แนวคิด และ เหตุผล ในการสร้างแบบจำลอง

การสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์เป็นกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์จุดมุ่งหมายในการที่จะทำให้ส่วนใดส่วนหนึ่งหรือคุณลักษณะของโลกที่ง่ายต่อการเข้าใจ , กำหนด , ปริมาณ , เห็นภาพหรือจำลองโดยการอ้างอิงไปยังมีอยู่และมักจะได้รับการยอมรับโดยทั่วไปความรู้ มันต้องมีการเลือกและระบุด้านที่เกี่ยวข้องของสถานการณ์ในโลกจริงแล้วใช้ความแตกต่างของรูปแบบการมีจุดมุ่งหมายที่แตกต่างกันเช่นแบบแนวคิดในการทำความเข้าใจรูปแบบการดำเนินงานเพื่อการดำเนินการ , แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่จะหาจำนวนและรูปแบบกราฟิกที่จะเห็นภาพเรื่อง .

ตัวอย่างการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ แผนผังของกระบวนการทางเคมีและการขนส่งที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบของบรรยากาศ

การสร้างแบบจำลองเป็นส่วนที่สำคัญและแยกออกจากกันไม่ได้ของสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์หลายสาขาซึ่งแต่ละสาขามีแนวคิดของตัวเองเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองเฉพาะประเภท [1] [2]ต่อไปนี้จะถูกกล่าวโดยจอห์น von Neumann [3]

... วิทยาศาสตร์ไม่ได้พยายามอธิบายพวกเขาแทบจะไม่พยายามตีความด้วยซ้ำพวกเขาสร้างแบบจำลองเป็นหลัก โดยแบบจำลองหมายถึงโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ซึ่งนอกเหนือจากการตีความด้วยวาจาบางอย่างแล้วจะอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ เหตุผลของโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ดังกล่าวนั้นคาดว่าจะใช้งานได้อย่างถูกต้องและแม่นยำนั่นคืออธิบายปรากฏการณ์ได้อย่างถูกต้องจากพื้นที่กว้างพอสมควร

นอกจากนี้ยังมีความสนใจที่เพิ่มขึ้นเพื่อการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์[4]ในสาขาต่าง ๆ เช่นการศึกษาวิทยาศาสตร์ , [5] ปรัชญาวิทยาศาสตร์ , ทฤษฎีระบบและการสร้างภาพความรู้ มีการรวบรวมวิธีการเทคนิคและทฤษฎีเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์เฉพาะทางทุกประเภทมากขึ้นเรื่อย ๆ

แบบจำลองทางวิทยาศาสตร์พยายามที่จะเป็นตัวแทนของการทดลองวัตถุปรากฏการณ์และกระบวนการทางกายภาพในตรรกะและวัตถุประสงค์ทาง แบบจำลองทั้งหมดอยู่ในรูปแบบจำลองนั่นคือการสะท้อนความเป็นจริงที่เรียบง่ายซึ่งแม้จะเป็นการประมาณ แต่ก็มีประโยชน์อย่างมาก [6] การสร้างและการโต้แย้งแบบจำลองเป็นพื้นฐานขององค์กรวิทยาศาสตร์ การเป็นตัวแทนที่สมบูรณ์และเป็นจริงอาจเป็นไปไม่ได้ แต่การถกเถียงทางวิทยาศาสตร์มักเกี่ยวข้องกับแบบจำลองที่ดีกว่าสำหรับงานที่กำหนดเช่นแบบจำลองสภาพภูมิอากาศที่แม่นยำกว่าสำหรับการพยากรณ์ตามฤดูกาล [7]

ความพยายามที่จะทำพิธีหลักการของวิทยาศาสตร์การทดลองใช้การตีความรูปแบบความเป็นจริงในทางเดียวกัน logicians axiomatize หลักการของตรรกะ จุดมุ่งหมายของความพยายามเหล่านี้คือการสร้างระบบอย่างเป็นทางการว่าจะไม่ผลิตผลกระทบทางทฤษฎีที่ตรงกันข้ามกับสิ่งที่จะพบได้ในความเป็นจริง การคาดการณ์หรือข้อความอื่น ๆ ที่ดึงมาจากกระจกระบบที่เป็นทางการหรือทำแผนที่โลกแห่งความเป็นจริงตราบเท่าที่แบบจำลองทางวิทยาศาสตร์เหล่านี้เป็นจริง [8] [9]

สำหรับนักวิทยาศาสตร์แบบจำลองยังเป็นวิธีที่สามารถขยายกระบวนการคิดของมนุษย์ได้ [10]ตัวอย่างเช่นแบบจำลองที่แสดงผลในซอฟต์แวร์ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ประโยชน์จากพลังในการคำนวณเพื่อจำลองแสดงภาพปรับแต่งและรับสัญชาตญาณเกี่ยวกับเอนทิตีปรากฏการณ์หรือกระบวนการที่แสดง แบบจำลองคอมพิวเตอร์ดังกล่าวใน silico แบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ประเภทอื่น ๆ ได้แก่ในสิ่งมีชีวิต (แบบจำลองที่มีชีวิตเช่นหนูทดลอง ) และในหลอดทดลอง (ในเครื่องแก้วเช่นการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ ) [11]

• การสร้างแบบจำลองแบบอะนาล็อก
• การสร้างแบบจำลองการประกอบ
• การสร้างแบบจำลองภัยพิบัติ
• การสร้างแบบจำลองทางเลือก
• แบบจำลองสภาพภูมิอากาศ
• การสร้างแบบจำลองอย่างต่อเนื่อง
• การสร้างแบบจำลองข้อมูล
• การสร้างแบบจำลองที่ไม่ต่อเนื่อง
• การสร้างแบบจำลองเอกสาร
• แบบจำลองเศรษฐมิติ
• แบบจำลองทางเศรษฐกิจ
• แบบจำลองระบบนิเวศ

• การสร้างแบบจำลองเชิงประจักษ์
• การสร้างแบบจำลององค์กร
• การศึกษาอนาคต
• การสร้างแบบจำลองทางธรณีวิทยา
• การสร้างแบบจำลองเป้าหมาย
• การสร้างแบบจำลองที่คล้ายคลึงกัน
• อุทกธรณีวิทยา
• อุทกศาสตร์
• การสร้างแบบจำลองทางอุทกวิทยา
• การสร้างแบบจำลองข้อมูล
• การสร้างแบบจำลองมาโคร
• การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์

• การสร้างแบบจำลองเครือข่ายเมตาบอลิ
• การสร้างแบบจำลองด้วยกล้องจุลทรรศน์
• การสร้างแบบจำลองระบบชีวภาพ
• การสร้างแบบจำลองทางระบาดวิทยา
• การสร้างแบบจำลองโมเลกุล
• การสร้างแบบจำลองหลายรายการ
• การสร้างแบบจำลอง NLP
• การสร้างแบบจำลองปรากฏการณ์
• แบบจำลองการคาดการณ์ปริมาณการบริโภค
• การสร้างแบบจำลองเชิงคาดการณ์
• การสร้างแบบจำลองมาตราส่วน
• การจำลองสถานการณ์

• การสร้างแบบจำลองซอฟต์แวร์
• การสร้างแบบจำลองที่มั่นคง
• การทำแผนที่อวกาศ
• แบบจำลองทางสถิติ
• Stochastic modeling (ประกัน)
• แบบจำลองตัวแทน
• ระบบสถาปัตยกรรม
• พลวัตของระบบ
• การสร้างแบบจำลองระบบ
• การสร้างแบบจำลองและการจำลองระดับระบบ
• การสร้างแบบจำลองคุณภาพน้ำ

การสร้างแบบจำลองและการจำลอง

การประยุกต์ใช้การสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งคือด้านการสร้างแบบจำลองและการจำลองโดยทั่วไปเรียกว่า "M&S" M&S มีแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายตั้งแต่การพัฒนาและวิเคราะห์แนวคิดผ่านการทดลองการวัดและการตรวจสอบไปจนถึงการวิเคราะห์การกำจัด โครงการและโปรแกรมอาจใช้การจำลองสถานการณ์จำลองและเครื่องมือวิเคราะห์โมเดลที่แตกต่างกันหลายร้อยแบบ

ตัวอย่างการใช้แบบจำลองและการจำลองแบบบูรณาการในการจัดการวงจรชีวิตของการป้องกัน การสร้างแบบจำลองและการจำลองในภาพนี้จะแสดงที่กึ่งกลางของภาพด้วยคอนเทนเนอร์ทั้งสาม [15]

รูปนี้แสดงให้เห็นว่าการสร้างแบบจำลองและการจำลองสถานการณ์ถูกใช้เป็นส่วนสำคัญของโปรแกรมรวมในกระบวนการพัฒนาขีดความสามารถในการป้องกันอย่างไร [15]

การเรียนรู้โดยใช้ตัวแบบในการศึกษาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้วิทยาศาสตร์เกี่ยวข้องกับนักเรียนที่สร้างแบบจำลองสำหรับแนวคิดทางวิทยาศาสตร์เพื่อ: [19]

• รับข้อมูลเชิงลึกของแนวคิดทางวิทยาศาสตร์
• รับความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับเรื่องผ่านการแสดงภาพของแบบจำลอง
• ปรับปรุงการมีส่วนร่วมของนักเรียนในหลักสูตร

เทคนิคการเรียนรู้แบบจำลองประเภทต่างๆ ได้แก่ : [19]

• มาโครทางกายภาพ
• ระบบตัวแทน
• แบบจำลองทางวากยสัมพันธ์
• รุ่นฉุกเฉิน

การสร้างแบบจำลองในการศึกษาเป็นแบบฝึกหัดซ้ำ ๆ กับนักเรียนในการปรับแต่งพัฒนาและประเมินแบบจำลองของพวกเขาเมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้เปลี่ยนการเรียนรู้จากความเข้มงวดและความน่าเบื่อของหลักสูตรแบบเดิมไปเป็นการฝึกความคิดสร้างสรรค์และความอยากรู้อยากเห็นของนักเรียน แนวทางนี้ใช้กลยุทธ์เชิงสร้างสรรค์ของการทำงานร่วมกันทางสังคมและการเรียนรู้ทฤษฎีนั่งร้าน การเรียนรู้โดยใช้โมเดลรวมถึงทักษะการใช้เหตุผลทางปัญญาซึ่งโมเดลที่มีอยู่สามารถปรับปรุงได้โดยการสร้างโมเดลที่ใหม่กว่าโดยใช้โมเดลเก่าเป็นพื้นฐาน [20]

"การเรียนรู้โดยใช้โมเดลเป็นตัวกำหนดโมเดลเป้าหมายและเส้นทางการเรียนรู้ที่ให้โอกาสในการทำความเข้าใจที่เป็นจริง" [21]การสร้างแบบจำลองยังสามารถรวมกลยุทธ์การเรียนรู้แบบผสมผสานโดยใช้เครื่องมือและเครื่องจำลองบนเว็บซึ่งจะช่วยให้นักเรียนสามารถ:

• ทำความคุ้นเคยกับแหล่งข้อมูลออนไลน์หรือดิจิทัล
• สร้างแบบจำลองที่แตกต่างกันด้วยวัสดุเสมือนจริงต่างๆโดยเสียค่าใช้จ่ายเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย
• ฝึกทำกิจกรรมแบบจำลองได้ทุกที่ทุกเวลา
• ปรับแต่งโมเดลที่มีอยู่

"การจำลองที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีช่วยลดความซับซ้อนของระบบในโลกแห่งความเป็นจริงในขณะเดียวกันก็เพิ่มความตระหนักถึงความซับซ้อนของระบบนักเรียนสามารถมีส่วนร่วมในระบบที่เรียบง่ายและเรียนรู้ว่าระบบจริงทำงานอย่างไรโดยไม่ต้องใช้เวลาหลายวันหลายสัปดาห์หรือหลายปีเพื่อรับประสบการณ์นี้ ในโลกแห่งความเป็นจริง” [22]

บทบาทของครูในกระบวนการเรียนการสอนโดยรวมส่วนใหญ่เป็นของผู้อำนวยความสะดวกและผู้จัดประสบการณ์การเรียนรู้ เขาหรือเธอจะมอบหมายนักเรียนซึ่งเป็นกิจกรรมสร้างแบบจำลองสำหรับแนวคิดเฉพาะและให้ข้อมูลที่เกี่ยวข้องหรือสนับสนุนกิจกรรม สำหรับกิจกรรมการสร้างแบบจำลองเสมือนจริงครูยังสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับการใช้เครื่องมือดิจิทัลและให้การสนับสนุนการแก้ไขปัญหาในกรณีที่เกิดข้อบกพร่องในขณะที่ใช้สิ่งเดียวกัน ครูยังสามารถจัดกิจกรรมการสนทนากลุ่มระหว่างนักเรียนและจัดเตรียมเวทีที่จำเป็นสำหรับนักเรียนในการแบ่งปันข้อสังเกตและความรู้ที่ดึงมาจากกิจกรรมการสร้างแบบจำลอง

การประเมินผลการเรียนรู้ตามรูปแบบอาจรวมถึงการใช้รูบริกที่ประเมินความฉลาดและความคิดสร้างสรรค์ของนักเรียนในการสร้างแบบจำลองและการมีส่วนร่วมในชั้นเรียนโดยรวมของนักเรียนเมื่อมองเห็นความรู้ที่สร้างขึ้นผ่านกิจกรรม

อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้เพื่อให้การเรียนรู้แบบจำลองประสบความสำเร็จเกิดขึ้น:

• การใช้เครื่องมือที่เหมาะสมในเวลาที่เหมาะสมสำหรับแนวคิดเฉพาะ
• ข้อกำหนดภายในการจัดเตรียมการศึกษาสำหรับกิจกรรมสร้างโมเดลเช่นห้องคอมพิวเตอร์ที่มีอินเทอร์เน็ตหรือซอฟต์แวร์ที่ติดตั้งเพื่อเข้าถึงโปรแกรมจำลองหรือเครื่องมือดิจิทัล

• การให้เหตุผลแบบลักพาตัว
• ทุกรุ่นผิดหมด
• ฮิวริสติก
• แบบจำลองผกผัน
• การแสดงภาพทางวิทยาศาสตร์
• แบบจำลองทางสถิติ

1. ^ Cartwright, แนนซี่ 2526กฎของฟิสิกส์โกหกอย่างไร. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด
2. ^ แฮ็กเอียน 2526. การเป็นตัวแทนและการแทรกแซง. Introductory Topics in the Philosophy of Natural Science . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
3. ^ von Neumann, J. (1995), "Method in the physical sciences", ในBródy F. , Vámos, T. (บรรณาธิการ), The Neumann Compendium , World Scientific , p. 628; เผยแพร่ก่อนหน้านี้ใน The Unity of Knowledgeแก้ไขโดย L.Leary (1955), หน้า 157-164 และใน John von Neumann Collected Worksแก้ไขโดย A. Taub เล่ม VI, หน้า 491-498
4. ^ Frigg และอาร์ตมันน์ (2009) รัฐ: "นักปรัชญาได้รับการยอมรับถึงความสำคัญของรุ่นที่มีความสนใจเพิ่มขึ้นและได้รับการพิสูจน์บทบาทสารพันว่ารูปแบบการเล่นในการปฏิบัติทางวิทยาศาสตร์" ที่มา: Frigg, Roman and Hartmann, Stephan , "Models in Science", The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Summer 2009 Edition), Edward N. Zalta (ed.), ( source )
5. ^ นัม ดาร์กฤษณา; Shen, Ji (2015-02-18). "การประเมินเชิงโมเดลในการศึกษาวิทยาศาสตร์ K-12: การสังเคราะห์งานวิจัยตั้งแต่ปี 1980 ถึง 2013 และทิศทางใหม่" วารสารการศึกษาวิทยาศาสตร์นานาชาติ . 37 (7): 993–1023 ดอย : 10.1080 / 09500693.2015.1012185 . ISSN  0950-0693 . S2CID  143865553
6. ^ Box, George EP & Draper, NR (1987) [ทดลองสร้างแบบจำลองและการตอบสนองพื้นผิว.]ไวลีย์ น. 424
7. ^ Hagedorn, R. et al. (2005) http://www.ecmwf.int/staff/paco_doblas/abstr/tellus05_1.pdf [ ลิงก์ตายถาวร ] Tellus 57A: 219–33
8. ^ สิงห์ Apostel (1961) "การศึกษาแบบจำลองอย่างเป็นทางการ". ใน:แนวคิดและบทบาทของรุ่นในวิชาคณิตศาสตร์และธรรมชาติและสังคม แก้ไขโดยฮันส์ Freudenthal สปริงเกอร์. หน้า 8–9 (ที่มา )] ,
9. ^ Ritchey, T. (2012)โครงร่างสำหรับสัณฐานวิทยาของวิธีการสร้างแบบจำลอง: การมีส่วนร่วมในทฤษฎีทั่วไปของการสร้างแบบจำลอง
10. ^ C West Churchman , The Systems Approach , New York: Dell Publishing, 1968, p. 61
11. ^ Griffiths, EC (2010)โมเดลคืออะไร?
12. ^ Tolk, A. (2015) เรียนรู้สิ่งที่ถูกต้องจากแบบจำลองที่ไม่ถูกต้อง - ญาณวิทยาของการจำลอง ใน Yilmaz, L. (Ed.)แนวคิดและระเบียบวิธีในการสร้างแบบจำลองและการจำลอง. สปริงเกอร์ - เวอร์ หน้า 87–106
13. ^ Oberkampf, WL, DeLand, SM, Rutherford, BM, Diegert, KV, & Alvin, KF (2002) ข้อผิดพลาดและความไม่แน่นอนในการสร้างแบบจำลองและการจำลอง วิศวกรรมความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยของระบบ 75 (3): 333–57
14. ^ Ihrig, M. (2012) สถาปัตยกรรมการวิจัยใหม่สำหรับยุคจำลอง ในสภายุโรปในการสร้างแบบจำลองและการจำลอง หน้า 715–20)
15. ^ a b c ความรู้พื้นฐานด้านวิศวกรรมระบบ เก็บถาวรเมื่อ 2007-09-27 ที่Wayback Machine Defense Acquisition University Press, 2003
16. ^ Pullan, Wendy (2000). โครงสร้าง . Cambridge: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ISBN 0-521-78258-9.
17. ^ Fishwick PA (2538). การออกแบบโมเดลจำลองและการดำเนินการ: การสร้างโลกดิจิทัล Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall
18. ^ Sokolowski, JA, ธนาคาร, CM (2009) หลักการสร้างแบบจำลองและการจำลองสถานการณ์ Hoboken, NJ: John Wiley and Sons
19. ^ ก ข เลห์เรอร์ริชาร์ด; Schauble, Leona (2549). เคมบริดจ์คู่มือการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ Cambridge, UK: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ น. 371. ISBN 978-0-521-84554-0.
20. ^ Nersessian, Nancy J (2002). พื้นฐานขององค์ความรู้วิทยาศาสตร์ Cambridge, UK: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ น. 133. ISBN 0-521-01177-9.
21. ^ เคลเมนท์เจเจ; Rea-Ramirez, Mary Anne (2008). การเรียนรู้ตามแบบจำลองและการเรียนการสอนทางวิทยาศาสตร์ (2 ed.). Springer Science & Business Media น. 45 . ISBN 978-1-4020-6493-7.
22. ^ บลัมไชน์, แพทริค; ฮุ้งเว้ย; โยนาสเซ่น, เดวิด; Strobel, Johannes (2009). แบบที่ใช้แนวทางการเรียนรู้ (PDF) เนเธอร์แลนด์: Sense Publishers ISBN 978-90-8790-711-2.

ปัจจุบันมีนิตยสาร 40 ฉบับเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ซึ่งมีฟอรัมต่างประเทศทุกประเภท ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 เป็นต้นมามีหนังสือและนิตยสารเกี่ยวกับรูปแบบเฉพาะทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ นอกจากนี้ยังมีการอภิปรายมากมายเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ในวรรณกรรมปรัชญา - วิทยาศาสตร์ การเลือก: