Роль моделей в науке и в образовательном процессе. Экспериментальные и иллюстративные модели - Компьютерное моделирование физических процессов и явлений, как метод научного познания

Окружающий человека мир действительно сложен и разнообразен. В процессе его познания человек вынужден выделять в исследуемых объектах наиболее важные черты и свойства, а в происходящих явлениях существенные связи. Для определения количественных связей экспериментатор создает достаточно сложные приборы и установки. Они являются обычными физическими объектами, в которых конструктивно второстепенные связи отодвинуты на второй план, и это позволяет экспериментатору установить количественные закономерности. Важнейшие из них составляют содержание законов природы. Называть чувствительные установки экспериментатора моделями чего-либо вряд ли разумно.

В том случае, когда устанавливаются фундаментальные законы или изучаются физико-химические свойства тел, экспериментатор проводит, как говорят, натурные эксперименты. Например, для демонстрации закона всемирного тяготения нужно измерить силу притяжения двух тел, в качестве которых могут быть взяты астрономические тела или большие шары. Для установления закона Кулона необходимо рассмотреть взаимодействие заряженных тел, например, на крутильных весах. Для измерения вязкости жидкости нужно эту жидкость залить в вискозиметр и провести измерение. Следует еще раз подчеркнуть, что для проведения некоторых экспериментов исследователям приходится делать очень сложные в техническом отношении установки (не модели). В физической науке, особенно на первоначальном этапе ее развития, доминировали натурные эксперименты. Они должны занимать определенное место и в процессе обучения физике как источник первоначального знания о законах природы. Иллюстрация физических законов, на наш взгляд, в случае возможности должна производится в натурном эксперименте. Только в натурном эксперименте можно убедиться в справедливости того или иного закона!

В современной науке, однако, ситуация несколько изменилась. Часто возникает потребность в эксперименте, в котором не требуется открывать фундаментальные законы, а необходимо установить поведение какого-либо конкретного объекта или характер протекания конкретного процесса. Например, вы придумали новую форму корпуса самолета и хотите узнать его летные качества. Разумно ли сразу строить аппарат натуральных размеров и проводить полетные эксперименты? Или, например, в технологическом процессе подготовки высококачественного расплава стали требуется ввести легирующую добавку. В какой момент времени и в каком месте это сделать? Можно ли без больших затрат провести прямой эксперимент. Ответ на оба вопроса один: требуются предварительные эксперименты на вспомогательных объектах.

Для детального изучения свойств конкретных объектов и сложных явлений современный исследователь создает вспомогательные объекты, с которыми ему легче экспериментировать, во взаимодействии которых удобней наблюдать интересующие явления. Метод экспериментального исследования, основанный на замене конкретного объекта эксперимента другим, в некотором смысле ему подобным, называют моделированием, а объект над (на) которым (ом) производится эксперимент - моделью.

Обычно модель предназначается для изучения вполне конкретного процесса, происходящего в системе с определенными геометрическими параметрами и физическими свойствами в условиях, когда обстановка для натурного эксперимента неблагоприятна. Например, геометрические размеры системы чрезмерно велики или очень малы, исследуемый процесс протекает слишком быстро или слишком медленно, очень высоки значения режимных параметров процесса (температура, давление, электрическое напряжение и т. п.), дороговизна или токсичность расходуемых материалов и другие факторы.

Другой причиной использование моделей может служить привлечение их как средства обучения и тренажа. Можно сформулировать следующие цели школьного курса моделирования:

    1. дать научные основы моделирования (правила построения моделей и экспериментов с ними); 2. углубить знания учащихся в области конкретных наук и придать изучению этих наук творческий характер; 3. при математическом моделировании дать практические примеры использования математических методов, вложив в формальные математические подходы конкретный смысл практической деятельности; 4. разнообразить с помощью конкретной деятельности уроки информатики.

Моделирование основано на возможности воспроизводить явления подобные друг другу. Условия подобия связывают модель и моделируемый объект. Модель конечно должна быть геометрически подобна объекту. Кроме того, требуется выполнение подобия по физическим параметрам. Характер протекания физического процесса не должен зависеть от выбора единиц измерения физических величин и определяется безразмерными параметрами, т. е. относительными величинами. В случае подобия явлений все их количественные характеристики, представленные в относительной форме, совпадают. Тождественность всех относительных характеристик у модели и оригинала является формой выражения соответствия между оригиналом и моделью. Кроме того, представление результатов экспериментов с моделью в относительных переменных позволяет исследованием некоторого явления обеспечить изучение целой группы подобных явлений. Для конкретного объекта в пределах этой группы явлений численные результаты получаются простым пересчетом, состоящем в умножении на масштабные коэффициенты.

Похожие статьи




Роль моделей в науке и в образовательном процессе. Экспериментальные и иллюстративные модели - Компьютерное моделирование физических процессов и явлений, как метод научного познания

Предыдущая | Следующая