Моделирование. Виды моделей.
Краткое содержание модуля: подробно раскрыто многообразие смыслов термина «философия», рассмотрена упрощенная модель возник-новения новой для конкретного человека информации, а также две модели управляющих воздействий в системе ЧТС.
Ключевые термины:явление, трактовка явления, органы чувств человека, данные, образы данных, новая информация для конкретного человека.
Основное содержание модуля.
Моделирование - группа видов деятельности, связанных с выделением значимых для человека-исследователя отдельных характеристик объекта исследования и формированием его образа-заместителя (модели) исключи-тельно в аспекте этих характеристик.
Модель объекта позволяет:
понять и предсказать поведение или свойства объекта в заданных условиях;
анализировать или синтезировать объекты едиными методами;
объединять усилия исследователей, создающих или изучающих процессы деятельности.
Чтобы изучать модель, она должна быть достаточно простой. Дости-чь такой простоты можно лишь пренебрегая некоторыми существенными свойствами объекта. Модель - это компромисс между простотой и реаль-ностью.
Классификация моделей всегда субъективна, так как её выполняют всего по одному основанию из многих реально существующих для любой модели.
Таким основанием может служить:
степень абстрактности;
аспект моделирования
соответствие моделируемому объекту;
форма реализации модели;
наличие управляемых переменных;
изменение во времени;
степень определенности;
способ реализации;
другие критерии, субъективно или объективно возникающие при моделировании.
Рассмотрим ряд таких классификаций.
ПО СТЕПЕНИ АБСТРАКТНОСТИ моделирование разделяют на:
пpедметное - моделирует основные геометpические, физические, динамические и функциональные хаpактеpистики исследуемого объекта;
физическое - воспроизводит физические пpоцессы, протекающие внутри этого объекта или участником которых этот объект является;
пpедметно-математическое - исследует физические пpоцессы на объектах иной, чем у рассматриваемого, физической пpиpоды на ос-новании подобия математических описаний соотношений характеристик этих объектов;
абстpактно-математическое - моделирует алфавитно-цифро-вые (знаковые) лингвистические конструкции («формулы и тексты»), поз-воляющие осуществлять расчёты, вычислять и прогнозировать числен-ные значения параметров исследуемого объекта.
ПО АСПЕКТУ моделирование разделяют на:
функциональное - задает совокупность функций, функциональных подсистем и их взаимосвязи;
информационное - отражает состав и взаимосвязи между элемен-тами системы);
поведенческое или событийное - воспроизводит динамику функ-ционирования с помощью понятий: состояние системы, последователь-ность событий, условия перехода из одного состояния в другое и т.п.
ПО СООТВЕТСТВИЮ МОДЕЛИРУЕМОМУ ОБЪЕКТУ моделирова-ние разделяют на:
полное - в строгом соответствии с моделируемым объектом строят изоморфные модели, которые дают о нём исчерпывающую информацию;
приближенное - сознательно огрубляя исследуемый объект строят гомоморфные модели, значительно сокращая число факторов, оставляя наиболее существенные из них для создателя модели.
ПО ФОРМЕ РЕАЛИЗАЦИИ моделирование разделяют на:
реальное - исследуют характеристики реального физического объ-екта моделирования или его части;
мысленное - применяют, когда модель невозможно реализовать в заданном интервале времени или вообще отсутствуют условия для её физического создания.
ПО НАЛИЧИЮ УПРАВЛЯЕМЫХ ПЕРЕМЕННЫХ моделирование раз-деляют на:
конструктивное - в модель включены управляемые переменные для осуществления эффективных управляющих воздействий;
дескриптивное (описательное, концептуальное) - модель выпол-няют в виде схемы представлениё о том, какие переменные наиболее существенны, как они математически связаны между собой.
ПО ИЗМЕНЕНИЮ ВО ВРЕМЕНИ моделирование разделяют на:
статическое - модель отображает состояние объекта в фиксиро-ванный момент времени;
динамическое - модель отображает изменение объекта на протя-жении определенного (часто - длительного) отрезка времени.
ПО СТЕПЕНИ ОПРЕДЕЛЁННОСТИ моделирование разделяют на:
детерминированное - модель отображает процессы, в которых все параметры и воздействия не случайны и обусловлены конкретными причинами;
стохастическое, когда моделируемые явления и объекты счита-ют вероятностными.
ПО СПОСОБУ РЕАЛИЗАЦИИ моделирование разделяют на:
наглядно-образное - модели строят по принципу геометрического подобия (чертежи, схемы, диаграммы, карты, макеты, модели солнечной системы в планетариях, модели атома и т.п.);
математическое или символьное - моделируемому объекту ста-вят в соответствие набор символов и конструкций из них (математичес-ких выражений); математические модели удобны для исследования и ко-личественного анализа в компьютерных информационных технологиях, позволяют получить решение для конкретного случая и определить влия-ние параметров системы на результат решения;
имитационное - компьютерное воспроизведение на математиче-ских моделях (имитация во времени) алгоритма функционирования и по-ведения сложных объектов; заменяет проведение натурных испытаний;
натурное - исследование проводят на реальном объекте;
физическое - исследование проводят на установках, которые со-храняют физическую природу исследуемого объекта, но отличаются от него размерами, формой и другими характеристиками: например - аэро-динамическая труба, в которой имитируют воздушные потоки и отраба-тывают свойства летательного аппарата);
аналоговое, когда набор одних свойств используют для отображе-ния свойств другой физической природы: гидравлическая система как аналог электрической транспортной системы; электрическая система как аналог механической транспортной системы и т.д.
Перечисленные разновидности моделирования основаны на мысли-тельной деятельности (мыследеятельности) человека, являются её проявлением и результатом. Органическое свойство мыследеятельности человека - идеализация, мысленное формирование наглядных представлений, образов, понятий, теорий и взаимосвязей применительно не только к объектам реальной действительности, но и к ещё не существующим или к кажущимся не осуществимыми в действительности объектам.
Наиболее известными примерами построенных на основе идеализа-ции объектов являются геометрические образы и понятия свойствен-ного зрению и мышлению человека трехмерного геометрического про-странства: точка, линия, плоскость, поверхность и т.д.
С древних времен такие модели мыследеятельности человека назы-вают геометрическими. Этими и многими другими идеальными объек-тами (несобственная точка, метр, грамм, секунда, идеальный газ, абсо-лютно чёрное тело, сообщество, общественно-экономическая формация, государство и др.) человек оперирует во всех без исключения видах сво-ей деятельности.
Мысленные модели объектов не отделены от их создателя - чело-века, материальным носителем таких моделей является конкретный че-ловек. Это идеально-абстрактные, образные отображения процессов и результатов мыследеятельности человека. При необходимости человек может параметризовать мысленные модели, дополнять их размерами.
Однако, даже в процессе собственной мыследеятельности (общения с самим собой) человек не обходится только мысленными моделями объектов. Необходимыотчуждение мысленной модели объекта от её создателя, а такжефиксация отчужденной модели на каком-либо мате-риальном носителе (создание отдельного от этого человека предмета материального мира).
Условные модели объектов являются материально-знаковыми реа-лизациями процессов отчуждения мысленной модели объекта. Такое отчуждение может выполнить только сам конкретный человек - создатель и носитель мысленной модели. Поэтому качество отчуждаемых (условных) моделей полностью зависит от способности человека выполнить процесс отчуждения, от желания и возможности выполнять его качественно, от используемых средств и методов отчуждения. Полученный в результате отчуждения объект материального мира (условная модель:физическая, лингвистическая, графическая или какая либо ещё) обеспечивает возможность:
фиксации условных моделей для поддержания собственной мыс-ледеятельности создателя мысленных моделей объектов (организация архива мыследеятельности, её «внешней» долговременной памяти);
обсуждения условной модели её создателем в контакте с другими людьми (специалистами);
объективной оценки или экспертизы условной модели специалис-тами в отсутствии создателя модели;
передачи отчужденной (условной) модели объекта для использо-вания другим специалистам.
Такое использование предусматривает:
фиксацию данных(результатов) в «штатных» ситуациях исполь-зования условной модели;
получение новых знанийпри возникновении «нештатных» ситуа-ций;
демонстрацию работы условной моделив процессе обучения и передачи знаний.
В системе ЧТС, являющейся объектом-представителем в процессе демонстрации возможностей инфографии, приоритетным компонентом является человек.
Зарубежные и отечественные исследователи (А.М.Прохоров, 1975; М.Л.Перепелицын, 1990; Г.М.Дьяченко, 1992; Р.О'Нейл, 1995; В.И.Раков., 2000 и др.) наглядно показали, что от природы человек надёлен двумя явно различимыми принципиально разными возможностями взаимодей-ствия и связи, которые он использует, выполняя моделирование и фор-мируя условные модели объектов:
1) средствами взаимодействия на уровне физиологических датчиков - рецепторов органов чувств (вкус, осязание, обоняние, слух и зрение) и исполнительных органов - механизмов человека, воспринимающих и пе-редающих вещество, информацию и энергию; этот вид средств связи че-ловек распознает, регулирует и использует либо инстинктивно (неосоз-нанная мгновенная реакция на горячее) либо осознано, по собственному желанию (управляемый процесс);
2) средствами взаимодействия, основанными на использовании в трактах приёма и передачи человеческой мысли, как организованной энергии, или сигналов более сложного и «богатого» структурно-энер-гетического содержания.
Второй из перечисленных вид средств связи светским обществом не признан, человеком до конца не осознан и его реальные возможности полностью не выяснены; человек использует эти средства, как правило, неосознанно, случайно, вне своих желаний, нерегулируемо им самим, в экстремальных для его тела или духа ситуациях.
Считают (В.И.Раков, 2000 и др.), что особенностью первого вида средств взаимодействия является достаточно жесткая локализация их функционирования (ограниченность области действия в пространстве и времени около источника воздействия, таблица 5.1.).
Таблица 5.1.
Органы чувств – «датчики» человека (по Ракову В.И.)
| Наимено- вание чувства | Органы вос-приятия (рецеп- торы- датчики) | Материал (субстанция) воздействия, вызывающего у человека ощущения | Носитель воздействия (средство доставки во-здействия к органу восп-риятия) | Дальность контакта | Процент сведе-ний от внешне- го мира, посту-пающих через орган чувств |
| Осязание | Кожа | Объект | Объект | Прикосно-вения | |
| Вкус | Язык | Объект | Объект | Прикосно-вения | |
| Обоняние | Нос | Ароматы | Воздух (среда) | Метры | |
| Слух | Ухо | Звук | Звук (среда) | Десятки метров | |
| Зрение | Глаз | Световые трёхмерные символы (образы) | Свет (среда) | Сотни метров | Более 80% |
Возможности по приёму сигналов до конца не изучены
Общепризнанные физиологические средства, посредством которых человек воспроизводит в себе сигналы для их передачи во внешний мир, также узко регламентированы (таблица 5.2).
Исследования опровергают сложившийся миф о «царе природы» - в сравнении с животным миром приёмные и передающие возможности че-ловека просто скудные. Даже обонятельная функция животных и птиц намного превосходит возможности человека по дальности:
чайки чувствуют запах рыбы при её разделке за сотни метров;
акулы чувствуют «запах» крови за многие сотни метров;
белый медведь чувствует запах подвяленной или паленой нерпы за десяток километров.
Поэтому, несколько утрируя, человека можно назвать «биологичес-ким объектом ближнего действия взаимосвязи».
Какую бы позицию во взаимодействии (пассивную или активную) че-ловек, как субъект связи, ни занимал, всегда остаются важными пробле-мные процессы,- «чем» и «как» реализовать:
вызов на связь;
передачу сообщения от источника приемнику;
передачу ответных сообщений к источнику-инициатору связи.
Конечными сигналами для человека всегда остаются его чувства и ощущения (таблицы 5.1. и 5.2.).
Таблица 5.2.
Передаваемые ощущения человека в сеансе связи (по Ракову В.И.)
| Характер передава- емого ощущения | Орган, воспрои-зводящий ощу-щение (исполни- тельный меха-низм) | Материал (субстанция), из которого образовано передающее ощущение | Носитель переда- ющего ощущения | Дальность передачи ощущения |
| Осязательные | Кожа | Объект (тело) | Объект (тело) | Прикос-новение |
| Вкусовые | Тело | Объект (тело) | Объект (тело) | Прикос-новение |
| Обонятельные | Органы дыхания, тело (плоть), потовые железы | Ароматы (от источника) | Воздух (среда) | Метры |
| Слуховые | Голосовые связки, гортань, рот, язык | Звук (от источника) | Звук (от источника) | Десятки метров |
| «Образные» (световые зрительные образы) | Мышечная сис-тема (для произ-водства симво- лов и образов) | Световые трёхмерные образы | Свет от среды (видимый спектр) | Сотни метров |
Формирование и использование условных моделей относят к классу наглядно-образного моделирования, исследованию которого посвя-щены многочисленные исследования физиологов, психологов, специа-листов в области искусственного зрения, кибернетиков и многих других.
Понимание существа моделирования, как неотъемлемой части соз-нания и существования человека, невозможно без учёта фундаменталь-ных научных открытий ХХ века: аналитической психологии швейцарс-кого психолога Карла Густава Юнга («Психологические типы», 1920) и концепции функциональной асимметрии полушарий мозга профессора Калифорнийского технического университета Роджера Сперри, лауреа-та Нобелевской премии по физиологии и медицине (1981).
Даже краткое изложение научного содержания и практических при-ложений каждого из этих открытий, а также развивающих их современ-ных исследований и теорий, невозможно в рамках нашей публикации и требует от заинтересованного читателя серьезного внимания в процессе изучения.
Мы же, не вдаваясь в подробности, подчеркнем главное.
К.-Г.Юнг, изучая образы - «архетипы» сознательного и бессознате-льного, разделял сознание человека на три основных типа по первичной направленности:
на объект - экстравертное;
на субъект - интровертное;
соединяющее их ритмическое и равнонаправленное - амбиверт-ное.
Когда личность человека ярко не выражена, определить тип его со-знания достаточно сложно. Но для ярко выраженной личности тип сознния обнаруживается всегда.
Эксперименты американского ученого Р.Сперри (конец 60-х годов ХХ века) по вынужденному «отключению» одного из полушарий головного мозга выявили особенности их «изолированной» работы.
Сознание человека использует два механизма мышления:
логический (символический, алгебраический) использует совокуп-ность абстрактных символов и текстов;
образный (интуитивный, геометрический) использует чувственные образы и представления о них.
Физиологически логическое мышление связано с левым, а образное - с правым полушарием головного мозга человека.
Р.Сперри обнаружил, что не травмированный головной мозг челове-ка стабильно проявляет функциональную асимметрию полушарий: работают оба полушария мозга, но индивид проявляет врожденное до-минирование левого или правого полушария; у отдельных индивидов оба полушария функционируют в равной степени.
Научные открытия К.-Г.Юнга, Р.Сперри и их последователей позво-ляют определить разницу в направленности эволюции народов, культур и цивилизаций Запада и Востока:
эволюция Запада экстравертна, направлена на объект, ориенти-рована на развитие рационально-логического функционирования левого полушария мозга;
эволюция классического Востока интровертна, направлена на субъект, ориентирована на развитие правого полушария мозга (выявле-ние множества неочевидных взаимосвязей и формирование целостного
и многозначного образа контекста), выражена в религиозном многооб-разии и подчеркивании личного пути.
Существует и третье направление эволюции, свойственное созна-нию и культурам народов стран «Евразийского Эллипса» (Россия, Турция, Израиль, исламские государства). Свойственное этим народам «рав-нонаправленное» на полушария мозга сознание имеет два варианта проявления:
синтезированное, которое проявляется в ритмичной взаимосвя-зи обоих полушарий в условиях общепринятых ценностей однородного порядка; например - у наций, исповедующих ислам;
двойственное, которое проявляется то как экстравертное, то как интровертное; например - у иудеев: равнозначны материальная (экстра-вертная) и религиозная (интровертная) стороны жизни на фоне отсутст-вия противоречий в силу однородности представлений о ценностях).
Отличие России от остальных стран «Евразийского Эллипса» - в явно выраженной неоднородности (отсутствии единых правил существова-ния) природно-климатических, экономических, национальных, религиоз-ных и многих других аспектов жизни. Неоднородность - причина неодно-значности национального сознания.
Одна часть нации («западники» или «объективисты») демонст-рирует в сознании и культуре экстравертную доминанту левого полу-шария головного мозга. Другая часть («восточники» или «субъекти-висты») демонстрирует интровертную доминанту правого полушария. И лишь немногочисленная группа индивидов («евразийцы») демонстри-руют синтезированное равнонаправленное сознание. Это разделение ге-нетически предопределено.
Объективист демонстрирует формальное логико-знаковое мышле-ние, выбирая из многочисленных связей между объектами (предметами и процессами) только наиболее существенные для решения конкретной за-дачи (создает однозначный контекст, вносит искусственность в картину мира). Нередко предпочитает монотонную рутинную работу, которая не кажется ему скучной, так как соответствует его формальному логико-знаковому мышлению.
Субъективист демонстрирует наглядно-образное мышление, учиты-вает (в том числе - интуитивно) максимальное число признаков и связей многих объектов и субъектов (создает многозначный контекст, обеспе-чивая тем самым естественную непосредственность восприятия мира). Для него творческая деятельность менее утомительна, чем рутинная, мо-нотонная работа.
С раннего возраста (а в пределах средней и высшей школы – на- верняка!) крайне важно правильно строить воспитание и обучение.
Так, чтобы оба нужных человеку типа мышления развивались гармо-нично, а наглядно-образное мышление (и одно из важных его проявле-ний - когнитивное, то-есть способствующее познанию, инфографиче-ское моделирование) не оказалось «скованным» рассудочностью, не иссякал творческий потенциал человека.
Один из ведущих отечественных специалистов по разработке ин-теллектуальных систем академик Поспелов Д.А. отмечал, что «… в современном образовании, использующем компьютерные методы и средства, и в последующей научно-практической деятельности специалистов имеет место явно выраженный «левополушарный крен», а явление это далеко не безобидное…».
Наглядно-образное моделирование - это вид или группа видов дея-тельности, связанных с выделением значимых для человека-исследователя отдельных характеристик интересующего его объекта или субъекта и формированием его образа-заместителя (модели) исключительно в аспекте этих характеристик.
Рис.5.1. Локальные наглядно-образные модели
Каждая отдельная локальная наглядно-образная модель (ЛНОМik, рис.5.1.):
отображает локальный образ «частного» восприятия моделируемого объекта или субъекта конкретным исследователем;
не обладает всей полнотой свойств и характеристик моделируемого объекта или субъекта;
не является универсальной, так как её формируют для решении конкретной проблемы или задачи;
может потребовать адаптации, доработки или оказаться полностью непригодной при попытке использования её для решения иной проблемы или задачи с другими ограничениями.
ЛНОМi (образ) и её автор в их взаимосвязи (рис.5.2.) с точностью до принятых ограничений однозначно отображают процедуры решения двух основных задач наглядно-образного моделирования:
прямая задача - отображение конкретным человеком-исследователем моделируемого объекта или субъекта в рамках принятых ограничений в виде ЛНОМi;
обратная задача - восстановление представлений о моделируемом объекте или субъекте самим автором модели с точностью до ограничений ЛНОМi.
Рис.5.2. Прямая и обратная задачи наглядно-образного моделирования
Приведенные на рис.5.1. и 5.2. инфографические модели позволяют сделать несколько важных выводов:
множество ЛНОМik целесообразно разнообразить, группируя их по це-лесообразности применения;
замена любого из звеньев, участвующих в решении прямой и обра-тной задачи наглядно-образного моделирования, приводит к изменению получаемых результатов;
использование ЛНОМi в отрыве от контекста решения прямой и об-ратной задач (то есть другим человеком или при других ограничениях) может сделать эту ЛНОМi неработоспособной.
Упомянутый выше Поспелов Д.А. сформулировал три основных задачи наглядно-образного моделирования, которые, в приложении к когнитивному инфографическому моделированию, можно изложить следующим образом:
1. Создание моделей представления знаний, позволяющих унифици-рованными средствами отображать как алгебру и символику объектов (пре-дметов и процессов) логического мышления так и интуитивно-геометри-ческие картины образного мышления;
2. Визуализация знаний человека, для которых пока невозможно подо-брать текстовые описания или которые пока недоступны для анализа че-ловеком по причине большого объёма информации;
3. Поиск путей перехода от физически или мысленно наблюдаемых интуитивно-геометрических картин образного мышления (когнитивных инфо-графических моделей) к формулированию гипотезы о природе механизмов и процессов, скрытых за динамикой наблюдаемых картин.
Различают иллюстративную и когнитивную функции наглядно-образного моделирования, которые соответственно реализуют в деклоративных и процедурных организационных формах (структурах деятельности).
Рис.5.3. Функции и организационные формы наглядно-образного
Моделирования знания
Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной дея-тельности по-своему, а современная психология не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала чело-века. Поэтому очень важно с раннего возраста формировать в человеке интенцию к наглядно-образному моделированию.
Развитие стремления человека к использованию в наглядно-образном моделировании известных и формированию оригинальных процедур - одна из главных задач инфографии. В результате её решения человек формирует сугубо личностные, не существующие в таком виде ни у кого, компо-ненты знания.
Процесс создания и чувственного восприятия образа в мыследеяте-льности можно характеризовать как «… процедуру искусства наглядно-образного моделирования, реализуемую на первом сенсорно-моторном этапе процесса формирования целостного сбалансированного двухполу-шариевого мышления…» (Жан Пиаже, 40-е годы ХХ века).
Второй символьный этап обеспечивает формирование «многомерной голограммы образа» (по К.Прибраму), которую человек осмысливает на третьем логическом этапе и выражает средствами выбранного языка на четвертом лингвистическом этапе.
Инфография представляет собой одну из попыток оснастить наглядно-образное моделирование типологическими модулями-схемами, имеющими, как и отображаемые ими проблемы, образную природу (инфографическими моделями), которые можно использовать порознь или объединять (аг-регатировать) в композиционные инфографические модели, разные по сложности и целевому назначению.
Композиционные инфографические наглядно-образные модели способ-ны воспроизводить деятельность и её этапы, разъяснять феномен реф-лéксии, прогнозировать поведение моделируемого объекта или субъекта.
При этом специалисты разных областей знания либо вводят пояс-няющие (но не задающие) смысл используемых понятий определения, либо полагают их излишними, считая смысл понятий общеизвестным.
Вопросы для самопроверки.
1. Что может служить основанием для классификации моделей? При-ведите примеры таких оснований.
2. Поясните термин «идеализация» в мыследеятельности.
3. Как соотносятся между собой мысленные и условные модели?
4. Для реализации каких семи возможностей формируют условные модели?
5. Почему человека условно называют «биологическим объектом ближ-него действия взаимосвязи»?
6. На какие три типа разделяют сознание человека по первичной направ-ленности?
7. Какие два механизма мышления использует сознание человека?
8. Перечислите четыре свойства отдельных локальных наглядно-образ-ных моделей.
9. Чем отличаются деклоративные и процедурные организационные фо-рмы и структуры деятельности?