Моделирование как метод научного познания

Белорусский государственный  университет

Институт бизнеса и  менеджмента технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

Основы современного естествознания

«Моделирование  как метод научного познания»

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   Студентка 1 курса,  101 группа,

                                                                  Юхневич Арина Казимировна

                                                                   Доцент Буров А.И.

 

 

 

 

 

Минск 2010

 

Оглавление

Введение 3

Глава 1. Модели и моделирование 4

          1.1 Общие сведения о моделировании 4

                   1.1.1 Методы и цели моделирования 6

          1.2 Развитие понятия «модель» 8

          1.3 Условия реализации свойств моделей 10

          1.4 Соответствие между моделью и действительностью: различия  и сходство 11

Глава 2. Классификация моделей 15

          2.1 Классификация моделей по целевому назначению 15

          2.2  Классификация моделей по типу задач 16

          2.3  Классификация моделей по способу реализации 17

          2.4 Классификация моделей по отношению ко времени 18

          2.5 Классификация моделей по характеру зависимости выходных параметров от входных модели 19

          2.6 Классификация моделей по виду критерия эффективности и наложенных ограничений 20

          2.7 Классификация моделей по области использования 20

          2.8 Классификация моделей по способам воплощения 21

          2.9 Классификация видов моделирования 24

Глава 3. Построение моделей 27

           3.1 Основные принципы моделирования и этапы построения моделей 27

Заключение 32

Список литературы 34

 

 

 

 

 

 

Введение

С развитием науки непрерывно возрастает интерес к проблемам  познания.  Но именно в познании действительно не всегда имеется возможность непосредственно исследовать интересующий объект (или же это исследование требует много времени и средств), а моделирование объекта позволяет избежать такой трудности. В чем и заключается необходимость использования данного метода.

С каждым годом моделирование все шире применяется в самых различных областях человеческой деятельности. Основная его задача заключается в том, чтобы вооружить исследователей технологией создания таких моделей, которые достаточно точно и полно фиксируют интересующие свойства оригиналов, проще или быстрее поддаются исследованию и допускают перенесение его результатов на оригиналы. Моделирование позволяет проверить правильность теоретических представлений, уточнить сущность тех или иных явлений, предсказать течение различных процессов.

Многие открытия в различных  науках были сделаны именно благодаря  построению моделей различных объектов, процессов и явлений. Например, открытие кислорода стало возможным благодаря  опытам по сгоранию некоторых веществ, а сконструированные модели летательных  аппаратов Циолковским привело  к созданию космических кораблей и спутников, которые были выведены на орбиту Земли в середине 20 века.

Однако моделирование  как специфическое средство и  форма научного познания не является изобретением XIX или XX века. Достаточно указать на представления Демокрита и Эпикура об атомах, их форме, и способах соединения, об атомных вихрях и ливнях, объяснения физических свойств различных веществ с помощью представления о круглых и гладких или крючковатых частицах, сцепленных между собой. Эти представления являются прообразами современных моделей, отражающих ядерно-электронное строение атома вещества.

Становление моделирования  было обусловлено именно практическими  потребностями познания. Оно дает возможность наглядно представить чувственно невоспринимаемые процессы, так как некоторые явления безопаснее исследовать на модели, нежели в реальности (изучение молнии, последствия атомного взрыва, ядерную энергию и т.д.).

Глава 1. Модели и моделирование

           1.1 Общие сведения о моделировании

Для понимания сущности моделирования  важно не упускать из виду, что моделирование  — не единственный источник знаний об объекте. Процесс моделирования "погружен" в более общий  процесс познания. Это обстоятельство учитывается не только на этапе построения модели, но и на завершающей стадии, когда происходит объединение и  обобщение результатов исследования, получаемых на основе многообразных  средств познания.

И.Т. Фролов отмечал, что «моделирование означает материальное или мысленное  имитирование реально существующей системы путем специального конструирования  аналогов (моделей), в которых воспроизводятся  принципы организации и функционирования этой системы» [10]. Здесь в основе мысль, что модель - средство познания, главный ее признак - отображение.

Моделирование заключается в построении некоторой системы-модели (второй системы), связанной определенными отношениями подобия с системой-оригиналом (первой системой), причем в этом случае отображение одной системы в другую является средством выявления зависимостей между двумя системами, отраженными в соотношениях подобия, а не результатом непосредственного изучения поступающей информации.

Следует отметить, что с  точки зрения философии моделирование  – эффективное средство познания природы.

Процесс моделирования предполагает наличие:

• объекта исследования;
• исследователя, перед которым поставлена конкретная задача;
• модели, создаваемой для получения информации об объекте и необходимой для решения поставленной задачи.

Особенность моделирования  в сопоставлении с наглядностью состоит  в том, что объект изучается не непосредственно, а путем исследования другого объекта, аналогичного первому. Между исследователем и объектом познания стоит модель. При этом она не охватывает изучаемый объект полностью, а выражает лишь некоторые интересующие исследователя стороны. Собственно, о модели можно говорить лишь тогда, когда она занимает структурное место объекта действия.

Научной основой моделирования  служит теория аналогии. Под аналогией  понимают сходство объектов по их качественным и количественным признакам. Аналогия неразрывно связана с моделью, но нельзя путать эти два понятия. Это  среднее опосредующее звено между  моделью и объектом. Функция такого звена заключается в сопоставлении  различных объектов, обнаружении  и анализе объективного сходства определенных свойств, отношений, присущих этим объектам.

Аспектами моделирования  могут быть внешний вид, структура, поведение объекта моделирования, а также все их возможные комбинации.

Структурой объекта называют совокупность его элементов, а также  существующих между ними связей.

Поведением объекта называют изменение его внешнего вида и структуры с течением времени в результате взаимодействия с другими объектами.

Моделирование внешнего вида используется для идентификации (узнавания) объекта,

долговременного хранения образа.

Моделирование структуры  объекта используется для её наглядного представления, изучения свойств объекта, выявления значимых связей, изучения стабильности объекта.

Моделирование поведения  применяется при планировании, прогнозировании, установления связей с другими объектами, выявления причинно - следственных связей, управлении, конструировании технических устройств и так далее.

В процессе моделирования  каждый его аспект раскрывается через совокупность свойств. В моделях отражаются не все свойства, а только существенные с точки зрения целей моделирования.

Каждый аспект моделирования  характеризуется своим набором  свойств:

• внешний вид - набором признаков;
• структура - перечнем элементов и указанием отношений между ними;
• поведение - изменением внешнего вида и структуры с течением времени.

1.1.1 Методы и цели моделирования

Решение любой практической задачи всегда связано с исследованием, преобразованием некоторого объекта (материального или информационного) или управления им.

Наверное, самым важным этапом моделирования является определение  цели моделирования на этапе постановки задачи. Вполне естественно, что именно цель позволяет определить, какие  характеристики объекта-оригинала  считать существенными, а какими можно пренебречь. Цель определяет, каковы будут методы решения поставленной задачи, какие средства, например, программная среда, будут выбраны, и каким образом будут отображены результаты исследования.

Цель моделирования возникает, когда субъект моделирования  решает поставленную перед ним задачу, и зависит как от решаемой задачи, так и от субъекта моделирования. То есть цель моделирования имеет  двойственную природу: с одной стороны, она объективна, так как вытекает из задачи исследования, с другой - субъективна, поскольку исследователь всегда корректирует её в зависимости от опыта, интересов, мотивов деятельности.

Для одного объекта один субъект может построить несколько  моделей, если он решает разные задачи, приводящие к разным целям моделирования.

Для одного объекта разные субъектов могут построить разные модели, даже если задача моделирования у них одна. Выбор вида модели и её построение зависят от знаний, опыта, предпочтений, личных интересов субъекта.

Разные объекты могут иметь одинаковые по виду модели, даже ели их строили разные субъекты, исходя из разных целей моделирования.

Основные цели моделирования, как предлагает А.Б. Горстко [1], таковы:

1) модель нужна для  того, чтобы понять, как устроен  конкретный объект, какова его  структура, основные свойства, законы  развития и взаимодействия с  окружающим миром; 

2) модель нужна для  того, чтобы научиться управлять  объектом (или процессом) и определить  наилучшие способы управления  при заданных целях и критериях; 

3) модель нужна для  того, чтобы прогнозировать прямые  и косвенные последствия реализации  заданных способов и форм воздействия  на объект.

Общая цель моделирования  может быть сформулирована следующим  образом:  это определение (расчет) значений выбранного показателя эффективности (ПЭ) для различных стратегий проведения операции (или вариантов реализации проектируемой системы). При разработке конкретной модели цель моделирования  должна уточняться с учетом используемого  критерия эффективности. Для критерия пригодности модель, как правило, должна обеспечивать расчет значений ПЭ для всего множества допустимых стратегий. При использовании критерия оптимальности модель должна позволять  непосредственно определять параметры  исследуемого объекта, дающие экстремальное  значение ПЭ [2].

Таким образом, цель моделирования  определяется как целью исследуемой  операции, так и планируемым способом использования результатов исследования. Например, проблемная ситуация, требующая  принятия решения, формулируется следующим  образом: найти вариант построения вычислительной сети, который обладал  бы минимальной стоимостью при соблюдении требований по производительности и по надежности. В этом случае целью моделирования является отыскание параметров сети, обеспечивающих минимальное значение ПЭ, в роли которого выступает стоимость.

Существуют два метода моделирования: аналитическое и  имитационное. 

При аналитическом моделировании  модель системы или ее элементов  имеет вид функциональных зависимостей между входными, выходными и параметрами  состояния системы. Это могут  быть математические или логические функции, а модели могут иметь  вид алгебраических, дифференциальных, интегро-дифференциальных уравнений  или логических условий. Исследования поведения системы или ее элементов по аналитическим моделям состоит в решении аналитически, либо численными методами соответствующих уравнений и интерпретации полученных результатов. Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов системы записываются в виде функциональных соотношений (алгебраических, интегро-дифференциальных, конечно-разностных и т.п.) или логических условий.  Однако аналитическое моделирование дает хорошие результаты в случае достаточно простых систем. В случае сложных систем требуется либо существенное упрощение первоначальной модели, чтобы изучить хотя бы общие свойства системы. Это позволяет получить ориентировочные результаты, а для определения более точных оценок использовать другие методы, например, имитационное моделирование. Целью построения имитаций является максимальное приближение модели к конкретному (чаще всего уникальному) экологическому объекту и достижение максимальной точности его описания. Имитационные модели претендуют на выполнение как объяснительных, так и прогнозных функций, хотя выполнение первых для больших и сложных имитаций проблематично (для удачных имитационных моделей можно говорить лишь о косвенном подтверждении непротиворечивости положенных в их основу гипотез).  

При имитационном моделировании  процесс функционирования системы  воспроизводится по времени, причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением  их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет  по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность  оценить характеристики системы. Имитационное моделирование может быть положено в основу структурного, алгоритмического и параметрического синтеза больших систем.  Когда же результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели процесса функционирования системы, являются реализациями случайных величин и функций, то для нахождения характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение с последующей статической обработкой информации. В этом случае в качестве метода машинной реализации имитационной модели следует использовать метод статического моделирования (метод Монте – Карло). В настоящее время имитационное моделирование – наиболее эффективный метод исследования больших систем, включая задачи оценки: вариантов структуры системы, влияние изменения различных параметров системы.