Материал: Моделирование как метод познания

Моделирование как метод познания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный гуманитарный университет»

ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК, МАТЕМАТИКИ И

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 050502.65 «Информатика»

Специализация «Организация информатизации образования»

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Моделирование как метод познания»

Студентки 3 курса Ю.В. Ткачёвой

Научный руководитель Н.Е. Пишкова,

канд. пед. наук, доцент

Хабаровск, 2013

Оглавление

Введение............................................................... Теоретическое обоснование

1.   Гносеологическая специфика модели и ее определение

.     Основные цели моделирования

.     Классификация моделей

.     Процесс моделирования

.     Моделирование как средство экспериментального исследования. Практическая часть

.     Трехмерная графика

.     Gmax - суть программы

.     Краткий обзор интерфейса программы

.     Управление видами

.     Камера

.     Моделирование простейшего объекта

Заключение

Список используемых источников

Введение

Моделирование как познавательный прием неотделим от развития знания. Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели. Так, например, в курсе географии первые представления о нашей планете Земля вы получили изучая ее модель - глобус; в химии при изучении строения вещества использовали модели молекул; в кабинете биологии использовали муляжи овощей и фруктов, чтобы наглядно продемонстрировать особенности их сортов.

Вообще, какую бы жизненную задачу ни взялся решать человек, первым делом он строит модель - иногда осознанно, а иногда и нет. Ведь бывает так - вы напряженно ищете выход из трудной ситуации, пытаясь нащупать, за что можно ухватиться. Через какое-то время ваш мозг выдает решение проблемы. Это сработало свойство нашего разума - умение безотчетно уловить самое важное, превратить информационный хаос в стройную модель стоящей перед человеком задачи. Построение моделей для человека так же естественно, как ходьба или умение пользоваться ножом и вилкой.

Модели играют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании различных технических устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т.д. Без предварительного создания чертежей невозможно изготовить даже простую деталь, не говоря уже о сложном механизме.

Все художественное творчество фактически является процессом создания моделей. Например, такой литературный жанр, как басня, переносит реальные отношения между людьми на отношения между животными и фактически создает модели человеческих отношений.

Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода. 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 ядеpно-электpонное строение атома вещества.

По существу, моделирование как форма отражения действительности зарождается в античную эпоху одновременно с возникновением научного познания. Однако в отчётливой форме (хотя без употребления самого термина) моделирование начинает широко использоваться в эпоху Возрождения. Брунеллески, Микеланджело и другие итальянские архитекторы и скульпторы пользовались моделями проектируемых ими сооружений, в теоретических же работах Г. Галилея и Леонардо да Винчи не только используются модели, но и выясняются пределы применимости метода моделирования.

И. Ньютон пользуется этим методом уже вполне осознанно, а в XIX веке трудно назвать область науки или её приложений, где моделирование не имело бы существенного значения, исключительно большую методологическую роль сыграли в этом отношении работы Кельвина, Дж. Максвелла, Ф.А. Кекуле, А.М. Бутлерова и других физиков и химиков - именно эти науки стали, можно сказать, классическими «полигонами» метода моделирования.

ХХ век принес методу моделирования новые успехи, но одновременно поставил его перед серьезными испытаниями. С одной стороны, развивающийся математический аппарат обнаружил новые возможности и перспективы этого метода в раскрытии общих закономерностей и структурных особенностей систем различной физической природы, принадлежащих к разным уровням организации материи, формам движения. С другой же стороны, теория относительности и, в особенности, квантовая механика, указали на неабсолютный, относительный характер механических моделей, на трудности, связанные с моделированием.

Появление первых электронных вычислительных машин (Джон фон Нейман, 1947) и формулирование основных принципов кибернетики (Норберт Винер, 1948) привели к поистине универсальной значимости новых методов - как в абстрактных областях знания, так и в их приложениях.

В конце 40-х годов в нашей стране кибернетика подвергалась массированным атакам. В литературе, в том числе и в учебных пособиях, утверждалось, что это реакционная лженаука, поставленная на службу империализму, которая пытается заменить мыслящего, борющегося человека машиной в быту и на производстве, используется для разработки электронного оружия, и т.п.

Реабилитация кибернетики произошла благодаря стараниям ряда крупных ученых, прежде всего А.А. Ляпунова, отстаивавших правомерность и материалистичность кибернетического взгляда на мир. Вслед за учеными эту задачу взяли на себя профессиональные философы (Баженов, Бирюков, Новик, Жуков и другие). Это тем более важно подчеркнуть, так как многие направления в науке еще долго оставались под идеологическим запретом (например, генетика). Во время «оттепели» стала интенсивно развиваться и та область кибернетики, которая впоследствии была осознана как проблематика систем искусственного интеллекта.

Моделирование ныне приобрело общенаучный характер и применяется в исследованиях живой и неживой природы, в науках о человеке и обществе.

Многочисленные факты, свидетельствующие о широком применении метода моделирования в исследованиях, некоторые противоречия, которые при этом возникают, потребовали глубокого теоретического осмысления данного метода познания, поисков его места в теории познания.

Этим можно объяснить большое внимание, которое уделяется философами различных стран этому вопросу в многочисленных работах.

I. Теоретическое обоснование

1.      Гносеологическая специфика модели и ее определение

На сегодняшний момент нет устоявшейся общепринятой точки зрения на место моделирования среди методов познания. Множество мнений исследователей, занимающихся данным вопросом, тем не менее, укладываются в некоторую область, ограниченную двумя полярными мнениями. Одно из них рассматривает моделирование как некий вторичный метод, подчиненный более общим (менее радикальный вариант той же по сути позиции - моделирование рассматривается исключительно как разновидность такого эмпирического метода познания, как эксперимент). Другое же, наоборот, называет моделирование «главным и основополагающим методом познания», в подтверждение приводится тезис, что «всякое вновь изучаемое явление или процесс бесконечно сложно и многообразно и потому до конца принципиально не познаваемо и не изучаемо».

Главной причиной возникновения столь различных позиций есть отсутствие общепринятого и устоявшегося в науке определения моделирования. Ниже приводятся попытки проанализировать несколько определений термина «моделирование» и непосредственно связанного с ним термина «модель». Это вполне оправдано, так как подавляющее большинство источников определяют моделирование как «исследование процессов, явлений и систем объектов через построение и изучение их моделей». То есть наибольшую сложность представляет проблема определения модели.

Сперва выделим определение, которое предлагает Оксфордский Толковый Словарь. В нем приведено семь определений понятия «модель», из которых наибольший интерес представляют два: «Модель - трехмерное представление субъекта, вещи или структуры, обычно в уменьшенном масштабе» и «Модель - упрощенное описание некоей системы для дальнейших расчетов». Иными словами, авторам не удается выделить настоящие существенные признаки модели и они предлагают различные определения для различных видов моделей (отметим, что первое оксфордское «определение» описывает достаточно узкий класс предметных моделей, а второе лежит где-то в плоскости абстрактно-знаковых моделей). Основная ошибка данных определений - их узость, объем понятия «модель» неизмеримо больше, чем предлагаемый авторами словаря.

Сходная проблема (только в менее значительных масштабах) возникает и при анализе определения «модели» в Советском Энциклопедическом Словаре (СЭС). Модель авторами рассматривается двояко. В узком смысле - это «устройство, воспроизводящее, имитирующее строение и действие какого-либо другого (моделируемого) устройства в научных, производственных или практических целях». Опять-таки слово «устройство», встречающееся в определении автоматически приводит к сужению понятия «модель» как минимум до понятия «материальная модель». Тем не менее, это определение представляет собой гораздо большую ценность, чем первое определение оксфордского словаря, так как содержит внутри себя чрезвычайно важную (как будет показано далее) формулировку, раскрывающую сущность моделирования - «строение и действие».

Второе определение СЭС («Модель - любой образ какого-либо объекта, процесса, явления, используемый в качестве его заместителя или представителя), наоборот, является слишком широким. Сложно предположить, что снимок ядерного взрыва может служить моделью самого взрыва. В данном случае, авторы в стремлении к краткому, но емкому определению принесли в жертву сущность понятия «модель». Данное определение отражает скорее внешние признаки, которыми обладает модель, но не её внутреннее содержание. Однако рациональное зерно есть и в этом определении - за словом «образ» угадывается более важное (с философской точки зрения) понятие - «отражение».

Ещё одно определение «модели» приведено в учебнике: «Модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования». Фактически, оно почти совпадает с «широким» определением СЭС, но и здесь авторы заменяют слово «отражение» синонимичным оборотом. Кроме того, использование термина «объект» может быть оправдано в рамках школьного (но не вузовского) учебника, но неприемлемо для полного определения. Современная наука занимается изучением не столько отдельных самостоятельных элементов, сколько их взаимодействий. Потому более оправдано использование в определении термина «система», который вбирает в себя как отдельные элементы, так и их отношения и связи. В целом же, последние два определения можно признать вполне удовлетворительными и пользоваться ими.

Дальнейший путь развития и улучшения определений связан с целями метода моделирования. Большинство исследователей выделяют три:

.        Понимание устройства конкретной системы, её структуры, свойств, законов развития и взаимодействия с окружающим миром

.        Управление системой, определение наилучших способов управления при заданных целях и критериях

.        Прогнозирование прямых и косвенных последствий реализации заданных способов и форм воздействия на систему

Все три цели подразумевают в той или иной степени наличия механизма обратной связи, то есть необходима возможность не только переноса элементов, свойств и отношений моделируемой системы на моделирующую, но и наоборот.

В таком случае, определение моделирования может быть сформулировано так: «Моделирование - это опосредованное практическое или теоретическое исследование объекта, при котором непосредственно изучается не сам интересующий нас объект, а некоторая вспомогательная искусственная или естественная система:

) находящаяся в некотором объективном соответствии с познаваемым объектом;

) способная замещать его в определенных отношениях;

) дающая при её исследовании, в конечном счете, информацию о самом моделируемом объекте»

Три перечисленных признака по сути, являются определяющими признаками модели.

Данное определение, принадлежащее И.Б. Новику и А.А. Ляпунову, по моему мнению, является лучшим из существующих, поэтому в данной работе я буду придерживаться и опираться на него. Единственное заключается в том, что я рассматриваю систему «объект-система», вместо «система-система». Данный недочет вполне простителен, так как определение дано более 50 лет назад, когда уровень науки отличался от современного и теория систем находилась в стадии становления.

Для сравнения приведем ещё два, более современных, определения «модели». Определение И.Т. Фролова: «Моделирование означает материальное или мысленное имитирование реально существующей системы путем специального конструирования аналогов (моделей), в которых воспроизводятся принципы организации и функционирования этой системы». Здесь в основе мысль, что модель -средство познания, главный ее признак - отображение. В западной философии эталонным является определение, которое дает В.А. Штофф в своей книге «Моделирование и философия»: «Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализуемая система, которая отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте». Оно практически полностью совпадает с определением Новика-Ляпунова, но имеет один недостаток - в определении не содержится указаний на относительный характер модели.

Пpи дальнейшем рассмотрении моделей и процесса моделирования будем исходить из того, что общим свойством всех моделей является их способность, так или иначе, отображать действительность. В зависимости от того, какими средствами, при каких условиях, по отношению к каким объектам познания это их общее свойство реализуется, возникает большое разнообразие моделей, а вместе с ним и проблема классификации моделей.

.        Основные цели моделирования

1)      Прогноз - оценка поведения системы при некотором сочетании ее управляемых и неуправляемых параметров. Прогноз - главная цель моделирования.

)        Объяснение и лучшее понимание объектов. Здесь чаще других встречаются задачи оптимизации и анализа чувствительности. Оптимизация - это точное определение такого сочетанная факторов и их величин, при котором обеспечиваются наилучший показатель качества системы, наилучшее по какому-либо критерию достижение цели моделируемой системой. Анализ чувствительности - выявление из большого числа факторов тех, которые в наибольшей степени влияют на функционирование моделируемой системы. Исходными данными при этом являются результаты экспериментов с моделью.