ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная
академия имени Н.В. Верещагина»
Кафедра философии
«Модель и метод моделирования в научном исследовании»
Вологда - Молочное 2011 г
Введение
1.Понятие модель
2.Классификация моделей и виды моделирования
.Цели моделирования
.Основные функции моделирования
4.1Моделирование как средство экспериментального исследования
4.2Моделирование и проблема истины
5.Место моделей в структуре эксперимента, модельный эксперимент
Заключение
Список использованных источников
Введение
С процессом моделирования и различными моделями человек начинает сталкиваться с самого раннего детства. Так, еще не научившись уверенно ходить, малыш начинает играть с кубиками, сооружая из них различные конструкции (точнее, модели). Его окружают разнообразные игрушки, при этом большинство из них в большей или меньшей степени воспроизводят (моделируют) отдельные свойства и форму реально существующих предметов и объектов. В этом смысле такие игрушки также можно рассматривать в качестве моделей соответствующих объектов.
В школе практически все обучение построено на использовании моделей в той или иной форме. Действительно, для знакомства с основными конструкциями и правилами родного языка используются различные структурные схемы и таблицы, которые можно считать моделями, отражающими свойства языка. Процесс написания сочинения следует рассматривать как моделирование некоторого события или явления средствами родного языка. На уроках биологии, физики, химии и анатомии к плакатам и схемам (т.е. моделям) добавляются макеты (тоже модели) изучаемых реальных объектов. На уроках рисования или черчения на листе бумаги либо ватмана создаются модели различных объектов, выраженные изобразительным языком либо более формализованным языком чертежа.
Даже такую трудно формализуемую область знания, как история, также можно считать непрерывной эволюционирующей совокупностью моделей прошлого какого-либо народа, государства и т.д. Устанавливая закономерности в наступлении разных исторических событий (революций, войн, ускорений либо застоев исторического развития), можно не только выяснить причины, приведшие к данным событиям, но и прогнозировать и даже управлять их появлением и развитием в будущем.
Так, моделями можно считать картину, написанную художником, художественное произведение и скульптуру. Даже жизненный опыт человека, его представления о мире является примером модели. Причем поведение человека определяется моделью сформировавшейся в его сознании. Психолог или учитель, изменяя параметры такой внутренней модели, способен в отдельных случаях существенно влиять на поведение человека.
Без преувеличения можно утверждать, что в своей осознанной жизни человек имеет дело исключительно с моделями тех или иных реальных объектов, процессов, явлений. При этом один и тот же объект воспринимается различными людьми по-разному, иногда с точностью до наоборот. Это восприятие, мысленный образ объекта также является разновидностью модели последнего (так называемой когнитивной моделью) и существенным образом зависит от множества факторов: качества и объема знаний, особенностей мышления, эмоционального состояния конкретного человека "здесь и сейчас" и от множества других, зачастую не доступных рациональному осознанию. Особенно велика роль моделей и моделирования в современной науке и технике.
Можно ли обойтись в технике без применения тех или иных видов моделей? Очевидный ответ - нет! Безусловно, что новый самолет можно построить "из головы" (без предварительных расчетов, чертежей, экспериментальных образцов, т.е. используя только единственную идеальную модель, существующую в мыслях конструктора), но едва ли это будет достаточно эффективная и надежная конструкция. Единственное ее достоинство - уникальность. Ведь даже автор не сможет повторно изготовить точно такой же самолет, так как в процессе изготовления первого экземпляра будет получен некоторый опыт, который обязательно изменит идеальную модель в голове самого конструктора.
Чем более сложным и надежным должно быть техническое изделие, тем большее число видов моделей потребуется на этапе его проектирования.
Как правило, сложные изделия создаются целыми коллективами разработчиков. Вся совокупность применяемых ими разнообразных моделей позволяет сформировать общую для всего коллектива идеальную модель разрабатываемого изделия. Реальное техническое изделие можно рассматривать как материальную модель (аналог) созданной авторами идеальной модели.
Повышенный интерес философии и методологии познания к теме моделирования вызван тем значением, которое метод моделирования получил в современной науке, и в особенности в таких ее разделах, как физика, химия, биология, кибернетика, не говоря уже о многих технических науках.
Однако моделирование как специфическое средство и форма научного познания не является изобретением 19 или 20 века. Достаточно указать на представления Демокрита и Эпикура об атомах, их форме и способах соединения, об атомных вихрях и ливнях, объяснения физических свойств различных вещей (и вызываемых ими ощущений) с помощью представления о круглых и гладких или крючковатых частицах, «сцепленных между собой наподобие веток оплетенных» (Лукреций), вспомнить, что знаменитая антитеза геоцентрического и гелиоцентрического мировоззрений опиралась на две принципиально различные модели Вселенной, описанные в «Альмагесте» Птолемея и сочинении Н. Коперника «Об обращениях небесных сфер», чтобы обнаружить весьма старинное происхождение этого метода. Если проследить внимательнейшим образом историческое развитие научных идей и методов, нетрудно заметить, что модели никогда не исчезали из арсенала науки.
1. Понятие модель
Слово "модель" произошло от латинского слова "modelium", означает: мера, способ и т.д. Его первоначальное значение было связано со строительным искусством, и почти во всех европейских языках оно употреблялось для обозначения образа или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью". По мнению многих авторов , модель использовалась первоначально как изоморфная теория (две теории называются изоморфными, если они обладают структурным подобием по отношению друг к другу).
С другой стороны, в таких науках о природе, как астрономия, механика, физика термин "модель" стал применяться для обозначения того, что она описывает. В.А. Штофф отмечает, что "здесь со словом "модель" связаны два близких, но несколько различных понятия". Под моделью в широком смысле понимают мысленно или практически созданную структуру, воспроизводящую часть действительности в упрощенной и наглядной форме. Таковы, в частности представления Анаксимандра о Земле как плоском цилиндре, вокруг которого вращаются наполненные огнем полые трубки с отверстиями. Модель в этом смысле выступает как некоторая идеализация, упрощение действительности, хотя сам характер и степень упрощения, вносимые моделью, могут со временем меняться. В более узком смысле термин "модель" применяют тогда, когда хотят изобразить некоторую область явлений с помощью другой, более изученной, легче понимаемой. Так, физики 18 века пытались изобразить оптические и электрические явления посредством механических ("планетарная модель атома" - строение атома изображалось как строение солнечной системы). Таким образом, в этих двух случаях под моделью понимается либо конкретный образ изучаемого объекта, в котором отображаются реальные или предполагаемые свойства, либо другой объект, реально существующий наряду с изучаемым и сходный с ним в отношении некоторых определенных свойств или структурных особенностей. В этом смысле модель - не теория, а то, что описывается данной теорией - своеобразный предмет данной теории.
Во многих дискуссиях, посвященных гносеологической роли и методологическому значению моделирования, этот термин употреблялся как синоним познания, теории, гипотезы и т.п. Например, часто модель употребляется как синоним теории в случае, когда теория еще недостаточно разработана, в ней мало дедуктивных шагов, много неясностей. Иногда этот термин употребляют в качестве синонима любой количественной теории, математического описания. Несостоятельность такого употребления с гносеологической точки зрения, по мнению В.А. IIIтоффа, в том, "что такое словоупотребление не вызывает никаких новых гносеологических проблем, которые были бы специфичны для моделей". Существенным признаком, отличающим модель от теории (по словам И.Т. Фролова) является не уровень упрощения, не степень абстракции, и следовательно, не количество этих достигнутых абстракций и отвлечений, а способ выражения этих абстракций, упрощений и отвлечении, характерный для модели.
В философской литературе, посвященной вопросам моделирования, предлагаются различные определения модели. Определение И.Т. Фpолова: «Моделирование означает материальное или мысленное имитирование реально существующей системы путем специального конструирования аналогов (моделей), в которых воспроизводятся принципы организации и функционирования этой системы". Здесь в основе мысль, что модель - средство познания, главный ее признак - отображение. На наш взгляд, наиболее полное определение понятия "модель» дает В.А. IIIтофф в своей книге "Моделирование и философия": "Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализуемая система, которая отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте".
При дальнейшем рассмотрении моделей и процесса моделирования будем исходить из того, что общим свойством всех моделей является их способность отображать действительность. В зависимости от того, какими средствами, при каких условиях, по отношению к каким объектам познания это их общее свойство реализуется, возникает большое разнообразие моделей, а вместе с ним и проблема классификации моделей.
2. Классификация моделей и виды моделирования
В литературе, посвященной философским аспектам моделирования, представлены различные классификационные признаки, по которым выделены различные типы моделей. Например, в (2 с23) называются такие признаки, как:
Способ построения (форма модели);
Качественная специфика (содержание модели).
По способу построения модели бывают материальные и идеальные. Остановимся на группе материальных моделей. Несмотря на то, что эти модели созданы человеком, но они существуют объективно. Их назначение специфическое - отразить пространственные свойства, динамику изучаемых процессов, зависимости и связи. Материальные модели соединены с объектами отношением аналогии.
Материальные модели неразрывно связаны с воображаемыми (даже, прежде, чем что-либо построить - сначала теоретическое представление, обоснование). Эти модели остаются мысленными даже в том случае, если они воплощены в какой-либо материальной форме. Большинство этих моделей не претендует на материальное воплощение. По форме они могут быть:
Образные, построенные из чувственно наглядных элементов;
Знаковые, в этих моделях элементы отношения и свойства моделируемых явлений выражены при помощи определенных знаков;
Смешанные, сочетающие свойства и образных, и знаковых моделей.
Достоинства данной классификации в том, что она дает хорошую основу для анализа двух основных функций модели:
Практической (в качестве средства научного эксперимента)
Теоретической (в качестве специфического образа действительности, в котором содержатся элементы логического и чувственного, абстрактного и конкретного, общего и единичного).
Другая классификация есть у Б.А. Глинского в его книге "Моделирование как метод научного исследования", где наряду с обычным делением моделей по способу их реализации, они делятся и по характеру воспроизведения сторон оригинала:
Субстанциональные
Структурные
Функциональные
Смешанные
В зависимости от способа мышления исследователя модели, его взгляда на мир, используемой алгебры, модели могут принимать различную форму. Использование различных математических аппаратов впоследствии приводит к различным возможностям в решении задач.
Модели могут быть:
Феноменологические и абстрактные;
Активные и пассивные;
Статические и динамические;
Дискретные и непрерывные;
Детерминированные и стохастические;
Функциональные и объектные.
Феноменологические модели сильно привязаны к конкретному явлению. Изменение ситуации часто приводит к тому, что моделью воспользоваться в новых условиях достаточно сложно. Это происходит оттого, что при составлении модели её не удалось построить с точки зрения подобия внутреннему строению моделируемой системы. Феноменологическая модель передаёт внешнее подобие.
Абстрактная модель воспроизводит систему с точки зрения её внутреннего устройства, копирует её более точно. У неё больше возможностей, шире класс решаемых задач.
Активные модели взаимодействуют с пользователем; могут не только, как пассивные, выдавать ответы на вопросы пользователя, когда тот об этом попросит, но и сами активируют диалог, меняют его линию, имеют собственные цели. Все это происходит за счёт того, что активные модели могут самоизменяться.
Статические модели описывают явления без развития. Динамические модели прослеживают поведение систем, поэтому используют в своей записи, например, дифференциальные уравнения, производные от времени.
Дискретные и непрерывные модели. Дискретные модели изменяют состояние переменных скачком, потому что не имеют детального описания связи причин и следствий, часть процесса скрыта от исследователя.
Непрерывные модели более точны, содержат в себе информацию о деталях перехода.
Детерминированные и стохастические модели. Если следствие точно определено причиной, то модель представляет процесс детерминировано. Если из-за неизученности деталей не удаётся описать точно связь причин и следствий, а возможно только описание в целом, статистически (что часто и бывает для сложных систем), то модель строится с использованием понятия вероятности.
Распределённые, структурные, сосредоточенные модели. Если параметр, описывающий свойство объекта, в любых его точках имеет одинаковое значение (хотя может меняться во времени!), то это система с сосредоточенными параметрами. Если параметр принимает разные значения в разных точках объекта, то говорят, что он распределён, а модель, описывающая объект, ?распределённая. Иногда модель копирует структуру объекта, но параметры объекта сосредоточенны, тогда модель?структурная.
Функциональные и объектные модели. Если описание идёт с точки зрения поведения, то модель построена по функциональному признаку. Если описание каждого объекта отделено от описания другого объекта, если описываются свойства объекта, из которых вытекает его поведение, то модель является объектно-ориентированной.
Каждый подход имеет свои достоинства и недостатки. Разные математические аппараты имеют разные возможности (мощность) для решения задач, разные потребности в вычислительных ресурсах. Один и тот же объект может быть описан различными способами. Инженер должен грамотно применять то или иное представление, исходя из текущих условий и стоящей перед ним проблемы.
Приведённая выше классификация является идеальной. Модели сложных систем обычно имеют комплексный вид, используют в своём составе сразу несколько представлений. Если удаётся свести модель к одному типу, для которого уже сформулирована алгебра, то исследование модели, решение задач на ней существенно упрощается, становится типовым. Для этого модель должна быть различными способами (упрощением, переобозначением и другими) приведена к каноническому виду, то есть к виду, для которого уже сформулирована алгебра, её методы. В зависимости от используемого типа модели (алгебраические, дифференциальные, графы и т.д.) на разных этапах её исследования используются различные математические аппараты.
Теперь перейдем к рассмотрению вопросов, связанных непосредственно с самим моделированием. "Моделирование? метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (органических и неорганических систем, инженерных устройств, разнообразных процессов? физических, химических, биологических, социальных) и конструируемых объектов для определения либо улучшения их характеристик, рационализации способов их построения, управления и т.п." (8 с421). Моделирование может быть:
Предметное (исследование основных геометрических, динамических, функциональных характеристик объекта на модели);
Физическое (воспроизведение физических процессов);
Предметно - математическое (исследование физического процесса путем опытного изучения каких-либо явлений иной физической природы, но описываемых теми же математическими соотношениями, что и моделируемый процесс);
Знаковое (расчетное моделирование, абстрактно - математическое).
3. Цели моделирования
Хорошо построенная модель, как правило, доступнее, информативнее и удобнее для исследователя, нежели реальный объект. Рассмотрим основные цели, преследуемые при моделировании в научной сфере. Самым важным и наиболее распространенным предназначением моделей является их применение при изучении прогнозировании поведения сложных процессов и явлений. Следует учитывать, что некоторые объекты и явления вообще не могут быть изучены непосредственным образом. Недопустимы, например, широко - масштабные натурные эксперименты с экономикой страны или со здоровьем ее населения (хотя и те, и другие с определенной периодичностью ставятся и реализуются). Принципиально неосуществимы эксперименты с прошлым какого?либо государства или народа (История не терпит сослагательного наклонения). Невозможно (по крайней мере, в настоящее время) провести эксперимент по прямому исследованию структуры звезд. Многие эксперименты неосуществимы в силу своей дороговизны или рискованности для человека или среды его обитания. Как правило, в настоящее время все сторонние предварительные исследования различных моделей явления предшествуют проведению любых сложных экспериментов. Более того, эксперименты на моделях с применением компьютера позволяют разработать план натурных экспериментов, выяснить требуемые характеристики измерительной аппаратуры, наметить срок и проведения наблюдений, а также оценить стоимость такого эксперимента. Другое, не менее важное, предназначение моделей состоит в том, что с их помощью выявляются наиболее существенные факторы, формирующие те или иные свойства объекта, поскольку сама модель отражает лишь некоторые основные характеристики исходного объекта, учет которых необходим при исследовании того или иного процесса или явления. Например, исследуя движение массивного тела в атмосфере вблизи поверхности Земли, на основании известных экспериментальных данных и предварительного физического анализа можно выяснить, что ускорение существенно зависит от массы и геометрической формы этого тела (в частности, от величины поперечного к направлению движения сечения объекта), в определенной степени от шероховатости поверхности, но не зависит от цвета поверхности. При рассмотрении движения того же тела верхних слоях атмосферы, где сопротивлением воздуха можно пренебречь, несущественным и становятся и форма, и шероховатость поверхности.
Конечно, модель любого реального процесса или явления "беднее" его самого как объективно существующего (процесса, явления). В то же время хорошая модель "богаче" того, что понимается под реальностью, поскольку в сложных системах понять всю совокупность связей "разом" человек (или группа людей), как правило, не в состоянии. Модель же позволяет "играть" с ней: включать или отключать те или иные связи, менять их для того, чтобы понять важность для поведения системы в целом.
Модель позволяет научиться правильно управлять объектом путем апробирования различных вариантов управления. Использовать для этого реальный объект часто бывает рискованно или просто невозможно. Например, получить первые навыки в управлении современным самолетом безопаснее, быстрее и дешевле на тренажере (т.е. модели), чем подвергать себя и дорогую машину риску.
Если свойства объекта с течением времени меняются, то особое значение приобретает задача прогнозирования состояний такого объекта под действием различных факторов. Например, при проектировании и эксплуатации любого сложного технического устройства желательно уметь прогнозировать изменение надежности функционирования как отдельных подсистем, так и всего устройства в целом.
Итак, модель нужна для того, чтобы:
) понять, как устроен конкретный объект: какова его структура, внутренние связи, основные свойства, законы развития, саморазвития и взаимодействия с окружающей средой;
) научиться управлять объектом или процессом, определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях;
3) прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект.
моделирование наука эксперимент
4. Основные функции моделирования
1 Моделирование как средство экспериментального исследования
Рассмотрение материальных моделей в качестве орудий экспериментальной деятельности вызывает потребность выяснить, чем отличаются те эксперименты, в которых используются модели, от тех, где они не применяются. Превращение эксперимента в одну из основных форм практики, происходившее параллельно с развитием науки, стало фактом с тех пор, как в производстве сделалось возможным широкое применение естествознания, что в свою очередь было результатом первой промышленной революции, открывшей эпоху машинного производства. Специфика эксперимента как формы практической деятельности в том, что эксперимент выражает активное отношение человека к действительности. В силу этого, в марксистской гносеологии проводится четкое различие между экспериментом и научным познанием. Хотя всякий эксперимент включает и наблюдение как необходимую стадию исследования. Однако в эксперименте помимо наблюдения содержится и такой существенный для революционной практики признак как активное вмешательство в ход изучаемого процесса. "Под экспериментом понимается вид деятельности, предпринимаемой в целях научного познания, открытия объективных закономерностей и состоящий в воздействии на изучаемый объект (процесс) посредством специальных инструментов и приборов." .
Существует особая форма эксперимента, для которой характерно использование действующих материальных моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования. Такая форма называется модельным экспериментом. В отличие от обычного эксперимента, где средства эксперимента так или иначе взаимодействуют с объектом исследования, здесь взаимодействия нет, так как экспериментируют не с самим объектом, а с его заместителем. При этом объект-заместитель и экспериментальная установка объединяются, сливаются в действующей модели в одно целое. Таким образом, обнаруживается двоякая роль, которую модель выполняет в эксперименте: она одновременно является и объектом изучения и экспериментальным средством. Для модельного эксперимента, по мнению ряда авторов , характерны следующие основные операции:
Переход от натурального объекта к модели - построение модели (моделирование в собственном смысле слова);
Экспериментальное исследование модели;
Переход от модели к натуральному объекту, состоящий в перенесении результатов, полученных при исследовании, на этот объект.
Модель входит в эксперимент, не только замещая объект исследования, она может замещать и условия, в которых изучается некоторый объект обычного эксперимента. Обычный эксперимент предполагает наличие теоретического момента лишь в начальный момент исследования - выдвижение гипотезы, ее оценку и т.д., а также на завершающей стадии - обсуждение и интерпретация полученных данных, их обобщение. В модельном эксперименте необходимо также обосновать отношение подобия между моделью и натуральным объектом и возможность экстраполировать на этот объект полученные данные. В.А. IIIтофф в своей книге "Моделирование и философия" говорит о том, что теоретической основой модельного эксперимента, главным образом в области физического моделирования, является теория подобия. Она дает правила моделирования для случаев, когда модель и натура обладают одинаковой (или почти одинаковой) физической природой (2 с31). Но в настоящее время практика моделирования вышла за пределы сравнительно ограниченного круга механических явлений. Возникающие математические модели, которые отличаются по своей физической природе от моделируемого объекта, позволили преодолеть ограниченные возможности физического моделирования. При математическом моделировании основой соотношения модель - натура является такое обобщение теории подобия, которое учитывает качественную разнородность модели и объекта, принадлежность их разным формам движения материи. Такое обобщение принимает форму более абстрактной теории изоморфизма систем.
4.2 Моделирование и проблема истины
Интересен вопрос о том, какую роль играет само моделирование, в процессе доказательства истинности и поисков истинного знания. Что же следует понимать под истинностью модели? Если истинность вообще - "соотношение наших знаний объективной действительности"(2 с178), то истинность модели означает соответствие модели объекту, а ложность модели - отсутствие такого соответствия. Такое определение является необходимым, но недостаточным. Требуются дальнейшие уточнения, основанные на принятие во внимание условий, на основе которых модель того или иного типа воспроизводит изучаемое явление. Например, условия сходства модели и объекта в математическом моделировании, основанном на физических аналогиях, предполагающих при различии физических процессов в модели и объекте тождество математической формы, в которой выражаются их общие закономерности, являются более общими, более абстрактными. Таким образом, при построении тех или иных моделей всегда сознательно отвлекаются от некоторых сторон, свойств и даже отношений, в силу чего, заведомо допускается несохранение сходства между моделью и оригиналом по ряду параметров. Так планетарная модель атома Резерфорда оказалась истинной в рамках исследования электронной структуры атома, а модель Дж. Дж. Томпсона оказалась ложной, так как ее структура не совпадала с электронной структурой. Истинность - свойство знания, а объекты материального мира не истинны, неложны, просто существуют. В модели реализованы двоякого рода знания:
Знание самой модели (ее структуры, процессов, функций) как системы, созданной с целью воспроизведения некоторого объекта;
Теоретические знания, посредством которых модель была построена.
Имея в виду именно теоретические соображения и методы, лежащие в основе построения модели, можно ставить вопросы о том, на сколько верно данная модель отражает объект и насколько полно она его отражает. В таком случае возникает мысль о сравнимости любого созданного человеком предмета с аналогичными природными объектами и об истинности этого предмета. Но это имеет смысл лишь в том случае, если подобные предметы создаются со специальной целью изобразить, скопировать, воспроизвести определенные черты естественного предмета. Таким образом, можно говорить о том, истинность присуща материальным моделям:
В силу связи их с определенными знаниями;
В силу наличия (или отсутствия) изоморфизма ее структуры со структурой моделируемого процесса или явления;
в силу отношения модели к моделируемому объекту, которое делает ее частью познавательного процесса и позволяет решать определенные познавательные задачи.
"И в этом отношении материальная модель является гносеологически вторичной, выступает как элемент гносеологического отражения"(2 с180).
Модель можно рассматривать не только как орудие проверки того, действительно ли существуют такие связи, отношения, структуры, закономерности, которые формулируются в данной теории и выполняются в модели. Успешная работа модели есть практическое доказательство истинности теории, то есть это часть экспериментального доказательства истинности этой теории.
5. Место моделей в структуре эксперимента, модельный эксперимент
Может показаться, что всякий корректно поставленный эксперимент предполагает использование действующей модели. В самом деле, поскольку в экспериментальной установке исследуется явление в «чистом» виде и полученные результаты характеризуют не только данное единичное явление в единичном опыте, но и другие явления этого класса, на которые переносятся каким-то способом результаты опыта, постольку данное явление можно считать в известном смысле моделью других явлений этого же класса. Однако это не так, ибо отношение между явлениями, которое изучается в данном единичном эксперименте, и другими явлениями этой же области есть отношение тождества, а не аналогии, между тем как именно последняя существенна для модельного отношения. Поэтому следует выделить особую! форму эксперимента, для которой характерно использование действующих материальных моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования. Такая форма эксперимента называется модельным экспериментом или моделированием.
Существенным отличием модельного эксперимента от обычного является его своеобразная структура. В то время как в обычном эксперименте средства экспериментального исследования так или иначе непосредственно взаимодействуют с объектом исследования, в модельном эксперименте такого взаимодействия нет, поскольку здесь экспериментируют не с самим объектом, а с его заместителем. При этом примечательно, что объект-заместитель и экспериментальная установка объединяются, сливаются в действующей модели в одно целое. «Моделирование, - пишет академик Л. И. Седов, - это есть замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях. Основной смысл моделирования заключается в том, чтобы по результатам опытов с моделями можно было дать необходимые ответы о характере эффектов и о различных величинах, связанных с явлением в натурных условиях».
Рассмотрим в этой связи более подробно структуру модельного эксперимента на конкретном примере. Возьмем для этого модель движения газов в паровом котле. Такая модель строится и изучается следующим образом. Из промышленных испытаний котла-объекта получают некоторые данные и параметры, представленные в виде характеристических величин. При помощи соответствующих теоретических средств (логические правила, математические средства, правила и критерии теории подобия) производится расчет модели, который позволяет решить вопрос об оптимальных условиях ее конструкции (размеры, физическая природа моделирующих элементов, выбор материалов, способы и цели ее последующего исследования). Таким образом, первый этап - это теоретический расчет модели теоретические соображения о задачах, целях и способах последующего экспериментирования с нею. Следующим шагом является создание самой модели. Далее производятся наблюдения, измерения необходимых параметров, изменение и варьирование условий, повторение условий работы самой модели и т. п.
Например, изучение модели движения газов в котле состоит в следующем. Не ограничиваясь простым наблюдением, которого явно недостаточно, производят фотографирование, пользуясь специальным освещением, создают штриховые рисунки, которые, хотя носят отпечаток субъективности, все же отличаются большой простотой и наглядностью. Для улучшения условий наблюдения за движением жидкости по трубкам пользуются различными способами ее подкрашивания. Затем производятся измерения давления или скорости движения воды или газов, расхода жидкости, температуры, количества тепла и т. п.
Таким образом, на новом этапе эксперимента, когда модель построена, субъективная деятельность экспериментатора продолжается, но к ней присоединяются новые моменты, относящиеся к объективной стороне эксперимента, - сама модель (т. е. некоторая экспериментальная установка) и технические средства (лампы, экраны, фотоаппараты, химические вещества, термометры, калориметры и другие измерительные приборы), при помощи которых осуществляются наблюдения и измерения. Все эти средства, которыми пользуются при изучении модели, представляют собой материальные средства, характеризующие объективную сторону всякого эксперимента. Но здесь, помимо них, к объективной стороне относится сама модель, в нашем случае - модель парового котла.
Законно поставить вопрос: каково же место модели в эксперименте? Ясно, что она представляет собой часть гносеологического объекта, как и средства экспериментального исследования, но входит ли она целиком в состав последних или же является чем-то отличным от них?
С одной стороны, очевидно, что модель построена не как самоцель, а как средство изучения какого-то другого объекта, который она замещает, с которым она находится в определенных отношениях сходства или соответствия. Исследователя интересуют свойства модели не сами по себе, а лишь постольку, поскольку их изучение позволяет судить о свойствах другого предмета, получать о нем некоторую информацию. Этот предмет и выступает как подлинный объект изучения, а по отношению к нему модель является лишь средством экспериментального исследования. С другой стороны, в данном эксперименте модель является предметом изучения. Изучается режим ее работы в определенных условиях, над ней ведутся не только визуальные наблюдения, но и измеряются ее параметры при помощи специальных приборов. Она подвергается определенным причинным воздействиям, и экспериментатор регистрирует реакцию данной системы на эти планомерные воздействия и т. п. Словом, в данном эксперименте изучается модель как некий объект исследования, и в этом отношении она является объектом изучения.
Таким образом, обнаруживается двоякая роль, которую модель выполняет в эксперименте: она одновременно является и объектом изучения (поскольку замещает другой, подлинный объект), и экспериментальным средством (поскольку является средством познания этого объекта).
Вследствие двоякой роли модели структура эксперимента; существенно изменяется, усложняется. Если в обычном, или натурном, эксперименте объект исследования и прибор находились в непосредственном взаимодействии, так как экспериментатор с помощью прибора воздействовал прямо на изучаемый объект, то в модельном эксперименте внимание экспериментатора сосредоточено на исследовании модели, которая теперь подвергается всевозможным воздействиям и исследуется с помощью приборов. Подлинный же объект изучения непосредственно в самом эксперименте не участвует.
Для модельного эксперимента характерны следующие основные операции: 1) переход от натурного объекта к модели - построение модели (моделирование в собственном смысле слова); 2) экспериментальное исследование модели; 3) переход от модели к натурному объекту, состоящий в перенесении результатов, полученных при исследовании, на этот объект.
Модель входит в эксперимент, не только замещая объект исследования, она может также замещать и условия, в которых изучается некоторый объект обычного эксперимента.
Ввиду того, что в модельном эксперименте исследуется не сам объект изучения, а его заместитель, естественно возникает вопрос, на каком основании и в каких границах можно переносить данные, полученные на модели, на моделируемый объект. Этот вопрос решается в зависимости от особенностей различных групп материальных моделей.
Независимо от окончательного вывода о познавательных возможностях модельных экспериментов следует сразу же обратить внимание на то, что в структуре этих экспериментов значительно усилена роль теории как необходимого звена, связывающего постановку опыта и его результаты с объектом исследования. Если обычный эксперимент предполагает наличие теоретического момента в начальной стадии опыта - возникновение проблемы, выдвижение и оценка гипотезы, выведение следствий, теоретические соображения, связанные с конструкцией экспериментальной установки, а также на завершающей стадии - обсуждение и интерпретация полученных данных, их обобщение, то в модельном эксперименте, кроме того, необходимо теоретически обосновать отношение между моделью и натурным объектом. Без этого обоснования модельный эксперимент теряет свое специфическое познавательное значение, ибо он перестает быть источником информации о действительном, или натурном, объекте. Таким образом, в модельном эксперименте теоретическая сторона представлена значительно сильнее, чем в обычном, он еще в большей степени является соединением теории и практики.
Хотя модельный эксперимент расширяет возможности экспериментального исследования ряда объектов, в отмеченном только что обстоятельстве нельзя не заметить некоторой слабости этого метода по сравнению с обычным экспериментом. Включение теории (сознательной деятельности субъекта) в качестве звена, связывающего модель и объект, может стать источником ошибок, что снижает доказательную силу модельного эксперимента. Однако неограниченные возможности практического исследования свойств, поведения, закономерностей объектов, недоступных по каким-либо причинам для обычного непосредственного экспериментирования, возможности открытия новых способов расширения сферы человеческого познания путем применения модельного эксперимента свидетельствуют о его преимуществах по сравнению с прямым экспериментом.
Поскольку в модельном эксперименте непосредственному исследованию подвергается модель, а результаты исследования переносятся на моделируемый объект, то теоретическое обоснование права на этот перенос является обязательным условием и составной частью такого эксперимента. Поэтому характеристика теоретических средств, при помощи которых обеспечивается перенос результатов исследования модели на «действительный» объект изучения, является необходимой составной частью описания сущности всякого модельного эксперимента.
Заключение
В связи с вышесказанным представляется целесообразным сделать вывод о том, что метод моделирования является одним из наиболее приемлемых адекватных, объективных и надежных методов научных исследований, позволяющих максимально объективно и всесторонне анализировать многие явления или процессы в большинстве наук при минимальных потерях и риске.
В данном реферате проведен анализ современных взглядов на концепцию моделирования, как с практической, так и с методологической точки зрения. Сделана попытка понять теоретические и философские аспекты измерения, как познавательного процесса.
В моем понимании, основная задача данной работы осмыслить ту роль, которую играли и играет моделирование в становлении науки и техники в историческом аспекте, выявить философскую основу моделирования.
Все вышесказанное необходимо для адекватного и плодотворного использования моделей и моделирования в процессе проведения экспериментальных работ и их математической обработки при исследовании процессов, рассматриваемых в моем научном исследовании.
Литература
1. pmtf.msiu.ru <#"justify">2. Штофф В.А. Моделирование и философия. М.: «Наука», 1966.
Веденов А.А. Моделирование элементов мышления. М.: «Наука», 1988.
Кочергин А.Н. Моделирование мышления. М.: «Наука», 1969.
Фролов И.Т. Гносеологические проблемы моделирования. М.: «Наука», 1961.
Батороев К.Б. Кибернетика и метод аналогий. М.: «Высшая школа», 1974.
Бир С. Кибернетика и управление производством. М.: «Наука», 1965.
Эксперимент. Модель. Теория. М. - Берлин: «Наука», 1982.
9. Мухин О.И.
Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: «ГИТТЛ», 1957.
Штофф. В.А. Моделирование и философия. М.-Л., «Наука», 1965.
Штофф В.А. Введение в методологию научного познания. Изд. Ленинградского ун-та, 1972.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Цель: сформировать у учащихся понятие моделирования как метода познания; рассмотреть формы представления моделей.
Тип урока: урок объяснения нового материала и первичного закрепления знаний.
Задачи урока:
- Обучающие
:
- применение теоретических знаний на практике; организация деятельности учащихся по
- изучению и первичному закреплению способов действий.
- Развивающие
:
- помощь учащимся в осознании социальной и практической значимости учебного материала;
- обеспечение развития у школьников умений сравнивать и классифицировать познавательные объекты;
- создание условий для развития у школьников умения работать во времени.
- Воспитывающие
:
- осуществление эстетического воспитания;
- способствовать обогащению внутреннего мира школьников.
Требования к знаниям и умениям:
- Учащиеся должны знать
:
- основные понятия «модель», «моделирование»;
- виды моделей.
- Учащиеся должны уметь
:
- приводить примеры различных моделей;
- знать отличительные признаки различных моделей.
Методы:
- информационный (словесный);
- наглядный;
- иллюстративный;
- репродуктивный.
Формы организации учебной деятельности: фронтальная, индивидуальная.
Программно-дидактическое обеспечение: ПК, программы Power Point и Excel, авторская презентация по данной теме (используется в качестве сопроводительного материала лекции учителя) электронный тест (авторская разработка), проектор, навесной экран, памятка (Приложение 5 )
Этапы урока:
- постановка цели урока и мотивация учебной деятельности;
- объяснение нового материала, сопровождающееся электронным пособием;
- воспроизведение и коррекция опорных знаний;
- обобщение и систематизация понятий для выполнения практической работы;
- электронное тестирование учащихся;
- подведение итогов;
- разноуровневое домашнее задание.
ХОД УРОКА
I. Постановка целей урока
1. Детская игрушка, часы на стене, глобус,
кристаллическая решетка, формула квадратного
уравнения – это все модели. Как можно назвать
такие разные понятия одним словом?
2. Существует огромное количество моделей. Как
понять к какому типу они относятся? Как отличить
их по разным признакам?
II. Изложение нового материала
1. Моделирование
Объяснение материала сопровождается показом электронного пособия, созданного учителем (Приложение 1 , слайд 2)
– В своей деятельности человек очень часто использует модели окружающего мира. Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия: очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы. (Приложение 1 , слайд 3)
Наглядные модели часто используются в процессе обучения. В курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель – глобус, в курсе физики изучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем модели молекул и кристаллических решеток, в биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам. (Приложение 1 , слайд 4)
Модели играют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании различных технических устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т. д. Без предварительного создания чертежа невозможно изготовить даже простую деталь, не говоря уже о сложном механизме.
В процессе проектирования зданий и
сооружений кроме чертежей часто изготавливают
макеты. В процессе разработки летательных
аппаратов поведение их моделей в воздушных
потоках исследуют в аэродинамической трубе.
Разработка электрической схемы обязательно
предшествует созданию электрических цепей. (Приложение 1
, слайд 5)
Развитие науки невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов. Создание новых теоретических моделей иногда коренным образом меняет представление человечества об окружающем мире: гелиоцентрическая система мира Коперника, модель атома Резерфорда-Бора, модель расширяющейся Вселенной, модель генома человека. (Приложение 1 , слайд 6)
Все художественное творчество фактически является процессом создания моделей. Например, такой литературный жанр, как басня, переносит реальные отношения между людьми на отношения между животными и фактически создает модели человеческих отношений.
Практически любое литературное произведение может рассматриваться как модель реальной человеческой жизни. Моделями, в художественной форме отражающими реальную действительность, являются также живописные полотна, скульптуры, театральные постановки и т.д. (Приложение 1 , слайд 7)
Моделирование – это метод познания, состоящий всоздании и исследовании моделей. (Приложение 1 , слайд 8)
Вопрос учащимся: Как Вы думаете, что можно моделировать?
Ответ: Объекты, явления, процессы, поведение.
Каждый объект имеет большое количество
различных свойств. В процессе построения модели
выделяются главные, наиболее существенные для
проводимого исследования свойства.
Например
: В процессе исследования
аэродинамических качеств модели самолета в
аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела
геометрическое подобие оригинала, но не важен,
например, ее цвет.
Разные науки исследуют объекты и процессы под разными углами зрения и строят различные типы моделей. В физике изучаются процессы взаимодействия и изменения объектов, в химии – их химический состав, в биологии – строение и поведение живых организмов и так далее.
Возьмем в качестве примера человека: в разных науках он исследуется в рамках различных моделей. 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.
Модель – это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса .
Для закрепления выполним задание 1. (Приложение 2 )
География, военное дело, судоходство невозможны без информационных моделей поверхности Земли в виде карт. Различные типы географических карт (политические, физические и пр.) представляют информационные модели, отражающие различные особенности земной поверхности, то есть один и тот же объект отражают несколько моделей.
С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью. Так, в механике различные материальные тела (от планеты до песчинки) могут рассматриваться как материальные точки.
Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью. (Приложение 1 , слайд 10)
Конечно, никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас интересуют определенные свойства изучаемого объекта, модель оказывается иногда единственным инструментом исследования.
Формы представления моделей
Как мы убедились, существует огромное количество объектов моделирования. Для того чтобы ориентироваться в их многообразии, необходимо их все классифицировать, то есть упорядочить, систематизировать.
Классификация по способу представления:
Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели информационные. (Приложение 1 , слайд 11)
Предметные модели воспроизводят
геометрические, физические и другие свойства
объектов в материальной форме (глобус,
анатомические муляжи, модели кристаллических
решеток, макеты зданий и сооружений и др.).
Информационные модели представляют объекты и
процессы в образной
или знаковой форме
.
Образная модель – это модель в мысленной или
разговорной форме.
Знаковая модель – это модель, выраженная
средствами формального языка (графики, таблицы,
тексты и т.д.). (Приложение 1
,
слайд 12)
Образные и знаковые модели, как правило,
взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в
голове человека, может быть облечен в знаковую
форму.
Например: Мелодия, родившаяся в голове композитора, будет представлена в виде нот на бумаге.
Вопрос к учащимся: П рограмма, написанная на языке программирования, к какому классу относится эта модель? (Приложение 1 , слайд 13)
На протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, в настоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий. В дальнейшем мы рассмотрим основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере.
III. Закрепление изученного
IV. Домашнее задание: (Приложение 1 , слайд 16)
Уровень знания: выучить определения основных терминов и понятий.
5.3, 5.4 Н.Угринович «Информатика и информационные технологии».
Творческий средний уровень: создать любую предметную модель.
Творческий повышенный уровень: создать иерархическую информационную модель своей семьи (родословную), начиная с себя.
Использованная литература :
- Н.Угринович “Информатика и информационные технологии”, Москва, Бином, Лаборатория знаний, 2003;
- «Информатика». Приложение к 1 сентября журнала «Информатика»
Модель - формализованное представление реального объекта, процесса или явления, выраженное различными средствами: математическим соотношением, числами, текстами, графиками, рисунками, словесным описанием, материальным объектом. Модель должна отражать существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.
Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.
Цели моделирования:
1. Понять сущность изучаемого объекта;
2. Научиться управлять объектом и определять наилучшие способы управления;
3. Прогнозировать прямые или косвенные последствия;
4. Решать прикладные задачи.
2. Классификация и формы представления моделей
В зависимости от поставленной задачи, способа создания модели и предметной области различают множество типов моделей:
· По области использования выделяют учебные, опытные, игровые, имитационные, научно-исследовательские модели.
· По временному фактору выделяют статические и динамические модели.
· По форме представления модели бывают математические, геометрические, словесные, логические, специальные (ноты, химические формулы и т.п.).
· По способу представления модели делят на информационные (нематериальные, абстрактные) и материальные. Информационные модели, в свою очередь, делят на знаковые и вербальные, знаковые – на компьютерные и некомпьютерные.
Информационная модель – это совокупность информации, характеризующая свойства и состояние объекта, процесса или явления.
Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме.
Знаковая модель - информационная модель, выраженная специальными знаками, то есть средствами любого формального языка.
Математическая модель – система математических соотношений, описывающих процесс или явление.
Компьютерная модель - математическая модель, выраженная средствами программной среды.
Опытные модели– это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Их называют также натурными и используют для исследования объекта и прогнозирования его будущих характеристик.
Научно-технические модели создают для исследования процессов и явлений.
Имитационные модели не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперимент либо многократно повторяется, чтобы изучить и оценить последствия каких-либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами, но поставленными в разные условия. Подобный метод выбора правильного решения называется методом проб и ошибок.
Статическая модель – это как бы одномоментный срез информации по объекту.
Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во времени.
Как видно из примеров, один и тот же объект, возможно, изучать, применяя и статическую и динамическую модели.
Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение.
Информационные модели нельзя потрогать или увидеть воочию, они не имеют материального воплощения, потому что они строятся только на информации. В основе этого метода моделирования лежит информационный подход к изучению окружающей действительности.
Моделирование (в широком смысле) – основной метод исследований во всех областях знаний, в различных сферах человеческой деятельности .
Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности. Элементы моделирования использовались с самого начала появления точных наук, и не случайно, некоторые математические методы носят имена таких великих ученых, как Нью-тон и Эйлер, а слово «алгоритм» происходит от имени средневекового арабского ученого Аль-Хорезми .
Постепенно моделирование захватывало все новые области научных знаний: техническое конструирование, строительство и архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. Однако методология моделирования долгое время развивалась отдельными науками независимо друг от друга. Отсутствовала единая система понятий, единая терминология. Лишь постепенно стала осознаваться роль моделирования как универсального метода научного познания. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки принес методу моделирования ХХ век. В конце 40-х начале 50-х годов ХХ века бурное развитие методов моделирования было обусловлено появлением ЭВМ (компьютеров), которые избавили ученых, исследователей от огромной по объему рутинной вычислительной работы. Компьютеры первого и второго поколений использовались для решения вычислительных задач, для инженерных, научных, финансовых расчетов, для обработки больших объемов данных. Начиная с третьего поколения, область применения ЭВМ включает и решение функциональных задач: это обработка баз данных, управление, проектирование. Современный компьютер – основное средство решения любых задач моделирования.
Приведем основные понятия, связанные с моделированием ,,.
Объект (от лат. objectum – предмет) исследования – все то, на что направлена человеческая деятельность.
Модель (объекта - оригинала) (от лат. modus – «мера», «объем», «образ») – вспомогательный объект, отражающий наиболее существенные для исследования закономерности, суть, свойства, особенности строения и функционирования объекта-оригинала.
Первоначальное значение слова «модель» было связано со строительным искусством, и почти во всех европейских языках оно употреблялось для обозначения образа или прообраза, или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью.
В настоящее время термин «модель» широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений. В этом учебнике рассматриваются только такие модели, которые являются инструментами получения знаний.
Моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его моделью и на работе с ней (вместо объекта).
Теория моделирования – теория замещения объекта-оригинала его моделью и исследования свойств объекта на его модели.
Как правило, в качестве объект моделирования выступает некоторая система.
Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. В выделено 15 основных системных свойств, среди которых: эмергентность (эмерджентность); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность; бесконечность; эргатичность.
Свойства систем:
1. Эмерджентность (эмергентность). Это системное свойство, согласно которому результат поведения системы дает эффект, отличный от «сложения» (независимого соединения) любым способом результатов поведения всех входящих в систему «элементов». Иными словами, согласно этой особенности системы ее свойства не сводятся к совокупности свойств частей, из которых она состоит, и не выводятся из них.
2. Свойство цельности, целевости. Система всегда рассматривается как нечто целое, цельное, относительно обособленное от окружающей среды.
3. Свойство структурированности. Система имеет части, целесообразно связанные между собой и средой.
4. Свойство целостности. В отношении к другим объектам или с окружающей средой система выступает как нечто неразделимое на взаимодействующие между собой части.
5. Свойство подчиненности цели. Вся организация системы подчинена некоторой цели или нескольким различным целям.
6. Свойство иерархичности. Система может иметь несколько качественно разных уровней строения, несводимых один к другому.
7. Свойство бесконечности. Невозможность полного познания системы и ее всестороннего представления любым конечным множеством моделей, в частности, описаний, качественных и количественных характеристик и т.д.
8. Свойство эргатичности. Система, имеющая части, может в качестве одной из своих частей включать человека.
По сути, под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей объекта (системы). Оно тесно связано с такими категориями, как абстракция, аналогия, гипотеза и др. Процесс моделирования обязательно включает и построение абстракций, и умозаключения по аналогии, и конструирование научных гипотез.
Гипотеза – определенное предсказание (предположение), основывающееся на опытных данных, наблюдениях ограниченного объема, догадках. Проверка выдвигаемых гипотез может быть проведена в ходе специально поставленного эксперимента. При формулировании и проверке правильности гипотез большое значение в качестве метода суждения имеет аналогия.
Аналогией называют суждение о каком-либо частном сходстве двух объектов. Современная научная гипотеза создается, как правило, по аналогии с проверенными на практике научными положениями. Таким образом, аналогия связывает гипотезу с экспериментом.
Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью вспомогательных объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом, и с помощью которого изучает интересующий его объект.
В самом общем случае при построении модели исследователь отбрасывает те характеристики, параметры объекта-оригинала, которые несущественны для изучения объекта. Выбор характеристик объекта-оригинала, которые при этом сохраняются и войдут в модель, определяется целями моделирования. Обычно такой процесс абстрагирования от несущественных параметров объекта называют формализацией. Более точно, формализация – это за-мена реального объекта или процесса его формальным описанием.
Основное требование, предъявляемое к моделям – это их адекватность реальным процессам или объектам, которые замещает модель.
Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей – мощное орудие познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим (а иногда и единственным) способом их изучения часто является построение и исследование модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода. Более конкретно, необходимость использования метода моделирования определяется тем, что многие объекты (системы) непосредственно исследовать или вовсе невозможно, или же это исследование требует слишком много времени и средств.
18.1 Классификация и формы представления моделей
Моделирование - исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Модель - объект произвольной природы, который отражает главные, с точки зрения решаемой задачи, свойства объекта моделирования.
Моделирование - создание, применение, использование модели.
Главные функции модели - упрощение получения информации о свойствах объекта; передача информации и знаний; управление и оптимизация объектами и процессами; прогнозирование; диагностика.
18.1.1. Виды моделирования
Пример научного моделирования. Схема химических процессов и процессов переноса в атмосфере.
В силу многозначности понятия «модель» в науке и технике не существует единой классификации видов моделирования: классификацию можно проводить по характеру моделей, по характеру моделируемых объектов, по сферам приложения моделирования (в технике, физических науках, кибернетике и т. д.). Например, можно выделить следующие виды моделирования:
* Информационное моделирование
* Компьютерное моделирование
* Математическое моделирование
* Математико-картографическое моделирование
* Молекулярное моделирование
* Цифровое моделирование
* Логическое моделирование
* Педагогическое моделирование
* Психологическое моделирование
* Статистическое моделирование
* Структурное моделирование
* Физическое моделирование
* Экономико-математическое моделирование
* Имитационное моделирование
* Эволюционное моделирование
18.1.2. Процесс моделирования
Процесс моделирования включает три элемента:
* субъект (исследователь),
* объект исследования,
* модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.
Первый этап построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обусловливаются тем, что модель отображает (воспроизводит, имитирует) какие-либо существенные черты объекта-оригинала. Вопрос о необходимой и достаточной мере сходства оригинала и модели требует конкретного анализа. Очевидно, модель утрачивает свой смысл как в случае тождества с оригиналом (тогда она перестает быть моделью), так и в случае чрезмерного во всех существенных отношениях отличия от оригинала. Таким образом, изучение одних сторон моделируемого объекта осуществляется ценой отказа от исследования других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть построено несколько «специализированных» моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.
На втором этапе модель выступает как самостоятельный объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение "модельных" экспериментов, при которых сознательно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о ее «поведении». Конечным результатом этого этапа является множество (совокупность) знаний о модели.
На третьем этапе осуществляется перенос знаний с модели на оригинал - формирование множества знаний. Одновременно происходит переход с «языка» модели на «язык» оригинала. Процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели.
Четвертый этап - практическая проверка получаемых с помощью моделей знаний и их использование для построения обобщающей теории объекта, его преобразования или управления им.
Моделирование - циклический процесс. Это означает, что за первым четырехэтапным циклом может последовать второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта или ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах.
Сейчас трудно указать область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов человека, жизнедеятельности Азовского моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование.
Модель - описание объекта (предмета, процесса или явления) на каком-либо формализованном языке, составленное с целью изучения его свойств. Такое описание особенно полезно в случаях, когда исследование самого объекта затруднено или физически невозможно. Чаще всего в качестве модели выступает другой материальный или мысленно представляемый объект, замещающий в процессе исследования объект-оригинал. Соответствие свойств модели исходному объекту характеризуется адекватностью. Процесс построения и исследования модели называется моделированием.
Таким образом, модель выступает как своеобразный инструмент для познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект.
Модель представляет собой отображение одного множества объектов (явлений) на другое. Например, набор нуклеотидов генома является отображением модели среды их существования на геном.
Предметные модели. Обычно являются уменьшенной копией оригинала. Примеры:
* Глобус как модель Земли
* Игрушечный автомобиль как модель настоящего
Информационные модели. Являются описанием объекта естественным языком (вербальная или словесная модель) и формальными системами представления информации (математические, программные и др. модели)
18.1.3. Виды моделей
Статические : модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). Примеры моделей: классификация животных, строение молекул, список посаженных деревьев, отчет об обследовании состояния зубов в школе и тд.
Динамические : модели, описывающие процессы изменения и развития системы (изменения объекта во времени). Примеры: описание движения тел, развития организмов, процесс химических реакций.
Функальные .
Концептуальные .
Топологические .
Информационные .
Логико-лингвистические .
Семантические .
Теоретико-множественные .
Физические : Физическая модель представляет собой аналоговую модель, в которой между параметрами объекта и модели одинаковой физической природы существует однозначное соответствие. В этом случае элементом системы ставятся в соответствие физические эквиваленты, воспроизводящие структуру, основные свойства и соотношения изучаемого объекта. При физическом моделировании, основой которого является теория подобия, сохраняются особенности проведения эксперимента в натуре с соблюдением оптимального диапазона изменения соответствующих физических параметров моделей.
Экономические .
Математические : в виде различных уравнений или систем уравнений.
18.2. Информационная модель объекта
Информация об объекте представляется в виде данных: вид объекта или класс принадлежности, его размеры, цвет, вес и ряд других свойств, - все это может быть представлено в формализованном виде, точнее, в виде отдельной записи некоторой базы данных.
Любая информационная система должна отображать те или иные стороны окружающего нас реального мира или, как иногда говорят, проблемной или предметной области. Мы воспринимаем окружающий мир состоящим из объектов, которые человек, по совокупности определенных достаточно устойчивых свойств, группируют в наборы (классы) объектов, которым он присваивает имя. Например, в реальном мире есть конкретные собаки, но нет собаки "вообще". Понятие "собаки" описывает целый класс в каком-то смысле однородных реальных объектов.
Проблемная среда изменяется со временем, что выражается в изменении свойств объектов, возникновении новых и исчезновении старых объектов. Эти изменения происходят в результате событий. Временная последовательность событий образует процесс.
Всякая информационная система имеет дело не с самими объектами, как реальными сущностями, а с их знаковыми отображениями-идентификаторами. Главная функция знака-идентификатора – отличить объект в группе однородных объектов. Идентификатор объекта, вообще говоря, может не нести никакой информации о свойствах объекта или, что то же самое, об его принадлежности к тому или иному классу.
Например, 11591 – табельный номер служащего – является числовым идентификатором. Этот идентификатор не описывает свойства, их приходится задавать дополнительно.
Более полно объект описывается записью об объекте, которая обычно состоит из идентификатора объекта-знака, позволяющего отличить один объект от другого среди однородных объектов, и идентификаторов (значений) свойств (атрибутов). Например, запись о служащем некоторой организации имеет табельный номер служащего в качестве идентификатора и такие элементы данных, как должность, заработная плата, льготы и т.д., рассматриваемые как идентификаторы (значения) свойств служащего.
Следует подчеркнуть, что понятие объекта и свойства относительны. Если речь идет о служащем, то естественно понимать должность как свойство служащего. Но если речь идет о должности, например, в смысле должностных инструкций, то уже сама должность выступает в качестве объекта, который может иметь свойства. В частности, табельный номер служащего может рассматриваться как свойство должности.
Поэтому при информационном отображении предметных сред можно (а иногда и нужно) говорить не об объектах и их свойствах, а об отношениях объектов, ибо в этом случае все идентификаторы в записи можно рассматривать симметрично, а не в ориентации на один специально выделенный объект. Это соответствует так называемой реляционной точке зрения на базу данных.
При информационном отображении реального мира весьма важно, в каких количественных пропорциях могут осуществляться отношения объектов. Четкое понимание того, к какой категории относится отношение объектов, позволяет сделать заключение о возможном характере связи между соответствующими данными. Важно подчеркнуть, что характер отношений одних и тех же объектов не есть нечто застывшее. Оно может изменяться и тогда изменится характер связей между элементами данных, который может оказать существенное влияние на структуру банка данных, как логическую, так и физическую. Усложнение характера связей между данными делает более сложными программы их обработки.