Моделирование как метод научного познания. Смешанная модель или полуэмпирическая - использующая эмпирические зависимости и математические описания. Задача формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное здесь - определить объект
Модель – это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его свойства. Под объектом в данном случае понимается любой материальный предмет, процесс, явление.
Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект. Именно эта особенность метода моделирования определяет специфические формы использования абстракций, аналогий, гипотез, других категорий и методов познания.
Необходимость использования метода моделирования определяется тем, что многие объекты (или проблемы, относящиеся к этим объектам) непосредственно исследовать или вовсе невозможно, или же это исследование требует много времени и средств.
Процесс моделирования включает три элемента:
1) субъект (исследователь) ,
2) объект исследования,
3) модель, опосредствующую отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.
Назначение и функции модели
Назначение и функции модели чрезвычайно широки.Модель , воспроизводящаяобъект , может строиться для следующих целей:
достижения чисто практических результатов, например, установления функциональных связей между входом и выходом объекта для решения конкретных задач управления, создания протезов (искусственные сердце, кисти руки и т. д.);
обучения, демонстрации и облегчения усвоения уже готовых знаний;
исследования воспроизводимого объекта , что представляет наибольший интерес.
В этом случае модель может использоваться для:
совершенствования или построения теории процесса, являясь некоторой предтеорией;
предсказания поведения объекта , являясь его заместителем;
замены сложной системы , например, дифференциальных уравнений более простойсистемой с допустимой для определенных условий точностью;
экономии времени и средств;
интерпретации экспериментальных и теоретических результатов путем замены эксперимента на объекте экспериментом намодели с использованием АВМ или ЦВМ.
Сюда же примыкает критериальная функция моделей , заключающаяся в том, что с её помощью можно проверять истинность знаний об оригинале, посколькумодель дает возможность представить накопленные знания в компактном и взаимосвязанном(системном) виде и сравнить их с оригиналом.
2. Понятие моделирования. Основные принципы моделирования.
Моделирование - воспроизведение характеристик некоторогообъекта на другом материальном или мысленномобъекте , специально созданном для их изучения . В этом определениимоделирования по существу содержится также одно из общих определениймодели .
Прежде всего необходимо подчеркнуть, что в этом процессе обязательно участвуют и взаимодействуют друг с другом субъект, объект исследования и модель .
Процесс моделирования есть процесс перехода из реальной области в виртуальную (модельную) посредством формализации, далее происходит изучение модели (собственномоделирование) и, наконец,интерпретациярезультатов как обратный переход из виртуальной области в реальную. Этот путь заменяет прямое исследование объекта в реальной области, то есть лобовое или интуитивное решение задачи. Итак, в самом простом случае технология моделирования подразумевает 3 этапа:
формализация;
моделирование;
интерпретация.
Польза от моделирования может быть достигнута только при соблюдении следующих достаточно очевидных условий:
Модель адекватно отображает свойства оригинала, существенных с точки зрения цели исследования;
Модель позволяет устранять проблемы, присущие прове6дению измерений на реальных объектах.
При экспериментировании с моделью сложной системы можно получить больше информации о внутренних взаимодействующих факторах системы, чем при манипулировании с реальной системой благодаря изменяемости структурных элементов, легкости изменения параметров модели и т.д.
ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Принцип информационной достаточности. При полном отсутствии информации об исследуемом объекте построить его модель невозможно. Если информация полная, то моделирование лишено смысла. Должен существовать некоторый критический уровень априорных сведений об объекте (уровень информационной достаточности), при достижении которого может быть построена его адекватная модель.
Принцип осуществимости. Модель должна обеспечивать достижения поставленной цели с вероятностью отличной от нуля и за конечное время. Обычно задают некоторое пороговое значение вероятностиP 0 и приемлемую границу времениt 0 достижения цели. Модель осуществима, если
P(t) ≥ P 0 и t ≤ t 0 .
Принцип множественности моделей. Создаваемая модель должна отражать в первую очередь те свойства моделируемой системы или процесса, которые влияют на выбранный показатель эффективности. Соответственно, с помощью конкретной модели можно изучить лишь некоторые стороны реальности. Для более полного ее исследования необходим ряд моделей, позволяющих более разносторонне и с разной степенью детальности отражать рассматриваемый объект или процесс.
Принцип агрегирования. Сложную систему обычно можно представить состоящей из подсистем (агрегатов), для математического описания которых используются стандартные математические схемы. Кроме того, этот принцип позволяет гибко перестраивать модель в зависимости от целей исследования.
Принцип параметризации. В ряде случаев моделируемая система может иметь относительно изолированные подсистемы, которые характеризуются определенным параметром (в том числе векторным). Такие подсистемы можно заметить в модели соответствующими числами, а не описывать процесс их функционирования. При необходимости зависимость этих величин от ситуации может быть задана в виде таблицы, графика или аналитического выражения (формулы). Это позволяет сократить объем и продолжительность моделирования. Однако надо помнить, что параметризация снижает адекватность модели.
Моделирование - метод познания окружающего мира, который можно отнести к общенаучным методам, применяемым как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне познания. При построении и исследовании модели могут применяться практически все остальные методы познания.
Под моделью (от лат. modulus - мера, образец, норма) понимают такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе познания (изучения) замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты. Процесс построения и использования модели называется моделированием.
В системном анализе моделирование рассматривается как основной метод научного познания, связанный с совершенствованием способов получения и фиксации информации об изучаемых объектах, а также с приобретением новых знаний на основе модельных экспериментов. Сегодня большинство моделей разрабатывается с использованием компьютерной техники и компьютерных технологий, такие модели разрабатываться с помощью программ или сами могут выступать в качестве программы.
При построении модели исследователь всегда исходит из поставленных целей, учитывает только наиболее существенные для их достижения факторы. Поэтому любая модель нетождественна объекту-оригиналу и, следовательно, неполна, поскольку при ее построении исследователь учитывал лишь важнейшие с его точки зрения факторы.
Самым важным и наиболее распространенным предназначением моделей является их применение при изучении и прогнозировании поведения сложных процессов и явлений. Следует учитывать, что некоторые объекты и явления вообще не могут быть изучены непосредственным образом. 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. Модель позволяет научиться правильно управлять объектом путем апробирования различных вариантов управления. Использовать для этого реальный объект часто бывает рискованно или просто невозможно. Если свойства объекта с течением времени меняются, то особое значение приобретает задача прогнозирования состояний такого объекта под действием различных факторов.
Цель моделирования диктует, какие стороны оригинала должны быть отражены в модели. Различным целям соответствуют разные модели одного и того же объекта.
Модели могут строиться средствами мышления (абстрактные модели) либо средствами материального мира (реальные модели). Особое место среди абстрактных моделей занимают языковые модели. Неоднозначность, расплывчатость естественного языка, столь полезная во многих случаях, может мешать в некоторых видах практики. Тогда создаются более точные (профессиональные) языки, целая иерархия языков, все более и более точных, завершающаяся идеально формализованным языком математики.
Тест по теме " Моделирование и формализация"
1. Что называется атрибутом объекта?
Представление объекта реального мира с помощью некоторого набора его характеристик, существенных для решения данной информационной задачи.
Абстракция предметов реального мира, объединяемых общими характеристиками и поведением.
Связь между объектом и его характеристиками.
Каждая отдельная характеристика, общая для всех возможных экземпляров
2. Выбор вида модели зависит от:
Физической природы объекта.
Предназначения объекта.
Цели исследования объекта.
Информационной сущности объекта.
3. Что такое информационная модель объекта?
Материальный или мысленно представляемый объект, замещающий в процессе исследования исходный объект с сохранением наиболее существенных свойств, важных для данного исследования.
Формализованное описание объекта в виде текста на некотором языке кодирования, содержащем всю необходимую информацию об объекте.
Программное средство, реализующее математическую модель.
Описание атрибутов объектов, существенных для рассматриваемой задачи и связей между ними.
4. Укажите классификацию моделей в узком смысле слова:
Натурные, абстрактные, вербальные.
Абстрактные, математические, информационные.
Математические, компьютерные, информационные.
Вербальные, математические, информационные
5. Целью создания информационной модели является:
Обработка данных об объекте реального мира с учетом связи между объектами.
Усложнение модели, учитывая дополнительные факторы, которые были ранее проинформированы.
Исследование объектов, основанное на компьютерном экспериментировании с их математическими моделями.
Представление объекта в виде текста на некотором искусственном языке, доступном компьютерной обработке.
6. Какая модель является статической (описывающей состояние объекта)?
Формула равноускоренного движения
Формула химической реакции
Формула химического соединения
Второй закон Ньютона.
7. Формализация - это
Этап перехода от содержательного описания связей между выделенными признаками объекта к описанию, использующему некоторый язык кодирования.
Замена реального предмета знаком или совокупностью знаков.
Переход от нечетких задач, возникающих в реальной действительности, к формальным информационным моделям.
Выделение существенной информации об объекте.
8. Информационной технологией называется
Процесс, определяемый совокупностью средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы материала.
Изменение исходного состояния объекта.
Процесс, использующий совокупность средств и методов обработки и передачи первичной информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.
Совокупность определенных действий, направленных на достижение поставленной цели.
9. Материальной моделью является:
1. Анатомический муляж;
2. Техническое описание компьютера;
3. Рисунок функциональной схемы компьютера;
4. Программа на языке программирования.
10. Что такое компьютерная информационная модель?
Представление объекта в виде теста на некотором искусственном языке, доступном компьютерной обработке.
Совокупность информации, характеризующая свойства и состояние объекта, а также взаимосвязь с внешним миром.
Модель в мысленной или разговорной форме, реализованная на компьютере.
Метод исследования, связанный с вычислительной техникой.
11. Компьютерный эксперимент состоит из последовательности этапов:
Выбор численного метода - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере.
Построение математической модели - выбор численного метода - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере, анализ решения.
Разработка модели - разработка алгоритма - реализация алгоритма в виде программного средства.
Построение математической модели - разработка алгоритма - исполнение программы на компьютере, анализ решения.
№ вопроса
№ ответа
Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты. Модель – это упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении. Что такое модель?
Модель необходима для того чтобы: Понять, как устроен конкретный объект – каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром; Научиться управлять объектом или процессом и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация); Прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект; Никакая модель не может заменить само явление, но при решении задачи, когда нас интересуют определенное свойство изучаемого процесса или явления, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования, познания.
Процесс построения модели называется моделированием, другими словами, моделирование - это процесс изучения строения и свойств оригинала с помощью модели. Технология моделирования требует от исследователя умения ставить проблемы и задачи, прогнозировать результаты исследования, проводить разумные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моделей, выбирать аналогии и математические формулировки, решать задачи с использованием компьютерных систем, проводить анализ компьютерных экспериментов. Моделирование
Материальное моделирование Материальным (физическим) принято называть моделирование, при котором реальному объекту противопоставляется его увеличенная или уменьшенная копия, допускающая исследование (как правило, в лабораторных условиях) с помощью последующего перенесения свойств изучаемых процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия.
Виды моделирования Идеальное моделирование - основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной, мыслимой. Знаковое моделирование – это моделирование, использующее в качестве моделей знаковые преобразования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, наборы символов. Математическое моделирование - это моделирование, при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики: описание и исследование законов механики Ньютона средствами математических формул.
Область использования Учебные: наглядные пособия, обучающие программы, различные тренажеры; Опытные: модель корабля испытывается в бассейне для определения устойчивости судна при качке; Научно-технические: ускоритель электронов, прибор, имитирующий разряд молнии, стенд для проверки телевизора; Игровые: военные, экономические, спортивные, деловые игры; Имитационные: 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 разных условиях).
Виды моделей Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение. Информационные модели – совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.
Виды моделей Знаковая модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка. Компьютерная модель – модель, реализованная средствами программной среды. Вербальная (от лат «verbalis» – устный) модель – информационная модель в мысленной или разговорной форме.
Модели по их назначению Познавательная модель форма организации и представления знаний, средство соединения новых и старых знаний. Познавательная модель, как правило, подгоняется под реальность и является теоретической моделью. Прагматическая модель средство организации практических действий, рабочего представления целей системы для ее управления. Реальность подгоняется под некоторую прагматическую модель. Это, как правило, прикладная модель. Инструментальная модель средство построения, исследования и/или использования прагматических и/или познавательных моделей. Познавательные модели отражают существующие, а прагматические хоть и не существующие, но желаемые и, возможно, исполнимые отношения и связи.
Основные свойства любой модели: конечность модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений и, кроме того, ресурсы моделирования конечны; упрощенность модель отображает только существенные стороны объекта и, кроме того, должна быть проста для исследования или воспроизведения; приблизительность действительность отображается моделью грубо, или приблизительно; адекватность моделируемой системе модель должна успешно описывать моделируемую систему; наглядность, обозримость основных свойств и отношений;
Основные свойства любой модели: доступность и технологичность для исследования или воспроизведения; информативность модель должна содержать достаточную информацию о системе (в рамках гипотез, принятых при построении модели) и давать возможность получить новую информацию; сохранение информации, содержавшейся в оригинале (с точностью рассматриваемых при построении модели гипотез); полнота в модели должны быть учтены все основные связи и отношения, необходимые для обеспечения цели моделирования; устойчивость модель должна описывать и обеспечивать устойчивое поведение системы, если даже та вначале является неустойчивой; замкнутость модель учитывает и отображает замкнутую систему необходимых основных гипотез, связей и отношений
Цели моделирования Познание окружающего мира. Зачем человек создает модели? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть в далекое прошлое. Несколько миллионов лет назад, на заре человечества, первобытные люди изучали окружающую природу, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными благами, просто выживать. Накопленные знания передавались из поколения в поколение устно, позже письменно, наконец с помощью предметных моделей. Так родилась, к примеру, модель земного шара глобус, позволяющая получить наглядное представление о форме нашей планеты, ее вращении вокруг собственной оси и расположении материков. Такие модели позволяют понять, как устроен конкретный объект, узнать его основные свойства, установить законы его развития и взаимодействия с окружающим миром моделей.
Цели моделирования Создание объектов с заданными свойствами (задача типа «Как сделать, чтобы...»). Накопив достаточно знаний, человек задал себе вопрос: «Нельзя ли создать объект с заданными свойствами и возможностями, чтобы противодействовать стихиям или ставить себе на службу природные явления?» Человек стал строить модели еще не существующих объектов. Так родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов, даже обыкновенного зонтика. Многие из этих моделей стали в настоящее время реальностью. Это объекты, созданные руками человека.
Цели моделирования Определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения (задача типа «Что будет, если...»: что будет, если увеличить плату за проезд в транспорте, или что произойдет, если закопать ядерные отходы в такой-то местности?) Например, для спасения Петербурга от постоянных наводнений, приносящих огромный ущерб, решено было возвести дамбу. При ее проектировании было построено множество моделей, в том числе и натурных, именно для того, чтобы предсказать последствия вмешательства в природу.
Цели моделирования Эффективность управления объектом (или процессом). Поскольку критерии управления бывают весьма противоречивыми, то эффективным оно окажется только при условии, если будут «и волки сыты, и овцы целы». Например, нужно наладить питание в школьной столовой. С одной стороны, оно должно отвечать возрастным требованиям (калорийное, содержащее витамины и минеральные соли), с другой нравиться большинству ребят и к тому же быть «по карману» родителям, а с третьей технология приготовления должна соответствовать возможностям школьных столовых. Как совместить несовместимое? Построение модели поможет найти приемлемое решение.
Анализ объекта На этом этапе четко выделяют моделируемый объект, его основные свойства, его элементы и связи между ними. Простой пример подчиненных связей объектов разбор предложения. Сначала выделяются главные члены (подлежащее, сказуемое), затем второстепенные члены, относящиеся к главным, затем слова, относящиеся к второстепенным, и т. д.
Этап 2. Разработка модели На этом этапе выясняются свойства, состояния, действия и другие характеристики элементарных объектов в любой форме: устно, в виде схем, таблиц. Формируется представление об элементарных объектах, составляющих исходный объект, т. е. информационная модель. Модели должны отражать наиболее существенные признаки, свойства, состояния и отношения объектов предметного мира. Именно они дают полную информацию об объект.
Этап 3. Компьютерный эксперимент Компьютерное моделирование основа представления знаний в ЭВМ. Компьютерное моделирование для рождения новой информации использует любую информацию, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ. Прогресс моделирования связан с разработкой систем компьютерного моделирования, а прогресс в информационной технологии с актуализацией опыта моделирования на компьютере, с созданием банков моделей, методов и программных систем, позволяющих собирать новые модели из моделей банка.
Этап 4. Анализ результатов моделирования Конечная цель моделирования принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа полученных результатов. Этот этап решающий либо вы продолжаете исследование, либо заканчиваете. Возможно, вам известен ожидаемый результат, тогда необходимо сравнить полученный и ожидаемый результаты. В случае совпадения вы сможете принять решение.