Что такое моделирование в естествознании
Другое : Моделирование как метод естествознания. Модель демографического взрыва
Моделирование – метод научного познания, основанный на изучении реальных объектов посредством изучения моделей этих объектов, т.е. посредством изучения более доступных для исследования и (или) вмешательства объектов-заместителей естественного или искусственного происхождения, обладающих свойствами реальных объектов.
При мысленном (образном) моделировании свойства реального объекта изучаются через мысленно-наглядные представления о нем (с этого варианта моделирования начинается, вероятно, любое первое изучение интересующего объекта).
При физическом (предметном) моделировании модель воспроизводит определенные геометрические, физические, функциональные свойства реального объекта, при этом являясь более доступной или удобной для исследования благодаря отличию от реального объекта в некотором не существенном для данного исследования плане (например, устойчивость небоскреба или моста, в некотором приближении, можно изучать на сильно уменьшенной физической модели – рискованно, дорого и вовсе не обязательно «крушить» реальные объекты).
При знаковом моделировании модель, являющаяся схемой, графиком, математической формулой, воспроизводит поведение определенной интересующей характеристики реального объекта благодаря тому, что существует и известна математическая зависимость этой характеристики от прочих параметров системы (построить приемлемые физические модели изменяющегося земного климата или электрона, излучающего электромагнитную волну при межуровневом переходе – задача безнадежная; да и устойчивость небоскреба, вероятно, неплохо заранее просчитать поточнее).
По степени адекватности модели прототипу их принято подразделять на эвристические (приблизительно соответствующие прототипу по изучаемому поведению в целом, но не позволяющие дать ответ на вопрос, насколько интенсивно должен происходить тот или иной процесс в реальности), качественные (отражающие принципиальные свойства реального объекта и качественно соответствующие ему по характеру поведения) и количественные (достаточно точно соответствующие реальному объекту, так что численные значения исследуемых параметров, являющиеся результатом исследования модели, близки к значениям тех же параметров в реальности).
Свойства любой модели не должны, да и не могут, точно и полностью соответствовать абсолютно всем свойствам соответствующего реального объекта в любых ситуациях. Для изучения устойчивости того же небоскреба, вероятно, в любом случае нет необходимости заботиться о соответствии физической модели реальному объекту по силе светового давления на нее, или по силе ее гравитационного взаимодействия с Солнцем, или об удовлетворительном отражении моделью свойств оригинала в ситуации, когда небоскреб начинают скручивать винтом или кидают в него обломки космической станции. В математических моделях любой дополнительный параметр может привести к существенному усложнению решения соответствующей системы уравнений, к необходимости применения дополнительных допущений, отбрасывания малых членов и т.п., при численном моделировании непропорционально вырастает время обработки задачи компьютером, нарастает ошибка счета. Таким образом, при моделировании является существенным вопрос об оптимальной, для данного конкретного исследования, степени соответствия модели оригиналу по вариантам поведения исследуемой системы, по связям с другими объектами и по внутренним связям исследуемой системы; в зависимости от вопроса, на который хочет ответить исследователь, одна и та же модель одного и того же реального объекта может быть признана адекватной или абсолютно не отражающей реальность.
В силу сложности внутренних и внешних связей любого реального объекта и (или) его модели, возможного наличия на первый взгляд незаметных, но чрезвычайно критичных (в плане реальности результатов исследования) свойств реального объекта и (или) модели, вопрос о выборе модели, действительно адекватной цели исследования и действительно «грубой» по отношению к неизбежным ошибкам и погрешностям исследования, требует большой осторожности.
Список использованной литературы
1. Концепции современного естествознания: Учебное пособие – М.: Высшая школа, 1998
2. Неймарк Ю.И. Математические модели естествознания и техники: Цикл лекций. Выпуск 1. – Н.Новгород: издательство ННГУ, 1994
3. Постон Т., Стюарт И.Н. Теория катастроф и ее приложения – М.: Издательство «Мир», 1980
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 8. Моделирование в науке
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
Модель (франц. modele, от лат. modulus мера, образец, норма) — это форма отображения определённого фрагмента действительности (предмета, явления, процесса, ситуации), который содержит существенные свойства моделируемого объекта и может быть представлен в абстрактной (мысленной или знаковой) или материальной (предметной) форме.
Моделирование – метод теоретического познания, состоящий в исследовании каких-либо явлений, процессов или систем путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения поведения и характеристик реальных систем.
Математическая модель – модели, построенные с использованием математических понятий и инструментария (формул, графиков, систем уравнений и т.д.)
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
Открытые электронные ресурсы по теме урока :
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Реальные объекты исследования не всегда доступны для исследователя или в их функционирование нельзя вмешиваться. В этом случает можно заменить «оригинал» соответствующим аналогом (моделями), пользуясь которым можно провести эксперимент, изучать его поведение при изменениях параметров внешней и внутренней среды. В воспроизведении свойств объекта изучения на специально устроенном его аналоге-модели заключается суть процесса моделирование. Сама модель — это всегда упрощенное отражение объекта, копия реального объекта, обладающая его основными характеристиками и способная имитировать его поведение.
Модели могут быть реальными (материальными), например, модели самолетов, макеты зданий, фотографии, протезы, куклы и т.п., а также теоретическими (идеальными или абстрактными), создаваемые средствами языка (как естественного человеческого языка, так и специальных языков, например, языком математики. В этом случае мы имеем математическую модель, которая описывает взаимосвязи в изучаемой системе).
Математическое моделирование – инструмент познания, изучения и исследования сложных систем. Эти системы сложны потому, что либо состоят из большого числа структурных компонентов, либо находятся под влиянием большего числа внешних факторов. В этом случае ученые создают модели – упрощенные копии систем, отражающие их структуру и функциональные взаимосвязи. В логике исследования под особым вниманием находятся лишь некоторые компоненты системы и ее взаимосвязи. Математические модели могут быть представлены в виде математических формул, систем уравнений, графиков и т.д. Например, системы дифференциальных уравнений в модели Лотки-Вольтерра, изучающей системы «паразит-хозяин» и «хищник-жертва» или графический образ экологических пирамид (масс, энергий) и др.
Выделяют три функции моделирования:
Познавательная функция заключается в том, что за счет абстрагирования модели позволяют достаточно просто объяснить наблюдаемые на практике явления и процессы (другими словами, они дают ответ на вопрос «почему мир устроен так»).
Прогностическая функция моделирования отражает его возможность предсказывать будущие свойства и состояния моделируемых систем, то есть отвечать на вопрос «что будет?».
Нормативная функция моделирования заключается в получении ответа на вопрос «как должно быть?» – если, помимо состояния системы, заданы критерии оценки ее состояния, то возможно не только описать существующую систему, но и построить ее нормативный образ – желательный с точки зрения субъекта, интересы и предпочтения которого отражены используемыми критериями.
Примеры моделей различных типов в естественных науках
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 8. Моделирование в науке
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
Модель (франц. modele, от лат. modulus мера, образец, норма) — это форма отображения определённого фрагмента действительности (предмета, явления, процесса, ситуации), который содержит существенные свойства моделируемого объекта и может быть представлен в абстрактной (мысленной или знаковой) или материальной (предметной) форме.
Моделирование – метод теоретического познания, состоящий в исследовании каких-либо явлений, процессов или систем путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения поведения и характеристик реальных систем.
Математическая модель – модели, построенные с использованием математических понятий и инструментария (формул, графиков, систем уравнений и т.д.)
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
Открытые электронные ресурсы по теме урока :
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Реальные объекты исследования не всегда доступны для исследователя или в их функционирование нельзя вмешиваться. В этом случает можно заменить «оригинал» соответствующим аналогом (моделями), пользуясь которым можно провести эксперимент, изучать его поведение при изменениях параметров внешней и внутренней среды. В воспроизведении свойств объекта изучения на специально устроенном его аналоге-модели заключается суть процесса моделирование. Сама модель — это всегда упрощенное отражение объекта, копия реального объекта, обладающая его основными характеристиками и способная имитировать его поведение.
Модели могут быть реальными (материальными), например, модели самолетов, макеты зданий, фотографии, протезы, куклы и т.п., а также теоретическими (идеальными или абстрактными), создаваемые средствами языка (как естественного человеческого языка, так и специальных языков, например, языком математики. В этом случае мы имеем математическую модель, которая описывает взаимосвязи в изучаемой системе).
Математическое моделирование – инструмент познания, изучения и исследования сложных систем. Эти системы сложны потому, что либо состоят из большого числа структурных компонентов, либо находятся под влиянием большего числа внешних факторов. В этом случае ученые создают модели – упрощенные копии систем, отражающие их структуру и функциональные взаимосвязи. В логике исследования под особым вниманием находятся лишь некоторые компоненты системы и ее взаимосвязи. Математические модели могут быть представлены в виде математических формул, систем уравнений, графиков и т.д. Например, системы дифференциальных уравнений в модели Лотки-Вольтерра, изучающей системы «паразит-хозяин» и «хищник-жертва» или графический образ экологических пирамид (масс, энергий) и др.
Выделяют три функции моделирования:
Познавательная функция заключается в том, что за счет абстрагирования модели позволяют достаточно просто объяснить наблюдаемые на практике явления и процессы (другими словами, они дают ответ на вопрос «почему мир устроен так»).
Прогностическая функция моделирования отражает его возможность предсказывать будущие свойства и состояния моделируемых систем, то есть отвечать на вопрос «что будет?».
Нормативная функция моделирования заключается в получении ответа на вопрос «как должно быть?» – если, помимо состояния системы, заданы критерии оценки ее состояния, то возможно не только описать существующую систему, но и построить ее нормативный образ – желательный с точки зрения субъекта, интересы и предпочтения которого отражены используемыми критериями.
Примеры моделей различных типов в естественных науках
Естествознание. 10 класс
Методы научного познания
Моделирование в науке
Необходимо запомнить
1) когда реальные объекты недоступны для исследователя, или в их функционирование нельзя вмешиваться, заменяют «оригинал» соответствующим аналогом (моделью);
2) модели могут быть реальными (материальными), например, модели самолётов, макеты зданий, протезы, куклы и т. п., и теоретическими (идеальными или абстрактными), создаваемые средствами языка, например, чертежи, схемы, таблицы, диаграммы, системы уравнений, рисунки, ноты и т. д.;
3) все естественнонаучные законы – это модели, применимые для описания широкого класса явлений и процессов, происходящих в природе. Каждый естественнонаучный закон имеет границы своего применения;
4) часто для построения теоретических моделей используют математическое моделирование. Математические модели описывают взаимосвязи в изучаемой системе с помощью математических формул, систем уравнений, графиков, диаграмм и т.д.;
5) существуют качественные теоретические модели, не содержащие математических уравнений.
Моделирование можно представить как последовательность этапов:
— выбор объекта и целей моделирования;
— разработка критериев соответствия между объектом и моделью, создание модели;
— проверка соответствия модели и объекта;
— использование модели для решения поставленных задач.
Выделяют три функции моделирования:
1) познавательная функция – за счёт абстрагирования модели позволяют достаточно просто объяснить наблюдаемые на практике явления и процессы;
2) прогностическая функция – возможность предсказывать будущие свойства и состояния моделируемых систем, то есть отвечать на вопрос «что будет?»;
3) нормативная функция – получение ответа на вопрос «как должно быть?» – если, помимо состояния системы, заданы критерии оценки её состояния, то возможно не только описать существующую систему, но и построить её нормативный образ – желательный с точки зрения субъекта, интересы и предпочтения которого отражены используемыми критериями.
По способу реализации модели разделяют на компьютерные и некомпьютерные. Построение компьютерных естественнонаучных моделей – это тоже математическое моделирование, дополненное вычислительными средствами и возможностью визуализации и интерактивного управления процессами.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Смотреть что такое МОДЕЛИРОВАНИЕ в других словарях:
МОДЕЛИРОВАНИЕ
исследование объектов познания на их моделях (См. Модель); построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (живых и нежи. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
моделирование ср. Процесс действия по знач. глаг.: моделировать.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
моделирование с.1. (одежды и т. п.) modelling 2. мат., тех. simulation, modelling, analogue computation
МОДЕЛИРОВАНИЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
физическое, замена изучения нек-рого объекта или явления эксперим. исследованием его модели, имеющей ту же физ. природу. В науке любой эксперим. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (ор. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Модели́рование исследование явлений, процессов, объектов или систем объектов путём построения и изучения их моделей; использование моделей для опреде. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
в химической технологии, метод исследования химико-технол. процессов или систем путем построения и изучения их моделей, к-рые отличаются от объект. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Моделирование исследование явлений, процессов, объектов или систем объектов путём построения и изучения их моделей; использование моделей для опреде. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
3.1.9 моделирование: Исследование явлений, процессов, объектов путем изучения их моделей, представленных в каком-либо (информационном, предметном, ин. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
1) метод исследования объектов на их моделях — аналогах определённого фрагмента природной или социальной реальности; 2) построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (орга-нич. и неорганич. систем, инж. устройств, разнообразных процессов — физ., хим., биол., социальных) и конструируемых объектов. Форма М. зависит от используемых моделей и сферы применения М. По характеру моделей выделяют предметное и знаковое (информационное) М. Предметным наз. М., в ходе к-рого исследование ведётся на модели, воспроизводящей определённые геом., физ., ди-намич. либо функцион. характеристики объекта-оригинала. При знаковом М. моделями служат схемы, чертежи, формулы, предложения в нек-ром алфавите (естеств. или искусств, языка) и т. п. Важнейшим видом такого М. является матем. (логико-матем.) М. Возможность М., т.е. переноса результатов, полученных в ходе построения и исследования моделей, на оригинал, основана на том, что модель в определённом смысле отображает (воспроизводит) к.-л. его стороны и предполагает наличие соответствующих теорий или гипотез, указывающих на рамки допустимых при М. упрощений. По характеру той стороны объекта, к-рая подвергается М., различают М. его структуры и М. его поведения (функционирования, протекающих в нём процессов и т. п.). Это различие приобретает чёткий смысл в науках о жизни, где разграничение структуры и функции систем живого принадлежит к числу фундаментальных принципов исследования, и в кибернетике, делающей акцент на М. функционирования систем. М. всегда применяется вместе с др. общенауч. и спец. методами; особенно тесно оно связано с экспериментом. М. в обучении имеет два аспекта: М. как содержание, к-рое учащиеся должны усвоить, и М. как уч. действие, средство, без к-рого невозможно полноценное обучение. С помощью М. удаётся свести изучение сложного к простому, невидимого и неощутимого к видимому и ощутимому, незнакомого к знакомому, т.е. сделать любой сложный объект доступным для тщательного и всестороннего изучения. Напр., все матем. понятия (число, функция, уравнение, геометрич. фигура и др.) представляют собой модели количеств, отношений и пространств. форм окружающей действительности. Для их изучения в математике разработаны многочисл. методы, такие, как методы решения уравнений, исследования функций, измерения длин, площадей, объёмов и пр. Эти методы составляют в совокупности аппарат математики. Разработаны также и особые методики для использования в практике результатов исследования матем. моделей, напр. методика решения практич. задач с помощью уравнений. Система науч. моделей, аппарат для их исследования, методика использования в практике результатов исследования входят в основы наук, к-рые составляют содержание уч. предмета. Возможности для М. имеются в шк. курсах математики, химии, физики, рус. и родного языков и в меньшей степени др. уч. предметов. Необходимость овладения методом М. диктуется не только значением его как метода науч. познания, но и психол.-пед. соображениями. Согласно теории поэтапного формирования умственных действий (П. Я. Гальперин) знакомство ученика с к.-л. действием, к-рым он должен овладеть, начинается с выполнения этого действия соответствующими материальными предметами. Однако предметы обладают разл. свойствами, многие из к-рых не относятся к выполняемому действию. Для того чтобы от них отвлечься, переходят к действиям с моделями этих предметов, обладающими только нужными в данном случае свойствами. Это может быть графич. схема, образная и знаковая модель и пр. Когда учащиеся строят разл. модели изучаемых явлений или знакомятся с их науч. моделями, М. выступает в роли уч. средства, с помощью к-рого осуществляются: изучение моделей рассматриваемых понятий, к-рые разработаны в науке; построение и последующее изучение моделей понятий, для к-рых в соответствующих науках нет моделей или они являются неудобными, сложными для изучения в школе; построение модели ориентировочной основы умственного действия, напр. в виде уч. карты, где схематически перечислены все операции. Модели изучаемых объектов (понятий) могут служить средством обобщения наблюдаемых и изучаемых фактов и явлений; с их помощью можно решать познават. задачи на исследование изучаемого понятия. М. уч. материала — логическое его упорядочение, представление в наглядной форме, а также — с помощью мнемических средств в расчёте на образные ассоциации — эффективное средство лучшего запоминания. М. объектов, к-рые по своей сложности или величине не поддаются исследованию и изготовлению в натуре, — составная часть технического творчества детей. М. позволяет наглядно представить конструкцию с наименьшей затратой сил, материалов, времени и проверить правильность проекта. В зависимости от того, какие свойства моделируемого объекта выбраны главными, один и тот же объект может быть представлен моделями разл. конструкции. Так, при исследовании физ. процессов стремятся к тому, чтобы по результатам опытов на модели можно было судить о явлениях, происходящих в естеств. условиях. Наряду с физическим часто используется матем. М., когда исследуется физ. процесс путём аналогичного явления, описываемого теми же матем. соотношениями, но иной физ. природы. Напр., исследование механич. коле-бат. системы возможно на электрич. моделях, поскольку матем. выражения кинетической и электрической систем аналогичны. Для изучения сложных самоорганизующихся систем используют кибернетич. М. При этом создаётся функциональная модель, основанная на более простых явлениях, чем изучаемая система. Напр., функции нервной деятельности могут моделироваться на кибернетич. электронных устройствах. С введением в щк. обучение основ информатики и вычислительной техники широко применяется М. на ЭВМ. При изучении и конструировании машин прибегают к моделям, построенным на основе их сходства по тому или иному признаку с реальным механизмом. Гл. внимание здесь может быть обращено на внеш. сходство, принцип действия и т. д.; при этом конструкция модели должна быть освобождена от мелких подробностей, к-рые не имеют существенного значения для понимания осн. принципа действия. В процессе М. целесообразно использовать разл. готовые детали, «конструкторы», приспособления, облегчающие труд, увеличивающие его производительность и улучшающие качество модели. Лит.: Славин А. В., Наглядный образ в структуре познания, М., 1971; В о л о-вич М. Б., Средства наглядности как материальная основа управления процессом усвоения знаний, СП, 1979, № 9; С а л м и — и а Н. Г., Виды и функции материализации в обучении, М., 1981; Фридман Л. М., Наглядность и моделирование в обучении, М., 1984. смотреть
МОДЕЛИРОВАНИЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (органич. и неорганич. систем, инженерных устройств, разнообразных процессов физических, химических, биологических, социальных) и конструируемых объектов для определения либо улучшения их характеристик, рационализации способов их построения, управления ими и т. п. Формы М. разнообразны и зависят от используемых моделей и сферы применения М. По характеру моделей выделяют предметное и знаковое (информац.) М. Предметным наз. М., в ходе к-рого исследование ведётся на модели, воспроизводящей определённые геометрические, физические, динамические либо функциональные характеристики объекта М.оригинала; в частном случае аналогового М., когда оригинал и модель описываются едиными математич. соотношениями (напр., одинаковыми дифференц. уравнениями), электрич. модели используются для изучения механич., гидродинамич., акустич. и др. явлений. При знаковом М. моделями служат схемы, чертежи, формулы, предложения в нек-ром алфавите (естеств. или искусств. языка) и т. п. Важнейшим видом такого М. является математич. (логико-математич.) М., производимое выразительными и дедуктивными средствами математики и логики. Поскольку действия со знаками всегда в той или иной мере связаны с пониманием знаковых конструкций и их преобразований, построение знаковых (информац.) моделей или их фрагментов может заменяться мысленнонаглядным представлением знаков или операций над ними (мысленное М.). По характеру той стороны объекта, к-рая подвергается М., различают М. его структуры и М. его поведения (функционирования, протекающих в нём процессов и т. п.). Это различение приобретает чёткий смысл в науках о жизни, где разграничение структуры и функции систем живого принадлежит к числу фундаментальных методологических принципов исследования, и в кибернетике, делающей акцент на М. функционирования систем. Понятие М. является гносеологич. категорией, характеризующей один из важных путей познания. Возможность М., т. е. переноса результатов, полученных в ходе построения и исследования моделей, на оригинал, основана на том, что модель в определ. смысле отображает (воспроизводит. моделирует) к.-л. его стороны; для успешного М. этих сторон важно наличие соответств. теорий или гипотез, к-рые, будучи достаточно обоснованными, указывали бы на рамки допустимых при М. упрощений. М. всегда применяется вместе с др. общенауч. и спец. методами; особенно тесно оно связано с экспериментом. Изучение к.-л. явления на его модели (при предметном, аналоговом, знаковом M., M. на ЭЦВМ) есть особый вид эксперимента модельный эксперимент, отличающийся от обычного эксперимента тем, что в процесс познания включается «промежуточное звено» модель, являющаяся одновременно и средством, и объектом экспериментального исследования, заменяющим оригинал. В важном частном случае такого эксперимента в модельно-кибернетич. эксперименте вместо «реального» экспериментального оперирования с изучаемым объектом находят алгоритм (программу) его функционирования, к-рый и выступает в качестве модели. М. необходимо предполагает использование процедур абстрагирования и идеализации. Эта черта М. особенно существенна в том случае, когда предметом М. являются сложные системы, поведение к-рых зависит от большого числа взаимосвязанных факторов различной природы. В ходе познания такие системы отображаются в разных моделях, дополняющих друг друга. Более того, возникают ситуации, когда создаются противоречащие модели одного и того же явления; эти противоречия могут «сниматься» в ходе развития науки (и затем появляться при М. на более глубоком уровне). Напр., на определ. этапе развития теоретич. физики при М. физич. процессов на «классич.» уровне использовались модели, подразумевающие несовместимость корпускулярных и волновых представлений; эта противоречивость была преодолена созданием квантовой механики, в основе к-рой лежит тезис о корпускулярноволновом дуализме физич. реальности. М. глубоко проникает в теоретич. мышление и практич. деятельность. Это не только одно из средств отображения явлений и процессов реальности, но и критерий проверки науч. знаний, осуществляемой непосредственно или с помощью установления отношения рассматриваемой модели к другой модели или теории, адекватность к-рой считается практически обоснованной. Применяемое в органич. единстве с др. методами, М. служит углублению познания, его движению от относительно бедных информацией моделей к моделям, полнее раскрывающим сущность исследуемого объекта. смотреть