Процесс моделирования в современном познании

Моделирование (лат. modus — "мера, образ, способ”) — один из важнейших общенаучных методов. Его особенностью является то, что здесь для изучения объекта используется опосредующее звено — в некотором смысле "представитель” исходного объекта, или объект-заместитель. Исходный объект исследования при моделировании называется оригиналом (прототипом), а объект-заместитель —моделью. В отечественной философско-методологической литературе наиболее четкое, ставшее общепринятым определение предложил В.А Штофф: "Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте”.

В этом определении зафиксированы сущностные черты метода моделирования:

1) наличие объекта-посредника, замещающего оригинал;

2) объект-посредник должен находиться с оригиналом в отношении отображения, т.е. существенного сходства;

3) изучение объекта-посредника должно быть эвристически плодотворно: оно должно приносить новую информацию об исходном объекте.

Моделирование издавна применялось в познании; еще античный мыслитель Эмпедокл пытался объяснить функционирование дыхательной системы животных, используя в качестве модели принцип действия водяного сифона, а английский врач XVII в. У. Гарвей представлял работу сердца и движение крови в системе кровообращения в виде механической модели. С начала Нового времени (XVI в.) метод моделирования постепенно приобретает все большее распространение, проникая во все отрасли научного знания.

Метод моделирования применяется в тех ситуациях, когда по какой- либо причине исследователю предпочтительно заменить непосредственное изучение исходного объекта его моделью. Эго ситуации, в которых прямое манипулирование с оригиналом либо крайне затруднительно, либо неэффективно, либо вообще невозможно. Такие случаи достаточно распространены в современной науке. Примерами ситуаций, в которых показано применение моделирования, могут служить:

1) многие виды медико-биологических исследований, объектом которых должен служить человек, что недопустимо по этическим причинам;

2) технические испытания различных дорогостоящих объектов: судов, самолетов, зданий и т.п. (которые вполне могут быть заменены моделями-макетами, воспроизведением отдельных частей);

3) недоступные во времени или в пространстве объекты и процессы (удаленные космические тела, мельчайшие субатомные частицы, процессы далекого прошлого).

Процесс моделирования включает в себя следующие шаги:

1) построение модели;

2) изучение модели;

3) экстраполяцию — перенос полученных данных на область знаний об исходном объекте.

На первом этапе при осознании невозможности или нецелесообразности прямого изучения объекта создается его модель. Целью этого этапа является создание условий для полноценного замещения оригинала объектом-посредником, воспроизводящим его необходимые параметры.

На втором этапе производится изучение самой модели, настолько детальное, насколько это требуется для решения конкретной познавательной задачи. Здесь исследователь может осуществлять наблюдения за поведением модели, проводить над ней эксперименты (модельный эксперимент), осуществлять измерение или описание ее характеристик. Это зависит от специфики самой модели и от исходной познавательной задачи. Целью второго этапа является получение требуемой информации о модели.

Необходимо отметить, что, хотя модель мы создаем (или выбираем) сами, подчиняя ее ряду условий, она тем не менее обладает определенной самостоятельностью. В ней присутствует некий элемент неизвестности, поэтому модель надо действительно изучать, и она в должной мере заранее неизвестна. Метод моделирования потому и относится к эмпирическим методам, что предполагает интерактивный режим работы с изучаемым явлением (в данном случае с моделью, а также в той или иной мере — и с оригиналом).

Третий этап (экстраполяционный) представляет собой возвращение к исходному объекту, т.е. интерпретацию полученных знаний о модели, оценку их приемлемости и, соответственно, непосредственное применение их к оригиналу, позволяющее в случае успеха решить исходную познавательную задачу.

Эти шаги реализуют своеобразный цикл моделирования, в ходе которого модель и оригинал соотносятся друг с другом (см. рис. 1).

Роль модели достаточно интересна, т.к. она является одновременно и объектом, и средством изучения. Модель по своей познавательной функции принципиально транзитивна, т.е. сопряжена с другим объектом: изучая модель, мы постоянно нацелены на ее прототип.

Рис. 1. Цикл процесса моделирования

 

Исходя из этапов моделирования легко увидеть, что структура метода моделирования содержит больше компонентов, чем наблюдение или эксперимент. В моделирование включены следующие составляющие:

1) субъект, осуществляющий моделирование;

2) моделируемый объект — оригинал;

3) объект-посредника — модель;

4) контекст моделирования, к которому относятся условия времени и места, материально-технические средства.

При построении модели исходного объекта часто происходит его упрощение и вводятся некоторые допущения (как правило, идеализирующие ситуацию). Исходные допущения должны быть осознанными и обоснованными, т.к. неверные допущения приведут к серьезным искажениям при экстраполяции. Эго означает, что для всякой модели следует четко формулировать объем задач, которые будут решаться с ее помощью.

Надо помнить и о том, что исходный объект может быть воспроизведен с помощью разных моделей; в общем случае нельзя сказать, что какая-то из них является истинной, настоящей, правильной. Достоинства той или иной модели в полной мере зависят от конкретной цели исследования, от концептуального угла зрения ученого.

Назовем некоторые основания классификации моделей:

1) по субстрату — материальные (вещественные) и идеальные (концептуальные, мысленные);

2) по моделируемым аспектам — структурные, функциональные и др.;

3) по виду сходства между оригиналом и моделью — физические, аналоговые, квазианалоговые и др.

Деление по субстрату модели означает различие моделей относительно того, с помощью чего моделируется исходный объект. Здесь для обозначения конкретного способа моделирования часто используют название материала (пластмассовая модель самолета и т.п.), характеристику происхождения данной модели (лабораторное животное как естественная модель для изучения физиологических процессов у человека) или общего типа моделирующей среды (маятник как механическая модель колебательных процессов, термостат как термодинамическая модель физиологических процессов терморегуляции и т.п.).

Идеальные (концептуальные) модели тоже могут быть представлены разными субстратами: они могут быть графическими, логическими, математические (среди них есть алгебраические, геометрические, топологические и т.п.) и многими другими. Но следует помнить о том, что о моделировании в собственном смысле мы говорим лишь тогда, когда наличествуют его необходимые признаки (в т.ч. эвристическая ценность), а не просто имеется некоторая форма представления знаний, называемая моделью. Например, географическая карта может не только выступать способом хранения знаний, но и применяться в моделирующем исследовании: в том случае, когда мы анализируем пути на карте и выбираем наилучший, мы актуально используем и изучаем графическую модель дня решения конкретной задачи. Моделирование с применением концептуальной модели — это особое эмпирико-теоретическое исследование; здесь могут использоваться мысленное экспериментирование, вычислительные эксперименты и т.п.

Деление по моделируемым аспектам означает различие моделей относительно того, что именно моделируется в данной ситуации. Ведь модель всегда отражает лишь какие-то отдельные, имеющие интерес для исследователя стороны оригинала. Здесь тоже возможно разнообразие видов моделирования. Модель может воспроизводить структуру объекта {структурная), какие-то его функции (функциональная), параметры, особенности формы, каналы управления (кибернетическая), информационные потоки, состояния, связи (например, причинно-следственные), этапы истории и многое другое.

Классификация по виду сходства используется для уточнения того, в каком именно отношении сходства находятся между собой оригинал и модель. Часто это имеет важное значение: знание точных соотношений между оригиналом и моделью оказывается необходимым в физике, в технических науках. Для обозначения этих видов сходства в специальных дисциплинах применяют особые термины. В случае тождества физической природы изучаемых явлений говорят о физическом подобии (например, электрические свойства исходного объекта изучают с помощью электрических свойств модели; то же касается свойств механических, жидкостных, оптических и т.п.). Аналоговое моделирование (или использование модели-аналога) — это способ воспроизведения, при котором физическая природа оригинала и модели различна, но математически они описываются одними и теми же уравнениями (например, колебательные процессы в цепи с током и в механической системе); различают также квазианалоговое моделирование (когда математические описания модели и ее прототипа отличаются, но эквивалентны относительно получаемых результатов) и другие его виды.

Для решения многих задач, в которых используется моделирование, требуется уточнить интуитивное понимание того, что модель похожа на оригинал. Знание точных взаимоотношений модели и оригинала позволяет на всех этапах моделирования действовать более адекватно: от этапа построения модели с заданными характеристиками до экстраполяции, осуществляемой по строгим правилам.

В физико-технических науках для обозначения обобщенного отношения сходства модели и оригинала используется термин "подобие”. В физике существует особая дисциплина — теория подобия; она обеспечивает концептуальную поддержку моделирования. В теории подобия разрабатываются методы, с помощью которых можно репрезентировать данные как зависимости между безразмерными величинами, т.е. в некотором нейтральном виде; тогда явления, которые описываются одинаковыми значениями безразмерных величин, являются подобными друг другу. Пользуясь этой теорией, исследователь может, изучая явление на какой-либо модели, переносить полученные результаты на совершенно иные явления, но характеризующиеся теми же значениями безразмерных величин. При точном моделировании оперируют и такими понятиями, как масштабы (отношения, устанавливающие условия перехода от модели к оригиналу), критерии подобия (критерии адекватного сходства модели и оригинала); выделяют также различные виды подобия — абсолютное, полное, неполное, приближенное.

Для обозначения еще более широкого отношения сходства между объектами, системами, процессами предлагают также использовать термин "изоморфизм” — понятие, пришедшее из абстрактной алгебры. Две сравниваемые системы называются изоморфными, если каждому элементу одной системы взаимно однозначно соответствует элемент второй системы, а каждому отношению между элементами первой системы соответствует отношение второй системы, имеющее такие же структурные свойства. В контексте моделирования две системы называют изоморфными, если между ними может быть установлено взаимное соответствие по некоторым изучаемым свойствам. Например, у информационных процессов могут быть выделены устойчивые общие черты, позволяющие им протекать сходным образом в биологическом объекте, компьютере, социальной системе, тогда все эти объекты рассматриваются как изоморфные относительно протекания их информационных процессов.

Завершающим этапом моделирования является экстраполяция. В конечном счете именно экстраполяция оправдывает весь процесс работы с моделью. Экстраполяционный вывод как перенос информации с одного объекта на другой, сходный с ним, с логической стороны представляет собой заключение по аналогии. Однако в целом моделирование нельзя сводить лишь к логической операции вывода по аналогии, т.к. оно является сложным процессом, включающим в себя различные типы логического вывода. Положение дел здесь подобно тому, что имеет место в математике, которая является дедуктивной наукой, однако не может быть сведена к одному лишь дедуктивному выводу.

Следует помнить, что вывод по аналогии относится в логике к недедуктивным, т.е. неточным, приближенным рассуждениям. Поэтому часто требуется применение более строгих методов, ведь методологическим идеалом экстраполяции является достижение максимальной точности при переходе от модели к оригиналу. В тех случаях, когда модель строится по уточненным критериям соответствия оригиналу, экстраполяционные выводы основываются на специальных расчетах, а не просто на видимом сходстве. Строго говоря, такие выводы, основанные на точных критериях подобия, не могут расцениваться как приблизительные, а являются уже дедуктивным процессом.

Следует обратить внимание на то, что в общем случае оригинал и его модель относятся к разным классам объектов, т.е. вполне могут быть совершенно разноплановыми явлениями. Именно поэтому между ними могут быть определены отношения только аналогии, но не логические отношения более тесного родства — отношения включения элемента в класс, части и целого, тождества и т.п. В противном случае будет утрачена специфика самого модельного соотношения, и оно примет универсальный и одновременно бессодержательный характер. Тогда окажется, что модельное соотношение будет приложимо ко всему, ведь и часть можно будет считать моделью целого, и элемент — моделью множества и т.д.