"Информатика. Учебное пособие для учреждений общего среднего образования с русским языком обучения", В. М. Котов, А. И. Лапо, Ю.А. Быкадоров, Е.Н. Войтехович
Научные методы помогают изучать объекты и процессы, получать о них проверяемые сведения и использовать эти сведения при построении модели. Наблюдая объект, измеряя его характеристики и проводя эксперименты, исследователь выясняет, какие свойства важны для поставленной задачи. Затем модель проверяют: сравнивают её выводы с реальными данными и при необходимости уточняют. Так моделирование становится не догадкой, а последовательным исследованием.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Научный метод — способ получения и проверки знаний о предметах и явлениях. Он нужен при построении модели, чтобы опираться на собранные данные, а не только на догадки. Проверка помогает выяснить, насколько предположение и созданная на его основе модель соответствуют действительности.
Наблюдение — целенаправленное изучение объекта без активного воздействия на него. Исследователь отмечает, что происходит в обычных условиях, и фиксирует нужные признаки. Такие сведения помогают понять поведение объекта и определить, какие его свойства стоит отразить в модели.
Эксперимент — исследование объекта в специально созданных или изменённых условиях. Исследователь намеренно меняет условия или воздействует на объект, чтобы увидеть результат. Это позволяет проверить предположение: если реакция объекта отличается от ожидаемой, гипотезу приходится пересмотреть.
Измерение — определение численного значения характеристики объекта с помощью выбранной единицы и средства измерения. Например, длину можно измерить линейкой и выразить в сантиметрах. Численные данные делают описание точнее и позволяют сравнивать результаты разных наблюдений.
Моделирование связано с научным познанием, потому что модель должна помогать отвечать на вопрос об объекте, а не просто изображать его. Поэтому исследователь сначала ставит цель: например, выяснить, как меняется скорость движения или от чего зависит рост растения. Затем он собирает сведения и решает, какие свойства важны именно для этой задачи. Такой выбор делает модель полезной и не перегружает её случайными подробностями.
Наблюдение позволяет изучать объект в привычной для него обстановке. Это важно, когда требуется понять естественное поведение и нельзя или не нужно вмешиваться в происходящее. Однако простого описания часто недостаточно: фраза «тень стала длиннее» не показывает, насколько именно она изменилась. Измерение дополняет наблюдение численными данными, поэтому можно сопоставить результаты, полученные в разное время.
Эксперимент отличается от наблюдения намеренным изменением условий. Это нужно, когда исследователь хочет выяснить, влияет ли конкретный фактор на объект. Например, чтобы проверить влияние освещённости на растение, можно изменить количество света и сравнить рост. Если остальные условия по возможности оставить одинаковыми, будет легче понять, связано ли различие именно с освещённостью, а не с другим фактором.
Собранные данные помогают сформулировать предположение — гипотезу, то есть объяснение, которое ещё нужно проверить. На их основе создают модель, отражающую существенные для исследования свойства оригинала. Например, для изучения пути машинки могут быть важны её скорость и время движения, а цвет корпуса — нет. Какие признаки считать существенными, зависит от вопроса, который решает исследователь.
Построенную модель используют, чтобы проверить предположение или получить вывод о поведении объекта. Для этого результат моделирования сравнивают с данными наблюдения либо эксперимента. Если предсказание не совпало с проверкой, это не обязательно означает, что исследование бесполезно: возможно, модель не учитывает важный фактор или данные собраны недостаточно точно. Тогда причины расхождения выясняют, модель уточняют и снова проверяют.
| Метод | Что делает исследователь | Что получает для модели | Пример |
|---|---|---|---|
| Наблюдение | Изучает объект в обычных условиях, не изменяя их намеренно | Сведения о поведении и признаках объекта | Следит, как меняется длина тени в течение дня |
| Измерение | Определяет значение характеристики выбранным средством и в заданных единицах | Численные данные для сравнения и расчётов | Измеряет длину тени в сантиметрах |
| Эксперимент | Создаёт или изменяет условия исследования | Данные о реакции объекта на изменение условий | Меняет освещённость растения и сравнивает его рост |
Пользуйся таблицей, выбирая метод под вопрос исследования: узнать обычное поведение, получить точное число или проверить влияние изменения условий. Часто методы дополняют друг друга: сначала наблюдают объект, затем измеряют его характеристики. Для проверки причинной связи может понадобиться эксперимент.
Условие. Нужно составить модель изменения длины тени в течение дня. Требуется определить, каким методом получить исходные сведения. Одного случайного измерения недостаточно: оно не покажет, как меняется тень со временем.
Ответ. Нужно наблюдать за тенью в течение дня и измерять её длину в разные моменты времени, записывая результаты вместе со временем.
Условие. Предположите, как количество света влияет на рост растения, и предложите способ проверки. Чтобы ответ был обоснованным, нужно отличить влияние света от возможного влияния других условий.
Ответ. Следует поставить эксперимент, изменяя освещённость и измеряя рост растений, а остальные условия по возможности оставить одинаковыми.
Условие. Модель движения игрушечной машинки построена по наблюдениям и измерениям. Она предсказывает путь за заданное время, но при проверке предсказание расходится с результатом. Нужно решить, как поступить.
Ответ. Нужно выяснить причины расхождения, учесть недостающие факторы и уточнить модель, а затем повторить проверку.
Смешивать наблюдение и эксперимент. Это происходит потому, что в обоих случаях исследуют один и тот же объект. Но при наблюдении условия намеренно не меняют, а эксперимент предполагает вмешательство. Проверь себя вопросом: создавал ли исследователь изменение условий специально?
Считать измерение простым описанием. Слова «длинный» или «быстрый» не дают точного численного значения, хотя могут казаться достаточными. Измерение должно опираться на единицу и средство измерения. Проверь себя: можно ли записать результат числом и указать, в чём он выражен?
Включать в модель все известные свойства объекта. Кажется, что подробное описание обязательно лучше, но несущественные сведения усложняют модель и отвлекают от задачи. В модель включают признаки, влияющие на ответ на поставленный вопрос. Проверь себя: помогает ли каждое свойство получить нужный вывод?
Считать одно совпадение доказательством полной точности. Результат мог совпасть случайно или только при определённых условиях, поэтому одной проверки недостаточно для уверенного вывода. Проверяй модель в подходящих условиях и сопоставляй её предсказания с данными исследования. Если обнаружилось расхождение, выясни причину и уточни модель.
До изучения темы нужно знать, что такое объект, его свойства и характеристики, а также понимать назначение модели. Научные методы связывают эти понятия: наблюдение и измерение помогают собрать исходные данные, а эксперимент — проверить предположение об объекте. Эти данные используют при построении информационных моделей. Позже те же методы пригодятся в компьютерных экспериментах, исследовании процессов и оценке результатов моделирования.
Чем наблюдение отличается от эксперимента?
При наблюдении исследователь изучает объект в обычных условиях и намеренно не меняет их. В эксперименте он специально изменяет условия или воздействует на объект, чтобы проверить, как тот отреагирует.
Зачем при исследовании объекта нужны измерения?
Измерения дают численные значения характеристик, например длины, времени или температуры. Благодаря числам можно сравнивать результаты и использовать данные в модели.
Можно ли построить модель только на основе наблюдений?
Да, если наблюдений достаточно для задачи и они позволяют собрать нужные сведения. Однако измерения делают характеристики точнее, а эксперимент может понадобиться для проверки предположений.
Почему модель не должна учитывать все свойства объекта?
Модель создают для решения конкретной задачи, поэтому в неё включают только существенные свойства. Лишние подробности усложняют модель, но не обязательно делают её полезнее.
Что делать, если результаты моделирования не совпали с проверкой?
Нужно сравнить предсказание модели с результатом наблюдения или эксперимента и выяснить причину расхождения. Затем следует учесть пропущенные факторы и уточнить модель.
20.2. Научные методы в моделировании
