Урок 8. Моделирование в науке
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 8. Моделирование в науке

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Что такое моделирование?
Что понимают под теоретическим моделированием?
Как соотносятся между собой теоретические модели и естественнонаучные модели?

Глоссарий по теме:

Модель (франц. modele, от лат. modulus мера, образец, норма) - это форма отображения определённого фрагмента действительности (предмета, явления, процесса, ситуации), который содержит существенные свойства моделируемого объекта и может быть представлен в абстрактной (мысленной или знаковой) или материальной (предметной) форме.

Моделирование – метод теоретического познания, состоящий в исследовании каких-либо явлений, процессов или систем путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения поведения и характеристик реальных систем.

Теоретическая модель - это универсальное средство научного познания, которое служит для воспроизведения и закрепления в знаковой форме строение, свойства и поведение реальных объектов.

Материальная модель - это материальные копии объектов моделирования. Воспроизводит свойства объектов в материальной форме

Математическая модель – модели, построенные с использованием математических понятий и инструментария (формул, графиков, систем уравнений и т.д.)

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. с 30- 32.
Н. Паленко Физика гравитации и структура атомного ядра. Просто о сложном. – СПб.: Издательство Питер, 2012 – с. 70-79.
Ю. Б. Сениченков Моделирование систем. Динамические и гибридные системы. Учебное пособие. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012 – с.9-14, с.31-35.
Д. А. Чарнцев Компьютерное моделирование процессов физики газа для школьников. - СПб.: СУПЕР Издательство,2016 – с. 5-7, с. 13-19.

Открытые электронные ресурсы по теме урока :

Моделирование // Словари и энциклопедии на Академике URL: https://dic.academic.ru/searchall.php?SWord=моделирование&from=xx&to=ru&did=&stype=0
Интерактивная модель солнечной системы URL: http://www.michurin.net/online-tools/solar-system.html
Солнечная система — ЗD-мoдeль URL: https://mks.space/sss/
Понятие модели и моделирования URL: https://www.youtube.com/watch?v=6FwWUTtaZiA&feature=youtu.be

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Реальные объекты исследования не всегда доступны для исследователя или в их функционирование нельзя вмешиваться. В этом случает можно заменить «оригинал» соответствующим аналогом (моделями), пользуясь которым можно провести эксперимент, изучать его поведение при изменениях параметров внешней и внутренней среды. В воспроизведении свойств объекта изучения на специально устроенном его аналоге-модели заключается суть процесса моделирование. Сама модель — это всегда упрощенное отражение объекта, копия реального объекта, обладающая его основными характеристиками и способная имитировать его поведение.

Модели могут быть реальными (материальными), например, модели самолетов, макеты зданий, фотографии, протезы, куклы и т.п., а также теоретическими (идеальными или абстрактными), создаваемые средствами языка (как естественного человеческого языка, так и специальных языков, например, языком математики. В этом случае мы имеем математическую модель, которая описывает взаимосвязи в изучаемой системе).

Математическое моделирование – инструмент познания, изучения и исследования сложных систем. Эти системы сложны потому, что либо состоят из большого числа структурных компонентов, либо находятся под влиянием большего числа внешних факторов. В этом случае ученые создают модели – упрощенные копии систем, отражающие их структуру и функциональные взаимосвязи. В логике исследования под особым вниманием находятся лишь некоторые компоненты системы и ее взаимосвязи. Математические модели могут быть представлены в виде математических формул, систем уравнений, графиков и т.д. Например, системы дифференциальных уравнений в модели Лотки-Вольтерра, изучающей системы «паразит-хозяин» и «хищник-жертва» или графический образ экологических пирамид (масс, энергий) и др.

Выделяют три функции моделирования:

Познавательная функция заключается в том, что за счет абстрагирования модели позволяют достаточно просто объяснить наблюдаемые на практике явления и процессы (другими словами, они дают ответ на вопрос «почему мир устроен так»).

Прогностическая функция моделирования отражает его возможность предсказывать будущие свойства и состояния моделируемых систем, то есть отвечать на вопрос «что будет?».

Нормативная функция моделирования заключается в получении ответа на вопрос «как должно быть?» – если, помимо состояния системы, заданы критерии оценки ее состояния, то возможно не только описать существующую систему, но и построить ее нормативный образ – желательный с точки зрения субъекта, интересы и предпочтения которого отражены используемыми критериями.

Примеры моделей различных типов в естественных науках

модель

наука

Примеры моделей

материальных

символьных (знаковых)

Физика

1. Кристаллические решетки

2. Электрофорная машина — модель молнии

1. Формулы, отражающие физические законы

2. Планетарная модель строения атома

Химия

1. Модели молекул

2. Модели химических производств

1. Знаки элементов и формулы веществ

2. Уравнения реакция

Биология

1. Муляжи

2. Модель ДНК

1. Таблицы, графики, диаграммы

2. Динамическая модель развития популяций

Примером интегрированного представления о роли моделирования служить планетарная модель строения атома Э. Резерфорда. Её создание позволяет представить себе роль эксперимента, наблюдения, выдвижение гипотезы в построении теоретического обобщения, а также позволяет проследить эволюцию модельных представлений о сложном строении атома: модель «пудинга с изюмом» Томпсона → планетарная модель Резерфорда → квантовую модель Бора. Эта идея отражена в таблице «Создание планетарной модели атома Э. Резерфордом»

Предшествующая модель

Эксперимент

Наблюдение

Гипотеза

Модель и ее суть

Модель «пудинга с изюмом» Томп-сона

Бомбардировка золотой фольги α-лучами

99,99% α-лучей отражались на основном экране и только 0,01% — на боковых

Ядро занимает очень незначительную часть атома, имеет положительный заряд

В центре атома — положи-тельное ядро, вокруг которого движутся электроны, подобно планетам вокруг

По способу реализации модели можно разделить на компьютерные и некомпьютерные (выполненные с помощью карандаша, линейки, ручки). Построение компьютерных естественнонаучных моделей - это тоже математическое моделирование, дополненное вычислительными средствами и возможностью визуализации и интерактивного управления процессами. Примерами компьютерного моделирования могут служить: модель «Движение тела, брошенного под углом к горизонту» или геоинформационная модель «Численность населения в странах мира». С развитием компьютерных технологий все чаще используют создания трёхмерной модели объекта. Появление 3D-технологий предполагает появление в ближайшем будущем новых требований к профессиям, связанным с проектированием, моделированием, конструированием.

Выводы: Моделирование позволяет исследовать сложные процессы и явления с целью предсказания интересующих исследователя результатов. Это касается как материальных, так и теоретических моделей.

Все естественно-научные законы - это модели, применимые для описания широкого класса явлений и процессов, происходящих в природе. Каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения. Существует определенная иерархия законов: одни законы являются частными случаями других, т.е. могут быть выведены из них при определенных приближениях и допущениях.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Чем метод моделирования отличается от наблюдения:

В процессе его проведения собираются достоверные научные факты;
Целенаправленно изучает объекты и процессы для осознания их существенных свойств;
Он более продолжителен по времени проведения;
Изучает не сам объект, а его копию.

Правильный ответ: Изучает не сам объект, а его копию.

Подсказка: напомним, что наблюдение - это преднамеренное, целенаправленное восприятие объектов и процессов с целью осознания их существенных свойств

Задание 2. Активное применение учёными компьютера позволило широко внедрить в научную деятельность метод ______________.

Варианты для выпадающего списка:

Наблюдение / измерение / эксперимент / моделирование

Правильный вариант ответа: моделирование

Подсказка: прочитайте внимательно основные выводы теоретической части.