Формы представления моделей

       Такие модели отображают объекты,  процессы и явления качественно,  т. е. не используя количественных характеристик. Описательные информационные модели обычно строятся с использованием естественных языков и рисунков.

     В истории науки известны многочисленные описательные информационные модели. Так, гелиоцентрическая модель мира Коперника на естественном языке формулировалась следующим образом :

     - Земля вращается вокруг Солнца, а Луна вращается вокруг Земли;

     - все планеты вращаются вокруг  Солнца.

     Однако  более нагляден способ ее представления  в виде рисунка (Рис.3) 

       

           Рисунок 3 
 

     В настоящее время широкое распространение  получили компьютерные интерактивные  визуальные модели. В таких моделях  исследователь может менять начальные  условия и параметры протекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.4. Свойства моделей. 

     

• Конечность: модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений и, кроме того, ресурсы моделирования конечны;
• Упрощенность: модель отображает только существенные стороны объекта;
• Приблизительность: действительность отображается моделью грубо или приблизительно;
• Адекватность: насколько успешно модель описывает моделируемую систему;
• Информативность: модель должна содержать достаточную информацию о системе - в рамках гипотез, принятых при построении модели;
• Потенциальность: предсказуемость модели и её свойств;
• Сложность: удобство её использования;
• Полнота: учтены все необходимые свойства;
• Адаптивность.

 

     Так же необходимо отметить:

1. Модель представляет собой «четырехместную конструкцию», компонентами которой являются субъект; задача, решаемая субъектом; объект-оригинал и язык описания или способ воспроизведения модели. Особую роль в структуре обобщенной модели играет решаемая субъектом задача. Вне контекста задачи или класса задач понятие модели не имеет смысла.
2. Каждому материальному объекту, вообще говоря, соответствует бесчисленное множество в равной мере адекватных, но различных по существу моделей, связанных с разными задачами.
3. Паре задача-объект тоже соответствует множество моделей, содержащих в принципе одну и ту же информацию, но различающихся формами ее представления или воспроизведения.
4. Модель по определению всегда является лишь относительным, приближенным подобием объекта-оригинала и в информационном отношении принципиально беднее последнего. Это ее фундаментальное свойство.
5. Произвольная природа объекта-оригинала, фигурирующая в принятом определении, означает, что этот объект может быть материально-вещественным, может носить чисто информационный характер и, наконец, может представлять собой комплекс разнородных материальных и информационных компонентов. Однако независимо от природы объекта, характера решаемой задачи и способа реализации модель представляет собой информационное образование.
6. Частным, но весьма важным для развитых в теоретическом отношении научных и технических дисциплин является случай, когда роль объекта-моделирования в исследовательской или прикладной задаче играет не фрагмент реального мира, рассматриваемый непосредственно, а некий идеальный конструкт, т.е. по сути дела другая модель, созданная ранее и практически достоверная. Подобное вторичное, а в общем случае n-кратное моделирование может осуществляться теоретическими методами с последующей проверкой получаемых результатов по экспериментальным данным, что характерно для фундаментальных естественных наук. В менее развитых в теоретическом отношении областях знания (биология, некоторые технические дисциплины) вторичная модель обычно включает в себя эмпирическую информацию, которую не охватывают существующие теории.

 
 
 

     Глава 2. Классификация представления моделей. 

     Признаки  классификаций моделей:

     1)  по области использования;

     2)  по фактору времени;

     3)  по отрасли знаний;

     4)  по форме представления. 
 

     2.1. Классификация по  области использования. (Рис.4) 

     

                          Рисунок 4 

     Учебные модели – используются при обучении. Это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

     Опытные модели – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Используют для исследования и прогнозирования его будущих характеристик.

     Например, модель корабля исследуется в  бассейне для изучения устойчивости судна при качке, модель автомобиля «продувается» в аэродинамической трубе с целью исследования обтекаемости кузова, модель сооружения используется для привязки здания к конкретной местности и т.д.

     Научно–технические  модели -  создаются для исследования процессов и явлений. К таким моделям можно отнести, например, прибор для получения грозового электрического разряда или стенд для проверки телевизоров.

     Игровые модели – это военные, экономические, спортивные, деловые игры. Эти модели как бы репетируют поведение объекта в различных ситуациях, проигрывая их с учетом возможной реакции со стороны конкурента, союзника или противника. С помощью игровых моделей можно оказывать психологическую помощь больным, разрешать конфликтные ситуации.

     Имитационные  модели непросто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперименты с моделей проводят при разных исходных данных. По результатам исследования делаются выводы. Такой метод подбора правильного решения получил название (метод проб и ошибок). Например, для выявления побочных действий лекарственных препаратов их испытывают в серии опытов над животными. 
 

     2.2. Классификация моделей  по фактору времени. (Рис.5) 

     

                          Рисунок 5 

     Статические – модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает состояние их зубов в данный момент времени: соотношение молочных и постоянных, наличие  пломб, дефектов и т.п.

     Динамические – модели, описывающие процессы изменения и развития системы (изменения объекта во времени). Примеры: описание движения тел, развития организмов, процесс химических реакций.

     При строительстве дома рассчитывают прочность его фундамента, стен, балок и устойчивость их к постоянной нагрузке. Это статическая модель здания. Но надо так же обеспечить противодействие ветрам, движению грунтовых вод, сейсмическим колебаниям и другим изменяющимся во времени факторам. Эти вопросы можно решить с помощью динамических моделей.

     Таким образом, один и тот же объект можно  охарактеризовать и статической  и динамической моделью.  
 

     2.3. Классификация моделей по отрасли знаний. 

     - это классификация по отрасли  деятельности человека: математические, биологические, химические, социальные, экономические, исторические и т.д. 

     2.4. Классификация по  форме представления. 

     Все модели можно разбить на два больших  класса: модели материальные (предметные) и модели информационные. (Рис.6)

     Названия  этих групп как бы показывают, из чего «сделаны» модели.

 

           Рисунок 6 

     Материальные (предметные) модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи).

     Материальные  модели — это, к примеру, чучела птиц в кабинете биологии, карты при  изучении истории и географии, схемы  солнечной системы и звездного  неба на уроках астрономии, макет многоступенчатой ракеты и еще многое другое.

     Материальные  модели — это не только школьные пособия, но и различные физические и химические опыты. В них моделируются процессы, например реакция между  водородом и кислородом. Такой  опыт сопровождается оглушительным хлопком. Модель предупреждает о последствиях возникновения «гремучей смеси» из безобидных и широко распространенных в природе веществ.

     Подобные  модели реализуют материальный подход к изучению объекта, явления или  процесса.

     Информационная  модель — совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. 

     Информационные  модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме.

     Образные  модели (рисунки, фотографии) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, кинопленке). Широко используются образные информационные модели в образовании (плакаты по различным предметам) и науках, где требуется классифицировать объекты по их внешним признакам. 
 

     2.4.1. Знаковые и вербальные информационные модели. 

     Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разный объем и  форму представления, выражаться различными средствами. Это многообразие настолько безгранично, насколько велики возможности каждого человека и его фантазии.

     К информационным моделям можно отнести  вербальные (от лат. «verbalis» — устный) модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. Они могут так и остаться мысленными или быть выражены словесно. Примером такой модели может стать наше поведение при переходе улицы. Человек анализирует ситуацию на дороге (что показывает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т. п.) и вырабатывает свою модель поведения. Если ситуация смоделирована правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти авария. К таким моделям можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, и рифму, прозвучавшую пока еще в сознании поэта.   

     Вербальная  модель — информационная модель в мысленной или разговорной форме.

        Знаковая модель — информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка.

     Знаковые модели окружают нас повсюду. Это рисунки, тексты, графики и схемы... Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в мозгу человека, может быть облечен в знаковую форму. И наоборот, знаковая модель помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

     Согласно  легенде, яблоко, упавшее на голову Ньютону, вызвало в его сознании мысль о земном притяжении. И только впоследствии эта мысль оформилась в закон, т. е. обрела знаковую форму.

     Человек прочитал текст, объясняющий некоторое физическое явление, и у него сформировался мысленный образ. В дальнейшем такой образ поможет распознать реальное явление.

     По  форме представления можно выделить следующие виды информационных моделей:

• геометрические модели — 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. п.;
• 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.

 
 
 

     2.4.2. Компьютерные и некомпьютерные модели. 

     Многообразие  моделей предполагает огромный спектр инструментов для их реализации. Существует немало формальных языков, относящихся  к разным областям деятельности, пригодных  для описания моделей.

     Если  модель имеет материальную природу, то для ее создания годятся традиционные инструменты: резец скульптора, кисть  художника, фотоаппарат, токарный или  фрезерный станок, пресс, наконец  пила и топор.

     Если  модель выражена в абстрактной, умозрительной форме, то нужны некоторые знаковые системы, позволяющие описать ее, — специальные языки, чертежи, схемы, графики, таблицы, алгоритмы, математические формулы и т. п. Здесь могут быть использованы два варианта инструментария: либо традиционный набор инженера или конструктора (карандаш, линейка), либо самый совершенный в наши дни прибор — компьютер. 

     Классификации информационных знаковых моделей: по способу реализации они подразделяются на компьютерные и некомпьютерные модели.    

     Компьютерная  модель — модель, реализованная средствами программной среды.

     Имея  дело с компьютером как с инструментом, нужно помнить, что он работает с  информацией. Поэтому следует исходить из того, какую информацию и в  каком виде может воспринимать и  обрабатывать компьютер. Современный компьютер способен работать со звуком, видеоизображением, анимацией, текстом, схемами, таблицами 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. Например, для работы со звуком нужна специальная плата в компьютере, звуковая карта (Sound Blaster) и специализированное программное обеспечение. Для композитора это, к примеру, профессиональный музыкальный редактор, который позволяет не только набрать нотный текст и распечатать его, но и сделать аранжировку произведения. Расписав ноты для разных инструментов, композитор может прослушивать их звуковые модели отдельно и в ансамбле. Цифровое звучание компьютерных моделей почти не отличается от тембра реальных инструментов. Компьютер позволяет соединять реальный голос певца со звуковой моделью мелодии, а также моделировать голос разной