المحاكاة والنمذجة

المحاكاة والنمذجة

Simulation and Modeling

المحاكاة Simulation هي وضع شبيه للواقع الفعلي المراد دراسته دون المساس به وإجراء التجارب عليه في ظروف مختلفة ,والاستفادة من جميع الموارد البشرية والمادية ( الأختر وآخرون,2011,ص22)

النمذجة Modeling هي تصميم نموذج يعبر عن مشكلة يراد حلها من خلال عدة فروض مطروحة حيث يقوم المتعلم بتغذية النموذج بالمدخلات وفي كل مرة يتتبع التغيرات الناتجة(المخرجات)  (علام,2011,ص626) نقلا عن مونور ودجلاس(1995)

النمذجة هي عملية اكتشاف السمات والخصائص والقدرات وترميزها وإعادة صياعتها بشكل مبسط له مدلول (العجب وآخرون, 2013,ص143) نقلاً عن مصطفى(2009)

علاقة النمذجة بالمحاكاة

إن علاقة المحاكاة بالنمذجة كما وضحها الحمداني (2002,ص67): بأن أسلوب المحاكاة يتطلب دراسة سلوك مشكلة معينة وذلك بتحديد العوامل المؤشرة والمهمة وينتج عنه تقييماً للحركة الديناميكية للنظام تحت الدراسة ويساعد في تجنب الانحراف في حل المشكلات بالتجريب مع العالم الحقيقي أو بتمثيل الشكل بنموذج أو بنسخة مطابقة للنموذج.

بدايات استخدام المحاكاة

البداية الحقيقية لاستخدام المحاكاة في التعليم والتدريب قد ظهرت جلياً في بداية الستينات من هذا القرن حيث زاد استخدامها في الولايات المتحدة الأمريكية وغيرها من البلدان وخصوصاً في الأقطار الصناعية ازياداً ملحوظاً كما استخدمت في التدريب خلال الحرب العالمية الثانية

وفي الثمانيات استخدمت المحاكاة عن طريق توفير بيئة تشبه الحقيقة باستخدام تطبيقات برامج الرسم ثلاثي الأبعاد حيث توفر للمتعلم ممارسة الخبرة الواقعية الحسية في صورة ممتعة وشيقة

وفي بداية التسعينات بدأت برامج المحاكاة بالكمبيوتر في الظهور بمجال التعليم (علام,2011,ص621)

فوائد ومزايا المحاكاة   

كما ذكرها (الحمداني,2002,ص60) :

1-    يساعد في تجنب المخاطر والكلف الكبيرة في حل المشاكل من خلال إعداد تجربة من دون التطرق إلى المشكلة الحقيقية وإنما تمثيل المشكلة وتوليد البيانات عنها بالحاسبة.

2-    يساعد أسلوب المحاكاة لتوفر زمن اقصر في حل المشاكل إذ أن المشاكل التي تواجهنا على صعيد الواقع تأخذ مدداً طويلة كلها.

3-    من المعروف أن التجارب الحقيقية قد يكون من الصعب إجراء أي تغيير عليها لكن المحاكاة توفر مرونة أكثر مقارنة بالواقع للتغير الذي ينشده الباحث.

4-    يساعد أسلوب المحاكاة في التعرف على الصعوبات التي تواجه حل المشكلة كما يهيء لمتخذ المقرار ملاحظة التغيرات التي تطرأ على صياغة المشكلة في حالة تنفيذها.

5-    تلعب المحاكاة دوراً مهما في دراسة وحل المشاكل المعقدة والمتداخلة عن طريق دراسة النظام ومشاهدة نتائجه بصورة واضحة مما يسهل اتخاذ الإجراءات لتطوير ذلك النظام.

وأضاف علام (2011,ص624)

6-    تساعد المتعلم على اكتساب المعلومات التي تمثل خطوة بالنسبة لهم أثناء دراستها من خلال الواقع الفعلي

7-    تساعد المتعلم على اكتشاف المعلومات بطريقة تفاعلية ديناميكية

8-    تولد جواً من التشويق والإثارة بالموقف التعليمي

وقد أضاف عبدالعزيز(2013,ص278)

9-    أن من أهم مزايا برامج المحاكاة الحاسوبية كونها تقدم مواقف تعليمية غير تقليدية بالنسبة للمتعلم وذلك بطريقة تثير تفكيره وتحفزه للتعلم

سلبيات المحاكاة الحاسوبية

كما ذكرها رمضان(2007,ص16) نقلاً عن (Hill,1996) :

1-    صعوبة تطوير واختبار تطبيقات المحاكاة الحاسوبية عموماً

2-    ارتفاع تكلفة تطويرها من الناحية الزمنية والمادية

3-    كونها وسيلة تقديرية تعطي حلولاً تقريبية للمشكلات المطلوب دراستها وليست دقيقة كالنماذج الرياضية التي لها القدر (غالباً) على إيجاد الحلول المثلى للمشكلات

أقسام برامج المحاكاة (علام,2011,ص625) نقلاً عن (Windschie&Andre,2000)

1-    محاكاة حركية : يستخدم هذا النوع لمحاكاة مهارات حركية وأدائية معينة وتتم عن طريق استخدام أدوات يتم إضافتها إلى الكمبيوتر ليكون الموقف أِبه تماماً بالواقع مثل محاكاة قيادة الطائرة,

2-    محاكاة إجرائية : تعتمد غالباً على التعلم من خلال شاشة الكمبيوتر حيث يتم تصميم موقف تعليمي يشبه مايتم في الواقع مثل محاكاة تجربة عملية .

3-    محاكاة عملية : وتبني هذه المحاكاة على هيئة نموذج يوضح ظاهرة لايمكن رؤيتها في حالتها الطبيعية لظروف ما مثل حركة الإلكترون داخل الذرة

مراحل وخطوات دراسة المحاكاة الحاسوبية كما ذكرها رمضان(2007,ص23) نقلاً عن (Hoover and Perry.1990) :

1-    تعريف المشكلة: تحديد أهداف الدراسة والجدوى منها ومدى ملائمة أسلوب المحاكاة كوسيلة لتحقيق المطلوب وتعريف المتغيرات المحددة للقرار والمؤثرات التي لايمكن التحكم بها ومؤشرات الأداء التي سيتم قياس الأداء بمراقبة قيمها.

2-    بناء النموذج المبدئي: تحديد المكونات الثابتة للنموذج من العناصر التالية :

·        كيانات: وهو أي شيء ذي علاقة في النظام له صفات ويقوم بأداء أنشطة.

·        أحداث: وهي الوقائع الزمنية التي ينشأ عنها تغيير حالة النظام.

·        متغيرات الحالة. اللازمة لتوصيف حالة النظام في أي وقت حسب أهداف الدراسة.

3-    جمع البيانات وتحليها: جميع البيانات عن النظام إما يدوياً أ, آلياً حسب أهداف الدراسة ودرجة الدقة المطلوبة في مقابل التكلفة المادية والزمنية.

4-    تحويل النموذج إلى برنامج حاسوبي: عملية تحويل للنموذج النظري المطلوب محاكاته, والذي تم إعداده بناء على مسح وتحليل لهذا النظام إلى نموذج حاسوبي يمثل تصميماً مفصلاً لبرنامج المحاكاة المطلوب تطويره.

5-    التحقق من صحة النموذج وصلاحيته:

·        التحقق من صحة النموذج يهدف إلى التأكد من ترابط الداخلي للنموذج الحاسوبي وتوافقه مع النموذج المبدئي.

·        التأكد من الصلاحية تهدف إلى التأكد من جودة تمثيل نموذج المحاكاة الحاسوبي للنظام الأصلي.

6-    تصميم التجارب واستخراج النتائج: لإيجاد أفضل مجموعة من قيم متغيرات القرار التي يتوقع نموذج المحاكاة الحاسوبي أن ينتج عن استخدامها في النظام الأصلي تحقيق قيم مقبولة من مؤشرات الأداء حسب أهداف الدراسة.

كيفية إعداد نماذج المحاكاة الحاسوبية:

"يتطلب إعداد نموذج المحاكاة الحاسوبية فريق عمل متكامل لايقتصر فقط على خبراء الحاسب الآلي من محللين ومبرمجين بل يجب أن يشمل أيضاً من لهم دراية كامل بالتفصيلات الدقيقة كافة الخاصة بالموضوع الجاري إعداد النموذج من أجله, وهؤلاء الأشخاص يجب أن يكونا من بيئة العمل ذاتها وممن تهيأت لهم ظروف المعيشة الكاملة بها حتى يستطيعوا نقل جزئياتها وبياناتها كافة التي تمكن في نهاية الأمر من تطابق النموذج الحاسوبي المعد من الواقع"(العميد عبدالمطلب,1428,ص162)

معايير تصميم برامج المحاكاة

حيث جمع علام (2011,ص627) مجموعة من المعايير التي يجب مراعاتها عند تصميم برامج المحاكاة الكمبيوترية وذلك من العديد من الدراسات:

1-    معايير ترتبط بأهداف المنهج

·        مراعاة متطلبات المنهج الحالي

·        الاختيار الدقيق للوسيلة داخل البرنامج حيث ترتبط بالمحتوى والهدف المراد تحقيقه

·        تحديد اهداف البرنامج تحديداً موضوعياً

·        تحديد الأهداف في بداية عرض البرنامج

2-    خصائص المتعلمين

·        مراعاة الفروق الفردية بين المتعلمين

·        مراعاة خصائص المتعلم(العمر- الخبرات السابقة- المرحلة التعليمية)

·        الخطو الذاتي وجذب انتباه المتعلم

3-    السلوك المدخلي/ متطلبات العمل المسبقة

·        تحديد المتطلبات والخبرات السابقة التي ينبغي أن يعرفها المتعلم

·        إعداد اختبار قبلي المتطلبات السابقة يبين للمتعلم مدى استعداده لتعلم موضوع البرنامج

4-    أساليب التفاعل بين المتعلم والبرنامج

ويقصد بها تلك الوسائل التي تمكن المتعلم من التحكم في زمن وكيفية عرض عناصر الوسائط المتعددة في برامج الوسائط المتعددة التفاعلية.

5-    أساليب جذب الانتباه بين المتعلمين

·        استخدام كافة الوسائل والتقنيات المختلفة والتي تحقق عرضاً ذا جودة عالية

·        تجنب العوامل والمثيرات التي تشتت الانتباه

·        تصميم البرنامج بحيث يسمح بالاستخدام السهل لبيئة التعلم

6-    تقديم المساعدات والتعليمات اللازمة

·        دليل المتعلم لبيان موضوع البرنامج من منهج الدراسة

·        تقديم المعلمومات والإرشادات التي تساعد المتعلم على السير في العرض

·        تنوع طرق تقديم الأجزاء في المقررات التعليمية من خلال التغيير في أنماط الظهور وقوالب تقديم وسائط عرض المعلومات وتنظيم شاشة الكمبيوتر

·        تعدد تنوع الأنشطة الإثرائية والعلاجية

·        يسمح برنامج المحاكاة بالخروج المؤقت لنظام التشغيل لإتمام مهام أخرى والعودة من جديد لاستكمال المحاكاة

7-    تصميم الشاشات / واجهات التفاعل

·        تحديد كم المعلومات التي يمكن عرضها على الشاشة الواحدة

·        التركيز على معلومة أو جزئية محددة بكل شاشة حتى تم التركيز عليها

·        ضرورة مراعاة التباين الخاص بالألوان والخلفيات في البرنامج التعليمي بما يحقق أفضل وضوح لتفاصيل الشاشة بالنسبة للمتعلم

·        ضعف مستوى المؤثرات الصوتية في جميع شاشات البرنامج مع إتاحة الفرصة للمتعلم للتحكم فيها

·        مراعاة حركة قراءة العين على الشاشة والانتقال بين الشاشات واحجام العناوين والنصوص

·        ترتيب الشاشة بنظام محدد حتى نهاية البرنامج

8-    التقويم والرجع الفوري

·        تجنب مراعاة تعدد وتنوع انماط واساليب التقويم ما بين تقويم ذاتي وقبلي ونهائي

·        يتيح طباعة تقارير التقييم النهائية الخاصة بالمتعلم

·        يتم تقديم النتائج على شكل رسومات خطية أو إحصائية

9-    متطلبات العرض

من حيث سهولة العمل تحت أنواع مختلفة من المواصفات والإمكانات لأجهزة الكمبيوتر المختلفة بحيث يمكن للمتعلم استخدام برنامج المحاكاة في أماكن مختلفة وعلى أجهزة كمبيوتر مختلفة.

أدوات بناء برامج المحاكاة  كما ذكرها رمضان(2007,ص75):

1-    لغات البرمجة الاعتيادية: وهي الأقل استخداماً وذلك لأنها غير مصممة  أصلاً لبرمجة نماذج المحاكاة وتفتقر إلى التراكيب الضرورية لبناء تلك النماذج مثل لغات C++   ,   Java

2-    لغات برمجة المحاكاة: مصممة خصيصاً لتطوير برامج المحاكاة وذلك بتوفير إطار برمجي عام يتوافق مع متطلبات برامج المحاكاة. ومن الأمثلة:

·        لغة  GPSS التي أنتجتها شركة IBM

·        لغة  SIMSCRIPT

·        لغة  SIMAN

3-    بيئات المحاكاة (حزم تطوير برامج المحاكاة) : توفر بيئة متكاملة لتطوير برنامج المحاكاة.

مجموعة من تطبيقات المحاكاة

http://www.a10.com/puzzle-games/surgeon-simulator

محاكي الجراحة

http://flight-simulator-x.en.softonic.com/download#downloading

محاكي الطيران

http://3d-driving-school.en.softonic.com/download#downloading

محاكي السيارات

http://chemistry.dortikum.net/download/chemistry_setup_en.exe

مختبر الكيمياء

http://goo.gl/R3aYLU

برنامج تركيب قطع الجهاز

مجموعة من التطبيقات لتصميم المحاكاة في الدوائر الكهربائية

http://lessons-electronics.blogspot.com/2013/03/blog-post_14.html

الدافعية لاستخدام برامج المحاكاة

حيث يرى عبدالعزيز(2013,ص278) أن من أهم مزايا برامج المحاكاة الحاسوبية كونها تقدم مواقف تعليمية غير تقليدية بالنسبة للمتعلم وذلك بطريقة تثير تفكيره وتحفزه للتعلم

وكانت نتيجة بحث العجب والآخرون (2013,ص167) أن للنمذجة الإلكترونية القائمة على المحاكاة الافتراضية أثر إيجابي في زيادة الرضا من التعلم واكتساب مهارات تشغيل وصيانة الحاسب الآلي لدى المجموعة التجريبية وذلك بسبب أن عرض نموذج المحاكاة الرسومي الحركي لطريقة تركيب أجزاء الحاسب الآلي في برنامج المحاكاة التعليمي قد ساعد في تقليل وقت الشرح, مما زاد الوقت الذي تطبق فيه المتعلمة صيانة الحاسب يدوياً, وأضافوا أن المحاكاة التفاعلية التي تقوم فيها المتعلمة بتركيب أجزاء جهاز حاسب افتراضي في برنامج المحاكاة قد أعطت المتعلمات الجرأة للتجريب على الجهاز يدوياً في المعمل دون خوف, وأضافوا بأن البيئة الآمنة ساهمت في تشجيع المتعلمة على المحاولة أكثر من مرة حتى تصل إلى الطريقة الصحيحة, وأضافوا بأن النموذج المحاكي ساهم في تقريب الصورة وعرضها على المتعلمة وتدريبها على التركيب والفك دون الحاجة لتوفر الأدوات رغم أنه لاغنى عن التطبيق العملي

استخدمت الباحثة (سحر,2012,ص421) خمسة أبعاد لتنمية الدافع للإنجاز وهي:

1-    حب الاستطلاع : ويعني توفر الرغبة في اكتشاف حقائق الأمور الغامضة في المواقف المحيطة بالتلميذ نابعة من شعوره, أو من خلال دعوة الآخرين له

2-    المثابرة : تعني تمتع التلميذ بالإصرار على تحقيق هدفه رغم الصعوبات التي تحول دون تحقيقه مع قدرته على الاحتفاظ بنشاطه إلى أقصى درجة ممكنة

3-    الاستمتاع : يعني شعور التلميذ بالسعادة في وجود أهداف يسعى إلى تحقيقها وذلك لتقليل الملل أو الصعوبات التي تواجهه لتحقق هذه الأهداف

4-    الطموح : يعني رغبة التلميذ في زيادة معارفه ومهاراته , وبلوغ مكانة مرموقة بين الناس ويستدل عليه من رغبة التلميذ الدائمة في التطلع للمستقبل لما هو أرقى

5-    تجنب الفشل : يعني بحث التلميذ عن الإجراءات التي تمنع فشله والرغبة الواضحة في التجاوز السريع لإخفاقاته من أجل تحقيق مزيد من التقدم في طريق إنجاز الأهداف

وكانت نتائج البحث دلت على أن الدافع للإنجاز كان لصالح المجموعة التجريبية والتي استخدمت برنامج محاكاة الهندسة التفاعلية بالحاسوب والذي تضمن أساليب تدريس غير تقليدية كاستخدام الوسائط الفائقة والتعلم بالاكتشاف والتعلم الفردي والتعلم التفاعلي واستخدام التعزيز بأنواعه واعتماد البرنامج بصورة رئيسة على الحاسوب, كما لوحظ شعورهم بالمتعة والتشويق والرضا لخضوعهم للبرنامج الذي أدى لرفع مستوى الدافع للإنجاز لديهم وإقبالهم على حل التمارين الهندسية

مجموعة من الروابط لتطبيقات المحاكاة في عدة مجالات

http://www.youtube.com/watch?v=vnUZ97teDtQ

التعامل مع الحاويات بالموانئ

http://www.youtube.com/watch?v=m1UCkb9CrLo

تعلم قيادة الطائرة

http://www.youtube.com/watch?v=qxKBnwve9mg

تعلم قيادة السيارة

http://www.youtube.com/watch?v=ZXY_VtEhTNI

محاكاة الحالات الطارئة في الطب

http://www.youtube.com/watch?v=NxOHUNqP9Ok

محاكاة القفز المظلي

http://www.youtube.com/watch?v=aTtfAQEeAJI

محاكاة لعبة قتالية

المراجع

·        علام, إسلام جابر احمد ,فاعلية برنامج المحاكاة الكمبيوترية والعروض العملية في تنمية بعض مهارات صيانة الحاسب الآلي لدى الطلاب المعلمين بالمملكة العربية السعودية, 2011 ,بحث غير منشور

·        الحمداني, رفاه شهاب , المحاكاة الحاسوبية, 2002, دار المنهاج للنشر والتوزيع

·        العجب, محمد العجب و حمدي احمد واحمد سعيد ونجلاء البوعينين, أثر النمذجة الإلكترونية القائمة على المحاكاة الافتراضية في تنمية مهارات صيانة الحاسب الآلي وتحسين الرضا عن التعلم لدى طالبات كلية التربية جامعة الدمام 2013,نشرت في مجلة العلوم التربوية والنفسية المجلد 14 العدد 4

·        الأختر, عبدالرحمن عبدالله و عوض الله سليمان  وأشرف محمود, المحاكاة بالحاسب الآلي لتفعيل العمليات الإدارية بمدارس التعليم العام بمحافظة الخرمة,2011 ,نشر بمجلة الثقافة والتنمية العدد50

·        العميد صلاح الدين عبدالحميد عبدالمطلب ,كيفية الاستفادة من المحاكاة الحاسوبية في أعمال البحث والتحقيق الجنائي ,1428 ,نشر بمجلة البحوث الأمنية العدد28

·        رمضان, حسام بن محمد , أساسيات المحاكاة الحاسوبية, 2007, مكتبة الملك فهد الوطنية

·        عبدالعزيز, حمدي أحمد , تصميم بيئة تعلم إلكترونية قائمة على المحاكاة الحاسوبية وأثرها في تنمية بعض مهارات الأعمال المكتبية وتحسين مهارات عمق التعلم لدى طلاب المدارس الثانوية التجارية ,2013 ,نشر بالمجلة الأردنية في العلوم التربوي المجلد9 عدد3

·        سحر عبده محمد, برنامج قائم على محاكاة الهندسة التفاعلية بالحاسوب وأثره في التحصيل وتنمية الدافع للإنجاز لدى تلاميذ المرحلة الابتدائية, 2012, نشر في مجلة كلية التربية بجامعة بورسعيد العدد12