Mokslinis modelis: apibrėžimas, pavyzdžiai, taikymas ir tipai
Mokslinis modelis yra supaprastintas abstraktus sudėtingos tikrovės vaizdas. Moksliniai modeliai naudojami kaip mokslinio darbo pagrindas. Jie gali būti naudojami aiškinant, prognozuojant ir tikrinant arba kuriant kompiuterines programas ar matematines lygtis.
Sudėtingo modelio pavyzdys - orų prognozėms naudojama programinė įranga. Programa pagrįsta orus veikiančių kintamųjų lygtimis. Į ją įvedami meteorologiniai duomenys, o programa pateikia būsimų orų prognozių (grafikų ir duomenų).
Moksliniame modelyje logiškai vaizduojami sudėtingi objektai, įvykiai ir fiziniai procesai.
Ką apima mokslinis modelis?
Mokslinis modelis apima supaprastintas prielaidas, kintamuosius, sąryšius tarp jų ir taisykles, kurios leidžia tirti tam tikrą reiškinį. Modelyje dažnai aiškiai nurodomi:
- prielaidos (kas laikoma reikšmingu, kas ignoruojama);
- parametrai ir jų reikšmės;
- matematinių ar loginių taisyklių rinkinys, aprašantis sistemos elgseną;
- pradinius ir ribinius sąlygomis, reikalingas skaičiavimams.
Pavyzdžiai
Be orų prognozių, dažnai sutinkami modeliai:
- epidemijų modeliai (pvz., SIR modelis), naudojami ligų plitimo prognozėms ir valdymui;
- ekonomikos modeliai, aiškinantys rinkos elgseną, infliaciją ar užimtumą;
- klimato modeliai, vertinantys ilgalaikius klimato pokyčius;
- struktūrinės inžinerijos modeliai, skaičiuojantys pastatų atsparumą apkrovoms;
- molekuliniai ir biologiniai modeliai, leidžiantys prognozuoti chemines reakcijas arba baltymų struktūras;
- agentų pagrindu sukurti modeliai, imituojantys daugelio savarankiškų agentų sąveikas (pvz., miestų transporto srautai).
Mokslinio modelio tipai
- Konceptualūs modeliai – idėjų ir sąvokų aprašymai, schemos ir block-diagramos.
- Matematiniai modeliai – lygtys ir išraiškos, apibūdinančios priklausomybes.
- Statistiniai ir empiriniai modeliai – remiasi duomenų analizėmis ir regresijomis.
- Skaitmeniniai / kompiuteriniai modeliai – sudėtingoms sistemoms tirti naudojami algoritmai ir skaitmeniniai sprendimo būdai.
- Deterministiniai modeliai – vienas pradinis būklės rinkinys duoda tą patį rezultatą;
- Stochastiniai modeliai – įtraukiamas atsitiktinumas ir neapibrėžtumas.
- Mechanistiniai (paaiškinantys priežastis) ir fenomenologiniai (aprašantys stebimus reiškinius) modeliai.
Mokslinio modelio kūrimo etapai
- problemos formulavimas ir tikslų nustatymas;
- reikšmingų kintamųjų identifikavimas ir prielaidų apibrėžimas;
- modelio konstravimas (konceptualus, matematinis ar skaitmeninis);
- parametrų kalibravimas naudojant stebėjimų duomenis;
- patikrinimas ir validacija (paliginimas su nepriklausomais duomenimis);
- jautrumo analizė ir neapibrėžtumo vertinimas;
- dokumentacija ir rezultatų skaidrumas (reproducibility).
Taikymas ir nauda
Moksliniai modeliai leidžia:
- geriau suprasti sudėtingas sistemas ir identifikuoti kertinius veiksnius;
- prognozuoti ateities scenarijus ir vertinti rizikas;
- testuoti hipotezes be brangių ar neetiškų eksperimentų;
- optimizuoti sprendimus inžinerijoje, medicinoje, ekonomikoje ir kituose sektoriuose;
- komunikuoti žinias ir pateikti vizualizacijas sprendimų priėmėjams.
Patikimumas, tikrinimas ir ribotumai
Modeliai yra tik supaprastinimai, todėl turi ribotumų. Svarbu atkreipti dėmesį į:
- prielaidų pagrįstumą – ar ignoruojami veiksniai iš tikrųjų yra nereikšmingi;
- duomenų kokybę, kuria modelis kalibruojamas;
- neapibrėžtumą ir klaidų sklaidą prognozėse;
- perdaug supaprastinimą, kuris gali lemti klaidingas išvadas;
- poreikį reguliariai atnaujinti modelį, kai atsiranda nauji duomenys arba keičiasi sąlygos.
Geri praktikos patarimai
- aiškiai dokumentuokite visas prielaidas ir parametrus;
- naudokite kelių tipų modelius (pvz., tiek mechanistinius, tiek statistinius) ir lyginkite rezultatus;
- atlikite jautrumo ir neapibrėžtumo analizę, kad suprastumėte, nuo ko labiausiai priklauso rezultatai;
- viešai skelbkite duomenis ir kodą, kiek įmanoma, siekiant reprodukuojamumo;
- būkite atsargūs interpretuodami prognozes — modeliai pateikia galimus scenarijus, ne absoliučias tiesas.
Apibendrinant, mokslinis modelis yra galingas įrankis moksle ir praktikoje: jis padeda struktūruoti žinias, testuoti hipotezes ir priimti informuotus sprendimus. Tačiau tinkamas modelio panaudojimas reikalauja aiškių prielaidų, gerų duomenų ir kritiško vertinimo.
Mokslinio modeliavimo pavyzdys. Su atmosferos sudėtimi susijusių cheminių ir transporto procesų schema.
Pavyzdžiai
Pavyzdžiui, mūsų visatos modeliai yra astrofizikos (didžiausi gamtos dalykai) ir fizikos (mažiausi dalykai) dalis. Tačiau paprastai tai nėra tai, ką mes turime omenyje sakydami "gamta". Turime omenyje modelius, kuriuos tiria biologija, ekologija, ekonomika, aplinkos sveikata ir gydymas. Dauguma gamtos modelių - tai dalykai, kuriuos žmonės iš tikrųjų veikia tiesiogiai ir kurie atgal veikia žmones:
Toksiškos atliekos
Pavyzdžiui, toksiškų atliekų išmetimas į upę pakenks kitiems upės žemupyje. Tačiau neturėdami gamtos modelių nežinome, kas ir kiek nukenčia ar kenkia, negalime pasakyti.
Poveikis
Gamtos modeliai daro įtaką žmogaus sprendimų priėmimui. Jie labai svarbūs žmonių sveikatai, gerovei ir ekonomikai. Jie taip pat svarbūs etikoje, nes dauguma žmonių nori sumažinti savo sprendimais daromą žalą. Jie svarbūs teisėje, nes teisme galima įrodyti, kad žala buvo padaryta.
Miškai
Sunaikintą mišką labai sunku atgaivinti. Mažesni gamtos gabalėlių modeliai padeda suprasti, kiek jų reikia palikti, kad ir ateities kartos galėtų naudotis gamta.
Poveikis gamtai
Daugeliu atžvilgių galima sakyti, kad žmonės ir gamta konfliktuoja. Gamtinis kapitalas, pavyzdžiui, dirvožemis ir dideli sveiki medžiai, kurie reikalingi gamtai, kad ji galėtų gaminti daugiau savęs, taip pat naudingi žmonėms kaip gamtos ištekliai. Svarbu žinoti, kiek galima iš gamtos išgauti, kol ji nemiršta. Tai dar viena modelio priežastis:
Yra trys pagrindiniai būdai, kaip gamtos modeliai veikia žmogaus gyvenimą:
Aplinka
- Aplinka ir sveikatingumas yra susiję su žmogaus sveikata, gydymu ir mityba. Jų metu daugiausia dėmesio skiriama tam, kas įeina į žmogaus kūną ar pojūčius, ir tam, kaip prailginti gyvenimo trukmę ir padidinti gyvybingumą. Pagal šį požiūrį žmogaus laimė priklauso nuo to, ar jis yra kažko gyvo, esančio už jo ribų, dalis. Pavyzdžiui, sodininkystė gali padaryti juos laimingus vien dėl to, kad jie sutelkia dėmesį į auginimą ir išėjimą į lauką.
Ekonomika
- Ekologija ir ekonomika tiria išteklius, atliekas, energiją, maistą ir mitybą bei tai, kaip pasirinkimai veikia gamtą daugelyje kitų vietų. Šios idėjos sako, kad reikia sutelkti dėmesį į tai, kaip pirkti vietoje, taupyti energiją, mažinti, pakartotinai naudoti, perdirbti prekes, mažinti konkurenciją tarp žmonių. Pasak šio požiūrio, žmonių kūnai yra gamtos dalis ir turi būti vertinami kaip ekologijos dalis, pavyzdžiui, miestų ekologija.
Ekologija
- Giluminė ekologija ir gyvūnų teisės teigia, kad gamta turi egzistuoti tik sau. Žmonių moralė turėtų ją palikti ramybėje. Ši ideologija sako, kad reikia sutelkti dėmesį tik į darbą siekiant išsaugoti buveines, didinti biologinę įvairovę ir pirkti moralę, kad nepadarytume žalos daiktams. Ji sako, kad visa tai reikia daryti be jokios išmatuojamos tiesioginės naudos žmonėms, net jiems patiems. Žmonės šioje nuomonėje, kuri dažnai yra religijos dalis, yra labiau panašūs į prižiūrėtojus. Jis nustato etinius apribojimus mokslininkų veiksmams, pavyzdžiui, pasisako prieš eksperimentus su gyvūnais ar genetiškai modifikuotą maistą. Paprastai jis laikomas mokslo priešprieša, o ne jo dalimi. Jos gamtos modeliams paprastai nepritaria dauguma mokslininkų, tačiau jie svarbūs politikoje.
Išsaugojimas
Siekdami išsaugoti gamtą, ekologinio judėjimo aktyvistai dabar bendradarbiauja pasauliniame valdžios tinkle. Jį sudaro ne tik politinės partijos, bet ir nevyriausybinės organizacijos, tokios kaip "Greenpeace", "Earth First" ar "World Wide Fund for Nature".
Poveikis žemėlapiams
Vienas iš gamtos modelių, dėl kurio jie susitarė, yra žemėlapis, kuriame vaizduojami ekoregionai - natūralios ekologinių žemėlapių ribos. Pagal šį žemėlapį yra 867 regionai, suskirstyti į 8 ekozonas, taip pat kitos, esančios vandenyne.
Poveikis kalbai
Dauguma antropologų sutinka, kad aborigenų kalbose yra nedidelis vietinės gamtos modelis. Pavyzdžiui, arktinėje kalboje bus daugiau žodžių sniegui apibūdinti, o atogrąžų miške - žaliems atspalviams apibūdinti. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl politikoje reikia naudoti ekologines ribas, nes žmonės, negyvenantys už sienos, nemato ir nedaro tokių pačių skirtumų apie gamtą.
Poveikis žmonėms
Labai nedidelė dalis žmonių mano, kad gamta žmogui visai nereikalinga ir gali pakeisti viską, ką ji daro. Norėdami įrodyti, kad jie klysta, kai kurie ekonomistai sukūrė kitą gamtos modelį:
Ekonomistai tyrinėja gamtos teikiamas paslaugas, norėdami išsiaiškinti, kaip sunku būtų pakeisti tai, ką gamta daro žmonėms. 1995 m. jie įrodė, kad gamtos teikiamos paslaugos žmonėms yra vertingesnės už visas paslaugas, kurias žmonės teikia vieni kitiems visame pasaulyje. Žemės, kaip gyvos būtybės, vertė buvo daug didesnė, nei mes kada nors galėtume sau leisti pakeisti savo technologijomis. Dėl to nebuvo jokių tikrų nesutarimų.
Įvertinus visą Žemės vertę žmonėms, gaunamas didžiulis skaičius, o tai įrodo, kad kainos nustatymas yra teisingas, nes turime nustatyti didelę kainą viskam, ko negalime pakeisti.
