Что понимают под теоретическим моделированием
Теоретические основы моделирования
Лабораторная работа №4
Информационное моделирование
Теоретические основы моделирования
Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей, т.е. исследование объектов путем построения и изучения моделей.
Модель – это некоторое упрощенное подобие реального объекта, который отражает существенные особенности (свойства) изучаемого реального объекта, явления или процесса.
Объект – это некоторая часть окружающего мира, рассматриваемого человеком как единое целое. Каждый объект имеет имя и обладает параметрами, т.е. признаками или величинами, характеризующие какое-либо свойство объекта и принимаемые различные значения.
Модель должна строится так, чтобы она наиболее полно воспроизводила те качества объекта, которые необходимо изучить в соответствии с поставленной целью. Во всех отношениях модель должна быть проще объекта и удобнее его для изучения. Таким образом, для одного и того же объекта могут существовать различные модели, классы моделей, соответствующие различным целям его изучения.
1. Постановка задачи: описание задачи, цель моделирования, формализация задачи
2. Разработка модели: информационная модель, компьютерная модель
3. Компьютерный эксперимент – план эксперимента, проведение исследования
4. Анализ результатов моделирования
Хорошо построенная модель, как правило, доступнее для исследования, чем реальный объект (например, такой, как экономика страны, Солнечная система и т.п.). Другое, не менее важное назначение модели состоит в том, что с ее помощью выявляются наиболее существенные факторы, формирующие те или иные свойства объекта. Модель также позволяет учиться управлять объектом, что важно в тех случаях, когда экспериментировать с объектом бывает неудобно, трудно или невозможно (например, когда эксперимент имеет большую продолжительность или когда существует риск привести объект в нежелательное или необратимое состояние).
Таким образом, можно сделать вывод, что модель необходима для того, чтобы:
– научиться управлять объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);
– прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект, процесс.
Аспектами моделирования могут быть внешний вид, структура, поведение объекта моделирования, а также их всевозможные комбинации.
Структурой объекта называют совокупность его элементов и существующих между ними связей.
Поведением объекта назовём изменения его внешнего вида и структуры с течением времени в результате взаимодействия с другими объектами.
Моделирование внешнего вида объекта 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:
· установлении связей с другими объектами;
· выявлении причинно-следственных связей;
· конструировании технических устройств и т. п.
В процессе моделирования каждый аспект моделирования раскрывается через совокупность свойств.
В моделях отражаются не все свойства объекта, а только существенные с точки зрения цели 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.
Некоторые свойства объекта моделирования могут быть выражены величинами, принимающими численные значения. Такие величины носят название параметров модели.
Информационную модель можно рассматривать как некоторый новый информационный объект, который тоже, в свою очередь, может быть объектом моделирования.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Теоретическое моделирование
Теоретическое моделирование большое значение придает иерархическому признаку расположения моделей. [5]
Теоретическое моделирование быстрого поверхностного испарения при наличии противодавления / / Ракетная техн. [6]
Результаты теоретического моделирования показывают, что реальные объекты в очень редких случаях имеют такие упрощенные структуры. В общем случае структуры реальных объектов описываются комбинацией различных специальных структур. [8]
При теоретическом моделировании и разработке манекенов тело человека представляется в виде механической системы, состоящей из некоторого числа твердых тел, сочлененных упругими и вязкими связями, Выбор структуры механической модели существенно определяет результаты моделирования. [9]
При теоретическом моделировании состояний жидких и взвешенных твердых фаз продуктивных пластов установлено, что наиболее существенно влияние упругих колебаний проявляется в областях преобладания насыщенности одной фазы над другой, при образовании застойных областей малой фазы в малопроницаемых порах среды. Виброволновое воздействие мобилизует жидкости в мелких порах, способствует восстановлению связности малой фазы и ее фильтрационному течению по пористой среде. Предложен механизм пленочного массопереноса изолированной нефти в пористой среде, названный виброосмосом, в котором движущей силой переноса пленочной нефти служат упругие колебания, разрушающие или существенно уменьшающие толщину пленки, что приводит к перекачке нефтяной фазы от более к менее толстым слоям пленки. [10]
Таким образом, теоретическое моделирование в значительной степени облегчает труд экспериментатора при его попытке установить внутренние связи явления со всей их сложностью и неповторимостью. Вместо многих количественных измерений, наблюдений, вместо выявления внутренних связей путем долгого экспериментирования исследователь для изучения явлений обращается к его упрощенному уподоблению с помощью теоретического моделирования. [11]
Оно может дополняться теоретическим моделированием процессов при помощи электронно-вычислительных машин. Она выражает движение мысли от явлений к сущности, ко все более глубокому познанию законов. [13]
Первой проблемой при теоретическом моделировании семейства SiAION-политипов является определение природы формирования их химического состава. [14]
Конспект урока Естествознание, 10 класс Урок 8. Моделирование в науке
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Естествознание, 10 класс
Урок 8. Моделирование в науке
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
Модель ( франц. modele, от лат. modulus мера, образец, норма) — это форма отображения определённого фрагмента действительности (предмета, явления, процесса, ситуации), который содержит существенные свойства моделируемого объекта и может быть представлен в абстрактной (мысленной или знаковой) или материальной (предметной) форме.
Моделирование – метод теоретического познания, состоящий в исследовании каких-либо явлений, процессов или систем путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения поведения и характеристик реальных систем.
Математическая модель – модели, построенные с использованием математических понятий и инструментария (формул, графиков, систем уравнений и т.д.)
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
Открытые электронные ресурсы по теме урока :
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Реальные объекты исследования не всегда доступны для исследователя или в их функционирование нельзя вмешиваться. В этом случает можно заменить «оригинал» соответствующим аналогом (моделями), пользуясь которым можно провести эксперимент, изучать его поведение при изменениях параметров внешней и внутренней среды. В воспроизведении свойств объекта изучения на специально устроенном его аналоге-модели заключается суть процесса моделирование. Сама модель — это всегда упрощенное отражение объекта, копия реального объекта, обладающая его основными характеристиками и способная имитировать его поведение.
Модели могут быть реальными (материальными), например, модели самолетов, макеты зданий, фотографии, протезы, куклы и т.п., а также теоретическими (идеальными или абстрактными), создаваемые средствами языка (как естественного человеческого языка, так и специальных языков, например, языком математики. В этом случае мы имеем математическую модель, которая описывает взаимосвязи в изучаемой системе).
Математическое моделирование – инструмент познания, изучения и исследования сложных систем. Эти системы сложны потому, что либо состоят из большого числа структурных компонентов, либо находятся под влиянием большего числа внешних факторов. В этом случае ученые создают модели – упрощенные копии систем, отражающие их структуру и функциональные взаимосвязи. В логике исследования под особым вниманием находятся лишь некоторые компоненты системы и ее взаимосвязи. Математические модели могут быть представлены в виде математических формул, систем уравнений, графиков и т.д. Например, системы дифференциальных уравнений в модели Лотки-Вольтерра, изучающей системы «паразит-хозяин» и «хищник-жертва» или графический образ экологических пирамид (масс, энергий) и др.
Выделяют три функции моделирования:
Познавательная функция заключается в том, что за счет абстрагирования модели позволяют достаточно просто объяснить наблюдаемые на практике явления и процессы (другими словами, они дают ответ на вопрос «почему мир устроен так»).
Прогностическая функция моделирования отражает его возможность предсказывать будущие свойства и состояния моделируемых систем, то есть отвечать на вопрос «что будет?».
Нормативная функция моделирования заключается в получении ответа на вопрос «как должно быть?» – если, помимо состояния системы, заданы критерии оценки ее состояния, то возможно не только описать существующую систему, но и построить ее нормативный образ – желательный с точки зрения субъекта, интересы и предпочтения которого отражены используемыми критериями.
Примеры моделей различных типов в естественных науках
§ 11. Моделирование в науке
Есть шестьдесят девять способов
сочинять песни племен, и каждый
из них правильный.
Р. Киплинг
Что такое моделирование? Что понимают под теоретическим моделированием? Как соотносятся между собой теоретические модели и естественнонаучные законы?
Урок-лекция
Что такое моделирование в науке и зачем оно необходимо. Одним из теоретических методов исследования природы является моделирование. Слово «модель» иностранного происхождения и имеет много различных значений. Наиболее распространено представление о материальных моделях технических устройств, агрегатов, механизмов (например, модель самолета или модель автомобиля). Сейчас слово «модель» широко употребляют в качестве еще одного значения — образец (например, топ-модель). Понятие «моделирование» также получило более широкое толкование — искусство создания чего-либо (например, моделирование одежды, моделирование взаимоотношений между людьми). Что же такое моделирование в науке?
Модель Солнечной системы из книги И.
Кеплера «Космографическая тайна».
Планетарные орбиты представлены вложенными друг в друга
правильными многогранниками (куб, тетраэдр, пирамида и т. д.)
Под моделью в науке понимают как некоторую материальную конструкцию (материальная модель), так и теоретическое (словесное и математическое) описание какого-либо процесса или явления (теоретическая модель). Во всех случаях модель должна быть похожа на естественный обьект, процесс или явление. Это означает, что модель должна обладать основными свойствами, характерными качественными особенностями того, что моделируется.
Приведем конкретный пример. В 70-е гг. XX в. возникла идея построения сооружений, защищающих Ленинград (Санкт-Петербург) от наводнений. Комплекс сооружений (дамба) должен был перекрывать путь воде, идущей из Финского залива во время наводнения, и в то же время не препятствовать прохождению судов в город. Возник вопрос об экологичности проекта. Построенное сооружение должно было повлиять на естественное течение воды в Финском заливе: в ней могли образоваться застойные зоны — искусственные болота, аккумулирующие грязь, идущую с водами Невы. Была построена материальная модель части акватории Финского залива. Занимая значительную площадь, эта модель была точной уменьшенной копией акватории и позволяла исследовать характер течений, который имел бы место при строительстве дамбы. При этом строительство модели было несоизмеримо дешевле строительства (и тем более перестройки) реального объекта.
Фактически, решая любую школьную задачу, в которой говорится о реальном, а не идеализированном процессе, вы занимаетесь моделированием. Приведем пример такой задачи. Требуется найти минимальный тормозной путь автомобиля, движущегося со скоростью v = 72 км/ч, если коэффициент трения между дорогой и шинами колес μ = 0,3. Ваших знаний физики должно хватить для решения этой задачи; мы приведем лишь ответ: S = v 2 /(2μg)
Все эти приближения следует обосновывать и численно оценивать погрешности, вносимые каждым из них.
Моделирование позволяет исследовать сложные процессы и явления с целью предсказания интересующих исследователя результатов. Это касается как материальных, так и теоретических моделей.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ. Понятие материальной модели не вызывает вопросов — модель автомобиля действительно отражает конструкцию автомобиля, но почему любое теоретическое описание мы также называем моделью? Разве это описание не основано на законах природы, которые вы изучали на уроках физики, химии, биологии, законах, которым подчиняются все объекты природы?
В конце XVI в. астрономом И. Кеплером были сформулированы законы, описывающие движения планет Солнечной системы. Эти законы были установлены эмпирически, т. е. на основании наблюдения за движением планет.
Недостатком эмпирических законов является то, что они не объясняют причину явления, а только констатируют факт. Объяснение кеплеровским законам было дано Ньютоном на основе законов динамики и закона всемирного тяготения.
Однако, чтобы получить из законов Ньютона кеплеровские законы, необходимо выделить наиболее существенные особенности движения планет и отбросить второстепенные.
Подобное моделирование, когда на основе известных законов путем некоторых обоснованных допущений и приближений формулируется достаточно просто решаемая задача, очень часто используют в науке. При необходимости можно попробовать уточнить модель, учтя те факторы, которыми вначале пренебрегали.
Развитие науки показывает, что каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения. Например, законы Ньютона оказываются неприменимы при исследовании процессов микромира. Для описания этих процессов сформулированы законы квантовой теории. С точки зрения моделирования это означает, что законы Ньютона являются некоторой моделью, которая следует при определенных приближениях из более общей теории. Однако и законы квантовой теории не абсолютны и имеют свои ограничения в применимости. Уже сформулированы более общие законы и получены более общие уравнения, которые, в свою очередь, также имеют ограничения.
Все естественно-научные законы — это модели, применимые для описания широкого класса явлений и процессов, происходящих в природе. Каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения Существует определенная иерархия законов: одни законы являются частными случаями других, т. е. могут быть выведены из них при определенных приближениях и допущениях.
И цепочке этой не видно конца. Пока еще не получены какие-либо абсолютные законы, описывающие все в природе, из которых можно было бы вывести все частные законы. И неясно, можно ли такие законы сформулировать. Но это означает, что любой из естественно-научных законов фактически является некоторой моделью.
Методы моделирования, развитые и отработанные в естественных науках, оказываются полезными и в гуманитарных науках. Например, процессы самоорганизации в природе, с которыми вы познакомитесь в главе V, позволяют продвинуться в понимании процессов, происходящих в обществе
Что такое математическое моделирование? Под математической моделью понимают систему уравнений, описывающих исследуемые процессы или явления. Фактически любая модель в физике является математической, поэтому понятие «математическая модель» в физике, как правило, не употребляют.
В других науках существуют качественные теоретические модели, не содержащие математических уравнений. Примером служит теория Ч. Дарвина в биологии, которая является качественной теоретической моделью сложного процесса эволюции живой природы.
С развитием компьютерной техники появился термин «компьютерное моделирование». Фактически это то же математическое моделирование, дополненное мощными вычислительными средствами, а также возможностью визуализации и интерактивного управления процессами. Примерами такого моделирования являются динамические компьютерные игры, различные эффекты в фантастических фильмах. Подобное моделирование применяют и для исследования различных природных процессов.
Но одних лишь знаний и умений недостаточно для успешного построения моделей еще не исследованных явлений. Фактически при таком моделировании происходит создание новой теории рассматриваемого явления, что является творческим процессом Как и в любом творческом процессе, при этом необходимо нечто выходящее за рамки науки — интуиция, вдохновение, чувство красоты теории. В этом смысле процесс моделирования в науке схож с другими творческими процессами, например с деятельностью художника, композитора, писателя.
§ 11. Моделирование в науке
Есть шестьдесят девять способов
сочинять песни племен, и каждый
из них правильный.
Р. Киплинг
Что такое моделирование? Что понимают под теоретическим моделированием? Как соотносятся между собой теоретические модели и естественнонаучные законы?
Урок-лекция
ЧТО ТАКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В НАУКЕ И ЗАЧЕМ ОНО НЕОБХОДИМО. Одним из теоретических методов исследования природы является моделирование. Слово «модель» иностранного происхождения и имеет много различных значений. Наиболее распространено представление о материальных моделях технических устройств, агрегатов, механизмов (например, модель самолета или модель автомобиля). Сейчас слово «модель» широко употребляют в качестве еще одного значения — образец (например, топ-модель). Понятие «моделирование» также получило более широкое толкование — искусство создания чего-либо (например, моделирование одежды, моделирование взаимоотношений между людьми). Что же такое моделирование в науке?
Модель Солнечной системы из книги И.
Кеплера «Космографическая тайна».
Планетарные орбиты представлены вложенными друг в друга
правильными многогранниками (куб, тетраэдр, пирамида и т. д.)
Под моделью в науке понимают как некоторую материальную конструкцию (материальная модель), так и теоретическое (словесное и математическое) описание какого-либо процесса или явления (теоретическая модель). Во всех случаях модель должна быть похожа на естественный обьект, процесс или явление. Это означает, что модель должна обладать основными свойствами, характерными качественными особенностями того, что моделируется.
Приведем конкретный пример. В 70-е гг. XX в. возникла идея построения сооружений, защищающих Ленинград (Санкт-Петербург) от наводнений. Комплекс сооружений (дамба) должен был перекрывать путь воде, идущей из Финского залива во время наводнения, и в то же время не препятствовать прохождению судов в город. Возник вопрос об экологичности проекта. Построенное сооружение должно было повлиять на естественное течение воды в Финском заливе: в ней могли образоваться застойные зоны — искусственные болота, аккумулирующие грязь, идущую с водами Невы. Была построена материальная модель части акватории Финского залива. Занимая значительную площадь, эта модель была точной уменьшенной копией акватории и позволяла исследовать характер течений, который имел бы место при строительстве дамбы. При этом строительство модели было несоизмеримо дешевле строительства (и тем более перестройки) реального объекта.
Фактически, решая любую школьную задачу, в которой говорится о реальном, а не идеализированном процессе, вы занимаетесь моделированием. Приведем пример такой задачи. Требуется найти минимальный тормозной путь автомобиля, движущегося со скоростью v = 72 км/ч, если коэффициент трения между дорогой и шинами колес μ = 0,3. Ваших знаний физики должно хватить для решения этой задачи; мы приведем лишь ответ: S = v 2 /(2μg)
Все эти приближения следует обосновывать и численно оценивать погрешности, вносимые каждым из них.
Моделирование позволяет исследовать сложные процессы и явления с целью предсказания интересующих исследователя результатов. Это касается как материальных, так и теоретических моделей.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ. Понятие материальной модели не вызывает вопросов — модель автомобиля действительно отражает конструкцию автомобиля, но почему любое теоретическое описание мы также называем моделью? Разве это описание не основано на законах природы, которые вы изучали на уроках физики, химии, биологии, законах, которым подчиняются все объекты природы?
В конце XVI в. астрономом И. Кеплером были сформулированы законы, описывающие движения планет Солнечной системы. Эти законы были установлены эмпирически, т. е. на основании наблюдения за движением планет.
Недостатком эмпирических законов является то, что они не объясняют причину явления, а только констатируют факт. Объяснение кеплеровским законам было дано Ньютоном на основе законов динамики и закона всемирного тяготения.
Однако, чтобы получить из законов Ньютона кеплеровские законы, необходимо выделить наиболее существенные особенности движения планет и отбросить второстепенные.
Подобное моделирование, когда на основе известных законов путем некоторых обоснованных допущений и приближений формулируется достаточно просто решаемая задача, очень часто используют в науке. При необходимости можно попробовать уточнить модель, учтя те факторы, которыми вначале пренебрегали.
Развитие науки показывает, что каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения. Например, законы Ньютона оказываются неприменимы при исследовании процессов микромира. Для описания этих процессов сформулированы законы квантовой теории. С точки зрения моделирования это означает, что законы Ньютона являются некоторой моделью, которая следует при определенных приближениях из более общей теории. Однако и законы квантовой теории не абсолютны и имеют свои ограничения в применимости. Уже сформулированы более общие законы и получены более общие уравнения, которые, в свою очередь, также имеют ограничения.
Все естественно-научные законы — это модели, применимые для описания широкого класса явлений и процессов, происходящих в природе. Каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения Существует определенная иерархия законов: одни законы являются частными случаями других, т. е. могут быть выведены из них при определенных приближениях и допущениях.
И цепочке этой не видно конца. Пока еще не получены какие-либо абсолютные законы, описывающие все в природе, из которых можно было бы вывести все частные законы. И неясно, можно ли такие законы сформулировать. Но это означает, что любой из естественно-научных законов фактически является некоторой моделью.
Методы моделирования, развитые и отработанные в естественных науках, оказываются полезными и в гуманитарных науках. Например, процессы самоорганизации в природе, с которыми вы познакомитесь в главе V, позволяют продвинуться в понимании процессов, происходящих в обществе.
Что такое математическое моделирование? Под математической моделью понимают систему уравнений, описывающих исследуемые процессы или явления. Фактически любая модель в физике является математической, поэтому понятие «математическая модель» в физике, как правило, не употребляют.
В других науках существуют качественные теоретические модели, не содержащие математических уравнений. Примером служит теория Ч. Дарвина в биологии, которая является качественной теоретической моделью сложного процесса эволюции живой природы.
С развитием компьютерной техники появился термин «компьютерное моделирование». Фактически это то же математическое моделирование, дополненное мощными вычислительными средствами, а также возможностью визуализации и интерактивного управления процессами. Примерами такого моделирования являются динамические компьютерные игры, различные эффекты в фантастических фильмах. Подобное моделирование применяют и для исследования различных природных процессов.
Но одних лишь знаний и умений недостаточно для успешного построения моделей еще не исследованных явлений. Фактически при таком моделировании происходит создание новой теории рассматриваемого явления, что является творческим процессом Как и в любом творческом процессе, при этом необходимо нечто выходящее за рамки науки — интуиция, вдохновение, чувство красоты теории. В этом смысле процесс моделирования в науке схож с другими творческими процессами, например с деятельностью художника, композитора, писателя.