Моделирование как метод познания

Оглавление

 

 

 

 

Введение.

Моделирование традиционно связывает абстрактное познание с реальностью.

Мы живем в очень специфическое время, когда с нами на равных живут и процветают фантомы «виртуального мира», созданные прессой, телевидением, политической жизнью и компьютерным своевластием. К сожалению, мы часто принимаем эти призраки за объекты реального мира, в то время как они не более чем информационные модели. В результате мир теряет присущую ему иерархию, впадая, по выражению М. М. Бахтина, в состояние «карнавализованного сознания».

В этом отчасти  повинна научная, особенно математическая, традиция последнего столетия, переключившая свое внимание от сущности объекта на законы его функционирования («Mahematics is a subject in which we are not know tacking about» — Математика — это предмет, в котором мы не знаем, о чем говорим. Г. Вейль). Это вызывает все большее беспокойство, поскольку жизнь по правилам научной «игры» захватывает все новые и новые области, не давая совета о том, какими могут быть последствия такой экспансии.

Прояснить сложившееся  положение дел может информатика.

Дело в том, что названные фантомы есть вольные  или невольные создания человеческого ума, подчас недальновидного. Оградиться от них с помощью какого-нибудь искусственного санитарного кордона типа «железного занавеса» малоэффективно, да и не нужно. Вся действенная сила этих фантомов — в иллюзии реальности, но, если технологию их создания облечь в строгие математические понятия и конструкции, ореол «объективности» в значительной мере исчезнет. Так порох потеряет взрывную силу, если составляющие его элементы положить на разные полки.

Далее, одним из важнейших  объектов изучения информатики является язык. Но языковые конструкции аппелируют к смыслу употребляемых в них знаков и слов. До недавнего времени это понятие отодвигалось на второй план ради более прозрачного и формализуемого понятия «значение». Однако ясно ощутимая востребованность «смысла» (слов, действий, жизни вообще) заставляет более серьезно отнестись к теории языка и информатике.

Информатика ввела в оборот понятие информационной модели — основное понятие, отражающее информационные процессы, происходящие в системах различной природы. Исключительную важность всестороннего рассмотрения этого понятия иллюстрируют приведенные выше ситуации.

Говоря об информационных моделях, нельзя оставлять в стороне другие, более знакомые виды моделей.

 

 

Моделирование как метод познания.

Моделирование.

Человечество  в своей деятельности (научной, образовательной, технологической, художественной) постоянно создает и использует модели окружающего мира. Строгие правила построения моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт моделирования различных объектов и процессов.

Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели часто используются в процессе обучения. В курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель — глобус, в курсе физики изучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем модели молекул и кристаллических решеток, в биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам и др.

Модели играют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании различных технических устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т. д. Без предварительного создания чертежа (рис.) невозможно изготовить даже простую деталь, не говоря уже о сложном механизме

В процессе проектирования зданий и сооружений кроме чертежей часто изготавливают макеты. В процессе разработки летательных аппаратов поведение их моделей в воздушных потоках исследуют в аэродинамической трубе.

Разработка  электрической схемы обязательно  предшествует созданию электрических  цепей и так далее.

Развитие науки  невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез и пр.), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов. Создание новых теоретических моделей иногда коренным образом меняет представление человечества об окружающем мире (гелиоцентрическая система мира Коперника, модель атома Резерфорда-Бора, модель расширяющейся Вселенной, модель генома человека и пр.). Адекватность теоретических моделей законам реального мира проверяется с помощью опытов и экспериментов.

Все художественное творчество фактически является процессом создания моделей. Например, такой литературный жанр, как басня, переносит реальные отношения между людьми на отношения между животными и фактически создает модели человеческих отношений. Более того, практически любое литературное произведение может рассматриваться как модель реальной человеческой жизни. Моделями, в художественной форме отражающими реальную действительность, являются также живописные полотна, скульптуры, театральные постановки и пр.

Моделирование — это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Модель. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследования свойства. В процессе исследования аэродинамических качеств модели самолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическое подобие оригинала, но не важен, например, ее цвет. При построении электрических схем — моделей электрических цепей — необходимо учитывать порядок подключения элементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение друг относительно друга и так далее.

Разные науки  исследуют объекты и процессы под разными углами зрения и строят различные типы моделей. В физике изучаются процессы взаимодействия и изменения объектов, в химии — их химический состав, в биологии — строение и поведение живых организмов и так далее.

Возьмем в качестве примера человека: в разных науках он исследуется в рамках различных  моделей. В рамках механики его можно рассматривать как материальную точку, в химии — как объект, состоящий из различных химических веществ, в биологии — как систему, стремящуюся к самосохранению, и так далее.

Модель — это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

География, военное дело, судоходство и пр. невозможны без информационных моделей поверхности Земли в виде карт (рис.). Различные типы географических карт (политические, физические и пр.) представляют информационные модели, отражающие различные особенности земной поверхности, то есть один и тот же объект отражают несколько моделей.

С другой стороны, разные объекты могут описываться  одной моделью. Так, в механике различные материальные тела (от планеты до песчинки) могут рассматриваться как материальные точки. Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью. Никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас интересуют определенные свойства изучаемого объекта, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования.

Модель — это новый объект, который отражает некоторые стороны изучаемого объекта или явления, существенные с точки зрения цели моделирования.

Модель — это физический или информационный заменитель объекта, функционирование которого по определённым параметрам подобно функционированию реального объекта.

Под моделью некоторого объекта понимается 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.

Главное в моделировании — это отношение подобия между объектом моделирования и его моделью. Это отношение играет ключевую роль в понимании назначения моделирования как вида деятельности.

Все многообразие моделей делится на три класса:

• материальные (натурные) модели (некие реальные предметы — макеты, муляжи, эталоны) — уменьшенные или увеличенные копии, воспроизводящие внешний вид моделируемого объекта, его структуру (глобус, модель кристаллической решётки) или поведение (радиоуправляемая модель самолёта, велотренажёр);
• воображаемые модели (геометрическая точка, математический маятник, идеальный газ, бесконечность);
• информационные модели — описания моделируемого объекта на одном из языков кодирования информации (словесное описание, схемы, чертежи, карты, рисунки, научные формулы, программы и пр.).

В курсе информатики  нас интересуют прежде всего информационные модели.

Информационная модель, как и любой другой вид информации, должна иметь свой материальный носитель. Им может быть бумага, холст, стена, классная доска — то есть любая поверхность, на которой можно что-то написать, изобразить. На этом носителе модель может быть записана разными «физическими» способами: с помощью чернил, мела или типографского оттиска; быть диапроекторным световым изображением или изображением на экране монитора (заметим, что сама эта «запись» является моделью той информации, которая передаётся, представляется изображением, но все эти вопросы относятся больше к теории знаковых систем). Мы же под информационной моделью в общем случае понимаем тот смысл, который она передаёт. Формула квадратного уравнения остаётся формулой квадратного уравнения, написана ли она мелом на доске, лучом прожектора на облаке или вырублена на гранитной глыбе.

Задачи, которые мы решаем, по своему назначению можно разделить на две категории:

• вычислительные задачи, целью которых является определение  некоторой величины;

• функциональные задачи, предназначенные для создания некоего аппарата, выполняющего некоторые действия, функции.

 

Этапы решения задачи:

Реальный объект - модель - алгоритм - программа - результат.

Назначение моделей

Пример

Книга как объект моделирования.

Возьмём с полки любую книгу. Посмотрим на неё как на объект моделирования. Что нас может в ней интересовать?

Во-первых, внешний  вид, а именно, оформление обложки, формат, качество бумаги, красочность иллюстраций и т. п. Внешний вид книги интересует в первую очередь её издателей, а также некоторых читателей («Ну что это за книжка без картинок и разговоров?» — говорила Алиса из сказки Л. Кэрролла). Но если читателей книга вряд ли интересует как объект моделирования, то для полиграфиста моделирование внешнего вида книги является одним из видов профессиональной деятельности.

Во-вторых, ещё  не читая эту книгу, мы хотим понять, как она «устроена». Для этого достаточно, например, посмотреть оглавление, которое можно рассматривать как модель содержания книги. Иногда книги содержат предметные указатели со ссылками на конкретные страницы книги. Статьи в большинстве энциклопедий и справочников расположены в алфавитном порядке. Всё это различные способы моделирования содержания книги, её структуры. Вопросы моделирования структуры могут интересовать прежде всего читателей книги, а также её авторов.

В-третьих, мы хотим  знать, что с этой книгой может быть через день, год, столетие: останется ли актуальным её содержание, не пожелтеют ли страницы, сохранится ли в целости её переплёт. Эти вопросы- интересуют владельцев книг, библиотечных работников, библиофилов, а также распространителей книг, организующих рекламные кампании. Примером модели «поведения» книги может служить следующий рекламный текст: «Интереснейшая книга, которая послужит вам и вашим внукам, в твёрдом прошитом переплёте, которому не страшно время...» Пример

Книга как модель.

Что такое книга  с точки зрения её содержания? Её вполне можно назвать моделью знаний, опыта, переживаний, чувств, эмоций автора. При этом необходимо учитывать, что при написании книги автор ставил перед собой вполне конкретные цели: передать свои знания другим, выразить свои переживания, систематизировать известные факты, спрогнозировать развитие какой-то ситуации. По словам Б. Пастернака, содержание книги — это мысль, доведённая до ясности слова.

Написанная  книга, являясь моделью, сама становится информационным объектом и начинает жить самостоятельной жизнью. Этот информационный объект может быть хорошим или плохим «заместителем» исходного информационного объекта — мыслей и чувств автора.

Пример

В течение столетий люди познавали нашу Землю. В частности, землепроходцев, мореплавателей всегда интересовало расположение материков и океанов, рек и горных хребтов, господствующие направления ветров и течений, колебания годовой и суточной температуры и т. п. Знания добывались трудно, а подчас и с большими жертвами. Полученные знания фиксировались на географических картах, которые со временем становились всё точнее и точнее. Эти карты можно рассматривать как информационные модели, отражающие процесс познания нашей планеты.

Пример

«Как сердцу выразить себя?

Другому как  понять тебя?»

(Ф.  Тютчев )

Действительно, что нужно сделать, какие фразы  «сконструировать», какие жесты  подобрать, чтобы быть точно и однозначно понятым и при ответе домашнего задания у доски, и выступая на научном симпозиуме, и рассказывая об интересном случае в компании друзей?

Любое общение  — это прежде всего обмен информацией. Чтобы этот обмен совершился, информация должна быть как-то «оформлена». При этом оформление зависит от тех целей, которые вы перед собой ставите, и средств, которые вы имеете.

Например, сообщить о дате своего приезда друзьям  вы можете очень кратко в телеграмме. Договориться о месте и времени встречи вы можете по телефону. Написать о том, что вас волнует, можно в обычном или электронном письме. Но есть вопросы, которые стоит обсуждать только при личной встрече.