Kako funkcionira metoda crne kutije

Crna kutija je pojam u kibernetici, uz pomoć koje se pokušavaju nositi s poteškoćama u proučavanju složenih sustava. Predstavljanje sustava u obliku crne kutije znači da na trenutnoj razini znanja ne možemo prodrijeti u dubinu tog sustava (ili podsustava) i dokučiti koji su unutarnji obrasci koji transformiraju njegove ulaze i izlaze. Međutim, možemo proučavati ponašanje tih ulaza i izlaza, odnosno ovisnost promjena izlaza o promjenama ulaza. Višestruko računovodstvo omogućuje otkrivanje uzorka između ponašanja ulaza i izlaza i predviđanje ponašanja sustava u budućnosti, a time i upravljanje njime. Iako metoda crne kutije ima prediktivnu vrijednost, ona ne daje konstruktivne preporuke o tome koje su promjene potrebne u sustavu kako bi bolje funkcionirao u postizanju svojih ciljeva. Ponekad, ako je poznat zakon transformacije, odnos između ulaza i izlaza može se prikazati u analitičkom obliku. Dakle, "crna kutija" je objekt koji percipira ulazne signale i generira izlazne signale, prethodno ih povezujući s ulazom prema nekom zakonu.

U međuvremenu, te ideje apsolutno ne odgovaraju stvarnoj praksi znanstvenog istraživanja. Metoda “crne kutije”, koja je u svojoj biti izravno suprotna gore opisanom principu, ne koristi se samo u najstrožim znanstvenim disciplinama, već je jedno od ključnih intelektualnih oruđa spoznaje.

“Crna kutija” je intelektualni konstrukt u koji se stavljaju apsolutno nepoznate, nemjerljive, neuočljive i nikako zabilježene pojave. Da bismo razumjeli kako metoda funkcionira, navedimo konkretan primjer.

Zamislite da kamen leti određenom putanjom, a vi promatrate njegovo kretanje, znate njegovu brzinu, težinu i druge karakteristike. Odnosno, ovo su samo čvrsto utvrđene činjenice. Dalje na putu nalazi se kutija s neprozirnim zidovima. Sa strane gdje kamen leti je rupa, a vi ste postavljeni tako da ne vidite njegov daljnji let unutar kutije. Na izlazu također postoji rupa iz koje kamen izleti, a vi opet vidite njegovu putanju i pratite sve njegove parametre. Dakle, imali ste nevidljivi dio leta, bio vam je apsolutno nepoznat. Ne znate što su tamo radili s kamenom, je li se odbijao od zidova, je li naletio na kakvu prepreku i slično. Ali postoji vidljivi dio prije ulaska u kutiju i vidljiv dio nakon izlaska iz kutije.

Dakle, metoda “crne kutije” sastoji se u tome da znanstvenik, poznavajući vidljive, mjerljive karakteristike, pokušava pogoditi što se dogodilo tijekom nevidljivog dijela leta unutar “crne kutije”. Pravi znanstvenik počinje graditi eksplanatorni model, iako je sa stajališta načela spomenutog na početku članka takav pristup neznanstven. Uostalom, prema ovom principu, može se uzeti u obzir samo vidljivi dio leta kamena, a o onome što je bilo u "crnoj kutiji" uopće se ne može raspravljati, nema čvrsto utvrđenih činjenica, nema se o čemu razgovarati.

Ljudi koji ovako rasuđuju i misle da je to prava znanost, zapravo ne rasuđuju onako kako je to stvarno prihvaćeno u znanosti.

U međuvremenu, nitko nije vidio ne samo elektron, nego čak ni atom, ali ljudi slobodno govore o atomima, elektronima i interakciji elementarnih čestica.

Štoviše, značajan dio tih spoznaja znanost je stekla upravo korištenjem naizgled neznanstvene, a zapravo isključivo znanstvene metode “crne kutije”, metode koja ne samo da omogućuje operirati s činjenicama koje nisu čvrsto utvrđene, nego čak omogućuje provoditi istraživanja fenomena koji su potpuno nepoznati, neutvrđeni, čiji parametri nisu izravno fiksirani.

Odnosno, znanost prepoznaje i čak proglašava važnim načelom samu mogućnost proučavanja nepoznatih pojava pomoću neizravnih znakova, drugih činjenica, drugih pojava.

Razvojni program “Crna kutija”

Istraživački (kreativni) rad u Čeljabinsku

intelektualna tribina mladih “Korak u budućnost - Constellation - HTTM”

(Odjeljak 3.3 (3D) Softver u obrazovanju; Računalni intelektualni razvoj na natjecanju intelektualaca „Talenti razvijene memorije i logike“ (TRPL))

Sitnikova Ljubov Jurijevna,

Čeljabinsk, MAOU srednja škola br. 153, 11. razred

Znanstveni savjetnik:

Rogov Andrej Jurijevič,

profesor informatike,

MAOU srednja škola br.153

Čeljabinsk – 2011

Uvod

Modeliranje je jedna od istraživačkih metoda koju čovječanstvo aktivno koristi. Mnogi objekti mogu se proučavati samo ovom metodom. Pitali smo se: "Što možemo simulirati pomoću računala?" Samo po sebi, računalo je prilično bogat alat za modeliranje. Nije uzalud cijela grana znanosti koja se zove "Računalno modeliranje". Naravno, jednostavno je nemoguće odražavati sve mogućnosti računala u modelu. Ali jedan od njih je sasvim izvediv zadatak. U školskom kolegiju informatike postoji dio “Modeliranje” u okviru kojeg se proučava model “Crna kutija”.

Crna kutija je sustav u kojem su vanjskom promatraču dostupne samo ulazne i izlazne veličine, a struktura i unutarnji procesi su nepoznati.

Primjeri “crne kutije” su bilo koji kućanski uređaj (TV, radio, plinski štednjak, glačalo itd.), igračka na navijanje, ručni sat, automobil. Neće biti pretjerano reći da se bilo koja stvar, svaki objekt, svaka pojava - svaki spoznati objekt - uvijek u početku pojavljuje kao “crna kutija”.

Kao što je već spomenuto, “crna kutija” je sustav o čijoj strukturi ne znamo ništa. Kako se o tome može raspravljati, proučavati, istraživati? “Crna kutija” predstavlja sustav samo s jedne strane: odnos, veza između “inputa” i “outputa”.

Svaki se sustav ispituje postupnim stvaranjem dugog protokola, sastavljenog kronološkim redoslijedom i prikazujući slijed "ulaznih" i "izlaznih" stanja. Kao rezultat takvog protokola, znamo kojim "inputima" eksperimentator manipulira i što se događa na "izlazu". Postupnim širenjem kruga "input-output" eksperimentator uči ponašanje svog "štićenika". I dok se upoznaje s njegovim ponašanjem, pokušava otkriti unutarnje veze u “crnoj kutiji”, njenu strukturu.

Ako model crne kutije zamislite kao dijagram, izgledat će otprilike ovako:

Takav sustav je vrlo lako modelirati. Stoga je cilj rada bio iskoristiti mogućnosti računala za izradu programa koji razvija intelektualne sposobnosti korisnika.

Ciljevi rada su:

Prikupljanje informacija o metodi modeliranja “crne kutije”, mogućnost implementacije na računalu.

Odabir potrebnog broja algoritama, njihov prikaz u programskom jeziku Pascal.

Izrada interaktivnog programa korištenjem okruženja za razvoj aplikacija za Windows - Lazarus.

Određivanje mogućih područja primjene programa, korištenje u jednom od odabranih područja.

Teorijski dio

Algoritmi i softver korišteni za razvoj programa

Prilikom prikupljanja informacija o metodi modeliranja “crne kutije” veliku pomoć pružila nam je mogućnost implementacije na računalu, školski udžbenici informatike i internetski materijali. Odabir algoritama proveden je na temelju ograničenja njihovog programiranja. Kao ulazni i izlazni podaci korištene su dvije vrste informacija: tekstualne i numeričke. Odabrano je ukupno 16 algoritama raspoređenih na sljedeći način:

Jednostavan:

1. +1

2. -3

3. *2

4. Zbroj znamenki broja

5. Snimanje obrnutim redoslijedom

6. Zadnji lik

7. Prvi lik

8. Broj znakova

Teško:

1. *2+1

2. X 2 +1

3. 12/X

4. Umnožak znamenki broja

5. Broj samoglasnika

6. Broj suglasnika

7. Ako je par, onda +2, ako je nepar, onda +1

8. Broj znakova -1

Za provedbu projekta bilo je potrebno objektno orijentirano programsko okruženje. Pascal je odabran kao glavni programski jezik, budući da se ranije proučavao u školskom tečaju informatike. Razmatrana su dva programa: BorlandDelphi i Lazarus. Prvi je široko rasprostranjen, ali se, nažalost, ne distribuira slobodno. Ali Lazarus, naprotiv, iako ima manje bogatu funkcionalnost, može se slobodno koristiti u bilo koju svrhu. Stoga je izbor pao na njega.

Istraživački dio

Rad s programom Black Box

Prvi prozor koji se pojavi kada pokrenete program je izbor razine težine. Za početak, dobra je ideja vježbati na laganoj razini težine. Dovršavanje zadataka ovdje ne zahtijeva više od jedne radnje. Na složenoj razini, algoritmi sadrže dvije akcije i složeniji su za izračunavanje.

Glavni radni prozor programa isti je za obje razine težine. Sadrži sljedeće glavne elemente:

1. Glavni izbornik programa sa stavkama "Datoteka" i "Pomoć";
2. Padajući popis s mogućnošću odabira broja algoritma;
3. Glavna radna ploča: polje za unos ulaznog parametra, gumb “Proces” i polje u kojem se prikazuje rezultat algoritma;
4. Prozor koji prikazuje napredak studije, pokazujući sve ulaze i izlaze;
5. Gumb “Ispit”;
6. Gumb "Izlaz iz programa"..

Program ima sljedeći princip rada. Sadrži algoritme, program ih koristi za obradu svih podataka koje unese korisnik, čiji je zadatak odrediti koji algoritam program koristi.

Rad s programom odvija se sljedećim redoslijedom:

U glavnom prozoru programa odaberite broj željenog algoritma s padajućeg popisa. Svaki algoritam ima svoj broj, koji se ne mijenja od pokretanja do pokretanja.

Odredite s kojim podacima algoritam radi (brojevima ili tekstom). Treba uzeti u obzir da se brojevi mogu prikazati i kao niz znakova. Da biste provjerili, možete pokušati unijeti i tekst i broj u polje "Unos" (Imajte na umu da program ispravno radi samo sa slovima engleske abecede. I algoritmi su konfigurirani za rad s ovom određenom abecedom). Nakon klika na gumb “Obradi”, u polju “Rezultat” pojavit će se vrijednost dobivena kao rezultat izvršavanja algoritma na ulaznom parametru. U ovom slučaju, i unos i rezultat unose se u tablicu s desne strane, gdje će biti prikazane sve radnje koje je korisnik izvršio.

Odredite koji algoritam program izvodi. Da biste to učinili, morate unijeti podatke i obraditi ih dok obrazac ne postane dovoljno potkrijepljen. Nakon toga možete započeti ispit.

Klikom na gumb ispita možete prijeći na odjeljak programa koji provjerava ispravnost algoritma koji je korisnik pogodio.

U ovom odjeljku od vas se traži da primijenite dobiveni algoritam na pet ulaznih podataka navedenih na lijevoj strani. Morate unijeti rezultate u odgovarajuća polja s desne strane. Za dovršetak radnji predviđena je točno jedna minuta, nakon čega će se provjeriti uneseni odgovori i prikazati rezultat. Ako ste ranije završili s izvođenjem radnji, možete kliknuti gumb "U redu".

Ovisno o dobivenom rezultatu, možete prijeći na sljedeći algoritam ili, ako trenutni algoritam nije određen, isprobati druge ulazne parametre.

Zadaci na ispitu su svaki put drugačiji. Time je isključena mogućnost izračunavanja odgovora u glavnom prozoru programa. Potreba za uvođenjem ispita je uzrokovana činjenicom da je dosta teško na bilo koji drugi način provjeriti točnost korisnikove pretpostavke zbog labave formulacije nekih algoritama.

Glavni prozor programa sadrži informacije za pomoć, koje možete pronaći odabirom “Pomoć” iz glavnog izbornika programa.

Zaključak

Napravljeni proizvod može pronaći nekoliko primjena, primjerice, korištenje u nastavi informatike za proučavanje teme „Modeliranje“, razvoj logičkih sposobnosti učenika osnovnih i srednjih škola, održavanje natjecanja među učenicima i, na kraju, svatko može koristiti ovaj program kod kuće u vrijeme koje njemu odgovara. http://www.delphisources.ru

Crna kutija može transformirati informacije prema nekom pravilu.

Kao rezultat proučavanja rada "crne kutije", dobiven je popis odgovarajućih vrijednosti parametara na ulazu i izlazu.

Utvrdite što sustav radi analizom rezultata njegovog rada, tj. na kojem su principu vrijednosti ulaznih parametara povezane s izlaznim parametrima. Predstavite ovaj odnos kao funkciju.

Primjer 1

Što će odgovoriti crna kutija ako joj date broj 12?

Odgovor: sustav udvostručuje vrijednost ulaznog parametra; y = 2x.

Pravilo može biti složenije.

Primjer 2

Što će odgovoriti crna kutija ako joj date broj 9?

Odgovor: Sustav kvadrira vrijednost ulaznog parametra, a zatim preuređuje znamenke broja obrnutim redoslijedom.

Popis nekih od najpoznatijih "Crnih kutija":

• Koristeći broj, ostatak se izračunava kada se podijeli sa zadanim brojem.
• Zbroj znamenki broja.
• Bilo koja formula: kvadrat broja, broj plus tri itd. ...
• Broju možete dodati broj poteza.
• Tri je tri, dva je tri, jedan je četiri (broj je koliko slova ima u svom zapisu).
• Broj prvog slova "a" u riječi: i.e. bomba - 5, 2 - 3, banana - 2, 1 - ne mogu (u ovom slučaju možete reći i 0)

Problemi koje treba samostalno riješiti

Određena "crna kutija" može se konfigurirati s deset programa za pretvorbu informacija. Kao rezultat proučavanja njegovog rada, dobiveni su izvještaji o ispitivanju koji opisuju ulaze i odgovarajuće izlaze sustava. Potrebno je odrediti vrstu ulazne informacije (numerička, tekstualna, simbolička) i pravilo za njezinu transformaciju.

Teorijski krug školske pozornice

u informatici i ICT-u

Akademska godina 2015-2016

5-6-7 razreda

1. 1. (5 bodova) Pronađite uzorak i nastavite niz:
   1. 1) 1, 2, 3, 4, 5, 6,…
   2. 2) a, b, c, d, d, f, ...
   3. 3) 1, 2, 4, 8, 16,…
   4. 4) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 0, 1, 1,…
   5. 5) o, d, t, h, p, w,…
2. 2. (24 boda) Umjesto točkica upiši riječ od tri slova koja će biti kraj jedne, a početak druge riječi.

Primjer:U(…)ESO – U(KOL)ESO.

1. 3. (10 bodova) Napišite riječ u zagradu s lijeve strane kako bi se te jednadžbe mogle riješiti.

B+(ŽIVOTINJA)=(DEFEKT)
AP+(NOTE)=(GLAZBENI INSTRUMENT)
B+(IME)=(SLOBODA)
H+(STABLO)=(POLJE)
I+(ŽITARICE)=(CVIJET)
PA+(STOLICA)=(METAK U FUTROLU)
B+(DLAKE NA LICU)=UKRAS
C+(CVIJET)=(OSJEĆAJ UGODNOG OKUSA)
W+(BOJA ZA NOKTE)=(BILJKA SA GOVORIMA)
U+(FENOMEN ATMOSFERE)=(ZASTRAŠIVANJE)

1. 4. (6 bodova) U ovoj su tablici skriveni ostaci bilješki

• Zec (A2, G6, G1, A6, B3, B1, G4, B4);
• Vuk (A3, G2, B3, G5, B2, B6, B2, B6);
• i bilješke za vas (B5, A1, G3, A4, B1).

Vratite ove bilješke (ne zaboravite podijeliti tekst u riječi).

1. 5. (5 bodova) Pomoću šifre pronađite riječi koje se kriju iza ovih brojeva:
2. 1) 6 8 7 4 10 8

1. 2) 1 2 10 8 9 1 5 5ŠIFRA
2. 3) 7 1 2 4 3 1 10 8 9
3. 4) 1 9 4 11
4. 5) 1 5 5 4 3 1 10 8 9

6. (5 bodova) Definirajte poslovicu. Brojčanik - tipka:

1. 7. (5 bodova) Odrediti princip transformacije informacija u „crnoj kutiji“.

1. (20 bodova) Robot. Roger Wilco želi doći do ključa od labirinta u koji ne može sam ući, ali može u njega poslati malog robota. Robot zna naredbe:

• Gore(pomakni jednu ćeliju gore)
• dolje(pomakni jednu ćeliju prema dolje)
• Lijevo(pomakni jednu ćeliju ulijevo)
• Pravo(pomakni jednu ćeliju udesno)

Naredbu koju robot ne može izvršiti, jednostavno preskoči i prijeđe na sljedeću. Robot ima ograničenu količinu memorije, tako da Roger može napisati samo program s četiri upute. Kada robot dođe do kraja svog programa, ponovno ga pokreće. Kada se robot nađe u ćeliji u kojoj se nalazi ključ, izvršavanje programa odmah završava.

Kako Roger može programirati robota da izađe iz kaveza?S u kavezu F gdje je ključ

2. (20 bodova) Vodenjak. Dvije su prazne posude obujma 8 i 5 litara. Koristeći programsko okruženje Aquarius izradite program za dobivanje 4 litre vode u bilo kojoj od posuda.