Конспект урока "Компьютерное моделирование в биологии" 11 класс

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №7»
Имени Николая Викторовича Кордюкова
Города Кимовска Тульской области
Конспект урока по информатике
в 11 классе
«Компьютерное моделирование в биологии»
подготовила
учитель информатики
Рассолова Людмила Валентиновна
Кимовск 2013
Предмет: информатика
Класс: 11
Раздел: «Исследование на компьютере информационных моделей из различных
предметных областей»
Тема урока: «Компьютерное моделирование в биологии»
ЦЕЛЬ УРОКА: усвоить особенности и способы моделирования объектов, явлений,
процессов реального мира средствами ИКТ.
ЗАДАЧИ:
общеобразовательная:
расширить представления учащихся о моделировании как методе научного
познания;
научить создавать и исследовать модели изучаемых объектов;
освоить способы визуализации числовых данных;
закрепить понятия и навыки работы с электронной таблицей Microsoft Excel.
развивающая:
развивать навыки формализации при решении информационных задач с
помощью программных средств;
развивать способность анализировать и обобщать изученный материал.
воспитывающая:
формировать навыки здорового образа жизни и ответственности за
собственное здоровье и здоровье окружающих.
Тип урока: урок комплексного применения знаний, умений и навыков.
ОБОРУДОВАНИЕ:
мультимедийное оборудование,
презентационный материал (компьютерная презентация в формате Microsoft
PowerPoint),
карточки-задания для выполнения дополнительного классного и домашнего
заданий.
ХОД УРОКА
I. ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ МОМЕНТ р.1 п.1) (1 слайд)
II. АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ
Что такое модель? (2 слайд)
Какие свойства реальных объектов воспроизводят следующие
модели:
- муляж яблока;
- чучело птицы;
- скелет человека в кабинете биологии. (3 слайд)
Что такое информационная модель? (4 слайд)
Приведите различные примеры графических информационных моделей.
(5 слайд)
Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график)
применима для отображения процессов? (6 слайд)
Перечислить этапы создания модели с помощью компьютера. (7 слайд)
Самостоятельная работа (8 слайд)
Демонстрация различных моделей по биологии.
Задание: записать в тетради в 1-й столбец материальные модели, во 2-й
информационные, во 2-м столбце пометить графические модели. (9, 10 слайд)
р.1 п.2)
III. Объяснение материала
(11 слайд) Разные науки исследуют объекты и процессы под разным углом
зрения и строят различные типы моделей. Возьмём в качестве примера человека, в
рамках механики его можно рассматривать как материальную точку, в химии
как объект, состоящий из различных химических веществ, в биологии как
систему, стремящуюся к самосохранению. Об этом и пойдет речь на сегодняшнем
уроке.
(12 слайд) Сообщение темы и целей урока.
Тема: «Компьютерное моделирование в биологии». р.1 п.3)
Все формы организации живой природы являются сложными системами,
иерархически связанными. Кроме того, живые системы не являются стабильными,
они непрерывно изменяются и развиваются в длительном историческом процессе.
Потребность в компьютерном моделировании в области биологии
возникает при следующих обстоятельствах:
1. (13 слайд) Наличие большого информационного массива и
большого числа исследуемых параметров, делающее невозможным или
неэффективным использование традиционных методов обработки данных.
Так при изучении экосистем необходимо анализировать состояние десятков
различных видов растений, животных, бактерий (их численность, возрастную
и половую структуру видов, различные типы взаимосвязей между ними и
т.д.)
2. (14 слайд) Динамический характер исследуемых процессов -
рост, размножение, чередование поколений, миграция животных, пищевые
связи и т.д. (Исследования биологических процессов позволяют установить
квоты на вылов рыбы и охоту, предупредить экологические катастрофы).
3. (15 слайд) Многовариантный, вероятностный характер развития
системы: изменение условий среды изменение жизнедеятельности
организмов изменение экосистемы. (Привести примеры бездумного
вмешательства человека в естественные биологические процессы -
уничтожение воробьёв в Китае, ввоз кроликов в Австралию и др).
4. (16 слайд) Потребность в прогнозировании развития событий, с
расчетом того или иного сценария. Например, прогнозирование последствий
деятельности человека в той или иной экосистеме и в биосфере в целом.
Сегодня на уроке мы разберем практическую значимость компьютерного
моделирования для возможного прогноза эпидемиологической ситуации в
отношении ВИЧ-инфекции, а именно:
- решим ситуационную задачу «Прогноз числа ВИЧ-инфицированных до 2015
года»;
- ответим на вопрос: «Что ограничивает распространение любой эпидемии, в том
числе и ВИЧ-инфекции?».
(17 слайд) Процесс возникновения и распространения инфекционных
болезней среди людей привлекает к себе пристальное внимание не только со
стороны медиков, но и других специалистов. Известно, что без разработки
компьютерных моделей и теоретического анализа в рамках этих моделей факторов,
определяющих проявление и развитие эпидемии, невозможен адекватный подход к
планированию, например, профилактических и противоэпидемических
мероприятий.
- Что значит ВИЧ-инфекция?
- Каким образом человек может оказаться ВИЧ-инфицированным?
- Какое условие должно срабатывать, чтобы шло распространение
инфекционной болезни среди людей?
(18 слайд) Модель распространения инфекционной болезни среди людей
схематично может быть представлена следующим образом: инфицированный
человек (источник инфекции) передает заразное начало болезни озбудитель)
другому или другим людям (восприимчивый индивид, восприимчивые
контингенты). Каждый вновь инфицированный вовлекает в эпидемический
процесс n число людей, т.е. возникает эпидемия.
Приведенную схему можно рассматривать как модель неограниченного
роста: если действие окружающей среды сказывается лишь на скорости увеличения
численности рассматриваемых объектов, то размножаются они в геометрической
прогрессии.
(19 слайд) Т. Мальтус (1798 г.) первый ввел модель неограниченного роста.
Опираясь на эту модель, он пытался обосновать неизбежность войн и других
кризисных явлений социально-политической жизни человеческого общества. Из
его рассуждений делался вывод о необходимости постоянного расширения
жизненного пространства, и этот вывод использовался для построения и
оправдания расовых и националистических теорий.
(20 слайд) На самом деле в реальной жизни безграничный рост губителен
для любого вида, так как приводит к подрыву его жизнеобеспечения. При
увеличении численности каких-либо объектов включаются регуляторные системы
природного сообщества хищники, паразиты, возбудители инфекционных
заболеваний и т.п. При еще более высокой плотности вступает в силу
внутривидовая конкуренция. Вся эволюция видов шла в таком направлении, что
выработались механизмы реакции на собственную плотность. Таким образом, на
пути увеличения численности вида возникает множество последовательных
преград, образующих надежную систему регуляции. Поэтому, хотя в природе
миллионы видов, большинство из них не дает вспышек массового размножения, и
такая модель будет называться моделью ограниченного роста.
ообщение ученика - 21 слайд)
Одним из важнейших условий распространения инфекционной болезни
среди людей является способность источника инфекции распространять болезнь,
что может быть определено как базовый репродуктивный показатель (Ro).
Ro < 1 => болезнь со временем исчезает (эпидемии нет);
Ro = 1 => болезнь становится эндемичной, т.е. регистрируют отдельные
случаи заболевания;
Ro > 1 => в этом случае развивается эпидемия.
В обобщенном виде величина Ro может быть рассчитана по формуле: Ro =
р * К * D, где
р - вероятность передачи возбудителя при одном контакте
К - количество контактов за единицу времени
D - продолжительность периода заразительности.
Первый случай заражения гражданина России ВИЧ инфекцией был
установлен в 1987 г. И, как отмечают специалисты, до середины 90-х годов ХХ
столетия заболевание распространялось довольно медленными темпами
ежегодно регистрировали приблизительно 100–200 новых случаев инфицирования
(при этом обследование на ВИЧ-инфекцию ежегодно проводилось более чем у 20
млн. чел.)
В 1995 г. были выявлены первые случаи заражения ВИЧ в результате
внутривенного употребления наркотиков, а в последующие годы отмечается
последовательный рост заражений указанным путем.
С 1995 по 2001 гг. общая численность ВИЧ-инфицированных выросла в 164
раза!
(22 слайд) Характер динамики распространения ВИЧ-инфекции в России
показывает, что для описания этого процесса вполне подходит экспоненциальная
модель следующего вида:
Y = const*exp(beta*t),
где const и beta являются оцениваемыми параметрами, а t обозначает
временной интервал.
При обсуждении проблемы ВИЧ-инфекции в России выделяют понятие так
называемого "реального" числа ВИЧ-инфицированных, которое, как правило,
значительно превышает число официально зарегистрированных случаев. Для
расчета "реального" числа ВИЧ инфицированных используют те или иные
коэффициенты (на которые умножается абсолютное число зарегистрированных
случаев ВИЧ-инфекции). Величина этих коэффициентов, как правило, варьируется
в интервале от 3 до 10 единиц (в зависимости от региона). р.1 п.4)
(23 слайд) Сравните на слайде реальные и модельные значения показателя
"абсолютное число ВИЧ-инфицированных в РФ". Проведенные расчеты показали,
что оценки, полученные на модели, в достаточно высокой степени характеризуют
реальную динамику показателя абсолютного числа случаев ВИЧ-инфицирования.
р.1 п.5)
IV. Практическая часть
Задание. (24 слайд)
Построить график роста числа ВИЧ-инфицированных на период с 1987
2015 годы, используя формулу:
Y = 1,2307*exp(0,7925*t)
(Коэффициенты указаны как средние для РФ, полученные
экспериментальным путем).
(25 слайд)
1. Заполним таблицу в среде Microsoft Excel.
1.1. Для столбцов «Год» и «t» использовать функцию
«Автозаполнение».
1.2. В ячейку С2 ввести расчетную формулу, с учетом относительной
адресации.
1.3. Скопировать формулу для всего исследуемого периода времени.
A
B
1
Год
t
Количество ВИЧ-инфицированных
2
1987
1
=1,2307*EXP(0,7925*В2)
3
1988
2
4
1989
3
5
1990
4
30
2015
29
2. Построим график
2.1. Выделить ячейки с данными о количестве ВИЧ-инфицированных
(С2:С30)
2.2. Вставка – диаграмма.
2.3. Выбрать тип диаграммы (график).
2.4. Ряд – подписи оси Х – выделить диапазон данных «Год»
(А2:А30).
2.5. Заполнить поля «Название диаграммы», «Ось Х», «Ось Y».
р.1 п.6)
3. Анализ полученных результатов (26 слайд):
а) Модель ограниченного или неограниченного роста представляет собой
график?
б) Сформулировать предположение о распространении ВИЧ-инфекции в
России на основании полученных данных.
в) Какие факторы в реальной жизни ограничивают рост эпидемии и могут
снизить угрозу массового распространения инфекции? (27 слайд)
В модели неограниченного роста в качестве существенных принимались
только биологические факторы. Но в человеческом сообществе вступают в силу
иные факторы, которые можно назвать социальными, если речь идет о
сообществах людей. Дальнейшее распространение эпидемии ВИЧ-инфекции во
многом определено поведением человека. р.1 п.7)
4. Дополнительное задание. Построить график по известным данным и
проанализировать результаты социологических опросов. р.1 п.8)
(Задания по карточкам, см. Пр. 2)
V. Итог урока
Мы знаем, что никакая модель не эквивалентна исходному объекту,
процессу или явлению, ведь в любой модели можно учесть только часть
информации, самую существенную, но все равно не всю. В биологии
компьютерное моделирование дает возможность учитывать большое количество
переменных, предсказывать развитие нелинейных процессов, позволяет не только
получить прогноз, но и определить, какие управляющие воздействия приведут к
наиболее благоприятному развитию событий. р.1 п.9, п.10)33
VI. Домашнее здание
1. §5.8 (Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии,
Учебное пособие для 10-11 классов. М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000)
2. Задание по карточкам с учетом индивидуальных особенностей.
№1. (Базовый уровень)
Наиболее пораженными ВИЧ-инфекцией в России являются Тюменская (7 тыс.
человек.), Свердловская (20,7 тыс.), Самарская (18,2 тыс.), Московская (22 тыс.),
Иркутская (15 тыс.), Кемеровская (7 тыс.) области и недавно "присоединившаяся" к
эпидемии республика Татарстан (5,5 тыс.). Выполнить сортировку данных в
порядке убывания; визуализировать ряд, выбрав наиболее характерный для
представленной информации тип диаграммы, сделать выводы.
№2. (Повышенный уровень)
Определить количественное соотношение исходных данных в %. Построить
диаграммы.
В целом по России - 325370 \21646\ 3462 бщее число зарегистрированных
случаев\ зарегистрированные случаи за текущий год\ зарегистрированные случаи
за последний месяц); Республика Алтай 62\ 6\ 1; Республика Бурятия 2248\ 121\
18; Республика Тыва 24\ 2\ 0; Республика Хакасия - 137 \12\ 2; Алтайский край
3734\ 186 \35; Красноярский край 6345\ 324\63; Иркутская область - 18399 \1017\
164; Кемеровская область - 7310 \482\63; Новосибирская область 974\ 56 \11;
Омская область 475\ 31\7; Томская область 787\ 34\7; Читинская область 1728\
115\ 23.
р.1 п.11)
Используемая литература
1. Бароян О.В., Рвачев Л.А. Математика и эпидемиология.– М.,1997.
2. Боев. Б.В. Современные этапы математического моделирования процессов
развития и распространения инфекционных заболеваний //
Эпидемиологическая кибернетика: модели, информация, эксперименты. М.,
1991.
3. Задачник-практикум по информатике: Учебное пособие для 7-11 классов.
Под ред. Угриновича. М.: Бином. Лаборатория Знаний, 2005
4. Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии, Учебное
пособие для 10-11 классов. М.: Лаборатория Базовых знаний, 2004

Информатика - еще материалы к урокам: