Πολυπλοκοτητα - netlogo Κορομπέλη Λυδία Κουκουράκη Ελένη Κριετσιώτης Νώντας Λαγουδάκος Γιώργος Λιάσκου Μαρίνα Μανής Βασίλης ως εκπρόσωποι των μαθητών του Β3, της χρονιάς 2015-2016

Με μια ματιά (οβερβιού) Δουλέψαμε με ένα μοντέλο (προσομοίωση) της NetLogo, το μοντέλο «Φωτιά στο Δάσος». Βασικός σκοπός ήταν να ανακαλύψουμε, διερευνώντας το μοντέλο, κάποιες βασικές έννοιες της «πολυπλοκότητας στη φύση». Παράλληλα μπορούσαμε να δούμε και ένα διαφορετικό προγραμματιστικό εργαλείο/περιβάλλον με κάποια γνωστά στοιχεία (logo) και κάποια άγνωστα (προγραμματισμός με πολλούς πράκτορες-agents)

Τι είναι η NetLogo; Πρόκειται για ένα περιβάλλον προγραμματισμού και παράλληλα ένα περιβάλλον προσομοιώσεων φυσικών και κοινωνικών φαινομένων. Στηρίζεται στην γλώσσα προγραμματισμού NetLogo, της οικογένειας των Logo-like γλωσσών προγραμματισμού Το περιβάλλον είναι κατάλληλο για μοντελοποίηση σύνθετων φαινομένων τα οποία εξελίσσονται στο χρόνο. Η γλώσσα προγραμματισμού και η Βιβλιοθήκη Μοντέλων που τη συνοδεύει, έχει αναπτυχθεί από το Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, που δημιουργήθηκε το 1995 στοTufts University και μεταφέρθηκε το 2000 στοNorthwestern University

Λίγα λόγια για τη NetLogo Το περιβάλλον ανάπτυξης της εφαρμογής είναι εύκολο στη χρήση και αρκετά απλό, ώστε να είναι εφικτή η σχεδίαση και η εκτέλεση προσομοιώσεων από εκπαιδευτικούς και μαθητές. Μπορούμε να ανοίξουμε τις έτοιμες προσομοιώσεις και να πειραματιστούμε με αυτές, να δημιουργήσουμε συνηθισμένα μοντέλα ελέγχοντας σε σύντομο χρονικό διάστημα τις υποθέσεις για τα αυτό-οργανωμένα συστήματα.

Επιπλέον για τη NetLogo… Διαθέτει βιβλιοθήκη με πολλά έτοιμα μοντέλα προσομοιώσεων, τόσο για τις φυσικές όσο και για τις κοινωνικές επιστήμες. Είναι εξελιγμένο για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί από ερευνητές σε διάφορους επιστημονικούς τομείς. Είναι ένα περιβάλλον που χαρακτηρίζεται ως πολύ-πρακτορικό (multi-agent), δηλαδή πολλοί «πράκτορες» (“μορφές” στο scratch) εκτελούν παράλληλα το ίδιο πρόγραμμα και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Εφαρμογή Στο πρόγραμμα της Netlogo υπάρχουν διάφορα μοντέλα με τα οποία μπορεί κάποιος να πειραματιστεί και να εξαγάγει συγκεκριμένα συμπεράσματα. Ένα από αυτά τα μοντέλα είναι η “φωτιά στο δάσος”, με το οποίο μπορούμε να πειραματιστούμε βάζοντας διάφορα ποσοστά πυκνότητας δέντρων και βλέποντας ως αποτέλεσμα το ποσοστό καμμένου δάσους.

Πυκνότητα δάσους 63 %  ποσοστό καμμένου δασούς 90,7 % Πυκνότητα δάσους 53 % Ποσοστό καμένου δάσους 22,5 % Πυκνότητα δάσους 63 %  ποσοστό καμμένου δασούς 90,7 %

Κώδικας Η προσομοίωση που απεικονίζεται λειτουργεί εκτελώντας τον κώδικα που της αντιστοιχεί

Στο μάθημα (μια πρώτη σύντομη ματιά στη διαδικασία που εφαρμόσαμε) Στο μάθημα (μια πρώτη σύντομη ματιά στη διαδικασία που εφαρμόσαμε)   Στο μάθημά μας, ασχοληθήκαμε για 4 σχολικές ώρες (δυο δίωρα) με το περιβάλλον “Φωτιά στο Δάσος”. Δουλέψαμε σε μια εξελληνισμένη μορφή του μοντέλου. Ακολουθώντας το φύλλο εργασίας, κάναμε αρχικά κάποιες δοκιμές για να εξοικειωθούμε με το περιβάλλον προσομοίωσης και καταγράψαμε παρατηρήσεις σε σχέση με το ποσοστό του δάσους που καιγόταν ανάλογα με το ποσοστό βλάστησης.

Ύστερα… Φτιάξαμε ένα γράφημα με τις τιμές που συλλέξαμε νωρίτερα και χωρίσαμε σε φάσεις το οικοσύστημα με βάση τις μεταβολές της πυκνότητας των δέντρων και του ποσοστού του καμένου δάσους.

Τελικά… Συνοψίζοντας, αυτή η εργασία μας βοήθησε να καταλάβουμε καλύτερα κάποιες έννοιες της πολυπλοκότητας και το ότι μικρές αλλαγές μέσα στη φύση μπορεί να αποφέρουν πολύ μεγαλύτερα αποτελέσματα.

Φωτιά στο δάσος-επίδειξη παράλληλα με το φ.ε. Ασχοληθήκαμε με ένα από τα μοντέλα προσομοίωσης της NetLogo «Φωτιά στο δάσος». Η προσομοίωση αυτή δείχνει την εξάπλωση της πυρκαγιάς μέσα σε δάσος. Αυτό φανερώνει ότι η πιθανότητα της φωτιάς να φτάσει στην δεξιά άκρη του δάσους εξαρτάται σε κρίσιμο βαθμό από την πυκνότητα των δέντρων. Είναι ένα παράδειγμα ενός κοινού χαρακτηριστικού των πολύπλοκων συστημάτων.

Πώς δουλεύει; Η φωτιά ξεκινά στην αριστερή άκρη του δάσους, και εξαπλώνεται στα γειτονικά δέντρα σε τέσσερις κατευθύνσεις: βόρεια, ανατολικά, νότια και δυτικά.

Πώς το χρησιμοποιούμε; Βάζουμε την «πυκνότητα βλάστησης» (Density) σε μία τιμή που θέλουμε (π.χ. 40%) και πατάμε πρώτα “setup”, για να «συσταθεί» ένα δάσος, και μετά “go” για να «ξεκινήσει» η φωτιά. Αφού η φωτιά ολοκληρώσει το έργο της παρατηρούμε ότι το ποσοστό καμένου δάσους αναγράφεται κάθε φορά και στην οθόνη μας.

Ερευνητικά ερωτήματα Όταν εκτελούμε το μοντέλο, πόσο μέρος του δάσους καίγεται; Αν το εκτελέσουμε ξανά με τις ίδιες ρυθμίσεις, θα καούν τα ίδια δέντρα ; Πόσο παρόμοιο είναι το ποσοστό του καμένου δάσους από τη μία εκτέλεση στην άλλη;

Εργασία στην τάξη Αρχικά λάβαμε ένα φύλλο εργασίας με βάση το οποίο δουλέψαμε. Η πρώτη φάση ήταν η εξής: Σκεφτόμαστε για διάφορα φαινόμενα που συμβαίνουν στη φύση, αναρωτιόμαστε και απαντάμε. Καθώς όλα αυτά σχετίζονται με τη φύση.

Στη δεύτερη φάση μπαίνουμε στο πρόγραμμα και τη λειτουργία του Στη δεύτερη φάση μπαίνουμε στο πρόγραμμα και τη λειτουργία του. Η δενδροκάλυψη πρέπει να είναι στο 30% για να θεωρείται δάσος. Το ερώτημα που διακατέχει ολόκληρη την εργασία είναι : «Ποιος είναι ο μέγιστος αριθμός δέντρων (μέγιστη τιμή «πυκνότητας δέντρων») που μπορεί να έχει ένα τέτοιο δάσος, ώστε να μην απειλείται να καεί από την πυρκαγιά, δηλ. καμιά φλόγα να μη φτάνει στη δεξιά άκρη του δάσους;»

Έπειτα επιλέγουμε μία συγκεκριμένη τιμή (π. χ Έπειτα επιλέγουμε μία συγκεκριμένη τιμή (π.χ.50%) και εκτελούμε το μοντέλο αρκετές φορές προκειμένου να βγάλουμε ακριβή συμπεράσματα , τα οποία και καταγράφουμε.

Και συνεχίζουμε έτσι βήμα-βήμα, Ας μη σας δείξουμε και όλο το φύλλο εργασίας

Τα παράξενα σημεία Στο πρόγραμμα του NetLogo, πάνω στο οποίο δουλέψαμε ως τμήμα, συναντήσαμε αρκετά σημεία, τα οποία μας κέντρισαν το ενδιαφέρον και θελήσαμε να τα ερευνήσουμε. Τα ιδιαίτερα αυτά σημεία του προγράμματος προέκυψαν χάρη στον ακριβή τρόπο με τον οποίο το συγκεκριμένο πρόγραμμα παρουσιάζει τα φαινόμενα του περιβάλλοντος, τα οποία εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες (πυκνότητα του προτεινόμενου δάσους, καιρικές συνθήκες κλπ)

Συγκεκριμένα, στην παρουσίαση της «Φωτιάς στο δάσος» στο πρόγραμμα NetLogo παρατηρήσαμε μια ιδιαίτερη εξέλιξη της φωτιάς στο ποσοστό 58%-60% της πυκνότητας των δέντρων του δάσους. Στα συγκεκριμένα ποσοστά, η εξέλιξη της φωτιάς είναι τέτοια που αρχίζει να υπάρχει η πιθανότητα η φωτιά να καταφέρει να φτάσει στην άλλη μεριά του προτεινόμενου δάσους. Συνέχεια…

Συνέχεια… Παρόλα αυτά, λόγω των υπόλοιπων παραγόντων, η φωτιά άλλοτε φτάνει έως το τέλος του δάσους καίγοντας και μεγαλύτερο ποσοστό του, και άλλοτε καίει λιγότερα δέντρα χωρίς να φτάνει στο άλλο άκρο του δάσους.

Το γράφημα που παρουσιάζει όλες τις μετρήσεις από όλες τις ομάδες

Συνοψίζοντας… Ανάλογα με τους υπόλοιπους παράγοντες, που το πρόγραμμα λαμβάνει συνεχώς υπόψη, η εξέλιξη της φωτιάς, σε ορισμένα ποσοστά πυκνότητας δέντρων, είναι απρόβλεπτη. Το πρόγραμμα λοιπόν, μας βοηθά να συνειδητοποιήσουμε πόσο διαφορετικά μπορούν να εξελιχθούν τα φαινόμενα στη φύση ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν σε αυτή, περιλαμβάνοντας και τις ιδιαίτερες εξελίξεις που μπορούν να προκύψουν.

Η γνώμη των μαθητών

Τελικά τι είναι η πολυπλοκότητα; Η πολυπλοκότητα της φύσης είναι μια έννοια δύσκολη σε κατανόηση. Παρόλα αυτά, μέσα από την συγκεκριμένη εργασία καταφέραμε να κατανοήσουμε δύο βασικά χαρακτηριστικά της.

1ο Συμπέρασμα Πρώτον, συμπεράναμε ότι εξαιτίας κάποιων παραγόντων που υπάρχουν στην φύση, τα αποτελέσματα των φαινομένων της δεν μπορούν να είναι προβλέψιμα. Αυτό ισχύει και για άλλα μοντέλα εκτός της φωτιάς στο δάσος, με το οποίο ασχοληθήκαμε στην τάξη.

2ο Συμπέρασμα Δεύτερον, συμπεράναμε ότι μία μικρή μεταβολή στο αίτιο, μπορεί να φέρει μεγάλη αλλαγή στα αποτέλεσμα. Παραδείγματος χάρη, στο μοντέλο φωτιάς στο δάσος του προγράμματος NetLogo, ενώ στο 57% πυκνότητα βλάστησης (αίτιο), η φωτιά δεν καταφέρνει να φτάσει στο απέναντι μέρος του δάσους (αποτέλεσμα), σε ποσοστό 58% πυκνότητα βλάστησης, η φωτιά φτάνει στο άλλο άκρο.

Σας ευχαριστούμε πολύ για την προσοχή σας. Τέλος Σας ευχαριστούμε πολύ για την προσοχή σας. Τέλος