02. Система и окружающая среда. Система как «чёрный ящик» (полный урок)

На данном уроке анализируется взаимодействие системы и окружающей среды, рассматривается понятие «чёрный ящик». Посмотрев урок, вы поймёте, как использование системного подхода может влиять на качество решения задач, почему знание устройства системы не всегда влияет на результат. Вы узнаете об особенностях описаний системы, о том, что такое входы и выходы системы и как они могут меняться в зависимости от назначения системы.

Человек стремится изучить всё, что его окружает. В древние времена это помогало человеку выжить, сейчас позволяет обеспечить ещё больший комфорт и безопасность, сохранить здоровье, освоить новые территории, летать в космос.

Чтобы что-то изучать, нужно выделить объекты. Чем глубже мы погружаемся в изучение какой-либо области, тем более мелкие объекты выделяем.

Например, природа — живая природа — лес — дерево — сосна — ветка — лист — клетка...

Порой в изучении объектов мы доходим даже до молекул и атомов.

Нередко нас интересуют не действия объектов по отдельности, а их общность.

Система — это сложный объект, представляющий собой целое, состоящее из взаимосвязанных частей.

К примеру, социологам важны люди как объекты, но их не интересуют отдельные составные части человека — конечности, сердце, почки и другие органы. А иногда даже не интересуют отдельные люди, а рассматриваются целые общества — группы людей.

Другой пример. Есть отдельные детали и есть собранный из них автомобиль. Каждая деталь может быть идеальной, но без правильного соединения всех деталей в единое целое ничего ехать не будет. Нас будет интересовать автомобиль именно как система.

Человек тоже является системой объектов и других систем. Принимая пищу, мы не просто утоляем голод, а снабжаем организм энергией и строительным материалом для роста и развития как отдельных органов и систем, так и всего организма в целом. При этом работает не только пищеварительная система, но и другие. Офтальмолог, занимаясь лечением органов зрения, не может не учитывать состояние других систем организма: кровеносной, нервной и других (рис. 6, 7).

Системный подход — подход к описанию системы, при котором выделяют её компоненты и рассматривают их взаимодействие и взаимовлияние.

Представьте ситуацию: на каком-то участке дороги постоянно возникают пробки, движение затруднено, что доставляет массу неудобств и водителям, и пассажирам.

На данном участке было решено расширить дорожное полотно и увеличить продолжительность зелёного сигнала для водителей. В результате пробки стали возникать на другом участке дороги. Это пример несистемного подхода к решению задачи.

Другой подход: изучаем транспортные потоки в районе, анализируем проблемные места (они могут быть не только на указанном участке), и выясняется, что проблема — в отсутствии развязки в другом конце района, а также в неправильной разметке. Строим развязку, грамотно выполняем разметку, и пробок становится значительно меньше. Это пример системного подхода к решению проблемы.

Другой пример. Ученику Домашней школы необходимо выполнить обязательное домашнее задание по информатике. Ученик считает, что, посмотрев видеоурок и видеоконсультацию, предлагаемые на одной конкретной неделе, можно легко справиться с заданием, а материалы предыдущих недель, где задание было необязательным, изучать совсем ни к чему. В результате ученик сталкивается с новыми терминами, не понимает, о каком методе решения говорит учитель, и, как следствие, не может выполнить задание. Волнуется ученик, волнуются родители, выставлена плохая отметка. А всё потому, что такой подход к выполнению заданий нельзя назвать системным.

При системном подходе изучаются необходимые материалы, причём не все за раз, а постепенно. В случае необходимости задаются вопросы учителю. Тогда на основе уже имеющихся знаний и полученной помощи можно выполнять домашние задания, а затем — получать новые знания. И это только одна часть образовательного процесса.

Без системного подхода невозможно обеспечить хорошее образование. Необходимо учитывать взаимодействие и взаимовлияние таких компонентов системы, как образовательное учреждение, форма обучения, педагогический состав, учебная литература, качество уроков и домашних заданий и многое другое, включая мотивацию и прилежание самого ученика.

Только используя системный подход, родители с помощью педагогов, медиков и других специалистов могут из маленького ребёнка вырастить человека, развитого физически, духовно и интеллектуально.

Рассматривая какую-то определённую систему, мы выделяем её компоненты. При этом другие элементы окружающей среды, не вошедшие в систему, остаются за пределами системы. Их будем называть средой.

Например, если мы рассматриваем такую систему, как семья (мама, папа, дети), то за рамками этой системы окажутся элементы среды, которые, несомненно, оказывают влияние на стабильность и благополучие семьи.

К элементам среды можно отнести государство, место проживания, традиции, систему образования и многое другое, включая даже соседей.

Семья также оказывает воздействие на окружающую среду. Например:

• люди, достигшие 18-летнего возраста, могут голосовать на выборах, то есть участвовать в жизни государства и своего города или села (рис. 16);

• работая, члены семьи создают материальные или информационные объекты, оказывают другим людям те или иные услуги (рис. 17);

• принимая участие в уборке территории за пределами своего дома, не засоряя водоёмы и лесные массивы, высаживая деревья, члены семьи оказывают влияние на окружающую природу (рис. 18);

• члены семьи поддерживают и формируют традиции своего народа (рис. 19);

• активно используя механизмы обратной связи, они оказывают воздействие на системы здравоохранения, образования и другие системы (рис. 20).

Данный пример является свидетельством того, что система и среда взаимодействуют между собой. Среда может воздействовать на систему, а система — на среду. Обратите внимание на схему. Воздействия среды на систему называют входами системы, а воздействия системы на среду — выходами системы.

Входы и выходы системы могут быть представлены как материальными объектами, которыми обмениваются среда и система, так и физическим воздействием и информацией.

Рассмотрим пример.

Входами системы «кофемашина» являются электроэнергия, молотый кофе, вода. Выход системы — кофейный напиток.

В состав системы, как вы знаете, могут входить другие системы (так называемые подсистемы). Выход одной системы является входом другой системы.

Кофемашина является довольно сложной системой, её компоненты — различные подсистемы. Холодная вода поступает на вход подсистемы «Бойлер», выходом этой подсистемы является нагретая до 92–95 градусов вода, которая, в свою очередь, является входом подсистемы «Раздаточная группа».

Мы, конечно же, не будем рассматривать весь процесс приготовления кофе. Данный пример является лишь иллюстрацией того, что в любой системе может быть довольно много подсистем. У каждой системы может быть бесконечно много входов и выходов.

Создатели различных приборов для массового потребителя стараются «спрятать» всё сложное устройство внутри исполнителя, упрощая тем самым задачу пользователю — ему остаётся буквально нажать 1–2 кнопки.

Согласитесь, что приготовить кофе могут многие люди, однако большинство людей совершенно не знакомы с устройством кофемашины. Такое знание обычному человеку и не требуется. Чтобы приготовить чашечку ароматного кофе, важно знать, куда насыпать кофе и какую кнопку нажать, чтобы запустить процесс приготовления напитка.

Но так было не всегда. Раньше практически каждый автолюбитель знал свой автомобиль «до винтика» и умел выполнять по крайней мере не очень сложный ремонт машины, а владельцы телевизоров неплохо разбирались в настройке каналов и работе антенн. Многие могли починить утюг и разбирались в работе электрической цепи (рис. 28).

В современном мире ситуация сильно изменилась, поскольку ускорился ритм жизни, изменилось количество и сложность используемых устройств. Да и потребность вникать в детали технического устройства приборов при огромном количестве предоставляемых различными специалистами услуг сильно снизилась.

Эксплуатация многих устройств возможна, если человек понимает, к каким результатам приведёт то или иное воздействие на входе системы. Техническими устройствами, среди которых и бытовые устройства, мы пользуемся в повседневной жизни.

Многие приборы при неправильном использовании или несоблюдении условий эксплуатации могут причинить вред и быть опасными.

Большинство технических устройств работает от напряжения 220 вольт, некоторые содержат быстро вращающиеся или режущие компоненты.

Поэтому очень важно перед первым использованием любого устройства изучить инструкцию и соблюдать правила техники безопасности. Многие инструкции написаны на основе анализа уже произошедших несчастных случаев. Поэтому не следует пренебрегать рекомендациями и советами, которые дают специалисты.

Использование многих устройств стало для нас обыденным и привычным. Когда мы включаем воду, нас не интересует устройство системы водоснабжения. Нам важно знание, что поворот крана (вход системы) приведёт к появлению струи воды (выход системы) из смесителя.

Разогревая еду, большинство людей не задумываются над тем, как устроена микроволновая печь. Для того чтобы подогреть или приготовить еду, человеку достаточно знаний о том, какие кнопки нажать для выбора режима и включения печи.

При этом важно знать, что нельзя, например, разогревать еду в металлической посуде (сюда же относятся фольга и контейнеры из фольги, тарелки и чашки с позолотой), а также в герметично закрытых ёмкостях, бумажных пакетах и посуде, деревянной и хрустальной посуде. Причём этой информацией владеет даже маленький ребёнок, хотя он совершенно не знает физику процессов, принцип воздействия волн и устройство микроволновой печи.

В подобных ситуациях, когда не поясняется механизм работы сложной системы, система рассматривается как «чёрный ящик».

Чёрный ящик — обозначение сложной системы, в которой не рассматриваются внутреннее устройство и механизм работы.

Само понятие «чёрный ящик» в повседневной жизни может пониматься по-разному. Сейчас, как правило, этот термин используется для упрощения уже созданного кем-то устройства или алгоритма. Раньше понятие «чёрный ящик» могли применять к чему-то непонятному или неизученному.

Например, долгое время не существовало технологий для исследования человеческого мозга.

Античные учёные Гиппократ (рис. 39) и Платон (рис. 40), римский врач Гален (рис. 41), французский учёный Рене Декарт (рис. 42) выдвигали лишь различные гипотезы и теории, связанные с функционированием мозга человека. Этот важный орган вполне можно было назвать «чёрным ящиком» (рис. 43).

Сейчас изучением мозга занимается наука нейробиология, которая использует технологии и оборудование, позволяющие сделать мозг человека более изученным. Однако до сих пор мозг остаётся самым загадочным органом, и существуют вопросы, на которые у человечества нет ответов.

Наверняка вы видели чёрный ящик в игре «Что? Где? Когда?» (советская и российская интеллектуальная телевизионная игра, которая была создана Владимиром Ворошиловым и Наталией Стеценко, первый выпуск вышел в эфир 4 сентября 1975 года). Этот ящик впервые появился в игре ещё в 1983 году. Его до сих пор используют как аксессуар, в котором скрывается предмет, являющийся ответом на заданный игрокам вопрос. Некоторые предметы помещают в чёрный ящик перед началом игры, а другие (например, какое-то небольшое и, скорее всего, спокойное животное) — за несколько секунд перед тем, как задаётся вопрос.

Чёрный ящик после ответа на вопрос открывается, а данное ящику название является, скорее, игрой слов, которая при этом отражает суть названия — знатоки не знают, что внутри. А догадаться должны с помощью подсказок.

Существует и другая сфера использования понятия «чёрный ящик». Возможно, вы слышали о чёрных ящиках, которые используются в авиации.

Подробнее об этом вы можете узнать в ответвлении.

При описании системы в виде «чёрного ящика» указываются входы и выходы системы и зависимость между входами и выходами (рис. 37).

Модель «чёрного ящика» используется в ситуациях, когда важно описать внешние взаимодействия системы, а внутреннее устройство системы не представляет интереса либо его невозможно описать в данной конкретной ситуации.

Покупая какое-либо техническое устройство, мы получаем инструкцию для пользователя, которая зачастую является описанием «чёрного ящика». В инструкции объясняется, что нужно сделать на входе, чтобы получить определённый результат на выходе. При этом детали того, что происходит в самом устройстве в процессе использования, для человека могут быть неважными.

Пользователь может применять сложное устройство и получать требуемый результат, не тратя время на изучение того, что происходит внутри устройства.

Однако описание в виде «чёрного ящика» может оказаться недостаточным для специалиста, осуществляющего ремонт или модернизацию устройства.

Рассмотрим некоторые примеры.

Большинство людей, пользуясь мессенджерами на смартфоне, нажимают определённые значки для отправки сообщения, загрузки видеофайла, создания аудиосообщения. Даже те, кто имеет представление о кодировании информации и работе компьютерных сетей, в момент обмена сообщениями не думают о происходящих процессах. Существует лишь знание о том, на какой значок на экране нажать, чтобы включить в текст эмодзи, добавить скриншот, отправить сообщение и так далее.

Человек сам для себя зачастую является чёрным ящиком. Мы двигаемся, дышим, думаем, при этом практически ничего не зная или очень мало зная о том, как на самом деле происходят все эти процессы. То есть наш организм для нас в каком-то смысле тоже «чёрный ящик».

А вот для врачей — уже нет, хотя есть процессы, в которых и врачи могут разобраться только после тщательного исследования.

Каждый человек пользуется такими системами, как лифт, банкомат, компьютер, различные бытовые устройства.

Все эти системы можно рассматривать как «чёрные ящики». В зависимости от входов каждой системы (нажать, установить режим, включить) мы можем получать те или иные действия:

• подняться на 5-й этаж или спуститься на 1-й этаж (рис. 54);

• получить определённую сумму денег или оплатить какую-то услугу (рис. 55);

• отправить электронное письмо или установить приложение (рис. 56);

• постирать или отжать бельё (рис. 57);

• сделать влажную или сухую уборку (рис. 58);

• включить трансляцию 1-го или 8-го канала (рис. 59) и т. д.

Сегодня мы уже говорили о том, что входов и выходов каждой системы может быть очень много (рис. 37).

Именно поэтому в модели «чёрного ящика» часто указывают не все входы и выходы системы, а только наиболее существенные.

Если описать компьютер как «чёрный ящик», то в качестве входов можно указать исходную информацию (данные), программы, стоимость компьютера, электропитание, температурное воздействие и другое. Выходы — обработанная информация, шум вентилятора, нагрев, электромагнитное излучение и даже заработок пользователя.

Если же рассматривать компьютер как «чёрный ящик», целью использования которого является именно обработка информации и информационное взаимодействие с окружающей средой, то на входе можно оставить только данные и программы, выходом будет являться нужная информация.

Сегодня на уроке мы рассмотрели примеры взаимодействия системы и окружающей среды. Вы познакомились с различными аспектами применения понятия «чёрный ящик». Используя любое устройство как «чёрный ящик», мы подразумеваем работу с информацией на пользовательском уровне. Например, с помощью компьютера, являющегося «чёрным ящиком» для программиста, он может создать программу, которая поможет изменить мир к лучшему. В этом случае сама программа и компьютер, на котором она будет запущена, станут «чёрным ящиком» для других пользователей. Но в итоге не получится сделать по-настоящему полезное изобретение путём использования только «чёрных ящиков». Так давайте стремиться к созданию своих «чёрных ящиков», которые помогут сделать мир вокруг нас лучше.

Полезные ссылки

Список рекомендованных учебников

Проверьте себя

1. Что такое система? Приведите простой пример системы из повседневной жизни.

2. В каких ситуациях систему можно назвать «чёрным ящиком»?

3. Что мы можем узнать, наблюдая только входы и выходы системы?

4. Можно ли увидеть, что происходит внутри «чёрного ящика»? Почему?

5. Приведите пример входов и выходов в системе «микроволновая печь».

Список использованных источников:

Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM

Моушн-дизайнер Лопатин М. С.

Источник: wikipedia.org / название: corner-football-27070 / атрибуция: Gjermundsaeboe, автор: Pixabay Content License

Источник: wikipedia.org / название: Portrait of Galen / атрибуция: public domain, автор: Georg Paul Busch (engraver)

Источник: wikipedia.org / название: Portrait of Rene Descartes / атрибуция: public domain, автор: After Frans Hals

Источник: wikipedia.org / название: Asdar aircraft to satellite data relay components / атрибуция: public domain, автор: Donald Huebler

Источник: wikipedia.org / название: Flight recorder / атрибуция: public domain, автор: Olli-Jukka Paloneva

Источник: wikipedia.org / название: Ship Voyage Data Recorder / атрибуция: CC BY-SA 2.0, автор: Herve Cozanet

Источник: wikipedia.org / название: Lentokoneen musta laatikko / атрибуция: CC BY-SA 2.0, автор: Museokeskus Vapriikki

Источник: wikipedia.org / название: Dr David Warren with the first prototype FDR / атрибуция: public domain, автор: Defence Science and Technology Organisation Paloneva

Источник: wikipedia.org / название: CVR in NTSB Lab / атрибуция: public domain, автор: National Transportation Safety Board

Источник: wikipedia.org / название: An ultra-high resolution MRI dataset of an ex vivo human brain specimen / атрибуция: CC0, автор: Edlow, Brian L.