Моделирование как метод познания

Н.А. Тимохова

ИНФОРМАТИКА

(Часть 2)

КУРС ЛЕКЦИЙ

Пермь 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Раздел 4. Модели решения функциональных и вычислительных задач.. 3

4.1. Моделирование как метод познания. 3

4.2. Информационная модель объекта. 4

4.3. Классификация и формы представления моделей. 5

4.4. Методы и технологии моделирования. 6

РАЗДЕЛ 5. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ.. 10

5.1. Понятие алгоритма и его свойства. Блок-схема алгоритма. 10

5.2. Программы линейной структуры.. 15

5.3. Разветвляющаяся алгоритмическая структура. 17

5.4. Операторы цикла. 18

РАЗДЕЛ 6. ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ 22

6.1. Сетевые технологии обработки данных. 22

6.2. Принципы организации и основные топологии вычислительных сетей. 24

локальной сети. 25

6.3. Сетевой сервис и сетевые стандарты. Глобальная сеть Internet 26

6.4. Защита информации в локальных и глобальных компьютерных сетях. Корпоративные сети на основе технологий Internet 30

РАЗДЕЛ 7. ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ.. 37

7.1. Этапы решения задач на компьютерах. 37

7.2. Понятие о структурном программировании. Модульный принцип программирования. Подпрограммы. Принципы проектирования программ сверху-вниз и снизу-вверх. 42

7.3. Объектно-ориентированное программирование. 45

7.4. Эволюция и классификация языков программирования. Основные понятия языков программирования. 48

7.5. Структуры и типы данных языка программирования. 53

7.6. Трансляция, компиляция и интерпретация. 57

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ.. 61

Раздел 4. Модели решения функциональных и вычислительных задач

Моделирование как метод познания

На современном этапе развития человечества нельзя найти такой области знания, в которой в той или иной мере не использовались бы модели. Науки, в которых обращение к модельному исследованию стало систематическим, не полагаются больше лишь на интуицию исследователя, а разрабатывают специальные теории, выявляющие закономерности отношений между оригиналом и моделью.

История моделирования насчитывает тысячи лет. Человек рано оценил и часто использовал в практической деятельности метод аналогий. Моделирование прошло долгий путь – от интуитивного аналогизирования до строгого научного метода. В настоящем пункте рассматриваются как общие вопросы моделирования, так и компьютерного математического моделирования в частности.

Термины «модель», «моделирование» являются неразрывно связанными, поэтому целесообразно обсуждать их одновременно.

Слово «модель» произошло от латинского слова «modelium», которое означает: мера, образ, способ и т.д. Его первоначальное значение было связано со строительным искусством, и почти во всех европейских языках оно употреблялось для обозначения образа или прообраза, или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью.

В энциклопедическом словаре «Информатика» под моделью объекта понимается «другой объект (реальный, знаковый или воображаемый), отличный от исходного, который обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей полностью заменяет исходный объект".

Выделяют обобщенные признаки модели:

ü Модель не может существовать изолированно, потому что она всегда связана с оригиналом, т.е. той материальной или идеальной системой, которую она замещает в процессе познания.

ü Модель должна быть не только сходна с оригиналом, но и отлична от него, причем модель отражает те свойства и отношения оригинала, которые существенны для того, кто ее применяет.

ü Модель обязательно имеет целевое назначение.

Таким образом, модель – это упрощенный (в том или ином смысле) образ оригинала, неразрывно с ним связанный, отражающий существенные свойства, связи и отношения оригинала; система, исследование которой служит инструментом, средством для получения новой и (или) подтверждения уже имеющейся информации о другой системе.

Возвращаясь к понятию «моделирование», следует подчеркнуть, что моделирование в широком смысле слова есть не только процесс построения модели, но и ее исследования.

Еще одно понятие, неразрывно связанное с моделированием, – формализация. Формализация – это один из этапов моделирования, в результате завершения которого, собственно, и появляется модель процесса или явления.

Рассмотрим основные особенности этого процесса:

· формализации любого реального процесса предшествует изучение структуры составляющих его явлений,

· в результате этого появляется так называемое содержательное описание процесса, которое представляет собой первую попытку четко изложить закономерности, характерные для исследуемого процесса, и постановку прикладной задачи,

· содержательное описание является исходным материалом для последующих этапов формализации: построения формализованной схемы процесса и модели для него.

Несколько слов о натурном и модельном экспериментах, о специфике модели в качестве средства экспериментального исследования в сравнении с другими экспериментальными средствами.

Рассмотрение материальных моделей в качестве средств, орудий экспериментальной деятельности вызывает потребность выяснить, чем отличаются те эксперименты, в которых используются модели, от тех, где они не применяются. Под экспериментом понимается «вид деятельности, предпринимаемой в целях научного познания, открытия объективных закономерностей и состоящий в воздействии на изучаемый объект (процесс) посредством специальных инструментов и приборов». «Специфика эксперимента как формы практической деятельности в том, что эксперимент выражает активное отношение человека к действительности. В силу этого в гносеологии проводится четкое различие между экспериментом и научным познанием. Хотя всякий эксперимент включает и наблюдение как необходимую стадию исследования, однако в нем, помимо наблюдения, содержится и такой существенный для практики признак, как активное вмешательство в ход изучаемого процесса».

Существует особая форма эксперимента, для которой характерно использование действующих моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования. Такая форма называется модельным экспериментом. В отличие от обычного эксперимента, где средства эксперимента так или иначе взаимодействуют с объектом исследования, здесь взаимодействия нет, так как экспериментируют не с самим объектом, а с его заместителем. При этом объект-заместитель и экспериментальная установка объединяются, сливаются в действующей модели в одно целое. Таким образом, обнаруживается двоякая роль, которую модель выполняет в эксперименте: она одновременно является и объектом изучения и экспериментальным средством.

Для модельного эксперимента характерны следующие основные операции:

1). переход от натурального объекта к модели – построение модели (моделирование в собственном смысле слова);

2). экспериментальное исследование модели;

3). переход от модели к натуральному объекту, состоящий в перенесении результатов, полученных при исследовании, на этот объект.

Модель входит в эксперимент, не только замещая объект исследования, но и может замещать условия, в которых изучается объект натурного эксперимента.

Натурный эксперимент предполагает наличие теоретического момента лишь в начальный момент исследования – выдвижение гипотезы, ее оценку и т.д., теоретические соображения, связанные с конструированием установки, а также на завершающей стадии – обсуждение и интерпретация полученных данных, их обобщение; в модельном эксперименте необходимо также обосновать отношение подобия между моделью и натуральным объектом и возможность экстраполировать на этот объект полученные данные.