Меню сайта

11 Понятие модели. Материальные и информационные модели

Понятиемодели. Материальные и информационные модели. Формализация как замена реальногообъекта его информационной моделью.

Моделирование.

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

Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступныедля непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты,очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели частоиспользуются в процессе обучения. В курсе географии первые представления онашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель — глобус, в курсе физикиизучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии приизучении 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 различныхтехнических
устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т. д. Безпредварительного создания чертежа — невозможно изготовить даже простуюдеталь, не говоря уже о сложном механизме.

В процессе проектирования зданий и сооружений кроме чертежей частоизготавливают макеты. В процессе разработки летательных аппаратов поведение ихмоделей в воздушных потоках исследуют в аэродинамической трубе. Разработка электрическойсхемы 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 реальныхобъектов. Создание новых теоретических моделей иногда коренным образом меняетпредставление человечества об окружающем мире (гелиоцентрическая система мираКоперника, модель атома Резерфорда-Бора, модель расширяющейся Вселенной, модельгенома человека и пр.). Адекватность теоретических моделей законам реальногомира проверяется с помощью опытов и экспериментов.

Все художественное творчество фактически является процессом созданиямоделей. Например, такой литературный жанр, как басня, переносит реальныеотношения между людьми на отношения между животными и фактически создает моделичеловеческих отношений. Более того, практически любое литературное произведениеможет рассматриваться как модель реальной человеческой жизни. Моделями, вхудожественной форме отражающими реальную действительность, являются такжеживописные полотна, скульптуры, театральные постановки и пр.

Моделирование — это метод познания, состоящий в создании иисследовании моделей.

Модель.

Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессепостроения модели выделяются главные, наиболее существенные для проводимогоисследования свойства. В процессе исследования аэродинамических качеств моделисамолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическоеподобие оригинала, но не важен, например, ее цвет. При построении электрическихсхем — моделей электрических цепей — необходимо учитывать порядок подключенияэлементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение друготносительно друга и так далее.

Разные науки исследуют объекты и процессы под разными углами зрения и строятразличные типы моделей.

В физике изучаются процессы взаимодействия и изменения объектов, в химии —их химический состав, в биологии — строение и поведение живых организмов и такдалее.

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

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

С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью. Так, вмеханике различные материальные тела (от планеты до песчинки) могутрассматриваться как материальные точки.
Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могутописываться одной моделью.

Никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретнойзадачи, когда нас интересуют определенные с
войства изучаемого объекта, модельоказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования.

Модели материальные и модели информационные.

Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные(материальные) и модели информационные. Предметные модели воспроизводятгеометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме(глобус, анатомические муляжи, модели кристаллических решеток, макеты зданий исооружений и др.).

Информационные модели представляют объекты и процессы в образной илизнаковой форме.
Образные модели (рисунки, фотографии и др.) представляют собой зрительныеобразы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге,фото- и кинопленке и др.). Широко используются образные информационные модели вобразовании (учебные плакаты по различным предметам) и науках, где требуетсяклассификация объектов по их внешним признакам (в ботанике, биологии,палеонтологии и др.).

Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков(знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена вформе текста (например, программы на языке программирования), формулы (например,второго закона Ньютона F=ma), таблицы (например, периодической таблицыэлементов Д. И. Менделеева) и так далее.

Иногда при построении знаковых информационных моделей используютсяодновременно несколько различных языков. Примерами таких моделей могут служитьгеографические карты, графики, диаграммы и пр. Во всех этих моделяхиспользуются одновременно как язык графических элементов, так и символьныйязык.

Моделирование и формализация

На протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструментыдля создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались.Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, внастоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются сиспользованием современных компьютерных технологий.

Формализация. —

Естественные языки используются для создания описательных информационныхмоделей. В истории науки известны многочисленные описательные информационныемодели- например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник,формулировалась следующим образом:

  • Земля вращается вокругсвоей оси и вокруг Солнца-
  • орбиты всех планет проходятвокруг Солнца.

С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели(математические, логические и др.). Одним из наиболее широко используемыхформальных языков является математика. Модели, построенные с использованиемматематических понятий и формул, называются математическими моделями. Языкматематики является совокупностью формальных языков. —

Язык алгебры позволяет формализовать функциональные зависимости междувеличинами. Так, Ньютон формализовал гелиоцентрическую систему мира, открывзаконы механики и закон всемирного тяготения и записав их в виде алгебраическихфункциональных зависимостей. В школьном курсе физики рассматривается многоразнообразных функциональных зависимостей, выраженных на языке алгебры, которыепредставляют собой математические модели изучаемых явлений или процессов.

Язык алгебры логики (алгебры высказываний) позволяет строить формальныелогические модели. С помощью алгебры высказываний можно формализовать (записатьв виде логических выражений) простые и сложные высказывания, выраженные наестественном языке. Построение логических моделей позволяет решать логическиезадачи, строить логические модели устройств компьютера (сумматора, триггера) итак далее.

В процессе познания окружающего мира человечество постоянно используетмоделирование и формализацию. При изучении нового объекта сначала обычностроится его описательная информационная модель на естественном языке, затемона формализуется, то есть выражается с использованием формальных языков(математики, логики и др.).

Визуализация формальных моделей. —

В процессе исследования формальных моделей часто производится ихвизуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы:пространственных соотношений между объектами — чертежи, моделей электрическихцепей — электрические схемы, логических моделей устройств — логические схемы итак далее.

Так при
визуализации формальных физических моделей с помощью анимации можетотображаться динамика процесса, производиться построение графиков измененияфизических величин и так далее. Визуальные модели обычно являютсяинтерактивными, то есть исследователь может менять начальные условия и параметрыпротекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели.

Категория: Информатика | Дата: 14.04.13

Меню раздела
Блок