Моделирование, как метод познания

                           Содержание. 

1.Моделирование,  как метод познания………………………………2

2.Формы  представления моделей………………………………….…6

3.Основные  типы представления моделей…………………………..8

4.Список  используемой литературы……………………………...…11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

              1.Моделирование, как метод познания.

       Человечество в своей деятельности (научной, образовательной, технологической,  художественной) постоянно создает  и использует модели окружающего  мира. Строгие правила построения  моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило  богатый опыт моделирования различных  объектов и процессов.

     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 и др.). 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 и др.

     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 (рис.1) 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.

          

     Рис.1

     Разработка  электрической схемы обязательно  предшествует созданию электрических  цепей и так далее.

     

     Рис.2 Электрическая схема

     Развитие  науки невозможно без создания теоретических  моделей (теорий, законов, гипотез и  пр.), 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 и  пр.). Адекватность теоретических моделей  законам реального мира проверяется  с помощью опытов и экспериментов. 

     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. Более  того, 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 пр.

     Моделирование - это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

     Модель. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследования свойства. В процессе исследования аэродинамических качеств модели самолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическое подобие оригинала, но не важен, например, ее цвет. При построении электрических схем - моделей электрических цепей - необходимо учитывать порядок подключения элементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение друг относительно друга и так далее.

     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, и так далее.

     Модель - это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

     География, военное дело, судоходство и пр. невозможны без информационных моделей  поверхности Земли в виде карт (рис. 3). 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.

                         

                            Рис. 3 Географическая карта.

     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.

     Никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас интересуют определенные свойства изучаемого объекта, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования. 

              2.Формы представления моделей.

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

     Предметные  модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические  муляжи).

     Информационные  модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме.

     Образные  модели (рисунки, фотографии) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, кинопленке). Широко используются образные информационные модели в образовании (плакаты по различным предметам) и науках, где требуется классифицировать объекты по их внешним признакам.

     Знаковые  информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования), формулы, таблицы и так далее.

     Классификация моделей по временному фактору.

     Статическая модель — это как бы одномоментный срез информации по объекту. Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает картину состояния их ротовой полости на данный момент времени: число молочных и постоянных зубов, пломб, дефектов и т.п.

     Динамическая  модель позволяет увидеть изменения объекта во времени. В примере с поликлиникой карточку школьника, отражающую изменения, происходящие с его зубами за многие годы, можно считать динамической моделью.

     При строительстве дома рассчитывают прочность  и устойчивость к постоянной нагрузке его фундамента, стен, балок —  это статическая модель здания. Но еще надо обеспечить противодействие  ветрам, движению грунтовых вод, сейсмическим колебаниям и другим изменяющимся во времени факторам. Это можно решить с помощью динамических моделей 

     Информационные  модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются  различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с  различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

     Знаковые  и вербальные информационные модели.

     К информационным моделям можно отнести  вербальные (от лат. «verbalize» — устный) модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. Они могут так и остаться мысленными или быть выражены словесно. Примером такой модели может стать наше поведение при переходе улицы. Человек анализирует ситуацию на дороге (что показывает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т. п.) и вырабатывает свою модель поведения. Если ситуация смоделирована правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти авария. К таким моделям можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, и рифму, прозвучавшую пока еще в сознании поэта.

     Вербальная  модель – информационная модель в мысленной или разговорной форме.

     Знаковая  модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка.

     Знаковые  модели окружают нас повсюду. Это  рисунки, тексты, графики и схемы... Вербальные и знаковые модели, как  правило, взаимосвязаны. Мысленный  образ, родившийся в мозгу человека, может быть облечен в знаковую форму. И наоборот, знаковая модель помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

     Согласно  легенде, яблоко, упавшее на голову Ньютону, вызвало в его сознании мысль о земном притяжении. И только впоследствии эта мысль оформилась в закон, т. е. обрела знаковую форму.

     Человек прочитал текст, объясняющий некоторое  физическое явление, и у него сформировался  мысленный образ. В дальнейшем такой  образ поможет распознать реальное явление.  

             3.Основные типы представления моделей. 

     Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные типы структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

     Табличные информационные модели.

     Одним из наиболее часто используемых типов  информационных моделей является прямоугольная  таблица, которая состоит из столбцов и строк. Такой тип моделей  применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковым набором свойств. С помощью таблиц могут быть построены  как статистические, так и динамические модели информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и так далее.

     В табличной информационной модели перечень однотипных объектов или свойств  размещен в первом столбце (или строке) таблицы, значения их свойств размещаются  в следующих столбцах (или строках) таблицы.

     Иерархические информационные модели.

     При табличном моделировании сложных  систем модели могут оказаться слишком  большими и неудобными для использования. Причина этого в формате табличных  моделей, требующем представлять данные единообразно – в форме прямоугольной  таблицы. Так, например, если мы представим схему линий московского метрополитена  в виде таблицы объектов-станций, где на пересечении каждых строки и столбца будет стоять “+”  для соседних станций и пересадок  и “-” для всех остальных, то такая  таблица будет состоять из более  чем 10000 ячеек и пользоваться ей будет  практически невозможно.

     В сетевых моделях компактно отображаются наиболее существенные отношения между объектами. Обычно сетевые модели изображаются в наглядном графическом виде.

     Пример  сетевой модели – схема линий  метрополитена.

     По степени формализации информационные модели бывают образно-знаковые и знаковые. Например: