Моделирование как метод познания. Системный подход в моделировании

Вопросы занятия:

·                   модель;

·                   свойства моделей;

·                   системный подход моделирования;

·                   типы моделей.

Для начала давайте выясним, что такое модель. Наверняка каждый из вас слыша слово модель, представил некую модель существующего объекта. Кто-то представил глобус как модель Земного шара, игрушечная модель самолёта – как модель реального самолёта, пластиковый скелет – как скелет человека и многие другие модели.

Таким образом, модель – это некий объект, с помощью которого можно представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и прочее).

Практически на каждом уроке в школе мы встречаемся с моделями, например, на географии – это карты, на физике – моделирование законов, например, тяготения, на уроках химии – модели молекул и кристаллических решёток, химических реакций, на биологии – модели тела человека, животных.

Моделирование – это процесс познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Основными этапами моделирования являются:

·                   Постановка задачи.

·                   Разработка модели, анализ и исследование задачи.

·                   Эксперимент.

·                   Анализ результатов моделирования.

Модели выполняют очень важную роль во всех областях жизни, чтобы построить дом, необходимо выполнить чертёж будущего сооружения.

Любое проектирование, создание любого технического устройства, машины и механизма – невозможно без предварительного создания модели. Даже художественное творчество можно представить, как процесс моделирования.

Например, роман или сказка, является моделью реальных человеческих взаимоотношений. Живописные полотна, театральные постановки, скульптуры – все это так же является моделями.

Не всегда необходимо создавать наглядную модель или макет объекта, зачастую достаточно разработать теоретическую модель (теорию, закон, гипотезу) возможного развития событий. Данная теоретическая модель будет отражать строение, свойства и поведение реальных объектов. Такие теоретические модели могут абсолютно разрушить существующее представление о мире и сделать его совершенно другим. Например, в своё время гелиоцентрическая система мира Коперника

модель расширяющейся вселенной,

модель генома человека.

Справедливость теоретической модели, то есть соответствие их законам реального мира, проверяется с помощью опытов и экспериментов.

Выделим основные свойства моделей, необходимые для проведения исследования.

Ясно, что в зависимости от ситуации, обязательные свойства модели могут разниться. Например, при создании электрической цепи совсем неважно геометрическое расположение элементов цепи, но очень важно учитывать порядок подключения. А вот при создании модели автомобиля – очень важно учитывать геометрическое подобие оригиналу, и совсем неважен цвет. Таким образом, признак или величина, которые характеризуют какое-либо свойство объекта и могут принимать различные значения, называют параметрами модели.

Тогда к общим свойствам, которыми должна обладать модель относятся:

·                   Адекватность – на сколько модель соответствует оригиналу.

·                   Конечность – модель отражает оригинал лишь в конечном числе его проявлений.

·                   Упрощённость – модель не должна воспроизводить оригинал идентично, достаточно схожести определённых сторон.

·                   Полнота – учтены все необходимые свойства.

·                   Приблизительность – модель отображает действительность приблизительно.

·                   Информативность – модель содержит достаточную информацию о системе, в рамках предположений, принятых при построении модели.

·                   Потенциальность – предсказуемость модели и её свойств.

Каждая наука рассматривает объекты и процессы со своей точки зрения, и соответственно строят различные типы моделей. В физике изучают процессы взаимодействия и изменения объектов, в химии – их химический состав, в биологии – строение и поведение живых организмов.

Всякая модель — это только подобие реального объекта и естественно не может заменить реальный объект. Однако при решении ряда задач модель является прекрасным инструментом, позволяющим определить основные свойства реального объекта.

А как вы думаете может ли один объект иметь несколько моделей?

Конечно, может. В зависимости от целей исследования один объект может иметь несколько моделей. Модель повторяет существенные для целей конкретного моделирования свойства оригинала, опуская несущественные свойства.

Например, объект моделирования: луноход.

Первая цель исследования: показать внешний вид лунохода.

Вторая цель исследования: подробно изучить внутреннее строение лунохода.

Третья цель исследования: показать возможности перемещения.

А вот если мы возьмём, например, произведение Антона Павловича Чехова "Вишнёвый сад". Эта книга является моделью человеческого быта. В этой книге показаны реальные отношения между людьми и создаётся модель человеческих отношений. Также здесь описано политическое состояние страны.

То есть одна модель описывает разные объекты.

Стихи, повети, басни, рассказы – всё это может рассматриваться как модель человеческой жизни.

Системный подход в моделировании.

Мир вокруг нас состоит из множества различных объектов, каждый объект наделён определёнными свойствами, однако все объекты контактируют друг с другом.

Например, планеты нашей Солнечной системы взаимодействуют друг с другом и с Солнцем. Планеты входят в Солнечную систему, Солнечная система – входит в галактику Млечный Путь, Млечный путь вместе с Галактикой Андромеды и Галактикой Треугольника образуют Местную Группу галактик, которая входит в Местное Сверхскопление. Можно продолжать и далее. Но давайте рассмотрим отдельный предмет на планете. Ясно, что предмет состоит из отдельных атомов различных химических элементов. А атомы состоят из элементарных частиц. Таким образом, каждый объект состоит из других объектов, то есть представляет собой систему. Система состоит из объектов, которые называются элементами системы.

Главная характеристика системы – это её целостное функционирование.

Что это значит? Когда система является не набором отдельных элементов, а общностью взаимосвязанных элементов. Например, компьютер является системой, он состоит из различных устройств, которые связаны между собой аппаратно (физически подключены друг к другу), и функционально (между устройствами происходит обмен информацией).

Все элементы системы выполняют определённую роль, то есть составляют определённую структуру системы. Система должна сохранять свою целостность независимо от внешних воздействий и внутренних изменений. Если структура меняется (например, удаляем один из элементов системы), то система может перестать работать. Например, в примере с компьютером, удаление материнской платы, прекращает работу всего компьютера.

Выделяют следующие типы моделей:

•        Статистические информационные модели

•        Динамические информационные модели

Рассмотрим статистические информационные модели.

 Статистические информационные модели – описывают состояние системы в определённый момент времени. Так как каждая система существует в пространстве и времени, то выбрав определённый момент времени, система будет находиться в некотором состоянии и характеризоваться составом элементов, значением их свойств, величиной и характером взаимодействия между элементами.

Так, состояние Солнечной системы в любой момент времени характеризуется составом объектов (планет), их свойствами (размерами, положением в пространстве), величиной и характером взаимодействия между собой (сила тяготения).

Примеры статистических информационных моделей: в физике это простые механизмы, в биологии – модели строения растений и животных, в химии – строение молекул.

Перейдём к динамическим информационным моделям.

Динамические информационные модели описывают процессы изменения и развития систем.

Например, планеты движутся, их положение меняется относительно Солнца и друг друга. Солнце, как и любая другая звезда, развивается, стареет, меняется её химический состав и так далее.

Примеры динамических информационных систем в физике – описание движения тел, в биологии – популяция животных, в химии – процессы прохождения химических реакций.

Сегодня на уроке мы с вами узнали, что:

Модель – это объект-заменитель, который в определённых условиях может заменять объект-оригинал. Модель воспроизводит интересующие нас свойства и характеристики оригинала.

Моделирование – это процесс познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Основными этапами моделирования являются:

•        Постановка задачи.

•        Разработка модели, анализ и исследование задачи.

•        Эксперимент.

•        Анализ результатов моделирования.

Выделяют следующие типы моделей:

•        Статистические информационные модели

•        Динамические информационные модели