การสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์เป็นกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์จุดมุ่งหมายในการที่จะทำให้ส่วนใดส่วนหนึ่งหรือคุณลักษณะของโลกที่ง่ายต่อการเข้าใจ , กำหนด , ปริมาณ ,
เห็นภาพหรือจำลองโดยการอ้างอิงไปยังมีอยู่และมักจะได้รับการยอมรับโดยทั่วไปความรู้
มันต้องมีการเลือกและระบุด้านที่เกี่ยวข้องของสถานการณ์ในโลกจริงแล้วใช้ความแตกต่างของรูปแบบการมีจุดมุ่งหมายที่แตกต่างกันเช่นแบบแนวคิดในการทำความเข้าใจรูปแบบการดำเนินงานเพื่อการดำเนินการ ,
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่จะหาจำนวนและรูปแบบกราฟิกที่จะเห็นภาพเรื่อง . ตัวอย่างการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ แผนผังของกระบวนการทางเคมีและการขนส่งที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบของบรรยากาศ การสร้างแบบจำลองเป็นส่วนที่สำคัญและแยกออกจากกันไม่ได้ของสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์หลายสาขาซึ่งแต่ละสาขามีแนวคิดของตัวเองเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองเฉพาะประเภท [1] [2]ต่อไปนี้จะถูกกล่าวโดยจอห์น von Neumann [3]
นอกจากนี้ยังมีความสนใจที่เพิ่มขึ้นเพื่อการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์[4]ในสาขาต่าง ๆ เช่นการศึกษาวิทยาศาสตร์ , [5] ปรัชญาวิทยาศาสตร์ , ทฤษฎีระบบและการสร้างภาพความรู้ มีการรวบรวมวิธีการเทคนิคและทฤษฎีเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์เฉพาะทางทุกประเภทมากขึ้นเรื่อย ๆ ภาพรวมแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์พยายามที่จะเป็นตัวแทนของการทดลองวัตถุปรากฏการณ์และกระบวนการทางกายภาพในตรรกะและวัตถุประสงค์ทาง แบบจำลองทั้งหมดอยู่ในรูปแบบจำลองนั่นคือการสะท้อนความเป็นจริงที่เรียบง่ายซึ่งแม้จะเป็นการประมาณ แต่ก็มีประโยชน์อย่างมาก [6] การสร้างและการโต้แย้งแบบจำลองเป็นพื้นฐานขององค์กรวิทยาศาสตร์ การเป็นตัวแทนที่สมบูรณ์และเป็นจริงอาจเป็นไปไม่ได้ แต่การถกเถียงทางวิทยาศาสตร์มักเกี่ยวข้องกับแบบจำลองที่ดีกว่าสำหรับงานที่กำหนดเช่นแบบจำลองสภาพภูมิอากาศที่แม่นยำกว่าสำหรับการพยากรณ์ตามฤดูกาล [7] ความพยายามที่จะทำพิธีหลักการของวิทยาศาสตร์การทดลองใช้การตีความรูปแบบความเป็นจริงในทางเดียวกัน logicians axiomatize หลักการของตรรกะ จุดมุ่งหมายของความพยายามเหล่านี้คือการสร้างระบบอย่างเป็นทางการว่าจะไม่ผลิตผลกระทบทางทฤษฎีที่ตรงกันข้ามกับสิ่งที่จะพบได้ในความเป็นจริงการคาดการณ์หรือข้อความอื่น ๆ ที่ดึงมาจากกระจกระบบที่เป็นทางการหรือทำแผนที่โลกแห่งความเป็นจริงตราบเท่าที่แบบจำลองทางวิทยาศาสตร์เหล่านี้เป็นจริง [8] [9] สำหรับนักวิทยาศาสตร์แบบจำลองยังเป็นวิธีที่สามารถขยายกระบวนการคิดของมนุษย์ได้ [10]ตัวอย่างเช่นแบบจำลองที่แสดงผลในซอฟต์แวร์ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ประโยชน์จากพลังในการคำนวณเพื่อจำลองแสดงภาพปรับแต่งและรับสัญชาตญาณเกี่ยวกับเอนทิตีปรากฏการณ์หรือกระบวนการที่แสดง แบบจำลองคอมพิวเตอร์ดังกล่าวใน silico แบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ประเภทอื่น ๆ ได้แก่ในสิ่งมีชีวิต (แบบจำลองที่มีชีวิตเช่นหนูทดลอง ) และในหลอดทดลอง (ในเครื่องแก้วเช่นการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ ) [11] พื้นฐานการสร้างแบบจำลองแทนการวัดและการทดลองโดยตรงโดยทั่วไปแล้วแบบจำลองจะใช้เมื่อเป็นไปไม่ได้หรือทำไม่ได้ในการสร้างเงื่อนไขการทดลองซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดผลได้โดยตรง การวัดผลลัพธ์โดยตรงภายใต้สภาวะควบคุม (ดูวิธีการทางวิทยาศาสตร์ ) จะมีความน่าเชื่อถือมากกว่าการประมาณการผลลัพธ์แบบจำลองเสมอ ภายในการสร้างแบบจำลองและการจำลองแบบจำลองเป็นงานที่ขับเคลื่อนด้วยการทำให้เข้าใจง่ายขึ้นอย่างมีจุดมุ่งหมายและเป็นนามธรรมของการรับรู้ถึงความเป็นจริงซึ่งมีรูปร่างตามข้อ จำกัด ทางกายภาพกฎหมายและความรู้ความเข้าใจ [12]เป็นงานที่ขับเคลื่อนเนื่องจากโมเดลถูกจับโดยมีคำถามหรืองานบางอย่างอยู่ในใจ การลดความซับซ้อนทำให้เอนทิตีที่รู้จักและสังเกตเห็นและความสัมพันธ์ทั้งหมดที่ไม่สำคัญสำหรับงานนั้น Abstraction รวบรวมข้อมูลที่มีความสำคัญ แต่ไม่จำเป็นในรายละเอียดเดียวกันกับวัตถุที่สนใจ ทั้งสองกิจกรรมการทำให้เข้าใจง่ายและนามธรรมจะทำอย่างมีจุดมุ่งหมาย อย่างไรก็ตามสิ่งเหล่านี้ทำขึ้นบนพื้นฐานของการรับรู้ถึงความเป็นจริง การรับรู้นี้เป็นแบบจำลองในตัวเองอยู่แล้วเนื่องจากมีข้อ จำกัด ทางกายภาพ นอกจากนี้ยังมีข้อ จำกัด เกี่ยวกับสิ่งที่เราสามารถสังเกตได้ตามกฎหมายด้วยเครื่องมือและวิธีการในปัจจุบันของเราและข้อ จำกัด ด้านความรู้ความเข้าใจที่ จำกัด สิ่งที่เราสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีปัจจุบันของเรา รุ่นนี้ประกอบด้วยแนวคิดพฤติกรรมของพวกเขาและความสัมพันธ์ของพวกเขารูปแบบทางการและมักจะถูกเรียกว่าเป็นรูปแบบความคิดในการดำเนินการแบบจำลองจำเป็นต้องมีการใช้งานแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ สิ่งนี้ต้องการตัวเลือกเพิ่มเติมเช่นการประมาณเชิงตัวเลขหรือการใช้ฮิวริสติก [13]แม้จะมีข้อ จำกัด ด้านญาณวิทยาและการคำนวณเหล่านี้ แต่การจำลองได้รับการยอมรับว่าเป็นเสาหลักที่สามของวิธีการทางวิทยาศาสตร์: การสร้างทฤษฎีการจำลองและการทดลอง [14] การจำลองสถานการณ์การจำลองเป็นวิธีการนำแบบจำลองไปใช้ซึ่งมักใช้เมื่อแบบจำลองซับซ้อนเกินไปสำหรับโซลูชันการวิเคราะห์ การจำลองสภาวะคงที่จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับระบบในช่วงเวลาหนึ่งที่เฉพาะเจาะจง (โดยปกติจะอยู่ที่สภาวะสมดุลหากมีสถานะดังกล่าวอยู่) การจำลองแบบไดนามิกให้ข้อมูลเมื่อเวลาผ่านไป การจำลองแสดงให้เห็นว่าวัตถุหรือปรากฏการณ์หนึ่ง ๆ จะทำงานอย่างไร การจำลองดังกล่าวมีประโยชน์สำหรับการทดสอบการวิเคราะห์หรือการฝึกอบรมในกรณีที่ระบบหรือแนวคิดในโลกแห่งความเป็นจริงสามารถแสดงโดยแบบจำลองได้ [15] โครงสร้างโครงสร้างเป็นแนวคิดพื้นฐานและบางครั้งจับต้องไม่ได้ซึ่งครอบคลุมถึงการรับรู้การสังเกตลักษณะและความมั่นคงของรูปแบบและความสัมพันธ์ของเอนทิตี ตั้งแต่คำอธิบายด้วยวาจาของเด็กเกี่ยวกับเกล็ดหิมะไปจนถึงการวิเคราะห์ทางวิทยาศาสตร์โดยละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติของสนามแม่เหล็กแนวคิดของโครงสร้างเป็นรากฐานที่สำคัญของเกือบทุกรูปแบบของการสอบถามและการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ปรัชญาและศิลปะ [16] ระบบระบบเป็นชุดของการโต้ตอบหรือหน่วยงานพึ่งพากันจริงหรือนามธรรมรูปแบบบูรณาการทั้ง โดยทั่วไประบบคือโครงสร้างหรือการรวบรวมองค์ประกอบต่างๆที่รวมกันแล้วสามารถสร้างผลลัพธ์ที่ไม่สามารถหาได้จากองค์ประกอบเพียงอย่างเดียว [17]แนวคิดของ 'บูรณาการทั้งหมด' ยังสามารถระบุได้ในแง่ของระบบที่รวบรวมชุดของความสัมพันธ์ซึ่งแตกต่างจากความสัมพันธ์ของเซตกับองค์ประกอบอื่น ๆ และสร้างความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบของเซตและองค์ประกอบที่ไม่ใช่ a เป็นส่วนหนึ่งของระบอบการปกครองเชิงสัมพันธ์ แบบจำลองระบบมีสองประเภท: 1) ไม่ต่อเนื่องที่ตัวแปรเปลี่ยนทันทีที่จุดแยกตามเวลาและ 2) ต่อเนื่องโดยที่ตัวแปรสถานะเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ ตามเวลา [18] การสร้างแบบจำลองการสร้างแบบจำลองเป็นกระบวนการสร้างแบบจำลองเพื่อเป็นตัวแทนแนวคิดของปรากฏการณ์บางอย่าง โดยทั่วไปแล้วแบบจำลองจะจัดการกับบางแง่มุมของปรากฏการณ์ที่เป็นปัญหาเท่านั้นและแบบจำลองสองแบบของปรากฏการณ์เดียวกันอาจแตกต่างกันโดยพื้นฐานกล่าวคือความแตกต่างระหว่างสิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยมากกว่าการเปลี่ยนชื่อส่วนประกอบง่ายๆ ความแตกต่างดังกล่าวอาจเนื่องมาจากข้อกำหนดที่แตกต่างกันของผู้ใช้ปลายทางของโมเดลหรือความแตกต่างทางแนวคิดหรือความสวยงามของผู้สร้างโมเดลและการตัดสินใจที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการสร้างแบบจำลอง การพิจารณาที่อาจมีผลต่อโครงสร้างของแบบจำลองอาจเป็นความต้องการของผู้สร้างแบบจำลองสำหรับภววิทยาที่ลดลงการตั้งค่าเกี่ยวกับแบบจำลองทางสถิติเทียบกับแบบจำลองเชิงกำหนดเวลาแบบไม่ต่อเนื่องกับเวลาต่อเนื่องเป็นต้นไม่ว่าในกรณีใดผู้ใช้แบบจำลองจำเป็นต้องเข้าใจสมมติฐานที่ตั้งขึ้น เกี่ยวข้องกับความถูกต้องสำหรับการใช้งานที่กำหนด การสร้างแบบจำลองต้องมีสิ่งที่เป็นนามธรรม ใช้สมมติฐานในการสร้างแบบจำลองเพื่อระบุโดเมนของการประยุกต์ใช้แบบจำลอง ยกตัวอย่างเช่นทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษถือว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อย สมมติฐานนี้ถูกบริบทและอธิบายต่อไปโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ แบบจำลองทำการคาดการณ์ที่ถูกต้องเมื่อสมมติฐานนั้นถูกต้องและอาจไม่สามารถคาดการณ์ได้อย่างถูกต้องเมื่อสมมติฐานของมันไม่เป็นไปตามนั้น สมมติฐานดังกล่าวมักเป็นประเด็นที่ทฤษฎีเก่า ๆ ประสบความสำเร็จโดยทฤษฎีใหม่ ๆ ( ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำงานในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยเช่นกัน) การประเมินแบบจำลองแบบจำลองได้รับการประเมินก่อนอื่นโดยความสอดคล้องกับข้อมูลเชิงประจักษ์ แบบจำลองใด ๆ ที่ไม่สอดคล้องกับข้อสังเกตที่ทำซ้ำได้จะต้องได้รับการแก้ไขหรือปฏิเสธ วิธีหนึ่งในการปรับเปลี่ยนโมเดลคือการ จำกัด โดเมนที่ได้รับเครดิตว่ามีความถูกต้องสูง กรณีที่เป็นประเด็นคือฟิสิกส์แบบนิวตันซึ่งมีประโยชน์อย่างมากยกเว้นปรากฏการณ์ที่เล็กมากเร็วมากและใหญ่มากของจักรวาล อย่างไรก็ตามความพอดีกับข้อมูลเชิงประจักษ์เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอสำหรับแบบจำลองที่จะยอมรับว่าถูกต้อง ปัจจัยที่สำคัญในการประเมินแบบจำลอง ได้แก่ : [ ต้องการอ้างอิง ]
คนบางคนอาจพยายามที่จะหาจำนวนการประเมินผลของรูปแบบโดยใช้ฟังก์ชั่นยูทิลิตี้ การแสดงภาพการแสดงภาพเป็นเทคนิคใด ๆ ในการสร้างภาพแผนภาพหรือภาพเคลื่อนไหวเพื่อสื่อสารข้อความ การแสดงภาพผ่านภาพเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการสื่อสารความคิดทั้งนามธรรมและรูปธรรมนับตั้งแต่เริ่มต้นของมนุษย์ ตัวอย่างจากประวัติศาสตร์รวมถึงภาพเขียนถ้ำ , อักษรอียิปต์ , กรีกเรขาคณิตและเลโอนาร์โดดาวินชี 's วิธีการปฏิวัติของการวาดภาพทางเทคนิคเพื่อวัตถุประสงค์ด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ การทำแผนที่อวกาศการทำแผนที่อวกาศหมายถึงวิธีการที่ใช้สูตรการสร้างแบบจำลอง "เสมือนทั่วโลก" เพื่อเชื่อมโยง "ความหยาบ" (ในอุดมคติหรือความเที่ยงตรงต่ำ) ร่วมกับโมเดล "ละเอียด" (ในทางปฏิบัติหรือความเที่ยงตรงสูง) ของความซับซ้อนที่แตกต่างกัน ในการเพิ่มประสิทธิภาพทางวิศวกรรมการทำแผนที่พื้นที่จะจัดแนว (แผนที่) แบบจำลองหยาบที่รวดเร็วมากกับโมเดลละเอียดราคาแพงเพื่อคำนวณที่เกี่ยวข้องเพื่อหลีกเลี่ยงการเพิ่มประสิทธิภาพโดยตรงที่มีราคาแพงของโมเดลที่ดี กระบวนการจัดตำแหน่งจะปรับแต่งแบบจำลองหยาบ "ที่แมป" ซ้ำแล้วซ้ำอีก ( แบบจำลองตัวแทน ) ประเภท
แอพพลิเคชั่นการสร้างแบบจำลองและการจำลองการประยุกต์ใช้การสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งคือด้านการสร้างแบบจำลองและการจำลองโดยทั่วไปเรียกว่า "M&S" M&S มีแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายตั้งแต่การพัฒนาและวิเคราะห์แนวคิดผ่านการทดลองการวัดและการตรวจสอบไปจนถึงการวิเคราะห์การกำจัด โครงการและโปรแกรมอาจใช้การจำลองสถานการณ์จำลองและเครื่องมือวิเคราะห์โมเดลที่แตกต่างกันหลายร้อยแบบ ตัวอย่างการใช้แบบจำลองและการจำลองแบบบูรณาการในการจัดการวงจรชีวิตของการป้องกัน การสร้างแบบจำลองและการจำลองในภาพนี้จะแสดงที่กึ่งกลางของภาพด้วยคอนเทนเนอร์ทั้งสาม [15] รูปนี้แสดงให้เห็นว่าการสร้างแบบจำลองและการจำลองสถานการณ์ถูกใช้เป็นส่วนสำคัญของโปรแกรมรวมในกระบวนการพัฒนาขีดความสามารถในการป้องกันอย่างไร [15] รูปแบบการเรียนรู้ในการศึกษาการเรียนรู้โดยใช้ตัวแบบในการศึกษาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้วิทยาศาสตร์เกี่ยวข้องกับนักเรียนที่สร้างแบบจำลองสำหรับแนวคิดทางวิทยาศาสตร์เพื่อ: [19]
เทคนิคการเรียนรู้แบบจำลองประเภทต่างๆ ได้แก่ : [19]
การสร้างแบบจำลองในการศึกษาเป็นแบบฝึกหัดซ้ำ ๆ กับนักเรียนในการปรับแต่งพัฒนาและประเมินแบบจำลองของพวกเขาเมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้เปลี่ยนการเรียนรู้จากความเข้มงวดและความน่าเบื่อของหลักสูตรแบบเดิมไปเป็นการฝึกความคิดสร้างสรรค์และความอยากรู้อยากเห็นของนักเรียน แนวทางนี้ใช้กลยุทธ์เชิงสร้างสรรค์ของการทำงานร่วมกันทางสังคมและการเรียนรู้ทฤษฎีนั่งร้าน การเรียนรู้โดยใช้โมเดลรวมถึงทักษะการใช้เหตุผลทางปัญญาซึ่งโมเดลที่มีอยู่สามารถปรับปรุงได้โดยการสร้างโมเดลที่ใหม่กว่าโดยใช้โมเดลเก่าเป็นพื้นฐาน [20] "การเรียนรู้โดยใช้โมเดลเป็นตัวกำหนดโมเดลเป้าหมายและเส้นทางการเรียนรู้ที่ให้โอกาสในการทำความเข้าใจที่เป็นจริง" [21]การสร้างแบบจำลองยังสามารถรวมกลยุทธ์การเรียนรู้แบบผสมผสานโดยใช้เครื่องมือและเครื่องจำลองบนเว็บซึ่งจะช่วยให้นักเรียนสามารถ:
"การจำลองที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีช่วยลดความซับซ้อนของระบบในโลกแห่งความเป็นจริงในขณะเดียวกันก็เพิ่มความตระหนักถึงความซับซ้อนของระบบนักเรียนสามารถมีส่วนร่วมในระบบที่เรียบง่ายและเรียนรู้ว่าระบบจริงทำงานอย่างไรโดยไม่ต้องใช้เวลาหลายวันหลายสัปดาห์หรือหลายปีเพื่อรับประสบการณ์นี้ ในโลกแห่งความเป็นจริง” [22] บทบาทของครูในกระบวนการเรียนการสอนโดยรวมส่วนใหญ่เป็นของผู้อำนวยความสะดวกและผู้จัดประสบการณ์การเรียนรู้ เขาหรือเธอจะมอบหมายนักเรียนซึ่งเป็นกิจกรรมสร้างแบบจำลองสำหรับแนวคิดเฉพาะและให้ข้อมูลที่เกี่ยวข้องหรือสนับสนุนกิจกรรม สำหรับกิจกรรมการสร้างแบบจำลองเสมือนจริงครูยังสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับการใช้เครื่องมือดิจิทัลและให้การสนับสนุนการแก้ไขปัญหาในกรณีที่เกิดข้อบกพร่องในขณะที่ใช้สิ่งเดียวกัน ครูยังสามารถจัดกิจกรรมการสนทนากลุ่มระหว่างนักเรียนและจัดเตรียมเวทีที่จำเป็นสำหรับนักเรียนในการแบ่งปันข้อสังเกตและความรู้ที่ดึงมาจากกิจกรรมการสร้างแบบจำลอง การประเมินผลการเรียนรู้ตามรูปแบบอาจรวมถึงการใช้รูบริกที่ประเมินความฉลาดและความคิดสร้างสรรค์ของนักเรียนในการสร้างแบบจำลองและการมีส่วนร่วมในชั้นเรียนโดยรวมของนักเรียนเมื่อมองเห็นความรู้ที่สร้างขึ้นผ่านกิจกรรม อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้เพื่อให้การเรียนรู้แบบจำลองประสบความสำเร็จเกิดขึ้น:
ดูสิ่งนี้ด้วย
อ้างอิง
อ่านเพิ่มเติมปัจจุบันมีนิตยสาร 40 ฉบับเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ซึ่งมีฟอรัมต่างประเทศทุกประเภท ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 เป็นต้นมามีหนังสือและนิตยสารเกี่ยวกับรูปแบบเฉพาะทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ นอกจากนี้ยังมีการอภิปรายมากมายเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ในวรรณกรรมปรัชญา - วิทยาศาสตร์ การเลือก:
ลิงก์ภายนอก
|