Моделирование как метод познания

Тема: Моделирование как метод познания Основные понятия Моделирование Модель Типы моделей Классификация моделей     У американского писателя-фантаста Рея Брэдбери есть рассказ «И грянул гром». В нем повествуется о фирме, организующей путешествия на 60 миллионов лет в прошлое. Все посетители прошлого должны передвигаться только по специально проложенной тропе, ибо один неосторожный шаг уже способен нарушить последующую Историю. Устами одного из служащих фирмы это описано так: «Допустим, мы случайно убили здесь мышь. Это значит, что всех будущих потомков этой мыши не будет... Вы уничтожите не одну, а миллион мышей... А как с лисами, для питания которых нужны были именно эти мыши? Не хватит десяти мышей – умрет одна лиса. Десятью лисами меньше – подохнет от голода лев... И вот итог: через 59 миллионов лет пещерный человек, один из дюжины, населяющей весь мир, выходит на охоту за кабаном или саблезубым тигром. Но вы, раздавив одну мышь, раздавили всех тигров в этих местах. И пещерный человек умирает от голода... Это смерть миллиарда его потомков. Может быть, Рим не появится на своих семи холмах...» Напрасно один из героев рассказа умолял вернуть его на 60 миллионов лет назад, чтобы оживить случайно раздавленную им бабочку. Он оказался уже совсем в иной Истории и погиб. Это, конечно, всего лишь фантастика, сказка, смоделированная автором ситуация, но в ней намек всем нам, как осторожны должны мы быть в нашем общении с природой. Как часто наши решения оказываются непродуманными: то мы вдруг решаем уничтожить всех волков, якобы приносящих только вред, то заселяем весь материк кроликами (так случилось в Австралии) и потом не знаем, как от них избавиться. Каждый раз хочется вернуться в тот роковой миг и сделать более правильный, как нам кажется, шаг. Но это, увы, невозможно – нет такой машины времени, которая перенесла бы нас в прошлое. Есть, однако, «машина времени», позволяющая заглянуть в будущее, проанализировать, смоделировать процесс, ситуацию, – это наука. Рассмотрим пример из жизни. В 1870т. английское Адмиралтейство спустило на воду новый броненосец «Кэптен». Корабль вышел в море и перевернулся. Погиб корабль, погибли 523 человека. Это было совершенно неожиданно для всех. Для всех, кроме одного человека. Им был английский ученый-кораблестроитель В. Рид, который предварительно провел исследования на модели броненосца и установил, что корабль опрокинется даже при небольшом волнении. Но ученому, проделывающему какие-то «несерьезные» опыты с «игрушкой», не поверили лорды из Адмиралтейства. И случилось непоправимое. С различными моделями мы сталкиваемся еще в раннем детстве: игрушечный автомобиль, самолет или кораблик для многих были любимыми игрушками, равно как и плюшевый медвежонок или кукла. Дети часто моделируют (играют в кубики, обыкновенная палка им заменяет коня и т. д.). Приведем несколько примеров, поясняющих, что такое модель. При поступлении на работу обычно каждый человек заполняет личный листок по учету кадров. Эта анкета - модель человека: она отражает какие-то его черты. Когда человек ложится в больницу, заполняется «история болезни» - анкета, в которой хотя некоторые пункты и совпадают с пунктами в личном листке, но обязательно имеются и другие, специфические. Наконец, то же лицо может задержать милиция и составить на него протокол - модель для предъявления обвинения. Таким образом, один и тот же объект может быть описан множеством моделей. Каждая из этих моделей дает лишь какое-то представление о самом объекте. Но каким бы ни было описание человека, это все равно не сам человек. В любой своей деятельности человек создает модель того объекта, процесса или явления, с которым ему приходится иметь дело. 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 и удобства (наглядность, обозримость, доступность испытаний, легкость оперирования с ними и т.д.). Иначе говоря, модель - это некоторое упрощенное подобие реального объекта, процесса или явления. Анализ модели и наблюдение за ней позволяют познать суть реально существующего, более сложного объекта, называемого оригиналом. Модели разрабатывают, если: 1. Оригинал уже не существует (древние цивилизации) 2. Оригинал очень велик или очень мал (Галлактика, атом) 3. Процесс протекает очень быстро или очень медленно (процессы в ядре планеты или двигатель внутреннего сгорания) 4. Исследование объекта может привести к его разрушению (самолет) и т.д. Моделирование - это процесс построения моделей для исследования, изучения или управления реальным объектом. Классификация моделей Статические Динамические Материальные Информационные Одномоментный срез информации по объекту Позволяют увидеть изменения состояния оьбъекта во времени Соблюдается геометрическое подобие оригинала Информация (т.е. знания, сведения) о реальном объекте, процессе, явлении Обследование учащихся на медосмотре дает картину физического состояния на данный момент времени. Медицинская карта школьника, отражающая состояние здоровья за много лет. Муляж фруктов в магазине, глобус, картина, скульптура и т.д. Математическая задача Информационные модели Знаковые Вербальные Определение Примеры Информационная модель, выраженная средствами формального языка Информационная модель в мысленной или разговорной форме Рисунки, тексты, графики, схемы и т.д. Мысленный образ объекта, описание человека и т.д. Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в голове человека, может быть облечен в знаковую форму. Например, мелодия, родившаяся в голове композитора, бедт представлена в виде нот на бумаге. Далее нас будут интересовать информационные модели. Представьте себе, что вам подробно описали внешность человека, которого вы никогда не видели. Затем по описанию вы узнали этого человека. Стало быть в вашем сознании сложился некоторый образ человека в результате сообщенной информации, т.е. создалась информационная модель. Любой приемник информации всегда имеет дело в силу своей ограниченности не с реальным объектом, процессом или явлением, а лишь с их информационной моделью. Можно сказать, что информационным моделированием занимается любая наука, т.к. задача любой науки - получение знаний, а наши знания всегда носят приближенный (т.е. модельный) характер. Чем больше развивается наука, тем точнее становятся эти знания, но все равно в какой-то мере они остаются приближенными. Старые модели заменяются новыми. И этот процесс является бесконечным. Информатика занимается общими методами и средствами создания и использования информационных моделей. Для создания моделей используется огромный спектр инструментов. Если модель материальная, то для ее создания используют традиционные инструменты: фотоаппарат, различные станки и инструменты, кисть художника, карандаш и т.д. Для создания информационных моделей в наши дни используют самый совершенный инструмент: компьютер. Именно наличие компьютерной техники позволило ученым исследовать такие модели, которые невозможно было исследовать раньше. Например, метеорологи и 100 лет назад могли написать уравнение для рассчета прогноза погоды на завтра. Но на решение "ручным способом" потребовалось бы очень много времени. Лишь с помощью компьютера появилась возможность рассчитать прогноз погоды прежде чем наступит завтрашний день. Чаще всего информационное моделирование используют для прогнозирования поведения объекта моделирования и принятия управленчисиких решений. Чтобы модель можно было хорошо изучить и проводить с нею эксперименты, она сама должна быть достаточно простой. Однако, чем проще модель, тем обычно в меньшей степени она соответствует моделируемому процессу или объекту. Поэтому моделирование всегда компромисс между простотой модели и обеспечиваемою ею точностью. Важно отметить, что одна и та же модель может служить для отображения различных явлений. Например, формула y=a*x может выражать как зависимость длины пути от времени при постоянной скорости, так и зависимость цены изделия от его массы. Интересный факт  Какую классическую задачу из информатики пчёлы могут решать с эффективностью современных компьютеров? Лабораторные исследования показали, что пчёлы умеют выбирать оптимальный маршрут. После локализации расставленных в разных местах цветков пчела совершает облёт и возвращается обратно таким образом, что итоговый путь оказывается наикратчайшим. Таким образом, эти насекомые эффективно справляются с классической «задачей коммивояжёра» из информатики, на решение которой современные компьютеры, в зависимости от количества точек, могут тратить не один день. Компьютерный практикум: Задание 1. Построить словеcную модель в среде текстового редактора. Объект моделирования: одноклассник Цель: построение словесной модели. Параметры моделирования: 1. ФИО, 2. Черты лица, телосложение, рост, вес и т.д. 3. Любимое занятие, хобби. 4.Общее описание характера, взаимоотношений с окружающими. Задание 2. Построить графическую модель в среде Графического редактора. (Презентация) Вопросы и упражнения: 1. Что такое модель? 2. В чем принципиальное отличие модели от моделируемого объекта? 3. Для чего человек часто заменяет объекты, процессы или явления их моделями? 4. Какие виды моделей вы можете назвать? Дайте краткую характеристику каждому из этих видов. 5. Могут ли разные явления описываться одной и той же моделью? Приведите примеры. 6. Может ли для одного и того же объекта, процесса, явления построить несколько различных моделей? Если да, то приведите примеры. 7. Рассмотрите в качестве явления какую-нибудь мелодию. Постройте для нее модель. 8. Можно ли считать литературное произведение моделью? Почему? Проверочная работа: Тест (тренировочный и итоговый) по теме Моделирование (И.Г. Семакин, school-collection.edu.ru) Задание 1. Заполните таблицу: Объект Человек Земля Автомобиль Модели Темы для рефератов: 1. Моделирование как метод познания 2. Компьютерное моделирование физических процессов. 3. Математические методы в медицине Домашнее задание: Приведите примеры материальных , динамических и статических моделей.