Моделирование как метод научного познания. Понятия «модель» и «моделирование» в научном исследовании. Этапы процесса моделирования. Классификация моделей и формы моделирования.

Моделирование – это метод изучения оригинала путем создания и исследования его копии, замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя.

Модель ( с лат. – «образец») – это заменитель (аналог) исследуемого объекта, процесса или явления, который в определенных условиях может заменить оригинал.

Метод моделирования широко применяется в современных исследованиях. Данный метод основан на принципе подобия модели объекту исследования. При этом исследуется не сам объект, а его аналог (заместитель) или модель. Затем полученные в ходе исследования результаты по особым правилам переносятся на сам объект. Моделирование используется в том случае, когда сам объект является труднодоступным или его прямое изучение является экономически невыгодным.

Основными этапами моделирования являются:

1) постановка задачи;

2) разработка модели, анализ и исследование задачи;

3) компьютерный (натурный, физический) эксперимент;

4) анализ результатов моделирования.

На этапе разработки модели осуществляется построение информационной модели, то есть формирование представления об элементах, составляющих исходный объект.

Если результаты моделирования подтверждаются и могут служить основой для прогнозирования поведения исследуемых объектов, то говорят, что модель адекватна объекту. Степень адекватности зависит от цели и критериев моделирования.

Выделяют следующие виды моделей:

1) По цели использования:

- научный эксперимент, в котором осуществляется исследование модели с применением различных средств получения данных об объекте, возможности влияния на ход процесса, с целью получения новых данных об объекте или явлении;

- комплексные испытания и производственный эксперимент, использующие натурное испытание физического объекта для получения высокой достоверности о его характеристиках;

- оптимизационные, связанные с нахождением оптимальных показателей системы (например, нахождение минимальных затрат или определение максимальной прибыли).

2) По области применения:

- учебные – наглядные пособия, обучающие программы, различные тренажеры;

- опытные или натурные – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта;

- научно-технические – для исследования процессов и явлений: ускоритель электронов, прибор, имитирующий разряд молнии, стенд для проверки телевизора;

- игровые: военные, экономические, спортивные, деловые игры;

- имитационные – не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. 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 разные условия. Подобный метод выбора правильного решения называется методом проб и ошибок.

3) По области применения:

- универсальные, предназначенные для использования многими системами;

- специализированные, созданные для исследования конкретной системы.

4) По отношению ко времени:

- статические, описывающие систему в определенный момент времени;

-  динамические, рассматривающие поведение системы во времени:

а) дискретные, в которых все события происходят по интервалам времени;

б) непрерывные, где все события происходят непрерывно во времени.

5) По наличию воздействий на систему:

- детерминированные (в системах отсутствуют случайные воздействия);

- стохастические (в системах присутствуют вероятностные воздействия).

Эти же модели некоторые авторы классифицируют по способу оценки параметров системы:

- в детерминированных системах параметры модели оцениваются одним показателем для конкретных значений их исходных данных;

- в стохастических системах наличие вероятностных характеристик исходных данных позволяет оценивать параметры системы несколькими показателями.

6) По способу представления:

- материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение. Например, детские игрушки, школьные пособия, карты, схемы и т.д. Материальные модели реализуют материальный (потрогать, понюхать, увидеть, услышать) подход к изучению объекта, явления или процесса.

- информационные модели – совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. Информационные модели нельзя потрогать или увидеть воочию, они не имеют материального воплощения, потому что они строятся только на информации. В основе этого метода моделирования лежит информационный подход к изучению окружающей действительности. Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разный объем и форму представления, выражаться различными средствами. Это многообразие настолько безгранично, насколько велики возможности каждого человека и его фантазии. К информационным моделям можно отнести:

а) знаковая модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка. Знаковые модели окружают нас повсюду. Это рисунки, тексты, графики и схемы. По способу реализации знаковые модели можно разделить на: компьютерные, т.е. модель, реализованную средствами среды, и некомпьютерные.

- вербальная (от лат «verbalis» – устный) модель – информационная модель в мысленной или разговорной форме. Это 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, с какой скоростью и на каком расстоянии движутся автомобили и т. п.) и вырабатывает свою модель поведения. Если ситуация смоделирована удачно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти авария. К таким моделям можно отнести идею, возникшую в голове изобретателя, музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, рифму, прозвучавшую пока в голове поэта.

Знаковые и вербальные 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.

По форме представления можно выделить следующие виды информационных моделей: геометрические модели — графические формы и объемные конструкции;  словесные модели — устные и письменные описания с использованием иллюстраций; математические модели — математические формулы, отображающие связь различных параметров объекта или процесса; структурные модели — схемы, графики, таблицы и т. п.; логические модели — модели, в которых представлены различные варианты выбора действий на основе умозаключений и анализа условий; специальные модели — ноты, химические формулы и т. п.; компьютерные и некомпьютерные модели.

7) По отрасли знаний (деятельности человека): математические, биологические, химические, социальные, экономические, исторические и т.д.

Можно выделить следующие формы моделирования:

1) Материальным(физическим, предметным, натурным) 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. Примеры: в астрономии - планетарий, в архитектуре - макеты зданий, в самолетостроении - модели летательных аппаратов и т.п.

2) Идеальноемоделирование - основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной, мыслимой. Идея мысленного эксперимента впервые была выдвинута Г. Галилеем. Галилей применил идею мысленного эксперимента к воображаемому телу, которое свободно от всех внешних воздействий. Такой мысленный эксперимент позволил Г. Галилею прийти к идее инерциального движения тела.

3) Знаковоемоделирование – это моделирование, использующее в качестве моделей знаковые преобразования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, наборы символов.

4) Математическое моделирование - это моделирование, при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики. Например, описание и исследование законов механики Ньютона средствами математических формул.

Математические модели и методы. Значение математических моделей в научных исследованиях, их основные типы в экономических и юридических науках (описательные, объяснительные, прогнозные, управленческие).

С середины XX века в различных областях знания стали широко применять математические методы и ЭВМ.

Математическая модель – это приближенное описание объекта, процесса или явления реального мира на языке математики.

Цель моделирования – исследовать объекты, процессы или явления и предстказать результаты будущих наблюдений. Данный метод дает возможность не только познавать окружающий мир, но и управлять им.

Основными этапами математического моделирования являются:

1) Построение модели.

2) Решение математической задачи, к которой приводит модель.

3) Интерпретация полученных следствий из математической модели.

4) Проверка адекватности модели.

5) Модификация модели.

Тема 5. Методика научного исследования. (2 часа)

План

1. Основные этапы научного исследования.

2. Информационное обеспечение научной работы студента. Интернет как источник научной информации. Библиотечные каталоги, их виды. Электронный каталог и электронная библиотека.

3. Методы обработки и хранения информации. Традиционные и современные носители информации.