Глава 1. Моделирование как метод познания
На современном этапе развития человечества нельзя найти такой области знания, в которой в той или иной мере не использовались бы модели. Науки, в которых обращение к модельному исследованию стало систематическим, не полагаются больше лишь на интуицию исследователя, а разрабатывают специальные теории, выявляющие закономерности отношений между оригиналом и моделью.
История моделирования насчитывает тысячи лет. Человек рано оценил и часто применял в практической деятельности метод аналогий. Моделирование прошло долгий путь от интуитивного использования аналогий до строгого научного метода.
Создание и использование материальных моделей относится к экспериментальному методу познания окружающего мира.
1.1 Понятие модели
Слово модель в переводе с латинского означает мера, образ, способ. Первоначальное значение связано со строительным искусством, употреблялось для обозначения образа или прообраза, или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью.
Чтобы понять, как действует тот или иной объект окружающего мира, часто приходится вместо самих объектов рассматривать их упрощенные представления – модели. Один объект может быть описан множеством моделей, различных по сложности и степени сходства с оригиналом. Можно сказать, что модель – это некий заменитель объекта, процесса или явления, который в определенных условиях может заменить оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала. Причем, модель имеет существенные преимущества: наглядность, доступность испытаний и т.д. Наиболее важное преимущество модели – возможность простыми средствами изменять ее параметры, что в реальных условиях получить значительно труднее. Модель – это другой объект (реальный, знаковый или воображаемый), отличный от исходного, который обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей полностью заменяет исходный объект.
1.2 Классификация моделей
Все модели делятся на две большие группы: материальные и абстрактные (нематериальные). Эти две группы характеризуют то, «из чего сделаны» модели. И материальная, и абстрактная модели содержат информацию об исходном объекте, только в случае материальной модели эта информация имеет реальное воплощение — цвет, форму, пропорции и т. п. Ее можно построить с помощью органов чувств: зрения, осязания, обоняния, а также воспользовавшись измерительными приборами и инструментами. В нематериальной модели та же информация представляется в абстрактной форме (мысль, формула, чертеж, схема).
Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими, это физическое подобие объекта. Они всегда имеют реальное воплощение, которое воспроизводит геометрические и физические свойства оригинала (чучела птиц, муляжи животных, внутренних органов человеческого организма, географические и исторические карты, схема солнечной системы).
Такие модели могут отражать:
внешние свойства исходных объектов;
внутреннее устройство исходных объектов;
суть процессов и явлений, происходящих с объектами-оригиналами.
Самыми простыми примерами материальных моделей являются детские игрушки. По ним ребенок узнает внешние свойства окружающих объектов. Разбирая некоторые игрушки в процессе игры (например, машинку), он получает первое представление об устройстве исходного объекта и даже о принципах его работы.
Так как материальные модели помогают узнать свойства реальных объектов и понять «механизм» сложных явлений, они часто используются в процессе обучения. Материальными моделями являются скелет человека и чучело птицы в кабинете биологии, объемная модель Солнечной системы и макет многоступенчатой ракеты в кабинете астрономии, наклонная плоскость с шарами в кабинете физики т. д. К материальным моделям относятся не только школьные пособия, но и различные физические и химические опыты.
Абстрактные модели нельзя потрогать, они не имеют вещественного воплощения. Основу таких моделей составляет информация, а такой тип моделирования реализует теоретический метод познания окружающей действительности.
Выделяют следующие подклассы абстрактных моделей:
мысленные и вербальные;
информационные.
Мысленные модели формируются в воображении человека в результате раздумий, умозаключений, иногда в виде некоторого образа. Примером мысленной модели является модель поведения при переходе через дорогу. Человек анализирует ситуацию на дороге (какой сигнал подает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т. п.) и вырабатывает модель поведения. Мысленная модель может быть выражена в разговорной форме. В этом случае она часто называется вербальной. Вербальную модель человек использует для передачи своих мыслей другим.
Наряду с вербальными и мысленными моделями используются более строгие — информационные модели. Информационная модель - это совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. Любая информационная модель содержит лишь существенные сведения об объекте с учетом той цели, для которой она создается. Информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут быть совершенно разными.
Существуют разнообразные системы условных обозначений и соглашений, относящихся к разным областям деятельности и пригодных для описания моделей. Подобную систему и правила использования ее элементов называют языком. Язык может быть разговорным, алгоритмическим, математическим, языком кодирования и пр.
Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разную форму представления, выражаться различными средствами. По степени формализации, строгости описания это многообразие можно условно разделить на образно-знаковые и знаковые модели.
Ярким примером образно-знаковой модели является географическая карта. Цвет и форма материков, океанов, гор, изображенных на карте, сразу подключает образное мышление.
Знаковая модель — информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка (математические формулы, химические реакции, ноты)
Компьютерная модель — модель, реализованная средствами компьютерной программной среды.