Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многообразны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и поэтому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели. Кроме того, в реальном времени оригинал (прототип объекта, процесса, явления) может уже не существовать. На основании известных фактов методом гипотез и аналогий можно построить модель событий или природных катаклизмов далекого прошлого (теории вымирания динозавров или гибели Атлантиды, теоретическая модель “ядерной войны” и т.д.).
! Модель – упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении.
Моделирование – построение моделей для исследования и изучения объектов, процессов, явлений.
В моделировании есть два заметно разных пути. Модель может быть похожей копией объекта, выполненной из другого материала, в другом масштабе, с отсутствием ряда деталей (игрушечный кораблик, домик из кубиков, макеты исторических памятников и т.д.). Модель может, однако, отображать реальность более абстрактно-словесным описанием в свободной форме, описанием, формализованным по каким-либо правилам, математическими соотношениями и т.д.
Классификация моделей и процессов
На сегодняшний день еще не существует общепринятая точка зрения на классификацию абстрактных моделей. Однако необходимость разложить по “полочкам” все многообразие используемых моделей приводит к таким, например, способам классификации объектов, как:
область использования;
учет в модели реального фактора (динамики);
отрасль знаний;
способ представления моделей.
Классификация по области использования
Если рассматривать модели с позиций для чего, с какой целью они используются, то можно применить следующую классификацию:
Учебные модели. Это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.
Опытные модели – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта (натурные модели). Используются для исследования объекта и прогнозирования его будущих характеристик (модели конструируемых зданий, кораблей, гидроэлектростанций и.т.д.).
Научно - технические модели используют для исследования процессов и явлений (синхротрон – ускоритель электронов, стенд для проверки телевизоров и т.д.).
Игровые модели – это военные, экономические, спортивные, деловые игры. Они прогнозируют поведение объекта в различных ситуациях, позволяют оказывать психологическую помощь, разрешать конфликтные ситуации.
Имитационные модели не просто отражают реальность с определенной точностью, но и имитируют ее. Эксперимент либо многократно повторяется, чтобы изучить последствия каких-либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами. Это метод проб и ошибок. Например, опыты на мышах по испытанию новых лекарств, эксперименты в обычных школах по введению новых предметов в учебную программу.
Классификация с учетом фактора времени и области использования
С учетом фактора времени модели можно разделить на:
статические модели– это как бы одномоментный срез информации по объекту. Например, медицинское обследование учащихся школы дает картину состояния их здоровья на данный момент.
Динамические модели – позволяют увидеть изменения объекта во времени (карточка здоровья ребенка в поликлинике, расчет сейсмических колебаний и других факторов при строительстве зданий и т.д.).
По области использования модели классифицируются на: биологические, исторические, физические и.т.д.).
Классификация по способу представления
По способу представления все многообразие моделей делится на две группы: материальные и информационные.
Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение. Например, это – детские игрушки, чучела животных, географические карты, астрономические карты, макет ракеты, школьные физические и химические опыты. Подобные модели реализуют материальный подход к изучению объекта, процесса, явления.
Информационная модель не имеет материального воплощения, стоятся на информации. В основе этого метода моделирования лежит информационный подход к изучению окружающей действительности.
! Информационная модель – совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.
В свою очередь информационные модели имеют следующую структуру:
знаковые
компьютерные
некомпьютерные
вербальные
! Вербальная модель – информационная модель в мысленной или разговорной форме.
Вербальные модели возникают в результате раздумий, умозаключений. Они могут так и остаться мысленными или быть выражены словесно. Например, модель безопасного поведения человека на дороге, идея изобретателя, музыкальная тема в голове композитора, рифма в сознании поэта.
! Знаковая модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка.
Знаковые модели окружают нас повсюду. Рисунки, тексты, графики, схемы... Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны.
По форме представления можно выделить следующие виды информационных моделей:
геометрические – 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.д.;
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.
Компьютерные и некомпьютерные модели
Если модель выражена в абстрактной, умозрительной форме, то нужны некоторые знаковые системы, позволяющие описать ее,- специальные языки, чертежи, схемы, таблицы, алгоритмы, математические формулы и т.д. Здесь могут быть использованы два варианта инструментария: либо традиционный инструмент (линейка, карандаш и т.п.), либо более совершенный инструмент – компьютер.
Значит по способу реализации информационные знаковые модели делятся на компьютерные и некомпьютерные модели.
! Компьютерная модель – модель, реализованная средствами программной среды.
Компьютер работает с информацией. Поэтому следует исходить из того, какую информацию и в каком виде может воспринимать и обрабатывать компьютер (звук, видеоизображения, анимация, текст, таблицы и т.д.). Но для использования всего многообразия информации необходимо как техническое (Hardware), так и программное (Software) обеспечение. И то и другое – инструменты компьютерного моделирования.
Информационные компьютерные модели строятся на основе следующих технологий:
с помощью использования инструментального использования базовых универсальных программных средств (текстовые редакторы, СУБД, табличные процессоры, телекоммуникационные пакеты);
компьютерного моделирования, представляющего собой
вычислительное (имитационное) моделирование;
“визуализацию явлений и процессов” (графическое моделирование;
“высокие” технологии, понимаемые как специальные прикладные технологии, использующие компьютер (как правило, в режиме реального времени) в сочетании с измерительной аппаратурой, сенсорами и т.д.
Основные этапы моделирования
Моделирование занимает центральное место в исследовании объекта, процесса, явления. Оно позволяет обоснованно принимать решение: как совершенствовать объекты, (процессы), надо ли создавать новые, как изменять процессы управления и, в конечном итоге, - как менять окружающий мир в лучшую сторону.
Прежде чем браться за какую-либо работу, нужно четко представить себе отправной и конечный пункты деятельности, а также примерные ее этапы. То же можно сказать о моделировании.
Прототип (объект, процесс) à Моделирование à Принятие решения
Отправной пункт здесь – прототип. Им может быть существующий или проектируемый объект либо процесс.
Конечный этап – принятие решения. На этом этапе мы либо создаем новый объект (процесс), модель которого мы исследовали, либо улучшаем существующий, либо получаем о нем дополнительную информацию.
Моделирование – творческий процесс. Заключить его в формальные рамки очень сложно. В наиболее общем виде его можно представить поэтапно.
I этап. Постановка задачи
Описание задачи
Цель моделирования
Анализ объекта
II этап. Разработка модели
Информационная модель
Знаковая модель
Компьютерная модель
III этап. Компьютерный эксперимент
План моделирования
Технология моделирования
IV этап. Анализ результатов моделирования
Четвертый этап показывает, соответствуют ли полученные результаты цели или не соответствуют. В последнем случае, необходимо вернуться либо на второй, либо на третий этапы.
