Моделирование как метод познания

Моделирование – это изучение оригинала путём создания и исследования его копии, замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя.

Модель – это некий заменитель объекта, процесса или явления, который в определенных условиях может заменить оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала. Слово «модель» происходит от латинского «modulus», что в переводе означает «образец». Иначе говоря, модель – это некоторое упрощенное подобие реального объекта, процесса или явления.

Объект (от лат. objectum – предмет): 1) то, что существует вне нас и независимо от нашего сознания, явление внешнего мира; 2) явление, предмет, на который направлена чья-нибудь деятельность, чье-нибудь внимание.

Процесс (от лат. processus – продвижение) – ход, развитие какого-нибудь явления, последовательная смена состояний в развитии чего-либо.

Явление – всякое обнаруживаемое проявление чего-либо, например, физическое явление, явления природы.

Другие термины:

Абстрагирование – отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих нас свойств и отношений.

Анализ (один из возможных этапов моделирования) – расчленение целостного предмета на составные части (стороны, признаки, свойства) с целью их всестороннего изучения.

Актуальность –  это характеристика самого процесса моделирования, то есть исследование данного объекта, явления может быть актуальным или уже нет.

Идея мысленного эксперимента впервые была выдвинута Г. Галилеем. Галилео Галилей (1564–1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ и математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Галилей  применил идею мысленного эксперимента к воображаемому телу, которое свободно от всех внешних воздействий. Такой мысленный эксперимент позволил Г. Галилею прийти к идее инерциального движения тела. Также он первым использовал телескоп для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Галилей – основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент классической механики.

И. Ньютон использовал идею мысленного эксперимента и, применив её к идее инерциального движения тела, сформулировал закон (принцип) инерции, который называют также первым законом Ньютона.

Модель «материальная точка» была придумана, чтобы абстрагироваться от размеров объекта при изучении его движения. Следовательно,  с помощью модели «материальная точка» можно изучать, например, движение и слона, и  Земли, и  песчинки, а также множества других объектов. Конечно, модель «материальная точка» не является единственной моделью, которую можно построить для перечисленных объектов. Для каждого объекта можно создать множество различных моделей в зависимости от целей моделирования. Точка на листе бумаги может являться наглядным изображением для абстрактной модели  «материальная точка».

Таким образом, в рамках механики материальная точка – это модель слона, Земли, песчинки.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ

Все модели можно разбить на два больших класса: предметные (материальные) и информационные.

ПРЕДМЕТНЫЕ МОДЕЛИ воспроизводят физические, геометрические, функциональные свойства объектов в материальной форме (глобус, макет здания, игрушечный автомобиль и др.).

Натурная модель относится к предметным, всегда имеет визуальную схожесть с объектом-оригиналом. Натурное моделирование  представляет собой специально поставленные исследования на реальном объекте  («на натуре»)  при специально созданных или подобранных условиях с последующей обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия. В натурном моделировании в  модели всегда узнается моделируемый объект, то есть модель всегда имеет визуальную схожесть с объектом-оригиналом. Натурное моделирование подразделяется на научный эксперимент, комплексные испытания и производственный эксперимент.

Научный эксперимент характеризуется широким использованием средств автоматизации, применением весьма разнообразных средств обработки информации, возможностью вмешательства человека в процесс проведения эксперимента.

Одна из разновидностей эксперимента – комплексные испытания, в процессе которых вследствие повторения испытаний объектов в целом (или больших частей системы) выявляются общие закономерности в характеристиках качества, надежности этих объектов. В этом случае моделирование осуществляется путем обработки и обобщения сведений о группе однородных явлений.

Наряду со специально организованными испытаниями возможна реализация натурного моделирования путем обобщения опыта, накопленного в ходе производственного процесса, т.е. можно говорить о производственном эксперименте. Здесь на базе теории подобия обрабатывают статистический материал по производственному процессу и получают его обобщенные характеристики. Необходимо помнить про отличие эксперимента от реального протекания процесса. Оно заключается в том, что в эксперименте могут появиться отдельные критические ситуации и определиться границы устойчивости процесса.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ представляют объекты или процессы в образной или знаковой форме. Рисунки, фотографии, учебные плакаты – это  образные информационные модели. Примеры знаковых информационных моделей:  программа на языке программирования, формулы законов физики, химии, биологии,  периодическая таблица химических элементов, географическая карта.

Информационные модели (знаковые): описательная, табличная, математическая (интегральная, дифференциальная, имитационная, дискретная и др.).

Информационные модели (знаковые) по структуре организации данных: иерархическая, сетевая, табличная, линейная.

Описательная информационная модель – совокупность данных, содержащих текстовую информацию об объекте-оригинале. Для создания описательных информационных моделей используются естественные языки.

Табличная информационная модель – таблица, содержащая информацию об объекте-оригинале. Например, таблица, содержащая информацию о планетах Солнечной системы (расстояние, размеры, температуру, период обращения вокруг Солнца).

Математическая информационная модель – математические формулы, описывающие форму или поведение объекта-оригинала.

В том числе имитационная (математическая) модель. При имитационном моделировании воспроизводится алгоритм функционирования системы во времени – поведение системы; причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания, что позволяет по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы. Основным преимуществом имитационного моделирования является возможность решения сложных задач. Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характеристики элементов системы, многочисленные случайные воздействия и другие, которые часто создают трудности при аналитических исследованиях. В настоящее время имитационное моделирование – наиболее эффективный метод исследования систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы.

По структуре организации данных информационные модели могут быть иерархические, сетевые, модели линейной структуры, табличные.

Иерархическая информационная модель имеет упорядоченную структуру, где объект нижнего уровня связан только с одним объектом предыдущего уровня, но любой объект вышестоящего уровня может быть связан с несколькими объектами последующего уровня.

Современная классификация представителей животного мира  является иерархической информационной моделью.

Табличная информационная модель – таблица, содержащая информацию об объекте-оригинале. Например, таблица, содержащая информацию о планетах Солнечной системы (расстояние, размеры, температуру, период обращения вокруг Солнца).

В сетевой модели объекты не упорядочены по уровням. Вспомните сетевую модель баз данных.

В линейной структуре объекты соединены в одну цепь.