реализации. Как правило, это современные языки программирования, табличные процессоры, специализированные программные среды. Поэтому, продумывая постановки учебных задач, преподаватель должен планировать использование студентами различного программного инструментария и предусмотреть, чтобы оно было установлено в компьютерных классах.

Одна из наиболее популярных у студентов задач, это задача на оптимизацию дорожного движения. Основной ее целью является то, что на определенном участке пути нужно свести количество возможных скоплений машин (пробок) к минимуму. Поток автомобилей при этом может изменяться в течение суток, при его увеличении соответственно снижаются скорости машин, в результате происходят столкновения. Необходимо выявить наиболее опасные (аварийные) участки дороги, применяя имитационное компьютерное моделирование ситуации. После этого необходимо смоделировать возможное улучшение ситуации с помощью корректировки ширины дороги и уменьшения скоростей на предыдущем участке. Далее необходимо провести тестирование новых моделей и сравнить основные статистические характеристики всех построенных моделей. По результату исследования статистических данных можно говорить о возможном улучшении ситуации на конкретном участке дороги.

Популярны у студентов также задачи на построение систем массового обслуживания. Необходимо построить систему, обеспечивающую работу автозаправочной станции с двумя каналами обслуживания (заправочными колонками). В очереди может находиться не более трех автомобилей. Следующая проезжающая машина едет мимо и не останавливается. Поток транспорта задается неким коэффициентом. Время заправки задается вручную.

В результате решения этой задачи необходимо определить следующие статистические данные: количество машин, заправленных за единицу времени, среднее число машин в очереди, среднее время автомобиля в очереди, количество проехавших мимо. Эту имитационную модель можно использовать при проектировании новых заправочных станций на конкретных участках дороги, учитывая пропускную способность трассы и другие ее особенности.

Отметим принципиальную важность того, что совершенствование имитационных моделей произойдет только в том случае, когда они рассматриваются с различных точек зрения: в последнем случае – с точки зрения как водителей, так и хозяина автозаправки.