С моделированием каждый человек встречается в самом раннем детстве. После погремушек, малышу предлагают для игры куклу или машинку. Малыш, радуясь ярким цветам, начинает познавать реальный мир, изучая модели-игрушки. “Где глазки?” Ребенок смело и весело тычет пальчиком в глазки куклы или плюшевого мишки, постепенно осознавая, что наличие глаз – это свойство всех животных, птиц и людей. Таким образом, модельность свойственна познанию. Человек всегда познает сущность окружающего мира с помощью разного рода моделирования. Модели могут быть разными и по уровню сложности, и по способу представления и передачи знаний о них. Тем не менее, существуют определенные принципы построения моделей, то есть моделирования, и изучения этих моделей с той или иной степенью правомочности для умозаключений о реальных предметах или явлениях, которые служили образцом для изученной модели.
Модель – это образ реального объекта (предмета, явления, процесса), выраженный любым способом и отражающий все существенные для целей исследования свойства образца.
Существенными называют важные для данного исследования свойства. Например, автомобиль имеет помимо кузова, кабины и колес еще и руль, и двигатель, но для исследований ребенка это уже несущественные свойства. На этапе игровой деятельности ему нужно лишь уметь отличить автомобиль от других продуктов деятельности человека.
Образец – реальный объект (предмет, явление, процесс), который требует изучения и для которого строится модель.
Моделирование является одним из методов научного познания. Вообще говоря, все научное знание модельно. Ученый строит модель исследуемого объекта. Изучает изменение ее состояний при разного рода воздействиях на модель. Делает выводы об исследуемом объекте с той или иной степенью достоверности.
Примеры моделей: материальная точка, макет здания, компьютерная модель динамики популяции.
Среди перечисленных моделей одна имеет материальную основу – макет здания. Такие модели называют натурными моделями. Натурные модели используются очень широко. В физических лабораториях исследуют натурные модели. Например, исследование преломления светового пучка разными материалами. Чтобы изготовить линзу для очков (или контактную линзу), необходимо сначала определить, как будет преломляться свет этой линзой, подобрать оптимальную кривизну линзы, толщину (например, для контактной линзы), состав органического стекла (так называемые пластмассовые линзы). Многие из этих параметров исследованы в лабораториях на моделях, в то время, когда реальная линза для очков еще не была изготовлена. Затем, используя полученные в опытах знания, разрабатывают технологию изготовления линзы, изготавливают ее и испытывают. От того, насколько правильно были выделены и исследованы основные свойства линзы, зависит то, какого качества будет изготовлен конечный продукт.
Кроме натурных существуют так называемые абстрактные модели. Абстрактными называют модели, которые представлены лишь в разуме человека, они нематериальны. Научные теории, правила, протоколы – все это примеры абстрактных моделей. Абстрактных моделей очень много и они весьма разнообразны. Тем не менее все абстрактные модели условно делят на вербальные, математические, информационные.
Мысленные модели формируются в разуме человека. Например, человек имеет в своем разуме модель процесса передвижения от своего дома до автобусной остановки. Или мысленная модель может быть неким образом реального объекта: слово яблоко, например, может вызывать в разуме слушающего образ яблока. Это тоже мысленная модель. У каждого человека тот же самый объект может быть представлен иначе. Вербальная модель строится тогда, когда человеку требуется передать свои знания другому человеку. То же яблоко, например, в виде вербальной модели может выглядеть так: “Яблоко было красное, сладкое, с толстой твердой кожицей”.
Вербальные модели, таким образом, это текстовые модели, построенные с помощью естественного языка по определенным правилам.
Математическая модель – знаковая модель построенная с помощью формального языка над конечным алфавитом, использующая математические методы. Например, электромагнитное поле Максвелл представил в виде системы из пяти уравнений. Эти уравнения полностью описывают свойства электромагнитного поля, и каждое из них само является моделью одной из составляющих электромагнитного поля.
Информационная модель – это уже более строгая мысленная или вербальная модель. Можно сказать, что информационная модель – это выраженная с помощью знаков вербальная модель, представленная согласно определенным правилам и максимально точно передающая существенные свойства исследуемого объекта.
Также можно сказать, что информационная модель – это подкласс математических моделей, которые описывают информационные процессы в разного рода системах.
Процесс построения знаковой модели называется формализацией.
Информационные модели бывают описательные, то есть созданные на любом естественном языке, как устно, так и письменно, и формальные, то есть созданные на формальном языке (например, научная теория, формула, граф).
Информационную модель иначе можно определить как исчерпывающую совокупность информации об исследуемом объекте. Опять же, необходимо строго следовать правилам формализации и отражать (описывать) в модели только те свойства объекта, которые являются существенными или важными с точки зрения задачи исследования.
Объект, для которого строится модель, может быть очень сложным. Иначе его называют оригиналом, образцом, прототипом. Моделировать можно и систему объектов. Тогда необходимо определить наличие связей между ними. В зависимости от того, какова структура этих связей строят разные типы информационных моделей.
Традиционно выделяют три типа информационных моделей:табличные, иерархические и сетевые.
Для табличной структуры в информационном моделировании свойственно наличие нескольких одноуровневых свойств объектов или одноуровневых связей между объектами системы. В таком случае первый столбец таблицы содержит перечень объектов, а последующие столбцы – соответствующие этим объектам свойства. Например, построим информационную модель “Домашняя библиотека”. В первом столбце таблицы будем перечислять названия книг, во втором – их авторов, в третьем – название издательства, выпустившего книгу, в четвертом – год издания, в пятом – количество страниц. Получим следующую таблицу:
| Название | Автор | Издательство | Год издания | Количество страниц |
|---|---|---|---|---|
| Математическое и компьютерное моделирование. Вводный курс | Тарасевич Ю.Ю. | Едиториал УРСС | 2003 | 144 |
| Численное статистическое моделирование. Методы Монте-Карло | Михайлов Г.А., Войтишек А.В. | Академия | 2006 | 368 |
| Моделирование систем | Дворецкий С. И., Муромцев Ю. Л., Погонин В. А. , Схиртладзе А. Г. | Академия | 2009 | 320 |
Обрабатывать табличные информационные модели лучше в электронных таблицах или с помощью СУБД.
Например, можно визуализировать результаты исследования этой модели на предмет количества страниц в книге. То есть определить, какая книга самая толстая. Для этого можно в электронных таблицах, например OpenOffice Calc построить диаграмму для данной таблицы.
Табличная структура информационных моделей широко используется в научных исследованиях. Яркий пример – периодическая система элементов Д.И. Менделеева.
Иерархическая структура информационных моделей строится на основе классификации объектов. Выделяются классы, подклассы, типы, подтипы и т.д. Например, класс Компьютеры содержит в себе подклассы Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры. В свою очередь подкласс Персональные компьютеры можно разделить на Настольные, Карманные и Портативные, и т.д.
Элемент каждого уровня иерархической структуры связан отношениями с несколькими элементами более низкого уровня. Самый верхний уровень – первый, имеет лишь один элемент. В нашей классификации это будет элемент Компьютеры.
Для более удобного понимания иерархическую модель представляют в виде графа, в котором вершинами являются элементы, а дугами – отношения между элементами.
Так как внешне граф иерархической структуры напоминает дерево, которое растет сверху вниз, то его иначе еще называют деревом.
Наконец, сетевая структура применяется для моделирования систем сложной структуры, когда отношения между элементами могут быть сложными и разнообразными. Для отображения сетевой структуры информационной модели также используют граф, в котором вершины – это объекты системы, а дуги – отношения между ними. Для примера можно привести сетевую структуру, моделирующую географическое расположение доменных зон в интернете. Вершинами будут доменные зоны, а дугами – наличие высокоскоростной линии связи между данными доменными зонами. Так как линии связи двунаправленные, то граф будет неориентированным.
Информационные модели представляют наибольший интерес для компьютерного моделирования. Зачастую в этой области информационная модель внешне очень сильно напоминает математическую модель, и, в сущности, таковой и является. Однако целесообразно с позиций информатики, как науки, называть такую модель информационной.
