Предметное моделирование различных объектов природы

Кроме моделирования закономерных процессов природы (сезонные изменения, рост и развитие живых существ) с детьми можно изготовить целый ряд моделей, которые воспроизводят отдельные явления или объекты природы и позволяют дошкольникам познать их существенные стороны. Графическое моделирование может быть использовано при составлении карты-схемы помещения группы, участка детского сада, территории ближайшего природного окружения. Моделирование пространства, в котором протекает жизнедеятельность ребенка, помогает ему по-новому взглянуть на окружающий мир. Составление карты-схемы особенно целесообразно при создании экологической тропы, определении маршрута в природу, по которому дети регулярно совершают прогулки и экскурсии.

С детьми старшего дошкольного возраста можно сделать самодельный глобус (из папье-маше на мяче или воздушном шаре, либо другим способом).

Такой глобус позволяет давать информацию о Земле постепенно и небольшими порциями: в течение учебного года приклеивать материки, обозначать государства, города, моря,; которые так или иначе оказались в поле зрения детей, наносить1 печатными буквами их названия. Большой интерес у дошкольников вызывают путешествия по глобусу, приклеивание изображений животных, проживающих в океанах, на других материках.

Полезна демонстрация картонных моделей, на которых представлено одно из закономерных и широко распространенных явлений животного мира - защитная окраска покровов: маскировочная, отпугивающая, расчленяющая. Воспитатель сам или вместе с детьми может изготовить модель бабочки павлиньего глаза на коре дерева и с помощью подвижных крыльев демонстрировать то маскировочную окраску нижней их стороны, то яркие и отпугивающие, похожие на глаза, пятна на верхней их стороне. Модель можно использовать многократно, показывая морфофункциональную приспособленность насекомого к окружающей среде: бабочка неподвижно отдыхает на дереве, сложив крылья (в этот момент ее защищает маскировочная окраска); бабочка тревожится - открывает и закрывает крылья, отпугивая всех, кто к ней приближается, крупными синими "глазами" на верхней стороне крыльев.

Другая модель дает возможность формировать у детей обобщенное представление о маскировке как таковой. После демонстрации на пестрой и белой части панели 3-4 фигур (геометрических и в форме животных) в неподвижном состоянии и в движении вдоль прорези, дети начинают понимать, что для маскировки любого объекта необходимо сочетание двух условий: окраски, совпадающей с фоном, и неподвижности. Таким образом становится очевидной объективно существующая, но скрытая от восприятия ребенка связь между строением, поведением животного и его средой обитания.

В познавательную деятельность детей целесообразно включить такие предметные модели, с которыми они смогут совершать практические действия. Дошкольникам можно показать, что длина ног влияет на скорость передвижения: чем ноги длиннее, тем животное быстрее перемещается в пространстве. Процесс моделирования этого явления можно организовать следующим образом: на столе перед каждой парой детей надо положить большой лист белой бумаги с обозначенными на нем стартовой линией и двумя дорожками, по которым будут шагать картонные "ноги" -у одного ребенка длинные, а у другого короткие. Каждый из детей делает одинаковое количество шагов (например, по пять), отмечая их карандашом на дорожке, а затем сравнивают результат: дальше ушел тот, у кого "ноги" длиннее. Делают больше шагов, меняются "ногами", но результат остается неизменный - всегда дальше уходят более длинные "ноги". Надевая сверху на них гоишки разных животных, моделирование можно превратить в игру соревнование "Кто из животных скорее прибежит к финишу".

Интересную модель хищной птицы можно сделать из черной бумаги. Прикрепив ее с помощью резинки к концу палки, легко демонстрировать нападение с воздуха и защитное поведение горных животных. Нападение хищника на жертву в природе -," видеть практически невозможно (а дошкольникам и не нужно), поэтому моделирование в этом случае становится особенно уместным.
Таким образом, модели и моделирование позволяют демонстрировать существенные экологические связи в природе, поэтому процесс моделирования и использования готовых моделей является методом экологического воспитания.

Наглядные пособия и их роль в экологическом воспитании детей

В дошкольном возрасте преобладает образное мышление, потому формирование разнообразных реалистических представлений о природе проходит особенно успешно, если воспитатель постоянно использует различные формы наглядности. Демонстрационные учебные картины и маленькие раздаточные картинки, слайды, диафильмы, репродукции и видеофильмы позволяют рассказ воспитатель его объяснения, чтение познавательной литературы сделать образным, показать ребенку то, что стоит за словом и недоступно пока его наблюдению.

Каждое дошкольное учреждение и отдельные воспитатели имеют различный иллюстративный материал, правдиво и разнообразно отражающий природу: наглядные пособия, фотографии, вырезки из календарей и журналов, репродукции произведений известных художников. Весь этот материал может быть использован в педагогическом процессе самым различным образом - для рассматривания, рассказывания, беседы, для формирования у детей новых представлений и уточнения имеющихся, для оформления выставок, игр-путешествий, досугов. Выше уже отмечалась роль картинок для календарей: карточки, на которых изображены новорожденные хомячки, полностью восполняют пробел наблюдений; карточки с изображением атмосферных явлений служат средством фиксации наблюдений за погодой.

Особую ценность имеют цветные, большого размера учебно-наглядные пособия, на которых изображены разные экосистемы (лес, луг, степь, пустыня, тундра, полярный край, пруд или озеро, море), а также картины, на которых представлена природоохранная или сельскохозяйственная деятельность людей. В этом ряду наиболее значимыми являются картины с изображением леса и лесных животных в разные времена года.
В России лес разного состава занимает большие пространства; он широко представлен в народных и авторских сказках, в литературных произведениях, в живописи. Тема леса традиционно является важной в ознакомлении детей с природой.

Экологическое воспитание дошкольников на примере лесной экосистемы имеет очень большое значение, оно базируется на ряде существенных аспектов:
- Все лесные животные имеют ярко выраженные внешние морфофункциональные приспособительные особенности, доступные познанию детям дошкольного возраста (маскировочная окраска покровов, например, у зайца-беляка, белки, ежа, ящерицы, лягушки; приспособленность к быстрому передвижению по земле и по деревьям; приспособленность к нахождению и поеданию пищи, к защите от врагов, выращиванию потомства).

Жизнь леса подчинена сезонным закономерностям неживой природы: деревья, кустарники имеют сезонный облик, так же как и покров лесной почвы (грибы, ягоды, травы, опавшие хвоя и листья); образ жизни животных также носит сезонно приспособительный характер (например, зимняя спячка бурого медведя, ежа; выведение потомства разными животными в весенне-летний период; линька, запасание кормов и пр.).

Лес - это сообщество растений и животных, все они связаны между собой цепочками питания (растительноядные животные поедают разные части растений, хищники нападают на растительноядных животных).

Все эти моменты, если они представлены на картине учебного пособия, дают возможность формировать у детей первоначальные представления о лесе как экосистеме, причем картина в силу своей статичности позволяет длительно ее рассматривать, многократно обсуждать, сосредоточивать внимание ребят на разных явлениях из жизни леса, т.е. в определенном отношении, для детей дошкольного возраста, картина является универсальной наглядностью, она важнее, чем видео или слайд-фильм. Рассматривание картин экологического содержания может предшествовать экскурсии в лес и завершать ее.

Начинать рассматривать такие картины с целью формирования у детей отчетливых и правильных представлений целесообразно со средней группы. У четырехлетних дошкольников преобладают сказочные представления о лесе и его обитателях, их собственный опыт в этой области еще невелик, поэтому картина дает возможность: показать реальные объекты и события; сделать доступным восприятию из жизни лесной экосистемы то, что обычно скрыто, показать лесных животных в их естественной среде.

Формирование реалистических представлений о природе на основе картин пойдет эффективнее и быстрее, если воспитатель в процессе их рассматривания употребляет правильные обозначения-термины (например, не зайчик, а заяц-беляк; не мишка, а бурый медведь), делает пояснения достоверного содержания, исключает уменьшительно-ласкательные формы и обороты речи.

Например, рассматривая с детьми средней группы картину "Зайцы в зимнем лесу", воспитатель может сделать примерно следующие пояснения:

- "На картине нарисован настоящий смешанный лес. В нем растет много разных деревьев и кустарников. В этом лесу живут зайцы-беляки".

- "Зимой в лесу все покрыто снегом, травы нет. Зайцам - белякам совсем нечего есть, поэтому они грызут ветки кустов, кору деревьев. Зима - это трудное время в их жизни".

Со старшими дошкольниками эта же картина поможет обсудить следующие вопросы: как они приспособлены к передвижению по снегу, какие у них ноги, как они петляют, ложатся в лежку, какие у них зубы и почему они могут грызть кору. Рассматривая беляков, воспитатель рассказывает о приспособительных особенностях строения глаз, ушей, о значении весенней и осенней линьки.

Не менее важными являются картины сельской тематики: жизнь домашних животных в разное время года, уход человека за ними, их использование в хозяйстве - все интересно детям, особенно городским, которым не так часто доводится видеть деревенскую жизнь.

Еще один тип демонстрационных картин имеет большое значение для ознакомления детей с природой - картины, на которых животные представлены в крупном масштабе и со своими детенышами. Такие "портретные" картины особенно важны для младших дошкольников, восприятие которых еще недостаточно развито и легко сосредоточивается на четко прорисованных (без излишней детализации) цветных изображениях. Такие картины помогают формировать у маленьких детей первоначальные представления о домашних животных и их детенышах, позволяют обучать, сравнивать, обозначать словом увиденное, включать картины в простейшие сюжетные игры (например, "покормим корову сеном", "угостим козу ветками" и т.п.). Для детей старшего дошкольного возраста такого рода картины целесообразны, если на них представлены экзотические, малоизвестные животные.

Давая детям первоначальные знания о животных на основе картин, воспитатель должен смоделировать их реальные размеры. При этом единицей измерения становится он сам - действиями и движениями обозначает истинные размеры животного. Например, рассказывая о белке, воспитатель сообщает и показывает, что это небольшой зверек: он умещается на ладони взрослого человека.

Говоря о лосе, поднимает руку вверх - это огромный зверь, намного выше человека.
Наряду с большими картинами, начиная со средней группы, используются наборы маленьких карточек с четким цветным изображением самых различных животных и растений. Они используются как раздаточный материал, с ними можно проводить дидактические игры, упражнения, создавать проблемные ситуации. Например, воспитатель старшей группы комплектует одинаковые! конверты для каждого ребенка с 10-15 карточками, предлагает? разложить их в два ряда: в один - домашних, а в другой - диких, животных. Или: выбрать животных (летающих, живущих в воде, в лесу, умеющих лазать, прыгать); сделать ряды из растительноядных и хищников, птиц и насекомых и т.д. Интересными могут; быть проблемные экологические ситуации, когда к картинам, изображающим среду обитания (например, лес, озеро или море, пустыня), дети подбирают животных, которые могут в ней жить, а потом объясняют, почему они сделали такой выбор.

Картины важны не только для познавательного, но и для эстетического развития детей: красивый пейзаж останавливает взор, успокаивает и волнует одновременно, оставляет сильное эмоциональное впечатление. В дошкольном учреждении, как правило, много пейзажей, выполненных в разной технике (живопись, графика, репродукции, металлографика, художественная фотография). Можно вставить их в рамки и периодически организовывать мини выставки на разные темы. Воспитатели, посещая с дошкольниками такие выставки, учат их видеть красоту природы, отраженной в произведении искусства, красоту предмета, созданного человеком на основе впечатлений от природы, учит радоваться красивому предметному окружению, беречь его.
Яркие впечатления оставляют у детей познавательные видеофильмы: если есть аппаратура, надо собирать фильмы о лесе, пустыне, обитателях арктических и тропических зон. Завораживающе действует на детей, например, показ моря. Неоднократный показ детям животных жарких стран на картинках или в зоопарке расширяет их кругозор, вызывает интерес к окружающему миру. Есть учебные фильмы, в которых запечатлена жизнь муравейника, пчелиной семьи, подводных обитателей морей и океанов.

Важно иметь в фонотеке детского сада различные музыкальные произведения (классические, детские, современные), отражающие природу, ее явления, деятельность людей. Таким образом, наличие разнообразных наглядных пособий и художественных произведений в детском саду, содержательно и эмоционально отражающих объекты и образы природы, является важным условием полноценного экологического воспитания детей.

Контрольные вопросы
1. Что такое предметные модели? Какие явления природы с их помощью можно демонстрировать детям?
2. В чем разница между наблюдением объектов природы и их
моделированием?
3. Какую роль в экологическом воспитании детей играют наглядные пособия? Что с их помощью можно показать?
4. Зачем нужны большие и маленькие картины, как они могут быть использованы в педагогическом процессе?
5. Зачем нужны произведения искусства о природе? Как их можно использовать в воспитании и развитии детей?

Задание для преподавателя
Разделите студентов на группы по 3-5 человек, распределите между ними домашнее задание: изготовление модели маскировки, бабочек (павлиний глаз и капустница), хищной птицы, а также наглядного пособия "Животные в масштабе". Проведите со студентами практическое занятие по моделированию "длинных и коротких ног", организуйте соревнование между ними.

Игра - как метод экологического воспитания.

Связь игры с экологическим воспитанием.

В жизни детей дошкольного возраста игра является ведущей деятельностью. Игра - это эмоциональная деятельность: играющий ребенок находится в хорошем расположении духа, активен и доброжелателен. Эффективность ознакомления детей с природой в большой степени зависит от их эмоционального отношения к воспитателю, который обучает, дает задания, организует наблюдения и практическое взаимодействие с растениями и животными. Поэтому первый момент, который объединяет два аспекта педагогики (игру и ознакомление с природой), заключается в том, чтобы "погрузить" детей в любимую деятельность и создать благоприятный эмоциональный фон для восприятия "природного" содержания.

Второй значимый момент связан с выработкой отношения детей к природе, которое в рамках экологического воспитания является конечным результатом. Психологи рассматривают игровую деятельность как проявление сложившегося у ребенка положительного отношения к тому содержанию, которое она в себе несет. Все, что нравится детям, все, что их впечатлило, преобразуется в практику сюжетной или какой-либо другой игры. Поэтому, если дошкольники организовали игру на природоведческий сюжет (зоопарк, ферма, цирк и пр.), это означает, что полученные представления оказались яркими, запомнились, вызвали эмоциональный отклик, преобразовались в отношение, которое ее и спровоцировало.

В свою очередь усвоение знаний о природе при помощи игры, вызывающей переживания, не может не оказать влияния на формирование у них бережного и внимательного отношения к объектам растительного и животного мира. А экологические знания, вызывающие эмоциональную реакцию у детей, войдут в их самостоятельную игру, станут ее содержанием, лучше чем знания, воздействие которых затрагивает лишь интеллектуальную сферу.

Игра и экологическое воспитание в некотором отношении противоположны: во время игры ребенок раскован, он может проявлять инициативу, совершать любые действия, от которых игра может быть лучше или хуже, но при этом никто не пострадает, т.е. он физически и морально не ограничен в этой деятельности. Познание природы, взаимодействие с ней требуют учета специфики живого организма и поэтому накладывают много запретов, ограничивают практическую деятельность ребенка. Именно поэтому игровое взаимодействие с живыми существами, познание природы игровым способом должны строиться по определенным правилам.

Использование сюжетно-ролевой игры в экологическом воспитании

Сюжетная игра - это воспроизведение событий, происходящих в жизни или в литературном произведении. В этих событиях действуют люди или персонажи произведений. Исследованиями педагогов и психологов выявлена структура сюжетно-ролевой игры, включающая такие элементы, как воображаемая ситуация, сюжет, роли, ролевые слова и действия, игровые действия с атрибутами и игрушками.

В развитой форме самостоятельной игровой деятельности старших дошкольников все эти элементы функционально взаимосвязаны в едином игровом процессе. Главное условие игры - наличие у детей знаний о той или другой стороне действительности, о деятельности людей в ней, их конкретно-ситуативном поведении. Эти знания (или знание литературного произведения), служат источником построения сюжета игры, осуществления ролей, ролевых отношений. Можно выделить две формы сюжетно-ролевых игр: игры самостоятельные и игры, организуемые воспитателем, проходящие под его руководством. Широкое использование в педагогическом процессе последних обеспечивает развитие первых.

Игра как метод экологического воспитания - это игра, специально организованная воспитателем и привнесенная в процесс познания природы и взаимодействия с ней. Такую форму обучающей игры воспитателя с детьми, имеющую определенную дидактическую цель, можно назвать игровой обучающей ситуацией (ИОС).

ИОС - это полноценная, но специально организованная сюжетно-ролевая игра. Ее характеризуют следующие моменты:
- она имеет короткий и несложный сюжет, построенный на основе жизненных событий или сказочного либо литературного произведения, которое хорошо знакомо дошкольникам;

Оснащена необходимыми игрушками, атрибутикой; для нее специально организуются пространство и предметная среда;

Игру проводит воспитатель: объявляет название и сюжет, распределяет роли, берет одну роль на себя и исполняет ее, поддерживает воображаемую ситуацию в соответствии с сюжетом;

Воспитатель руководит всей игрой: следит за развитием сюжета, исполнением ролей детьми, ролевыми взаимоотношениями; насыщает игру ролевыми диалогами и игровыми действиями, через которые и осуществляется дидактическая цель.
Можно выделить несколько видов ИОС, с помощью которых успешно решаются различные программные задачи ознакомления детей с природой и их экологического воспитания.

Игровые обучающие ситуации с игрушками-аналогами
Аналоги - это такие игрушки, которые изображают объекты природы: конкретных животных или растения. Игрушечных анало¬гов животных множество, они существуют в самом различном исполнении (мягкие, резиновые, пластмассовые, заводные и пр.). Игрушечных аналогов растений не так много - это пластиковые елочки разного размера, деревья и кустарники из плоскостного театра, грибочки, иногда пенопластовые фрукты и овощи, фигурки героев сказки Дж.Родари «Приключения Чиполлино».

Игрушки-аналоги замечательны тем, что с их помощью у детей начиная с 2-3 лет можно формировать отчетливые представления о специфических особенностях живых существ на основе ряда существенных признаков. Маленьким детям можно показать главные отличия игрушки-предмета от живого животного, если организовать одновременное их восприятие и сопоставление. С помощью таких игрушек легко продемонстрировать: что можно делать с предметом и что можно делать с живым существом, т.е. показать принципиально разные

формы деятельности с живыми и неживыми объектами.
Рассмотрим игровую обучающую ситуацию сравнения живых и игрушечных рыбок. Она может быть использована на занятии в младшей группе после цикла наблюдений за аквариумными рыбками.

Воспитатель ставит цель - закрепить у детей представление о золотых рыбках, которые живут в аквариуме и за которыми они наблюдали достаточно длительное время; показать отличие игрушки от живых рыб по следующим признакам: живые рыбы живут в воде, из которой их нельзя вынимать, сами плавают, едят, за ними надо ухаживать - ежедневно кормить специальным кормом; за живыми рыбками можно наблюдать - смотреть, как они плавают, как едят; игрушечные рыбки - это предметы, с которыми можно играть (брать в руки, изображать, как они плавают, понарошку кормить, укладывать спать), они похожи на живых (у них есть туловище, голова, хвост, на голове рот и глаза).

Воспитатель готовит таз с водой, игрушечных рыбок (по числу детей и для себя), кукольную посуду. Сажает детей перед аквариу¬мом и начинает сравнение: просит сказать, кто живет в аквариуме, как называются рыбки. Спрашивает, делая акцент на последнем слове: «Это игрушечные рыбки или живые?»

Подтверждает, что это живые золотые рыбки, они живут в аквариуме в воде, вынимать их нельзя. Затем показывает детям игрушечную рыбку, спрашивает, что это такое, живая рыбка или игрушечная (акцент на последнем слове), подтверждает: «Это игрушка, эту рыбку можно брать в руки, она игрушечная, а не живая».

Затем воспитатель направляет внимание детей на аквариум, спрашивает, что делают рыбки. После их ответов уточняет: «Рыбки плавают в воде. Они живые - плавают сами, никто им не помогает». Кладет игрушечную рыбку в таз с водой, просит детей посмотреть, что делает игрушка. Уточняет: «Игрушка лежит на воде, не плавает. Эта рыбка игрушечная, неживая, она сама плавать не может. С ней можно поиграть». Изображает рыбкой движение в воде, предлагает двум-трем детям повторить игру.

Сопоставление продолжается - воспитатель кормит рыб в аквариуме, дети наблюдают, как они едят, а взрослый подчеркивает: «Золотые рыбки живые, их надо кормить каждый день, иначе они могут умереть. Живые рыбки сами едят корм: увидят его, подплывут и ртом хватают. Они живые - сами едят». Затем воспитатель выясняет, как надо кормить игрушечных рыбок: сыплет рыбий корм перед игрушкой, которая лежит на воде в тазу, предлагает посмотреть и сказать, ест ли она его. Уточняет: «Эта рыбка не ест - она игрушечная, неживая. С ней можно поиграть - покормить ее понарошку». Воспитатель вынимает игрушку из воды, вытирает, просит детей дать кукольную посуду, показывает, как он кормит рыбку кашей из тарелки. Предлагает нескольким детям покормить ее, напоить чаем, а потом погулять с ней, побаюкать, покатать в машине.

В завершение воспитатель подчеркивает: с живыми и игрушечными рыбками допустимы разные виды деятельности: «На живых можно смотреть, наблюдать за ними очень интересно - как они сами едят корм, плавают в воде. А с игрушечными рыбками можно играть, брать их в руки. Теперь, если кто хочет, останьтесь возле аквариума и понаблюдайте за золотыми рыбками. Тому, кто хочет играть, я дам игрушечных рыбок, и вы с ними поиграете».

Аналогичные ИОС можно использовать в ознакомлении детей с птицами, черепахой и любыми другими животными, а также при сопоставлении игрушечной и живой елки. Это может быть одно из наблюдений цикла, посвященного хвойным деревьям и проводи¬мого с детьми среднего и старшего возраста в декабре (перед Новым годом). Воспитатель выносит на улицу пластиковую елочку, предназначенную для кукольного уголка, и проводит сравнение. Дети уже не раз наблюдали за елью на участке, поэтому сравнить искусственное и живое дерево им и нетрудно, и интересно.

Воспитатель обращает внимание на то, что живое дерево стоит на одном месте - оно корнями уходит в землю. У игрушечной елки есть ствол, ветки, иголки, но нет корней: ее можно носить и ставить где угодно, с ней можно играть. Живое дерево растет, каждый год становится выше, ветви удлиняются. Игрушка остается всегда неизменной. Живая ель пахнет хвоей, весной у нее начинается сокодвижение в стволе, одни иголки отпадают, а новые вырастают, все лето растут и созревают шишки. У искусственной елочки ничего не меняется, она пахнет пластмассой. Живая ель очень красива темно-зеленой упругой хвоей, покрытой снегом и инеем, она величественна и стройна, как пирамида. Искусственная елочка красива по-другому: ее сделали умелые люди, она очень похожа на настоящую, ее можно наряжать, с ней можно играть.

ИОС с игрушками-аналогами могут быть использованы во всех возрастных группах, причем сопоставлять их можно не только с живыми объектами, но и с их изображениями на картинах, наглядных пособиях. Например, в беседе по картинам при обсуждении особенностей жизни белки в лесу, ее приспособленности к передвижению по деревьям, к защите от врагов, к выведению потомства и другим проявлениям может участвовать игрушечная! белочка. Экологический смысл сопоставления заключается в том, что игрушка «живет» на полке в игровом уголке (это ее «среда обитания»), она ничего не знает о том, как и где живут живые: белки, что они делают в лесу, каков их образ жизни в разные сезоны. Создается ситуация игры в обучение белочки - дети рассказывают ей, опираясь на картины, то, что уже знают, воспитатель дополняет их высказывания новыми сведениями и тем самым кос¬венно и незаметно - через игру - обучает дошкольников.

Игрушки-аналоги могут быть включены в любые ИОС, в любую форму экологического воспитания детей: наблюдения, занятия, труд в природе. Их можно взять на экскурсию в ближайшее природное окружение, сочетать с чтением познавательной литературы, просмотром слайдов, видеофильмов. Во всех случаях они помогут в формировании у ребят отчетливых реалистических представлений о природе. В отдельных случаях игрушку-аналог целесообразно демонстрировать до знакомства с животным. Это относится к некоторым млекопитающим (кошка, собака, кролик и др.), которые вызывают у детей яркие и сильные эмоции, желание общаться с ними - обычная игрушка на их фоне блекнет. Соперничать с ними может только интересно сконструированная заводная игрушка, которая воспроизводит элементы поведения (например, собака, которая продвигается вперед, виляет хвостом, лает, подни¬мается на задние лапы). Анализ такого сопоставления, несомненно, вызовет интерес у старших дошкольников, поможет им глубже по¬нять специфику живого.

Игрушки-аналоги - это дидактические игрушки, их следует собирать и хранить в методическом кабинете. Целесообразно иметь наборы рыбок, птичек - они послужат раздаточным материалом на занятиях в любой возрастной группе. Можно подобрать одноименные игрушки, сделанные из разного материала (например, зайцы мягкие, резиновые, пластмассовые), разного размера и разного декоративного оформления. Прекрасными объектами для игровых занятий являются крупные мягкие игрушки, которые хорошо передают натуру (львы, тигры, обезьяны, крокодилы).

Игровые обучающие ситуации с литературными персонажами
Второй тип ИОС связан с использованием кукол, изображающих персонажей произведений, хорошо знакомых детям. Герои полюбившихся сказок, рассказов, диафильмов, мультфильмов воспринимаются детьми эмоционально, будоражат воображение, становятся объектами подражания. В экологическом воспитании дошкольников с успехом используются различные персонажи на основе их литературной биографии - главных событий, характерных ситуаций, ярких особенностей поведения. В ИОС сказочные Герои «выходят» за пределы сюжета произведения, действуют в новых, но аналогичных ситуациях и обязательно продолжают характерную для них линию поведения.

Для реализации целей экологического воспитания подходят такие литературные произведения, содержание которых так или иначе связано с природой, а герои имеют кукольное воплощение. В детском литературном репертуаре таких произведений много - это прежде всего народные и авторские сказки «Репка», «Курочка Ряба» «Красная Шапочка», «Доктор Айболит» и др. С куклами, изображающими главных героев сказок, можно построить много различных ИОС, которые помогут решить разные программные задачи ознакомления детей с природой, выработки у них необходимых навыков.

Каждая отдельно взятая ИОС решает небольшую дидактическую задачу с помощью литературного персонажа его вопросов, высказываний, советов, предложений и различных игровых действий. Воспитателю при разработке ИОС следует помнить, что все слова и действия куклы должны соответствовать ее литературной биографии; в новой ситуации она должна проявлять себя так же, как и в произведении. Рассмотрим некоторых персонажей сказок, которых можно использовать для построения ИОС.

Чипполино дети симпатизируют, он нравится им за смелость, находчивость. Его сходство с луковицей помогает им глубже осознать разницу между натуральным овощем и его игрушечным изображением. Главная особенность Чипполино: он много знает об овощах и фруктах, так как живет во фруктово-огородной стране. Он сообщает новые сведения о плодах, дает советы по их вы¬ращиванию, уходу за огородными растениями. Игрушка может быть использована во всех занятиях фруктово-овощной тематики, при выращивании лука на окне и создании календаря наблюдений за ним, во время беседы по календарю.

Карлсон знаком детям по книге Линдгрен и по мультфильму как большой хвастунишка, баловник, весельчак, любитель вкусно поесть. Его особенность - живет на крыше, имеет пропеллер и везде летает, хочет дружить с мальчиком. С помощью куклы Карлсона можно придумать ряд ИОС. Например, летая по округе и замечая, что происходит на деревьях, крышах домов, Карлсон может сообщить много нового и интересного о жизни птиц, об осенне-весенних явлениях в природе. В зависимости от того, что воспитатель хочет - сообщить новые знания или уточнить уже имеющиеся у них представления, - он вкладывает в уста куклы либо правильные сведения о событиях в природе, либо неверные предположения и «глупые» вопросы.

С этой куклой может быть построена интересная проблемная ситуация: живя на крыше, Карл¬сон увидел в окно, как ребята в детском саду в зимнее время сажают! овес, решил сделать подарок соседке-воробьихе к 8-му марта тоже вырастить зелень. Дети снабжают куклу коробочкой с посевом семян, дают напутствие, закрепляя при этом знания о том, как надо ухаживать за посадкой, чтобы семена проросли. Через две недели, когда на окне у детей овес зеленеет во всю, Карлсон прилетает с обледенелой коробочкой и со слезами сообщает, что он регулярно поливал, но почему-то у него только лед появился. Дети удивлены не меньше куклы, ситуацию помогает распутать вос¬питатель: задает вопросы Карлсону и выясняет, что на крыше так же холодно, как и на улице, предлагает детям самим объяснить, почему вместо зелени появился лед.

Герой сказки Н. Носова знаменитый Незнайка может часто «приходить» к детям и участвовать в самых различных мероприятиях, но во всех случаях он попадает впросак, делает неверные предположения, дает неправильные советы. Его учат дети и воспитатель; дети при этом уточняют и закрепляют то, что знают, а взрослый исподволь дает новые знания - исправляя Незнайку, учит детей.

С образом Айболита у дошкольников связаны представления о добром докторе, который лечит животных и заботится о них. В каждом детском саду имеется кукла Айболит со знаменитым чемоданчиком с принадлежностями для лечения болезней. Этот персонаж может быть включен в разнообразные ИОС с детьми любой возрастной группы. Совершая игровые действия «врача-специалиста», Айболит выполняет очень важную для экологиче¬ского воспитания функцию - делает профилактические осмотры животных, растений и даже детей с целью оценки состояния их здо¬ровья. Осматривая своих пациентов (именно как врач), он демон¬стрирует, как это надо делать, как и по каким признакам выявлять неблагополучное состояние обитателей уголка природы, как за¬мечать недостаток каких-либо необходимых условий жизни.

Еще одна важная особенность Айболита - давать рекомендации, назначать лечение пациентам. Так, осматривая аквариум с рыбами, Айболит рекомендует долить воды или заменить часть ее свежей, включать по чаще рефлектор, чтобы растения не были такими хилыми, дает советы, как разнообразить корм для рыб. Осматривая ранней весной комнатные растения, доктор прописывает им «лекарство» от истощения (удобрение), пересадку, подрезку, дополнительный полив и пр., т.е. то, что действительно необходимо сделать с ними весной.
Большую роль в развертывании игры с Айболитом выполняет атрибутика: кукла должна быть средних размеров, в белом халате и колпаке, желательны очки и борода, символизирующие ученость и доброту. Чемоданчик доктора заполняется предметами, необходимыми для осмотра пациентов: это традиционный набор, если он осматривает детей; набор меняется, если пациентами становятся растения (бумажки-рецепты, палочки для постукивания по горшку и рыхления, пакетики с удобрениями, пластмассовые ножницы для обрезания сухих листьев и стеблей, опрыскиватель). При Айболите должна быть машина скорой помощи (кукольный грузовик с крестом), которая выполняет важную роль: на машине он едет и везет свой чемоданчик, крупногабаритные атрибуты для лечения и профилактики (мешочки с хорошей землей для растений, термос с настоем шиповника или фрукты для детей, если он намерен их осматривать, новый корм для птиц или рыб и т.д.). На машине Айболит может увозить с собой для лечения в стационаре тяжело больных пациентов (растения, которые находятся в плохом состоянии).

ИОС с Айболитом очень эффективны - в рамках игры совершается реальное общение с живыми объектами и осмотр среды их обитания. Реализуется настоящее право врача выяснить состояние пациентов, условий, при которых возникла болезнь или плохое самочувствие одних, отметить, наоборот, отличное состояние других, похвалить детей за здоровый образ жизни.

Таким образом, литературный герой, привнесенный в педагогический процесс, - это не просто симпатичная игрушка, которая развлекает детей, а персонаж с определенным характером и формой выражения, решающий дидактические задачи. Детям он интересен тем, что в совершенно новой ситуации проявляет свои типичные особенности, т.е. действует в своем «амплуа», и взаимодействует непосредственно с ними.

Важным является то обстоятельство, что каждый литератур¬ный герой в отдельно взятой игровой обучающей ситуации может выступать в одной из двух функций: выполнять роль знающего, хорошо осведомленного в каком-либо материале героя или, на¬оборот, ничего не знающего наивного простака. В первом случае воспитатель ставит задачу косвенного обучения детей - устами персонажа сообщает новые сведения, учит правилам поведения (например, так, как это делает доктор Айболит). Во втором случае воспитатель ставит задачу закрепления материала, уточнения и актуализации имеющихся у детей представлений о природе.

Еще одно обстоятельство имеет принципиальное значение. В традиционном занятии воспитатель всегда «над детьми»: он задает вопросы, поучает, рассказывает, объясняет - он взрослый и умнее детей. При использовании персонажа-простачка (например, Незнайки), который проявляет полную неосведомленность в событиях, статус детей меняется: уже «не воспитатель над ними», а «они стоят над куклой»: учат ее, поправляют, сообщают то, что сами знают.

Такое соотношение позиций в ИОС придает дошкольникам уверенность, они обретают авторитет в своих собственных глазах. Действует сильная игровая мотивация, и дети не берут в расчет, что за Незнайку говорит воспитатель: они во власти игровой ситуации, а потому уверенно и пространно высказываются, дополняют, объясняют и тем самым упражняются в применении своих знаний, уточняют и закрепляют их. Иначе говоря, использование куклы-персонажа на основе его литературной биографии - это косвенная форма обучения детей, целиком основанная на достаточно сильной игровой мотивации.

Чтобы ИОС с любым литературным персонажем действительно выполнила дидактическую функцию, она должна быть хорошо разыграна. В каждой такой ИОС воспитатель выполняет две роли - куклы и свою собственную. Он одновременно говорит и действует за персонажа и за воспитателя. Как педагог, он разговаривает с детьми и куклой; как персонаж, он говорит с детьми и воспитателем. При этом успех исполнения роли куклы зависит от меняющихся интонаций и разнообразных игровых действий, которые она совершает. Кукла должна быть «живой» - поворачиваться то к детям, то к воспитателю, протягивать руки, наклонять голову, вступать в контакт с детьми (гладить их по голове, по щеке, хлопать по плечу, здороваться за руку и пр.). Именно поэтому целесообразно использовать куклы би-ба-бо, а обычные куклы сделать управляемыми.

Айболит, например, при осмотре растений совершает множество таких действий: со всех сторон их обходит, оглядывает, трогает рукой землю, качает головой, когда замечает неполадки, указывает на хилые стебли, желтеющие листья. Все свои действия доктор сопровождает словами, возгласами, оценкой - именно из них становятся понятными смысл его осмотра, общее заключение, которое он делает. Это и называется игровыми действиями и словами персонажа. К исполнению роли куклы воспитатель должен готовиться: чем лучше он ее разыграет, тем эмоциональнее будет воспринято детьми содержание занятия, тем успешнее будет решена и дидактическая задача.

Контрольные вопросы
1. В чем состоит связь игровой деятельности и экологического воспитания детей?
2. Какова структура сюжетно-ролевой игры? Какие ее элементы можно использовать при ознакомлении детей с природой?
3. Что такое игровая обучающая ситуация (ИОС)? Как проводится ИОС с игрушками-аналогами? Каково их значение для эко¬логического воспитания детей?
4. В чем специфика ИОС с литературными персонажами? Что такое литературная биография героя? Какие персонажи могут быть использованы в ИОС?
5. Какую роль выполняют «знающие» и «незнающие» игровые персонажи в дидактическом процессе обучения детей?
6. Как воспитатель должен готовиться к исполнению ИОС с литературным героем? Что дает детям хорошая игра воспитателя?

Задание для студентов
Придумайте несколько вариантов ИОС: 1) с Красной Шапочкой; 2) с Буратино; 3) с котом Матроскиным; 4) с игрушечной черепахой.
Задание для преподавателя
Проведите со студентами практическое занятие, на котором они будут разыгрывать готовые и ими придуманные ИОС с куклами из разных сказок. Занятие можно провести в форме соревнования двух команд. В судейскую коллегию входят преподаватель и 2-3 сильных студента. В баллах надо оценивать экологическую значимость содержания ИОС, ролевое ее исполнение (игровые действия и слова), взаимодействие с «детьми» (студентами, не занятыми в ИОС).

Игровые обучающие ситуации типа путешествий

Еще один тип ИОС имеет значение в реализации игры как метода экологического воспитания детей. Путешествия в данном случае - это собирательное название различного рода игр в посещения выставок, сельскохозяйственных ферм, зоопарка, салона природы и пр., в экскурсии, походы, экспедиции, поездки и путешествия, Эти игры объединяет то, что дети, посещая интересные места, в игровой форме получают новые знания о природе, чему способствует обязательная в игре "роль руководителя (экскурсовода, начальника экспедиции, заведующего фермой), которую исполняет воспитатель. Именно через него дошкольники знакомятся с новыми местами, животными, растениями, получают самые различные сведения об окружающей природе и деятельности человека в ней.

В каждом конкретном случае сюжет игры продумывается таким образом, что дети, посещая новые места, знакомятся с новыми объектами и явлениями в качестве путешественников, туристов, экскурсантов, посетителей. В рамках ролевого поведения дети слушают пояснения, «фотографируют», рассуждают. Чтобы игра была полноценной и через нее воспитатель смог реализовать

поставленные дидактические задачи, он тщательно продумывает свою роль (слова для контакта с посетителями, содержательные сообщения, возможные игровые и ролевые действия). Игра захватит детей, если воспитатель специальными приемами постоянно поддерживает воображаемую ситуацию того пространства, в котором она протекает (зимнего заснеженного леса, летнего леса с завалами или болотистыми местами, жаркой пустыни, арктических льдов).

Это могут быть различные слова и действия: «Уважаемые туристы, наденьте головные уборы, накиньте легкие одежды на себя, чтобы палящее солнце пустыни не сожгло бы вашу кожу, чтобы вы не получили солнечного удара. (При этом сам руководитель изображает, как он надевает на себя головной убор, ветровку, проверяет, как сделали то же самое туристы.) Проверьте, у всех ли есть фляги с водой: нам предстоит длительный переход по безводной пустыне, наверняка захочется пить». Шагая во время воображаемой экскурсии по болотистому месту, руководитель просит экскурсантов поднимать повыше ноги, идти осторожно, чтобы не провалиться (при этом сам делает то, что нужно). Отправляясь в зимний лес, воспитатель просит всех потеплее одеться, получше завязать шапки, чтобы не замерзнуть. Во время воображаемого похода напоминает, чтобы не снимали варежки, просит растереть щеки, чтобы их не отморозить, постучать ногами, чтобы разогреть их.

Хорошая игра сложится, если воспитатель продумает и главные, и сопутствующие роли, назначит на них детей, подготовит необходимую атрибутику. Например, в игре «Посещение зоопарка» воспитатель исполняет роль директора зоопарка, дети - роль посетителей (это главные роли). Сопутствующие роли - это шофер автобуса, на котором едут посетители; кассир, который продает билеты в зоопарк; контролер, который проверяет и отбирает билеты, напоминает о правилах осмотра зверей; буфетчица, которая продает мороженое, конфеты и пр.

Атрибутикой в этой игре являются руль автобуса, касса, деньги, билеты, мороженое, конфеты, фартук и кокошник буфетчицы, пиджак и очки директора (для его солидности). Если все это будет подготовлено, а дети будут знать, как исполнять роли, то игра станет интересной, полноценной - программное содержание занятия (ознакомление детей с животными зоопарка и условиями их содержания) воспитателю в роли директора нетрудно реализовать.

В ИОС такого типа большую помощь оказывает атрибутика в виде самодельных фотоаппаратов, подзорных труб и биноклей. «Оптические приборы», ограничивая объективом пространство обзора, создают хорошие визуальные условия для наблюдения, для рассматривания новых объектов. Фотографировать, смотреть в бинокль или подзорную трубу - это игровые действия, которые помогают удерживать детей в пространстве игры. Фотоаппарат обладает еще одним игровым преимуществом: дети не только фотографируют объекты наблюдения, но и «проявляют» потом фотографии -рисуют и тем самым отражают свои впечатления от экскурсии, что ценно как в познавательном, так и в эмоциональном плане.

Обучение с использованием игр-путешествий может в ряде случаев выходить за рамки отведенного времени - это не опасно, так как качественное проведение игры, создавая определенный эмоциональный настрой у детей, обеспечивает максимальный развивающий эффект.

Формирование модели предметной области

Современный уровень инструментальных средств позволяет работать на компьютере на определенном уровне, например, при использовании редакторов, многим пользователям. Однако при углубленной работе с информацией, связанной с ее сбором, созданием базы данных, обработкой информации, представлением для дальнейшего использования возникают значительные трудности. Это связано с невозможностью работы в компьютерной среде на естественном языке. Вся информация, описывающая конкретную предметную область должна быть определенным образом абстрагирована и формализована.

Основными направлениями формализации информации о предметной области являются:

Теория классификации, базирующаяся на таксономическом и мерономическом описании информации. Таксономическое описание основано на идеологии множеств, а мерономическое осуществляется через строго формализованное определение классов;

Теория измерений, предлагающая базу для качественных и количественных измерений через классификационные и порядковые шкалы;

Семиотика, изучающая знаковые системы с точки зрения синтактики, семантики и прагматики.

Прежде чем перейти непосредственно к вопросам формализации и абстрагированного описания кратко коснемся вопросов терминологии.

Понятие информации в общем плане должно быть связано с определенной предметной областью, свойства которой она отражает. В более узком плане понятие информации связано с определенным объектом. При этом наблюдается относительная независимость информации от носителя, поскольку возможны ее преобразование и передача по различным физическим средам с помощью разнообразных физических сигналов безотносительно к ее содержанию, т.е. к семантике, что и явилось центральным вопросом многих исследований, в том числе и в философской науке. Информация о любом материальном объекте может быть получена путем наблюдения, натурного либо вычислительного эксперимента, а также на основе логического вывода. Поэтому говорят о доопытной, или априорной информации и послеопытной, т.е. апостериорной, полученной в итоге эксперимента.

Предметная область – реальный мир, который должен быть отражен в информационной базе.

Факты – результат наблюдения за состоянием предметной области.

Данные – вид информации, отличающийся высокой степенью форматированности в отличие от более свободных структур, характерных для речевой, текстовой и визуальной информации

Информационная база (база данных) – совокупность данных, предназначенных для совместного применения.

Знания – итог теоретической и практической деятельности человека, отражающий накопление предыдущего опыта и отличающийся высокой степенью структуризации.

В знаниях можно выделить три основные составные части:

Декларативные (факторальные знания), представляющие общее описание объекта, что не позволяет их использовать без предварительной структуризации в конкретной предметной области;

Понятийные (системные) знания, содержащие помимо первой части, взаимосвязи между понятиями и свойства понятий;

Процедурные (алгоритмические) знания, позволяющие получить алгоритм решения.

Предмет – всякая материальная вещь, объект познания. В логике предметом называется все то, на что направлена наша мысль; все то, что может быть как-то воспринято, названо и т.д. В этом смысле предметом считаются также суждение, понятие, умозаключение. В математической логике предметы обозначаются символами – предметными константами и предметными переменными.

Свойство – то, что присуще предметам, что отличает их от других предметов или делает их похожими на другие предметы. Каждый предмет обладает бесчисленным множеством свойств. Свойства проявляются в процессе взаимодействия предметов.

Признак – все то, в чем предметы, явления сходны друг с другом или в чем они отличаются друг от друга; показатель, сторона предмета или явления, по которой можно узнать, определить или описать предмет или явление.

Атрибут (лат. attributum – предназначенное, наделенное, присовокупленное) – неотъемлемое, существенное, необходимое свойство, признак предмета или явления, без которого они не могут существовать, быть самими собой, в отличие от случайных, преходящих, несущественных свойств, или акциденций.

Таким образом, для современного состояния информационных технологий необходим переход от информационного описания предметной области к представлению на уровне данных, осуществляемый на основе декомпозиции, абстракции, агрегирования.

Декомпозиция – это разбиение системы (программы, задачи) на компоненты, объединение которых позволяет решить данную задачу.

Абстракция позволяет правильно выбрать нужные компоненты для декомпозиции.

Абстракция представляет собой эффективный способ декомпозиции, осуществляемый посредством изменения списка декомпозиции.

Абстракция предполагает продуманный выбор компонент. Процесс абстракции может быть рассмотрен как некоторое обобщение. Он позволяет забыть о различиях и рассматривать предметы и явления так, как если бы они были эквивалентны.

Выделение общего у процессов и явлений есть основа классификации. Иерархия абстракций представляет собой фактически схему классификации.

Агрегирование – процесс объединения предметов в некоторую группу не обязательно в целях классификации. Агрегирование выполняется с некоторой целью.

Способы абстрагирования:

Абстракция через параметризацию;

Абстракция через спецификацию.

Абстракция через параметризацию – выделение формальных параметров с возможностью их замены на фактические в различных контекстах.

Выделение формальных параметров позволяет абстрагироваться от конкретного приложения и базируется на общности определенных свойств конкретных приложений.

Абстракция через спецификацию позволяет абстрагироваться от внутренней структуры до знания свойств внешних проявлений (результата).

Модель данных – модель, используемая при абстрагировании. Концептуальная модель – абстрагированное описание предметной области.

После знакомства с вопросами терминологии Вы получили возможность разговаривать на профессиональном языке и можно перейти к проблемам конструирования информационного обеспечения. Первой в этом ряду стоит проблема анализа предметной области.

При анализе предметной области принято выделять три этапа:

Анализ требований и информационных потребностей;

Определение информационных объектов и связей между ними;

Конструирование-концептуальной модели предметной области.

Этап анализа требований и информационных потребностей включает следующие задачи:

Определение перечня задач по извлечению, обработке, хранению, транспортировке и представлению (в том числе документированию) информации;

Определение требований к составу, структуре, формам представления информации;

Прогнозирование возможных изменений информационных ресурсов как в количественном, так и в содержательном плане.

Рассмотрим пример анализа предметной области. Выберем область деятельности, знакомую всем студентам – учебный процесс. Предположим, нам поручили разработать информационную систему "Расписание занятий".

Каждый из участников действия имеет свое представление об информации данной предметной области. Нашей задачей является обобщение этих представлений, получаемых путем опроса участников информационных процессов и анализа документов. Все действия желательно фиксировать в виде определенных документов на бумаге или в памяти компьютера. Форма фиксации может быть любая: структурная схема, блок-схема, таблица и т.д. Например, в качестве таковых можно использовать следующие виды документов: схему внешних информационных связей (рис. 7.5), схему детализации действия (рис. 7.6), схему потоков данных (рис. 7.7) и др.

Рис. 7.5.

Рис. 7.6.

Используем предложенные типы документов.

1. Схема внешних информационных связей. Действие – Работа_с_расписанием.

2. Схема детализации действия. Действие – Работа_с_расписа- нием.

3. Схема потоков данных. Действие – Работа_с_расписанием.

4. Схемы классификации: объект – пользователи расписания (рис. 7.8, а); объект – помещение (рис. 7.8, б); данные – запросы к расписанию (рис. 7.8, в).

Рис. 7.7.

Рис. 7.8.

5. Схема детализации. Данные – справки по расписанию (рис. 7.9).

6. Схема классификации. Данные – справки по расписанию (рис. 7.10).

Тщательность проведения этапа анализа определяет в дальнейшем эффективность работы информационной системы, возмож-

Рис. 7.9.

ность дальнейшего наращивания информационных ресурсов, адаптируемость к изменению требований к системе.

После анализа требований и информационных потребностей можно перейти к следующей фазе – определению информационных объектов и связей между ними.

Основной задачей данного этапа является разбиение предметной области на составные части путем декомпозиции, осуществляемой по определенным правилам.

На данный момент существуют два основных подхода к этому процессу, отличающихся критериями декомпозиции: функционально – модульный (структурный) и объектно-ориентированный.

Функционально-модульный подход основан на принципе алгоритмической декомпозиции с выделением функциональных элементов и установлением строгого порядка выполняемых действий, т.е. в основе лежит иерархический подход с выделением вначале функциональных действий, затем независимых компонентов с дальнейшей их детализацией.

Рис. 7.10.

Объектно-ориентированный подход основан на объектной декомпозиции с описанием поведения системы в терминах взаимодействия объектов.

Главным недостатком функционально-модульного подхода является однонаправленность информационных потоков и недостаточная обратная связь. В случае изменения требований к системе это приводит к полному перепроектированию, поэтому ошибки, заложенные на ранних этапах, сильно сказываются на продолжительности и стоимости разработки. Другой важной проблемой является неоднородность информационных ресурсов, используемых в большинстве информационных систем. В силу этих причин в настоящее время наибольшее распространение получил объектно-ориентированный подход.

Основные понятия, используемые при декомпозиции предметной области на основе объектно-ориентированного подхода – объект, класс, экземпляр, атрибут, связь между объектами, связь между атрибутами.

Объект – это абстракция множества предметов реального мира, обладающих одинаковыми характеристиками и законами поведения. Объект характеризует собой типичный неопределенный элемент такого множества. Основной характеристикой объекта является состав его атрибутов (свойств). Иным образом, объект можно характеризовать как факт, лицо, событие, предмет, определяемый совокупностью данных. В примитивном плане – объект это то, что отвечает на вопрос "кто?", "что?". Объект может быть реальным (например, человек, предмет, географический пункт) и абстрактным (например, событие, счет покупателя, изучаемый учебный курс).

Атрибут – информационное отображение свойств объекта.

Экземпляр объекта – это конкретный, определенный элемент множества. Например объектом может являться государственный номер автомобиля, а экземпляром этого объекта – номер К 173 ПА.

Класс – это множество предметов реального мира, связанных общностью структуры и поведением.

Элемент класса – это конкретный элемент данного множества. Например, класс регистрационных номеров автомобиля.

Обобщая эти определения, можно сказать, что объект – это типичный представитель класса, а термины "экземпляр объекта" и "элемент класса" равнозначны. На рис. 7.11 показаны отношения между классами, объектами и предметами реального мира. Связь между объектами (атрибутами) – информационное отображение

Рис. 7.11.

функциональной, "родственной", видовой или иной зависимости (подчиненности).

При выделении информационных объектов можно проследить следующую последовательность действий:

Формирование классов, на которые можно разбить данные, подлежащие хранению;

Присвоение уникального имени каждому классу объектов;

Выделение информационных объектов путем анализа информационных потоков, документальных источников и интервьюирования участников информационного взаимодействия;

Присвоение уникального имени каждому объекту данных и проверка их синтактики и семантики;

Определение набора характеристик каждого объекта и формирование на этой основе состава атрибутов;

Присвоение уникальных имен выбранным атрибутам;

Задание ограничений на объекты и их атрибуты (количественные ограничения – диапазон изменения: максимальное (минимальное) значение и др., ограничение целостности (неизменности состояния объекта в рассматриваемом интервале времени).

В процессе отражения между состояниями взаимодействующих объектов возникает определенная связь. Информация как результат отражения одного объекта другим выявляет степень соответствия их состояний.

Выделяют три типа связи: связь "один к одному" (1:1), связь "один ко многим" (1:М), связь "многие ко многим" (M:N).

Примеры этих связей:

Связь "один к одному" (1:1) отображает однозначную зависимость между объектами (больной Иванов лежит на койке 73 – на койке 73 лежит больной Иванов; студент Петров имеет зачетную книжку №131056 – зачетная книжка №131056 принадлежит студенту Петрову).

Связь "один ко многим" (1:М) или "многие к одному" (М:1) отображает неоднозначную зависимость одного объекта по отношению к другому (больной Иванов лежит в палате №6 – в палате №6 лежат больные Иванов, Петров, Сидоров, Михайлов; студент Петров учится в группе №131 – в группе №131 учатся студенты Петров, Максимов, Коробкин, Ильин, Круглова и др.).

Связь "многие ко многим" (M:N) отображает неоднозначную зависимость объектов по отношению друг к другу (больной Иванов лечится у врачей Соколова, Воробьева, Воронова – врач Соколов лечит больных Иванова, Петрова, Сидорова; студент Петров посещает лекции профессоров Яшина, Васильева, Волкова – профессор Яшин читает лекции студентам Петрову, Максимову, Короб- кину, Ильину, Кругловой и др.).

Выделение этих связей является крайне важным, так как связи 1:М и M.N имеют внутреннюю неопределенность, что сказывается при операциях поиска и модификации (изменения) данных. Для преодоления неопределенности на этапе реализации логической модели требуется вводить избыточную информацию.

Заключительной фазой анализа предметной области является проектирование определенной информационной структуры в виде концептуальной модели. Для построения концептуальной модели используются операции агрегации и обобщения.

Агрегация основана на объединении информационных объектов в один на основе семантических связей между объектами. Например, самолет типа X перевозит груз из пункта отправления А в пункт назначения В. Используя агрегацию создаем информационный объект РЕЙС с атрибутами "тип самолета", "пункт отправления", "пункт назначения", "рейс самолета".

Обобщение основано на объединении родственных информационных объектов в родовой объект. Например, объекты АВТОМОБИЛЬ, САМОЛЕТ, КОРАБЛЬ, ВЕЛОСИПЕД, МОТОЦИКЛ объединяем в объект ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО. Одним из атрибутов этого объекта будет атрибут "тип транспортного средства".

Этап концептуального проектирования является специфическим, так как здесь требуется одновременно знание особенностей предметной области и методологии проектирования. Характерным является использование различных моделей (модели "сущность – связь", бинарных моделей данных, семантических сетей, инфологических моделей данных и др.). Отрицательным моментом является неадекватность получаемых результатов как при использовании различных моделей, так и в рамках коллектива исполнителей. Особенностью концептуальной модели является ее ориентация с одной стороны на информационные интересы пользователя, с другой – на информационные потребности самой предметной области. Пользователям на выбор предлагается две модели: модель "сущность – связь" и простая реляционная модель с указанием функциональных взаимосвязей между атрибутами.

Одной из распространенных моделей является модель "сущность – связь" ("entity" – "relationship"), в литературе наряду с этим используется термин "ER-модель", или "модель Чена".

Базовыми структурами в ER-модели являются типы сущностей и типы связей (рис. 7.12). Отличие типа связи от типа сущности – в установлении зависимости реализации одного типа от реализации другого.

Пример: ЛИЧНОСТЬ – тип сущности, тип СОСТОИТ В БРАКЕ – нет, так как реализация последнего типа не существует, если не существует двух личностей. Поэтому, тип связи можно рассматривать как агрегат двух или более типов сущностей.

Реляционная модель является наиболее распространенной на практике в современных ИС, поэтому целесообразно рассмотреть

Рис. 7.13.

Рис. 7.12.

Рис. 7.14.

ее возможности. Большинство СУБД, представленных на рынке, являются реляционными или объектно-реляционными. Семантическая диаграмма реляционной модели представлена на рис. 7.13, а пример реляционной модели – на рис. 7.14.

Моделирование - это замещение одного объекта (оригинала) другим (моделью) и фиксация и изучение свойств модели. Замещение производится с целью упрощения , удешевления, ускорения изучения свойств оригинала.

В общем случае объектом-оригиналом может быть естественная или искусственная, реальная или воображаемая система. Она имеет множество параметров S 0 и характеризуется определёнными свойствами. Количественной мерой свойств системы служит множество характеристикY 0 , система проявляет свои свойства под влиянием внешних воздействий Х.

Множество параметров Sи их значений отражает её внутреннее содержание - структуру и принципы функционирования. ХарактеристикиS- это в основном её внешние признаки, которые важны при взаимодействии с другимиS.

Характеристики Sнаходятся в функциональной зависимости от её параметров. Каждая характеристика системыy 0 Y 0 определяется в основном ограниченным числом параметров{S 0k }S 0 . Остальные параметры не влияют на значение данной характеристикиS.Исследователя интересуют, как правило, только некоторые характеристикиS: {y}Y 0 при конкретных воздействиях на систему{x mn }X.

Модель - это тоже система со своими множествами параметров S m и характеристикY m .Оригинал и модель сходны по одним параметрам и различны по другим. Замещение одного объекта другим правомерны если интересующие исследователя характеристики оригинала и модели определяются однотипными подмножествами параметров и связаны одинаковыми зависимостями с этими параметрами:

y ok =f({S oi },{x on },T);(1.1)

y mn =f({S mi },{x mn },T m) (1.2)

где, y mn - к-ая характеристика модели,y mn Y m

x mn - внешнее воздействие на модель,x mn X

T m - модельное время.

При этом s oi =(S mi); x on (x mn), T=mT m (гдеm- масштабный коэффициент) на всём интервале или в отдельные периоды времени. Тогда с некоторым приближением можно сделать вывод о том, что характеристики О р, связаны с характеристиками М зависимостямиy ok =(y mk). Множество характеристик моделиY mk ={y mk } является отображением множества интересующих характеристик оригиналаy ok ={ y ok }, т.е.: Y ok y mk , т.е.: Y ok Y mk .

При исследовании сложных естественных S, у которых известныY ok , но мало изучен состав элементов и принципы их взаимодействия с помощью моделирования может решаться обратная задача. Строят предположительную модель, определяющая её характеристикиY mk при эквивалентных внешних воздействиях{x mn } (: {x on } {x mn }) и, если оказывается, что имеет место отображение: Y­ ok  Y mk с некоторой известной функцией, то считается, что система-оригинал имеет такие же параметры.

Моделирование целесообразно, когда у модели отсутствуют те признаки оригинала, которые препятствуют его исследованию.

Теория моделирования - взаимосвязанная совокупность положений, определений, методов и средств создания моделей. Сами модели являются предметом теории моделирования.

Теория моделирования является основной составляющей общей теории систем - системологии, где в качестве главного принципа постулируются осуществимые модели: система представима конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определённую грань её сущности.

5.2. Описательная модель предметной области

Процесс проектирования БД является весьма сложным. По сути, он заключается в определении перечня данных, хранимых на физических носителях (магнитных дисках и лентах), которые достаточно полно отражают информационные потребности потенциальных пользователей в конкретной предметной области. Проектирование БД начинается с анализа предметной области и возможных запросов пользователей. В результате этого анализа определяется перечень данных и связей между ними, которые адекватно-с точки зрения будущих потребителей - отражают предметную область. Завершается проектирование БД определением форм и способов хранения необходимых данных на физическом уровне.

Весь процесс проектирования БД можно разбить на ряд взаимосвязанных этапов, каждый из которых обладает своими особенностями и методами проведения. На рис. 5.3 представлены типовые этапы.

На этапе инфологического (информационно-логического) проектирования осуществляется построение семантической модели, описывающей сведения из предметной области, которые могут заинтересовать пользователей БД. Семантическая модель (semantic model ) - представление совокупности о предметной области понятий в виде графа, в вершинах которого расположены понятия, в терминальных вершинах - элементарные понятия, а дуги представляют отношения между понятиями.

Сначала из объективной реальности выделяется предметная область, т. е. очерчиваются ее границы. Логический анализ выделенной предметной области и потенциальных запросов пользователей завершается построением инфологической модели - перечня сведений об объектах предметной области, которые необходимо хранить в БД, и связях между ними.

Анализ информационных потребностей потенциальных пользователей имеет два аспекта: определение собственно сведений об объектах предметной области; анализ возможных запросов к БД и требований по оперативности их выполнения.

Анализ возможных запросов к БД позволяет уточнить связи между сведениями, которые необходимо хранить. Пусть, например, в БД по учебному процессу института хранятся сведения об учебных группах, читаемых курсах и кафедрах, а также связи «учебные группы-читаемые курсы» и «читаемые курсы -кафедры». Тогда запрос о том, проводит ли некоторая кафедра занятия в конкретной учебной группе, может быть выполнен только путем перебора всех читаемых в данной группе курсов.

Хранение большого числа связей усложняет БД и приводит к увеличению памяти ЭВМ, но часто существенно ускоряет поиск нужной информации. Поэтому разработчику БД (администратору БД) приходится принимать компромиссное решение, причем процесс определения перечня хранимых связей, как правило, имеет итерационный характер.

Этап датологического проектирования подразделяется на логическое (построение концептуальной модели данных) и физическое (построение физической модели) проектирование.

Главной задачей логического проектирования является представление выделенных на предыдущем этапе сведений в виде данных в форматах, поддерживаемых выбранной СУБД.

Задача физического проектирования - выбор способа хранения данных на физических носителях и методов доступа к ним с использованием возможностей, предоставляемых СУБД.

Инфологическая модель «сущность-связь» (entity - relationship model ; ER - model ) П.Чена представляет собой описательную (неформальную) модель предметной области, семантически определяющую в ней сущности и связи .

Относительная простота и наглядность описания предметной области позволяет использовать ее в процессе диалога с потенциальными пользователями с самого начала инфологического проектирования. Построение инфологической модели П.Чена, как и любой другой модели, является творческим процессом, поэтому единой методики ее создания нет. Однако при любом подходе к построению модели используют три основных конструктивных элемента: сущность, атрибут, связь.

Сущность - это собирательное понятие некоторого повторяющегося объекта, процесса или явления окружающего мира, о котором необходимо хранить информацию в системе. Сущность может определять как материальные (например, «студент», «грузовой автомобиль» и т.п.), так и нематериальные объекты (например, «экзамен», «проверка» и т.п.). Главной особенностью сущности является то, что вокруг нее сосредоточен сбор информации в конкретной предметной области. Тип сущности определяет набор однородных объектов, а экземпляр сущности - конкретный объект в наборе. Каждая сущность в модели П.Чена именуется. Для идентификации конкретного экземпляра сущности и его описания используется один или несколько атрибутов.

Атрибут - это поименованная характеристика сущности, которая принимает значения из некоторого множества значений . Например, у сущности «студент» могут быть атрибуты «фамилия», «имя», «отчество», «дата рождения», «средний балл за время обучения» и т. п.

Связи в инфологической модели выступают в качестве средства, с помощью которого представляются отношения между сущностями, имеющими место в предметной области. При анализе связей между сущностями могут встречаться бинарные (между двумя сущностями) и в общем случае n -арные (между п сущностями) связи. Например, сущности «отец», «мать» и «ребенок» могут находиться в 3-арном отношении «семья» («является членом семьи»).

Связи должны быть поименованы; между двумя типами сущностей могут существовать несколько связей.

Наиболее распространены бинарные связи. Учитывая, что любую n -арную связь можно представить в виде нескольких бинарных, подробнее остановимся именно на таких связях между двумя типами сущностей, устанавливающими соответствие между множествами экземпляров сущностей.

Различают четыре типа связей:

один к одному (1: 1);

один ко многим (1: М);

многие к одному (М: 1);

многие ко многим (М: N).

Связь один к одному А и Б, при котором каждому экземпляру сущности А соответствует один и только один экземпляр сущности В, и наоборот. Таким образом, имея некоторый экземпляр сущности А, можно однозначно идентифицировать соответствующий ему экземпляр сущности В, а по экземпляру сущности В - экземпляр сущности А. Например, связь типа 1: 1 «имеет» может быть определена между сущностями «автомобиль» и «двигатель», так как на конкретном автомобиле может быть установлен только один двигатель и один двигатель, естественно, нельзя установить сразу на несколько автомобилей.

Связь один ко многим определяет такой тип связи между типами сущностей А и В, для которой одному экземпляру сущности А В, но каждому экземпляру сущности В соответствует один экземпляр сущности А. При этом однозначно идентифицировать можно только экземпляр сущности А по экземпляру сущности В. Примером связи типа 1: М является связь «учится» между сущностями «учебная группа» и «студент». Для такой связи, зная конкретного студента, можно однозначно идентифицировать учебную группу, в которой он учится, или, зная учебную группу, можно определить всех обучающихся в ней студентов.

Связь многие к одному по сути эквивалентна связи один ко многим. Различие заключается лишь в том, с точки зрения какой сущности (А или В) данная связь рассматривается.

Связь многие ко многим определяет такой тип связи между типами сущностей А и В, при котором каждому экземпляру сущности А может соответствовать 0, 1 или несколько экземпляров сущности В, и наоборот. При такой связи, зная экземпляр одной сущности, можно указать все экземпляры другой сущности, относящиеся к исходному, т. е. идентификация сущностей неуникальна в обоих направлениях. В качестве примера такой связи можно рассмотреть связь «изучает» между сущностями «учебная дисциплина» и «учебная группа».

Реально все связи являются двунаправленными, т.е., зная экземпляр одной из сущностей, можно идентифицировать (однозначно или многозначно) экземпляр (экземпляры) другой сущности. В некоторых случаях целесообразно рассматривать лишь однонаправленные связи между сущностями в целях экономии ресурсов ЭВМ. Возможность введения таких связей полностью определяется информационными потребностями пользователей. Различают простую и многозначную однонаправленные связи, которые являются аналогами связей типа 1: 1 и 1: М с учетом направления идентификации. Так, для простой однонаправленной связи «староста» («является старостой») между сущностями «учебная группа» и «студент» можно, зная учебную группу, однозначно определить ее старосту, но, зная конкретного студента, нельзя сказать, является ли он старостой учебной группы. Примером многозначной однонаправленной связи служит связь между сущностями «пациент» и «болезнь», для которой можно для каждого пациента можно указать его болезни, но нельзя выявить всех обладателей конкретного заболевания.

Введение однонаправленных связей означает, что в результате анализа потенциальных запросов потребителей установлено, что потребности в информации, аналогичной приведенной в двух последних примерах, у пользователей не будет (и они не будут формулировать соответствующие запросы к БД).

Графически типы сущностей, атрибуты и связи принято изображать прямоугольниками, овалами и ромбами соответственно. На рис. 5.4 представлены примеры связей различных типов; на рис. 5.5 и 5.6 - фрагменты инфологических моделей «студенты» (без указания атрибутов) и «учебный процесс факультета».

Несмотря на то что построение инфологической модели есть процесс творческий, можно указать два основополагающих правила, которыми следует пользоваться всем проектировщикам БД :

при построении модели должны использоваться только три типа конструктивных элементов: сущность, атрибут, связь;

каждый компонент информации должен моделироваться только одним из приведенных выше конструктивных элементов для исключения избыточности и противоречивости описания.

Моделирование предметной области начинают с выбора сущностей, необходимых для ее описания. Каждая сущность должна соответствовать некоторому объекту (или группе объектов) предметной области, о котором в системе будет накапливаться информация. Существует проблема выбора конструктивного элемента для моделирования той или иной «порции» информации, что существенно затрудняет процесс построения модели. Так, информация о том, что некоторый студент входит в состав учебной группы, можно в модели представить:

как связь: «входит в состав» для сущностей «студент» и «учебная группа»;

как атрибут: «имеет в составе «студента» сущности «учебная группа»;

как сущность: «состав учебной группы».

В этих случаях приходится рассматривать несколько вариантов и с учетом информационных потребностей пользователей разбивать предметную область на такие фрагменты, которые, с их точки зрения, представляют самостоятельный интерес.

При моделировании предметной области следует обращать внимание на существующий в ней документооборот. Именно документы, циркулирующие в предметной области, должны являться основой для формулирования сущностей. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, эти документы, как правило, достаточно полно отражают информацию, которую необходимо хранить в БД, причем в виде конкретных данных. Во-вторых, создаваемая ИС должна предоставлять пользователям привычную для них информацию в привычном виде, что в последующем существенно облегчит ввод БД в эксплуатацию.

При описании атрибутов сущности необходимо выбрать ряд атрибутов, позволяющих однозначно идентифицировать экземпляр сущности. Совокупность идентифицирующих атрибутов называют ключом.

Помимо идентифицирующих используются и описательные атрибуты, предназначенные для более полного определения сущностей. Число атрибутов (их тип) определяется единственным образом - на основе анализа возможных запросов пользователей. Существует ряд рекомендаций по работе с атрибутами , например, по исключению повторяющихся групп атрибутов (рис. 5.7). Все они направлены на улучшение качества инфологической модели.

При определении связей между сущностями следует избегать связей типа М: N, так как они приводят к существенным затратам ресурсов ЭВМ. Устранение таких связей предусматривает введение других (дополнительных) элементов - сущностей и связей. На рис. 5.8 приведен пример исключения связи «многие ко многим».

В заключение приведем типовую последовательность работ (действий) по построению инфологической модели:

выделение в предметной области сущностей;

введение множества атрибутов для каждой сущности и выделение из них ключевых;

исключение множества повторяющихся атрибутов (при необходимости);

формирование связей между сущностями;

исключение связей типа М: N (при необходимости);

преобразование связей в однонаправленные (по возможности).

Помимо модели П.Чена, существуют и другие инфологические модели. Все они представляют собой описательные (неформальные) модели, использующие различные конструктивные элементы и соглашения по их использованию для представления в БД информации о предметной области. Иными словами, первый этап построения БД всегда связан с моделированием предметной области.

Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели информационные. Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи, модели кристаллических решеток, макеты зданий и сооружений и др.).

Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме.

Образные модели (рисунки, фотографии и др.) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и кинопленке и др.). Широко используются образные информационные модели в образовании (вспомните учебные плакаты по различным предметам) и науке, где требуется классификация объектов по их внешним признакам (в ботанике, биологии, палеонтологии и др.).

Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования), формулы (например, второго закона Ньютона F=m·a), таблицы (например, периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева) и так далее.

Иногда при построении знаковых информационных моделей используются одновременно несколько различных языков. Примерами таких моделей могут служить географические карты, графики, диаграммы и пр. Во всех этих моделях используются одновременно как язык графических элементов, так и на протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, в настоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий.

Формализация. 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.

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. С некоторыми из них (алгебра, геометрия, тригонометрия) вы знакомитесь в школе, с другими (теория множеств, теория вероятностей и др.) сможете ознакомиться в процессе дальнейшего обучения.

Язык алгебры 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 (алгебры высказываний) 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 символьный язык.

Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией.

В процессе познания окружающего мира человечество постоянно использует моделирование и формализацию. 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.).

Визуализация формальных моделей. В процессе исследования формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы: пространственных соотношений между объектами — чертежи, моделей электрических цепей — электрические схемы, логических моделей устройств — логические схемы и так далее.

Так при визуализации формальных физических моделей с помощью анимации может отображаться динамика процесса, производиться построение графиков изменения физических величин и так далее. Визуальные модели обычно являются интерактивными, то есть исследователь может менять начальные условия и параметры протекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели.

В качестве примера можно рассмотреть модель, которая демонстрирует свободные колебания математического маятника. С помощью анимации показываются движение тела и действующие силы, строятся графики зависимости от времени угловой координаты или скорости, диаграммы потенциальной и кинетической энергий. Исследователь может изменять длину нити l, угол начального отклонения маятника φо трения b.