النمذجة العلمية

تُستخدم النماذج عادةً عندما يكون من المستحيل أو غير العملي تهيئة ظروف تجريبية تمكّن العلماء من قياس النتائج مباشرةً. ويكون القياس المباشر للنتائج في ظل ظروف مضبوطة (انظر المنهج العلمي ) دائمًا أكثر موثوقية من التقديرات النموذجية للنتائج.

في مجال النمذجة والمحاكاة ، يُعرَّف النموذج بأنه تبسيط وتجريد هادف وموجه نحو مهمة محددة، لإدراك الواقع، ويتشكل وفقًا لقيود مادية وقانونية ومعرفية. ^{[ 12 ]} وهو موجه نحو مهمة محددة لأنه يُصاغ مع وضع سؤال أو مهمة معينة في الاعتبار. يُغفل التبسيط جميع الكيانات المعروفة والملاحظة وعلاقاتها غير المهمة للمهمة. بينما يُجمّع التجريد المعلومات المهمة، ولكن ليس بنفس مستوى التفصيل المطلوب للموضوع محل الاهتمام. كلا العمليتين، التبسيط والتجريد، تتمان بشكل هادف، ولكنهما تستندان إلى إدراك للواقع. هذا الإدراك هو في حد ذاته نموذج ، لأنه يأتي مصحوبًا بقيد مادي. هناك أيضًا قيود على ما يمكننا ملاحظته قانونيًا باستخدام أدواتنا وأساليبنا الحالية، وقيود معرفية تحد مما يمكننا تفسيره بنظرياتنا الحالية. يتضمن هذا النموذج المفاهيم وسلوكها وعلاقاتها بشكل غير رسمي، ويُشار إليه غالبًا بالنموذج المفاهيمي . لتنفيذ هذا النموذج، يجب تطبيقه كمحاكاة حاسوبية . يتطلب هذا المزيد من الخيارات، مثل التقريبات العددية أو استخدام الأساليب الاستدلالية. ^{[ 13 ]} على الرغم من كل هذه القيود المعرفية والحسابية، فقد اعتُرف بالمحاكاة باعتبارها الركن الثالث من أركان المنهج العلمي: بناء النظرية، والمحاكاة، والتجريب. ^{[ 14 ]}

المحاكاة هي إحدى طرق تطبيق النموذج، وتُستخدم غالبًا عندما يكون النموذج معقدًا للغاية بحيث لا يمكن حله تحليليًا. توفر محاكاة الحالة المستقرة معلومات حول النظام في لحظة زمنية محددة (عادةً عند حالة التوازن، إن وُجدت). أما المحاكاة الديناميكية، فتُقدم معلومات على مدار الزمن. تُظهر المحاكاة كيفية تصرف جسم أو ظاهرة معينة. يمكن أن تكون هذه المحاكاة مفيدة للاختبار أو التحليل أو التدريب في الحالات التي يمكن فيها تمثيل الأنظمة أو المفاهيم الواقعية بنماذج. ^{[ 15 ]}

البنية مفهوم أساسي، وأحيانًا غير ملموس، يشمل التعرف على أنماط وعلاقات الكيانات وملاحظتها وطبيعتها واستقرارها. من وصف الطفل اللفظي لندفة الثلج، إلى التحليل العلمي المفصل لخصائص المجالات المغناطيسية ، يُعد مفهوم البنية أساسًا جوهريًا لكل منهج تقريبًا من مناهج البحث والاكتشاف في العلوم والفلسفة والفنون. ^{[ 16 ]}

النظام هو مجموعة من الكيانات المتفاعلة أو المترابطة، حقيقية كانت أم مجردة، تُشكّل وحدة متكاملة. وبشكل عام، النظام هو بناء أو مجموعة من عناصر مختلفة تُنتج معًا نتائج لا يُمكن الحصول عليها من خلال هذه العناصر منفردة. [ ^{17 ] يُمكن} أيضًا تعريف مفهوم "الوحدة المتكاملة" من خلال نظام يُجسّد مجموعة من العلاقات التي تختلف عن علاقات المجموعة بعناصر أخرى، وتُشكّل علاقات بين عنصر من المجموعة وعناصر أخرى ليست جزءًا من النظام العلائقي. يوجد نوعان من نماذج الأنظمة: 1) النماذج المنفصلة، ​​حيث تتغير المتغيرات بشكل فوري عند نقاط زمنية منفصلة، ​​و2) النماذج المستمرة، حيث تتغير متغيرات الحالة بشكل مستمر مع الزمن. ^{[ 18 ]}

النمذجة هي عملية إنشاء نموذج كتمثيل مفاهيمي لظاهرة ما. عادةً ما يتناول النموذج بعض جوانب الظاهرة قيد الدراسة فقط، وقد يختلف نموذجان لنفس الظاهرة اختلافًا جوهريًا - أي أن الاختلافات بينهما تتجاوز مجرد إعادة تسمية المكونات.

قد تعود هذه الاختلافات إلى تباين متطلبات المستخدمين النهائيين للنموذج، أو إلى اختلافات مفاهيمية أو جمالية بين مصممي النماذج، وإلى قرارات طارئة اتُخذت أثناء عملية النمذجة. ومن الاعتبارات التي قد تؤثر على بنية النموذج: تفضيل مصمم النموذج لأنطولوجيا مُختزلة ، وتفضيله للنماذج الإحصائية مقابل النماذج الحتمية ، والزمن المتقطع مقابل الزمن المتصل، وما إلى ذلك. على أي حال، يحتاج مستخدمو النموذج إلى فهم الافتراضات التي بُني عليها والتي تُعدّ أساسية لصلاحيته للاستخدام المُحدد.

يتطلب بناء نموذج ما التجريد . تُستخدم الافتراضات في النمذجة لتحديد نطاق تطبيق النموذج. على سبيل المثال، تفترض النظرية النسبية الخاصة إطارًا مرجعيًا قصوريًا . وقد تم توضيح هذا الافتراض وتفسيره بشكل أكبر من خلال النظرية النسبية العامة . يُقدم النموذج تنبؤات دقيقة عندما تكون افتراضاته صحيحة، وقد لا يُقدم تنبؤات دقيقة عندما تكون هذه الافتراضات غير صحيحة. غالبًا ما تكون هذه الافتراضات هي النقطة التي تُستبدل بها النظريات القديمة بنظريات جديدة ( تعمل النظرية النسبية العامة أيضًا في أطر مرجعية غير قصورية).

يُقيّم النموذج أولاً وقبل كل شيء بمدى توافقه مع البيانات التجريبية؛ فأي نموذج لا يتوافق مع الملاحظات القابلة للتكرار يجب تعديله أو رفضه. إحدى طرق تعديل النموذج هي تضييق نطاق صلاحيته. ومن الأمثلة على ذلك الفيزياء النيوتونية، التي تُعدّ مفيدة للغاية باستثناء الظواهر الكونية متناهية الصغر، ومتناهية السرعة، ومتناهية الكتلة. مع ذلك، فإنّ التوافق مع البيانات التجريبية وحده لا يكفي لقبول النموذج كنموذج صالح. تشمل العوامل المهمة في تقييم النموذج ما يلي:

• القدرة على شرح الملاحظات السابقة
• القدرة على التنبؤ بالملاحظات المستقبلية
• تكلفة الاستخدام، خاصة عند دمجها مع نماذج أخرى
• إمكانية الدحض، مما يتيح تقدير درجة الثقة في النموذج
• البساطة، أو حتى الجاذبية الجمالية

قد يحاول الناس تحديد تقييم النموذج باستخدام دالة المنفعة .

التصوير المرئي هو أي أسلوب لإنشاء صور أو مخططات أو رسوم متحركة لإيصال رسالة. لطالما كان التصوير المرئي وسيلة فعالة للتعبير عن الأفكار المجردة والملموسة منذ فجر التاريخ. ومن الأمثلة التاريخية على ذلك رسومات الكهوف ، والهيروغليفية المصرية ، والهندسة اليونانية ، وأساليب ليوناردو دافنشي الثورية في الرسم التقني للأغراض الهندسية والعلمية.

يشير مصطلح "رسم الخرائط المكانية " إلى منهجية تستخدم نموذجًا "شبه عالمي" لربط النماذج "التقريبية" (المثالية أو منخفضة الدقة) بالنماذج "الدقيقة" (العملية أو عالية الدقة) ذات التعقيدات المختلفة. في مجال التحسين الهندسي ، تعمل "رسم الخرائط المكانية" على مواءمة (رسم) نموذج تقريبي سريع جدًا مع نموذجه الدقيق ذي التكلفة الحسابية العالية، وذلك لتجنب التحسين المباشر والمكلف للنموذج الدقيق. وتُحسّن عملية المواءمة بشكل تكراري النموذج التقريبي "المُرسم" ( النموذج البديل ).

يُعدّ مجال النمذجة والمحاكاة ، الذي يُشار إليه اختصارًا بـ "M&S"، أحد تطبيقات النمذجة العلمية. ويشمل هذا المجال طيفًا واسعًا من التطبيقات، بدءًا من تطوير المفاهيم وتحليلها، مرورًا بالتجريب والقياس والتحقق، وصولًا إلى تحليل التخلص من النفايات. وقد تستخدم المشاريع والبرامج مئات من أدوات المحاكاة والنمذجة وتحليل النماذج المختلفة.

يوضح الشكل كيف يتم استخدام النمذجة والمحاكاة كجزء أساسي من برنامج متكامل في عملية تطوير القدرات الدفاعية. ^{[ 15 ]}