Modellbildung und Simulation in der schulischen Ausbildung

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1 Mdellbildung und Simulatin in der schulischen Ausbildung Dr. Henry Herper Ott-vn-Guericke-Universität Institut für Simulatin und Graphik Magdeburg Simulatin und Visualisierung 2001 Magdeburg

2 Infrmatische Mdellierung Im Infrmatikunterricht bedeutet Mdellierung im wesentlichen die Abgrenzung eines für den jeweiligen Zweck relevanten Ausschnittes der Erfahrungswelt, die Herausarbeitung seiner wichtigen Merkmale unter Vernachlässigung der unwichtigen swie seiner Beschreibung und Strukturierung mithilfe spezieller Techniken aus der Infrmatik. /GI2000/ 2

3 Infrmatische Mdellierung Mdellierung vn Infrmatiksystemen Entwicklung und Experimentieren mit Simulatinsmdellen 3

4 Mdell und Mdellieren im Infrmatikunterricht In der Infrmatik ist ein Mdell ein vn Subjekten durch Abstraktin geschaffenes Abbild eines Originals, meistens aus der realen Welt. Ziel des Mdellierens ist es, Prbleme aus der "realen Welt" mit Infrmatik-Werkzeugen zu bearbeiten swie knkrete Infrmatiksysteme zu durchdringen der zu erzeugen. Der Einsatz dieser Infrmatiksysteme wirkt auf die reale Welt zurück. (Arbeitsgruppe Mdellbildung und Simulatin - Königsteiner Gespräche 2001) 4

5 Aspekte des infrmatischen Mdellierens Ziele des zu erstellenden Infrmatiksystems herausarbeiten Phasen des Mdellbildungsprzesses Mdell-Erzeugung interdisziplinäre Prblemanalyse heuristisches Vrgehen in der Mdellbildung Abstraktin und Reduktin (z.b. ADT) (Frmale) Beschreibungsfrmen für die relevanten Daten und Przesse... Mdell-Umsetzung Operatinalisierbarkeit, Autmatisierbarkeit, Implementierung Interaktin Mensch und Mdell... Mdell-Kritik Einbezug vn Optimierungsaspekten (Verbesserung, Anpassung) interdisziplinäre Validierung im szitechnischen Kntext Reflexin vn Simulatins- und Visualisierungsergebnissen... Mdelldkumentatin Iteratin des Mdellbildungsprzesses (Arbeitsgruppe Mdellbildung und Simulatin - Königsteiner Gespräche 2001) 5

6 Ziele der Mdellbildung und Simulatin im Infrmatikunterricht Entwicklung des System- und Mdellbegriffs Anwendung vn Abstraktins- und Reduktinmethden Erfassung und Aufbereitung empirischer Daten Begreifen der Simulatin als Przess Erlernen einer Mdellimplementatinssprache Anwendung vn Verifikatin und Validierung Ableitung vn Experimentierstrategien Nutzung vn Visualisierung- und Präsentatinstechniken Erkennisgewinn durch Analgieschlussverfahren Dkumentatin vn Phasen und Ergebnissen 6

7 Mdellbildung und Simulatin im Schulunterricht Bilgie Beispiele: ressurcenrientiertes Wachstum Aquarium, Räuber-Beute-Mdelle, Kläranlage Chemie Bindungsmdelle Gegraphie Beispiele: Bevölkerungsmdelle Mathematik Grundlagen, Mdelltypen, Rechenverfahren Physik Beispiele: auslaufendes Wassergefäß, Abkühlen einer Flüssigkeit 7

8 Simulatinswerkzeuge im Schulbereich Cmputerspiele Beispiele: SIMCITY SIEDLER Hliday Island... kntinuierliche Simulatren Beispiele: DYNASIS STELLA MODUS Vensim funktinale Simulatren Beispiele: TRYSIM (SPS- Mdelle) LEGO-Dacta diskrete Simulatren Beispiel: WinGPSS / prf 8

9 Anfrderungen an Simulatren für die Schulausbildung Das Grundknzept sllte dem klassischer Simulatinswerkzeuge entsprechen. Die Einarbeitungszeit in das Werkzeug sllte weniger als 10 Stunden betragen. Das Simulatinswerkzeug sllte über eine interaktive, graphische Oberfläche zur Entwicklung und Darstellung der Mdelle verfügen. Schnittstellen zur Kpplung mit Standardsftware sind erfrderlich, um z.b. eine Resultatdatenaufbereitung zu unterstützen. Die Sftware sllte für die Lernenden frei zur Verfügung stehen, um ein Selbststudium zu unterstützen. Der Simulatr ist auch auf Cmputern mittlerer und geringerer Leistungsfähigkeit nutzbar. deutschsprachige Oberfläche und Hilfesystem. 9

10 Ist diskrete Simulatin für die Schulausbildung geeignet? Die Mdelle sind zu kmplex und für die Schüler nicht geeignet. Es stehen keine für die Schule verwendbaren Sftwarewerkzeuge zur Verfügung. Zeitdiskrete Simulatinsmdelle lassen sich aus der Erfahrungswelt der Schüler erstellen. Umweltschnittstellen der Mdelle werden deutlich. Die Mdellbildung und Simulatin ist mit vertretbarem Aufwand möglich. 10

11 Beispiel einer Simulatinsstudie im Schulunterricht Simulatin ausgewählter Abläufe in einer Sparkasse Ziele: Erfassung der Wartezeiten am Geldautmaten Analyse des Kundenverhaltens Experimentieren mit Systemveränderungen zur Verringerung der Wartezeiten Verständnis der Abläufe 11

12 Simulatinsstudie im Schulunterricht Analyse des realen Systems Infrmatikinhalte Erarbeitung des System- und Mdellbegriffs Erfassung und Aufbereitung empirischer Daten Arbeitsschritte Analyse des Kundenstrmes statistische Erfassung vn Bedienzeiten Abgrenzung des Mdells (Umweltschnittstellen) Erfassen des Systemlayuts 12

13 Simulatinsstudie im Schulunterricht Analyse des realen Systems Videaufnahmen und -schnitt: Arn Krüger & Heike Schliefke 13

14 Simulatinsstudie im Schulunterricht Entwicklung des abstrakten Mdells Infrmatikinhalte Erlernen der Methden vn Abstraktin und Reduktin Arbeit mit infrmalen und frmalen Beschreibungsmöglichkeiten vn Systemen Arbeitsschritte Aufbereitung der empirisch erfassten Daten Beschreibung der Daten und Przesse in einer geeigneten Frm 14

15 Simulatinsstudie im Schulunterricht Entwicklung des Mdells Reales System Mdellelement Sprachelement WinGPSS GENERATE Quelle TERMINATE Senke Frderung Transaktin 15

16 Simulatinsstudie im Schulunterricht Entwicklung des Mdells Reales System Mdellelement Sprachelement Geldautmat WinGPSS Bedienstatin SEIZE ADVANCE RELEASE Kntauszugdrucker Bedienstatin 16

17 Simulatinsstudie im Schulunterricht Entwicklung des Mdells Reales System Abstand zwischen dem Eintreffen vn zwei Kunden Anteil der Kunden für den Geldautmat Bediendauer am Geldautmat Anteil der Kunden, die vm Geldautmat zum Kntauszugdrucker gehen Drucken vn Kntauszügen Öffnungszeit Parameter 2 ± 2 Minuten 80% 2 ± 1 Minuten 70% 1,5 ± 0,5 Minuten 12 Stunden 17

18 Simulatinsstudie im Schulunterricht Implementierung des Mdells Infrmatikinhalte Erlernen einer Simulatinssprache bzw. Anwendung einer bekannten Prgrammiersprache auf ein kmplexes System Erlernen grundlegender Validierungstechniken Arbeitsschritte Implementierung des Cmputermdells Validierung des Mdells am realen System Gestaltung vn Simulatinsexperimenten Interpretatin der Simulatinsresultate WinGPSS 18

19 Simulatinsstudie im Schulunterricht Präsentatin der Ergebnisse Infrmatikinhalte Erlernen vn Visualisierungs- und Präsentatinstechniken kritische Betrachtung der Ergebnisse vn Berechnungen Erkenntnisgewinn durch Simulatinsstudien Arbeitsschritte Erarbeitung geeigneter Präsentatinstechniken statistische Auswertung der Simulatinsresultate über mehre Läufe Animatin der Ergebnisse Ableiten vn Schlussflgerungen für das reale System 19

20 Simulatinsstudie im Schulunterricht Präsentatin der Ergebnisse PROOF 20