Черный ящик по информатике. Черный ящик. Модель «черного ящика»: системный анализ

Чёрный ящик умеет преобразовывать информацию по какому-то правилу.

В результате изучения работы «черного ящика» получен спи­сок соответствующих значений параметров на входе и на вы­ходе.

Определить, что делает система, анализируя результаты ее работы, т.е. по какому принци­пу значения входных параметров связаны с выходными. Представить эту связь в виде функции.

Пример 1

входная информация	выходная информация

Что ответит чёрный ящик, если ему подать на число 12 ?

Ответ : сис­тема удваивает значение параметра на входе; у = 2х.

Правило может быть и более сложным.

Пример 2

входная информация	выходная информация

Что ответит чёрный ящик, если ему подать на число 9 ?

Ответ : сис­тема возводит в квадрат значение параметра на входе, а затем переставляет цифры числа в обратном порядке.

Список некоторых наиболее известных "Черных ящиков":

• По числу вычисляется остаток от деления его на какое-то заданное число.
• Сумма цифр числа.
• Любая формула: квадрат числа, число плюс три и т.д. …
• Можно к числу прибавлять номер хода.
• Три - три, два - три, один - четыре, (число - сколько букв в его записи).
• Номер первой буквы "а" в слове: т.е. бомба - 5, 2 - 3, банан - 2, 1 - не могу (в данном случае так же можно сказать 0)

Задачи для самостоятельного решения

Некий «черный ящик» можно настроить на десять программ преобразования информации. В результате изучения его работы получены протоколы испытаний, описывающие входы и соответствующие им выходы системы. Необходимо определить тип входной инфор­мации (числовая, текстовая, символьная) и правило ее преобразования.

«Процессы информации» - Древние мудрецы о получении информации человеком и другими разумными существами. Поиск пищи животными в незнакомой местности. Именно изучать информационные процессы в природе –моя цель. Ребенка ничего не интересует, кроме игрушек и материнской ласки. Затем круг увеличивается, и круг интересов, следовательно, расширяется.

«Правовая информация» - Нормативы и стандарты. Федеральный закон от 10 января 2002 г. N 1-ФЗ "Об электронной цифровой подписи". Реквизиты идентификации документа. Правовая база. Указ Президента от 4 августа 1995 г. "О президентских программах по правовой информатизации". МИЭМП-НН Кафедра информатики и математики Ст. преподаватель Барашкин С.А.

Уголовная ответственность. Ответственность за раскрытие тайны источника информации. Примечание. Попытки улучшения ситуации в области защиты источников информации на законодательном уровне в РК. На обсуждение. Статья 353. Какие средства защиты есть у журналиста? Международные стандарты. Упк рк. Что понимается под «требованием суда»?

«Информация и компьютер» - Язык - как способ выражения информации. Гипертекст-. Вернуться к пану. Устройство компьютерной сети. Система счисления-. Образная информация-. Информатика-. Язык-. Модель-.

«Информация 5 класс урок» - Катушечный магнитофон. Свой домашний адрес. Архитектурные произведения. Другие знания, полученные в школе. Получать. 5 класс Учитель информатики Елена Геннадьевна Лопатина. Оперативная память. Хранить. Изобретение кинематографа 1895 год. Другие внешние хранилища информации. Изобретение фотографии 1839 год.

«Хранение информации» - Наконец, был изобретен типографский станок, и появились книги. Человеческий разум является самым совершенным инструментом познания окружающего мира. Презентация по информатике на тему: МОУ «Спасская основная общеобразовательная школа». А память человека - великолепным устройством для хранения полученной информации.

Всего в теме 11 презентаций

Школьный тур олимпиады школьниковпо информатикеи ИКТ

2014-2015 учебный год

5-6 классы

(5 баллов) Найдите закономерность и продолжите ряд:

1, 2, 3, 4, 5, 6,…

а, б, в, г, д, е, …

1, 2, 4, 8, 16,…

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 0, 1, 1,…

о, д, т, ч, п, ш,…

(10 баллов)

В слове «ПАРУС» замени буквы по приведенному алгоритму.

Полученное слово обозначает:

1) файл, хранящий информацию о системе;

2) способ обработки информации;

3) скорость передачи данных в компьютере;

4) файл, мешающий работе компьютера.

Все люди в этом здании либо поднимаются на четвертый этаж, либо спускаются на первый. Сколько человек будет на четвертом этаже, а сколько на первом?

1) 8 и 7; 2) 7 и 8; 3) 1 и 3; 4) 1 и 0.

(5 баллов) В этой таблице спрятаны обрывки записок

Зайца (А2, Г6, Г1, А6, В3, Б1, Б4);

Волка (А3, Г2, Б3, Г5, Б2, Б6, В2, В6);

и записки для тебя (В5, А1, Г3, А4, В1).

Восстанови эти записки (не забудь разделить текст на слова).

(5 баллов) Используя шифр, найдите слова, которые скрываются за этими цифрами:

1 2 10 8 9 1 5 5 4 ШИФР

7 1 2 4 3 1 10 8 9

1 5 5 4 3 1 10 8 9

6.(5 баллов)Определи пословицу .Циферблат – ключ:

3, 2, 11, 8, 6, 10, 2

7, 9, 5, 8, 11, 4

(15 баллов) Определите принцип преобразования информации в «черном ящике».

	Вход	Выход	Ответ
	Пример: УТРО ДЕНЬ ВЕЧЕР		Утром – завтрак (З) Днем – обед (О) Вечером – ужин (У) Ответ: О
	ЗЕМЛЯ СТОЛ ОКНО
	ВЕНА ЭТНА ЛЕНА
	ЗИМА ЛЕТО ОСЕНЬ
	ОКРУГА ПОРОДА ПРИХОД
	КУКЛА СТОЛ ПЛАТЬЕ
(5 баллов) Кузнечик может выполнять команды: 1 – прыгнуть на 1 шаг вправо, 2 – прыгнуть на 1 шаг влево, 3 – прыгнуть на 1 шаг вверх, 4 – прыгнуть на 1 шаг вниз. В скольких шагах и в каком направлении от исходной точки окажется кузнечик после выполнения последовательности действий: (10)1 (20)2 (15)3 (20)1 (10)4 (10)2 ?В скобках указано количество повторений определенных действий. В ответе укажите количество повторений и номер команды.
9. (15 баллов) В сказке А. С. Пушкина «Сказка о попе и о работнике его Балде» поп выбирал работника по следующим признакам: «Нужен мне работник: Повар, Конюх и Плотник. А где найти мне такого Служителя не слишком дорогого?» Какое из следующих пересечений множеств верно отражает требования попа?

10.(30 баллов)Робот. Роджер Вилко хочет добыть ключ из лабиринта, в который сам попасть не может, однако может запустить туда маленького робота. Робот знает команды.

Развивающая программа “Черный ящик”

Исследовательская (творческая) работа на Челябинский

молодежный интеллектуальный форум “Шаг в будущее-Созвездие-HTTM”

(Секция 3.3 (3D) Программное обеспечение в образовании; компьютерные интеллектуальные разработки по конкурсу интеллектуалов “Таланты развитой памяти и логики” (ТРПЛ))

Ситникова Любовь Юрьевна,

г.Челябинск, МАОУ СОШ №153, 11 класс

Научный руководитель:

Рогов Андрей Юрьевич,

учитель информатики,

МАОУ СОШ №153

Челябинск – 2011

Введение

Моделирование – один из методов исследования, активно используемые человечеством. Многие объекты можно изучать только с помощью данного метода. Мы задались вопросом: “Что мы сможем смоделировать с помощью компьютера”? Сам по себе, компьютер представляет довольно богатый инструмент для моделирования. Недаром существует целый раздел науки, который так и называется, “Компьютерное моделирование”. Естественно, все возможности компьютера отразить в модели просто невозможно. Но одну из них – вполне осуществимая задача. В школьном курсе информатики есть раздел “Моделирование”, в рамках которого изучается модель “Черный ящик”.

Черный ящик – это система, в которой внешнему наблюдателю доступны лишь входные и выходные величины, а структура и внутренние процессы неизвестны.

Примерами “черного ящика” являются любая бытовая техника (телевизор, радиоприемник, газовая плита, утюг и т.д.), заводная игрушка, наручные часы, автомобиль. Не будет преувеличением сказать, что любая вещь, любой предмет, любое явление – любой познаваемый объект – всегда первоначально выступает как “черный ящик”.

Как уже было сказано, “черный ящик” – система, об устройстве которой мы ничего не знаем. Каким же образом можно ее обсуждать, изучать, исследовать? “Черный ящик” представляет систему только с одной стороны: взаимоотношение, связь между “входом” и “выходом”.

Каждая система исследуется путем постепенного изготовления длинного протокола, составленного в хронологическом порядке и показывающего последовательность состояния “входа” и “выхода”. В результате такого протокола мы знаем, какими “входами” экспериментатор манипулирует, что происходит при этом на “выходе”. Расширяя постепенно круг “вход – выход”, экспериментатор узнает поведение своего “подопечного”. И уже по мере знакомства с его поведением пытается раскрыть внутренние связи в “черном ящике”, его структуру.

Если представлять модель черного ящика в виде схемы, то будет выглядеть примерно так:

Такую систему довольно легко моделировать. Поэтому целью работы стало использование возможностей компьютера для создания программы, развивающей интеллектуальные способности пользователя.

Задачами работы являются:

Сбор информации о методе моделирования “черного ящика”, возможности реализации на компьютере.

Подбор необходимого числа алгоритмов, их представление с помощью языка программирования Pascal.

Создание интерактивной программы с помощью среды разработки приложений для Windows – Lazarus.

Определение возможных направлений применения программы, использование ее в одном из выбранных направлений .

Теоретическая часть

Алгоритмы и программное обеспечение, используемые для разработки программы

При сборе информации о методе моделирования “черного ящика, возможности реализации на компьютере нам большую помощь оказали школьные учебники информатики и материалы сети интернет. Подбор алгоритмов осуществлялся исходя из ограничений на их программирование. В качестве входных и выходных данных была использована информация двух видов: текстовая и числовая. Всего было подобрано 16 алгоритмов, распределенных следующим образом:

Простые:

1. +1

2. -3

3. *2

4. Сумма цифр числа

5. Запись в обратном порядке

6. Последний символ

7. Первый символ

8. Количество символов

Сложные:

1. *2+1

2. Х 2 +1

3. 12/Х

4. Произведение цифр числа

5. Количество гласных

6. Количество согласных

7. Если четное, то +2, если нечетное, то +1

8. Количество символов -1

Для реализации проекта необходима была среда объектно-ориентированного программирования. В качестве основного языка программирования был выбран pascal, поскольку он изучался ранее, в школьном курсе информатики. Рассматривались две программы: BorlandDelphi и Lazarus. Первая имеет большое распространение, но, к сожалению, не является свободнораспространяемой. А вот Lazarus, напротив, хоть и обладает менее богатой функциональностью, может свободно использоваться для любых целей. Поэтому, выбор остановился именно на нем.

Исследовательская часть

Работа с программой “Черный ящик”

Первое окно, которое появляется при запуске программы – выбор уровня сложности. Для начала неплохо потренироваться на легком уровне сложности. Выполнение заданий здесь требует не более одного действия. На сложном уровне алгоритмы содержат два действия и являются более сложными для вычисления.

Основное рабочее окно программы одинаково для обоих уровней сложности. Оно содержит следующие основные элементы:

1. Главное меню программы с пунктами “Файл” и “Справка”;
2. Выпадающий список с возможностью выбора номера алгоритма;
3. Основная рабочая панель: поле для ввода входного параметра, кнопка “Обработать” и поле, где отображается результат выполнения алгоритма;
4. Окно, в котором отображается ход исследования с указанием всех входов и выходов;
5. Кнопка “Экзамен”;
6. Кнопка “Выход из программы” .

Программа имеет следующий принцип работы. В нее заложены алгоритмы, программа по ним обрабатывает все данные, что вводит пользователь, задача которого – определить, по какому именно алгоритму работает программа.

Работа с программой строится в следующем порядке:

В основном окне программы выбрать нужный номер алгоритма из выпадающего списка. Каждый алгоритм имеет свой номер, который не меняется от запуска к запуску.

Определить, с какими данными работает алгоритм (числа или текст). При этом нужно учитывать, что числа можно также представить и как последовательность символов. Для проверки можно попробовать ввести в поле “Ввод” как текст, так и число (Следует учесть, что программа корректно работает только с буквами английского алфавита. И алгоритмы настроены на работу именно с этим алфавитом). После нажатия на кнопку “Обработать” в поле “Результат” появится значение, полученное в результате выполнения алгоритма над входным параметром. При этом и вход, и результат заносятся в таблицу справа, где будут отображаться все действия, выполненные пользователем.

Определить, какой именно алгоритм выполняет программа. Для этого необходимо вводить данные и их обрабатывать, пока закономерность не станет достаточно обоснованной. После этого можно приступить к экзамену.

Нажатие на кнопку экзамен позволяет перейти к разделу программы, проверяющей на правильность отгаданный пользователем алгоритм.

В данном разделе Вам предлагается применить полученный алгоритм к пяти входным данным, перечисленным слева. Вводить результаты необходимо в соответствующие поля справа. На выполнение действий отводится ровно одна минута, по истечении которой будет произведена проверка введенных ответов и выдан результат. Если Вы закончили выполнять действия раньше, можно нажать на кнопку “ОК”.

В зависимости от полученного результата, можно либо перейти к следующему алгоритму, либо, если текущий алгоритм не был определен, попробовать другие входные параметры.

Задания, выдающиеся на экзамене, различны каждый раз. Таким образом, исключена возможность вычисления ответов в основном окне программы. Необходимость введения экзамена вызвана тем фактом, что другим способом проверить правильность предположения пользователя довольно затруднена из-за свободной формулировки некоторых алгоритмов.

Основное окно программы содержит справочную информацию, найти которую можно выбрав пункт “Справка” из главного меню программы.

Вывод

Для созданного продукта можно найти несколько применений, например, использование на уроках информатики для изучения темы “Моделирование”, развитие логических способностей учащихся начальной школы и среднего звена, проведение соревнований между учащимися, ну и, наконец, любой желающий может использовать данную программу дома в удобное для него время. http://www.delphisources.ru

Модель «черного ящика», примеры которой будут приведены далее, представляет собой иллюстрацию объекта, для которого заданы выход и вход. При этом его содержимое неизвестно. Рассмотрим далее, как построить модель «черного ящика».

Первый этап

В качестве исходного действия, необходимого для составления модели абсолютно любой системы, выступает отделение объекта от окружающей его среды. Эта простейшая операция отражает два важнейших свойства: обособленность и целостность предмета. Объектом исследования является некий объект, содержимое которого неизвестно.

Взаимодействия со средой

Любая модель состава системы не является полностью изолированной. Она поддерживает с окружающей средой определенные связи. С их помощью происходит взаимное воздействие объекта и условий, в которых он находится. Соответственно, при выстраивании модели «черного ящика» на следующем этапе связи изображаются стрелками и описываются словами. Те, которые направлены в среду, являются выходами. Соответственно, обратные стрелки будут входами.

На этом уровне представления системы исследователь имеет дело с декларативной моделью. То есть выходы и входы определяются по шкале наименований. Как правило, достаточно такого отображения. Однако в ряде случаев необходимо дать количественное описание некоторых либо всех выходов и входов.

Множества

Они задаются для того, чтобы модель «черного ящика» была максимально формализована. В результате исследователь приходит к заданию 2 множеств Y и Х выходных и входных переменных. При этом никакие отношения между ними на данном этапе не фиксируются. В противном случае получится модель прозрачного, а не «черного ящика». Так, для телевизора множеством Х могут являться предельные диапазоны сетевого напряжения и радиоволн трансляции.

Модель «черного ящика»: системный анализ

На заключительном этапе исследуются и отражаются изменения объекта. К примеру, они могут происходить в течение определенного времени. То есть исследователь иллюстрирует состояние объекта в динамике. Описание модели «черного ящика» должно показывать соответствия, во-первых, компонентов множества Х вероятных величин входных параметров и элементов упорядоченного Т-множества временных отрезков. Кроме этого, должно быть отображено аналогичное соотношение для выходных показателей.

Специфика

Ключевым достоинством рассматриваемого объекта выступает его простота. Между тем, она во многих случаях весьма обманчива. Достаточно часто перечисление выходов и входов представляет собой довольно сложную задачу. Если рассмотреть автомобиль как модель типа «черный ящик», то этот вывод подтвердится. при исследовании этого объекта превысит два десятка. При этом перечень параметров будет далеко не полным.

Такая множественность выходов и входов обуславливается неограниченностью вариантов взаимодействия рассматриваемого предмета со средой.

Нюансы

Структурная модель системы применяется в тех случаях, когда нужно иллюстрировать сложный объект, в котором содержится несколько элементов. В простейших ситуациях в ней присутствует набор компонентов. Все они включены в сам объект. В этих случаях применяется понятие «модель состава системы».

Между тем, существует ряд вопросов, которые нельзя решить с ее помощью. В частности, чтобы собрать велосипед, недостаточно наличия ящика со всеми его элементами. Нужно знать, как правильно их соединить друг с другом. Очевидно, что только лишь модель состава системы в этом случае не поможет. Более того, в ряде случаев необходимо установить между компонентами определенные связи. Их характер показывает Она дает возможность решить больше задач. Структурная схема отвечает на вопросы: «Что входит в объект и каковы связи между его элементами?»

Пояснения

Особое значение для человека имеют наглядные визуальные образы. Используемое на практике определение системы не характеризует ее внутреннее устройство. Это позволяет выделить ее из среды. При этом она будет изображаться как модель «черного ящика» - целостный и относительно обособленный предмет. Достигнутая цель представляет собой заранее запланированные изменения в среде, определенные продукты работы объекта, предназначенные для потребления вне его. Другими словами, модель черного ящика устанавливает определенные связи и влияет на внешние условия. Как выше было сказано, они являются выходами.

Вместе с этим система выступает как средство. Поэтому необходимы возможности для ее применения, воздействия на нее. Соответственно, устанавливаются связи из среды в объект - входы. Использование модели «черный ящик» позволяет изучить только взаимодействие предмета и среды. В ней отображаются только входные и выходные параметры. При этом в ней даже отсутствуют границы между средой и объектом (стенки ящика). Они только подразумеваются, считаются существующими.

Модель «черного ящика»: примеры

Как говорилось выше, иногда достаточно словесного содержательного отображения выходов и входов. В этом случае модель черного ящика будет являться их перечнем. Так, для телевизора отображение связей будет следующим:

1. Входы - кабель питания, антенна, элементы настройки и управления.
2. Выходы - экран и динамики.

В других ситуациях может потребоваться количественное отображение связей.

Возьмем другую систему - наручные часы. Следует принять во внимание, что выходы направлены на конкретизацию цели. Соответственно, в качестве одного из них можно зафиксировать показание времени в какой-либо произвольный момент. Далее следует учесть, что выраженная цель относится в целом ко всем часам, а не только к взятым наручным. Для их дифференциации можно внести следующее добавление - удобство ношения на запястье. Оно будет выступать в качестве входа. С этим добавлением возникает необходимость браслета или ремешка. С ним, в свою очередь, появляется обязательность удовлетворения правилам гигиены (выход), поскольку не каждое крепление допустимо на руке. Затем, если представить условия, в которых эксплуатируются часы, можно ввести еще несколько параметров: пылевлагонепроницаемость, прочность. Дополнительно можно применить еще два выхода. Ими будут точность, необходимая в повседневной жизни, а также доступность информации на циферблате для прочтения при беглом взгляде. В процессе исследования можно добавить еще несколько требований к часам. Например, вводятся такие выходы, как соответствие моде, соотношение цены с покупательской способностью потребителя.

Вполне очевидно, что этот перечень можно продолжать. В него допустимо включить требование о прочтении информации с циферблата в темноте. Реализация его приведет к значительному изменению конструкции. В ней могут предусматриваться, например, разные варианты самосвечения, считывания на ощупь, подсветки, подачи сигналов и пр.

Характеристика хозяйствующего общества

Рассмотрим специфику построения модели на примере предприятия. Стоит сразу сказать, что ее создание базируется на выделении из бесконечного множества взаимодействий такого их набора, который адекватно отражал бы цель исследования. Безусловно, такую модель не следует сводить к моносистеме. То есть к такому объекту, у которого есть только по одному входу и выходу.

Модель «черный ящик» рассматривает организацию как систему связей предприятия с окружающей средой. При анализе для обоснования достаточного и необходимого набора параметров множеств выходов и входов широко применяются приемы математической статистики. Зачастую к процессу привлекаются и опытные эксперты.

Что касается отношений компании и окружающей среды, то здесь следует дать несколько пояснений. В первую очередь для ведения производственной деятельности необходим капитал. Он может быть представлен в форме заемных средств или собственных акций фирмы. За счет ликвидных активов предприятие получает возможность задействовать в процессе производственные факторы. Ими, как известно, являются материалы, оборудование и прочие ресурсы, которые преобразуются в готовую продукцию.

Еще одна связь с окружающей средой выражена в процессе сбыта изделий. Реализация продукции дает предприятию средства, которые, в свою очередь, направляются на погашение задолженностей, оплату труда и так далее. На заемные средства начисляются проценты. Они уплачиваются кредитной организации. Кроме этого, компания отчисляет обязательные платежи в бюджет. Вместе с этим, государство предоставляет фирме дотации.

Практическое значение

Зачастую модель «черного ящика» является не только весьма полезной, но и единственно доступной для использования при исследовании. К примеру, при анализе психических процессов в организме человека либо влияния медикаментов на пациента специалисты могут вмешиваться во внутренние процессы только через входы. Соответственно, выводы делаются на основании исследования выходов.

В целом данное положение относится к таким наблюдениям, в результате которых необходимо получить в привычных для нее условиях, в обстановке, где нужно особенно заботиться о том, чтобы процесс измерения оказывал минимальное на нее воздействие.

Применение такого «непрозрачного» объекта обуславливается также тем, что у исследователя нет информации о внутреннем его устройстве. В частности, неизвестно, как устроен электрон. Но установлено, как он взаимодействует с магнитным, гравитационным, электрическим полями. Такая характеристика и есть описание электрона по принципу модели «черного ящика».

Дополнительно

Необходимо отметить еще одно важное явление. Рассматриваемая модель уже структурирована. В ней известно, относится ли связь к категории выходов или входов. Между тем, на начальных этапах исследования и эти сведения могут отсутствовать. Исследователь имеет возможность выделить определенную связь объекта со средой, наблюдать и измерять какой-либо параметр, по которому она характеризуется. Однако при этом не будет достаточно оснований безусловно установить ее направленность.

В таких ситуациях целесообразно исследовать два конкурирующих черных ящика. В одном связь будет рассматриваться как вход, в другом, соответственно, как выход. В качестве примера может выступать исследование процессов, для которых не установлено, какой является следствием, а какой - причиной, или вообще относится ли их связь к категории причинно-следственных.

Критерии выбора

Множественность выходов и входов обуславливается неограниченным количеством взаимодействий между объектом и средой. При выстраивании модели выбирается определенный набор связей, которые будут включены в перечень выходов и входов. В качестве критерия в таком случае выступает целевое назначение объекта, существенность взаимодействия относительно цели.

Соответственно, выбор делается следующим образом. Все, что существенно, включается в модель, а все, что таковым не является, - исключается из нее. Однако именно на этом этапе могут быть допущены ошибки. Тот факт, что в модели не учитывается определенный набор связей, не делает их нереальными. Они в любом случае существуют и действуют вне зависимости от воли исследователя, делающего выбор.

Зачастую оказывается, что представлявшиеся ранее неизвестными или несущественными условия на самом деле очень важны и должны быть учтены. Особое значение данный момент имеет при определении цели системы. При установлении выходов объекта основную задачу приходится дополнять вспомогательными проблемами. Следует подчеркнуть, что исполнения только ключевой цели будет недостаточно. При этом нереализация дополнительных задач может сделать в одних случаях ненужным, в других - опасным - решение основной проблемы.

На данный момент необходимо обратить особое внимание, поскольку на практике зачастую обнаруживается непонимание, незнание либо недооценка значения этого положения. В действительности же оно выступает в качестве одной из центральных идей системологии.

Заключение

Модель непрозрачного считается самой простой в системологии. Между тем, при ее создании зачастую возникают разнообразные сложности. Они обуславливаются главным образом многообразием возможных вариантов установления связей между объектом и средой, в которой он расположен. При использовании модели необходимо учитывать разнообразные факторы, четко определять конечные и дополнительные цели. Исполнение последних зачастую крайне важно для получения запланированных результатов наблюдения.