С чего начинается биологическое исследование

Базовые методы исследования

На сегодняшний день биология представляет собой отдельную изучаемую науку, но до ХХ века она подходила под понятие «пакет наук». Ее тесно связывают с биохимией, биофизикой, космической и молекулярной биологией, экологией (в данный момент она представляет отдельную науку).

Существует теоретическое разделение биологии на следующие области:

Соответственно все исследовательские методы подразделяются в зависимости от области изучения.

Универсальные пути исследований

Суть любого научного исследования — это использование методов познавательного характера, методологии и экспериментов в общей совокупности. Такие пути изучения предмета позволяют описать, классифицировать, объяснить и частично предположить дальнейший путь развития любого микроорганизма. Классификация методов биологических исследований в таблице:

Этапы эмпирической стадии

Описываемые в таблице основные методы изучения биологии составляют эмпирическую стадию познания этой естественной науки. Данная стадия состоит из нескольких обязательных шагов. Их соблюдают в определенной последовательности, но перед этим необходимо поставить цель, сформулировать задачу, выдвинуть гипотезу. А далее ученый приступает к сбору доказательств:

Эмпирическое исследование использует все доступные современной науке методы, именно это делает его максимально информативным.

Теоретическая стадия

В сравнении с основными (универсальными) путями проведения исследования, теоретический подход, так же как и кибернетический, является более современным. Все биологические объекты становятся частью системы со своей иерархией. С учетом того, что все конструкции многоступенчатые, каждая ее часть может рассматриваться и как система, и как элемент более высокого порядка. Такой принцип справедлив для всех уровней — от макромолекул до земной биосферы.

В противоположность эмпирической стадии теоретический уровень предполагает использование вторжение в природу объекта, раскрытия его внутренней текстуры, устройства становления, источников возникновения, описание функционирования.

Статистический путь исследования биологии

Метод основан на использовании полученного материала (моделирования, различных экспериментов, наблюдений), его обработке, всестороннем анализе, выявлении закономерности и окончательном изложении в виде статистического заключения. Это общее определение статистического пути исследования.

Необходимость в данном исследовании возникла как естественный переход от описательного метода, предоставляющего первоначальные данные наблюдений, к его окончательному анализу и выводам. Именно математическая статистика позволяет систематизировать данные и извлечь максимально возможную полезную информацию из всех остальных базовых методов. Исследование проходит в 3 этапа:

Статистический анализ — это заключительный, наиболее важный этап исследования. Он выявляет особенности и причины данного явления, сравнивает его с другими, принятыми за основу (в результате исторического метода), формулирует выводы, предположения, гипотезы и прогнозы, проводит статистическую проверку по всем указанным данным. Анализ является завершающей стадией статистического (математического) метода.

Метод моделирования

Создание моделей дает техническую возможность для изучения и измерения процессов, явлений и объектов, которые невозможно познать в естественных условиях. Моделирование частично заменяет эксперимент. Но у него есть и несколько дополнительных положительных преимуществ:

В настоящее время моделирование как метод, применяемый в биологии, выполняет самостоятельные задачи и относится к обособленной ступени в ходе создания теории или учения.

Помимо неоспоримых достоинств, у теоретических методов исследования присутствует один, но неоспоримый недостаток: они не могут оказывать воздействие на наблюдаемые процессы, объекты или явления. Они только помогают их обнаружению и выявлению скрытых закономерностей.

Частные исследовательские методы

Как наука, биология формировалась в результате исследований и экспериментов в других областях: физике, математике, химии, т. е. естественных наук. Поэтому некоторые методы применимые для исследований в биологии пришли из смежных, пограничных отраслей: биофизика, биохимия, вирусология, экология.

Любой метод — это, прежде всего, путь для достижения цели, установления истины. И эмпирические, и теоретические способы в полной мере отвечают этим требованиям. Но в некоторых случаях возникает потребность в получения дополнительных, современных, более достоверных данных. В таком случае средством для достижения целей служит применение специальных конкретных исследований. К частным методам исследования в биологии относятся:

Все перечисленные биологические методы имеют тесную связь друг с другом, между ними невозможно провести четкую границу. Они применимы либо последовательно друг за другом, либо одновременно в сочетании. Только так можно получить четкую картину изучаемого явления или процесса.

Многолетняя история развития науки позволила накопить невероятно большой практический, эмпирический и теоретический опыт, разработано множество методик, например, подготовки препаратов (фиксация объектов химикатами — спирт, формалин, хлороформ и проч.), окрашивание эозином, йодом, гематоксилином и проч.

Созданные для исследований приборы уже сами по себе являются результатом научного прогресса. Они позволяют производить изучение биохимических, молекулярных, электромагнитных и других процессов в живых клетках, тканях, органах и т. д.

Перед учеными всех времен регулярно ставятся все новые и новые задачи, которые требуют решения. Для этого им приходится изучать полученные данные, собирать материалы, выдвигать гипотезы, проводить анализы. Все это в совокупности и носит название «научное исследование». И именно такие исследования позволяют в итоге создавать целостную биологическую картину мира.

Источник

Методы биологических исследований: их особенности и методы сбора, правила ведения дневника исследования

Методы биологических исследований

Есть как минимум 6 методов биологических исследований:

Сравнительно-описательный метод в биологии

Его задача — описать новые для науки виды живых организмов, явлений или процессов. Также в его задачи входит сравнивать виды, процессы и явления между собой. Важно, что сравнение объектов исследования осуществляется в пределах конкретного уровня организации.

Экспериментальный метод

С его помощью исследуют, как устроены объекты, а также ход явлений и процессов. Эксперимент может быть полевым или лабораторным.

Отличие полевого эксперимента от лабораторного заключается в том, что он проводится в естественных условиях на экспериментальных участках: на них изучают влияние конкретных веществ на рост растений, изучается влияние хозяйственной деятельности человека на природные экосистемы, осуществляются испытания по борьбе с вредителями.

Лабораторный эксперимент осуществляется только в помещении, в котором есть специальное для этого оборудование. Здесь эксперимент проходит на подопытных организмах — их специально разводят для опытов.

Мониторинг

Смысл мониторинга заключается в том, чтобы постоянно наблюдать процессы, происходящие в биологических объектах, отдельных экосистемах, популяциях и в биосфере в целом. Мониторинг осуществляется на нескольких уровнях: популяционно-видовом, биогеоценотическом и биосферном.

С его помощью определяют, в каком состоянии находятся объекты, делают прогнозы касательно возможных изменений и анализ их последствий.

Поэтому благодаря мониторингу выявляют негативные изменения в структурах и функциях отдельных популяций, биогеоценозов и биосферы и прорабатывают меры по их охране.

Моделирование

Занимается изучением моделей и процессов, которые не поддаются наблюдению или проведению экспериментов. Особенность моделирования в том, что с его помощью могут быть получены только общие черты и общий ход объектов, явлений и процессов, наблюдение за которыми происходит в естественных условиях. С помощью моделирования ученые могут делать прогноз относительно последствий любых явлений и процессов. Кроме того, они могут их создавать и сравнивать с реально существующими.

Есть 2 варианта моделей:

Динамическая модель водной экосистемы — аквариум.

Математическое моделирование в биологии

Метод основан на использовании компьютерной техники, которая дает возможность сохранять и обрабатывать большие объемы данных — все это при помощи специальных программ. С помощью математического моделирования ученые наблюдают как развиваются события, выделяют и комбинируют отдельные связи и т. д.

С помощью моделирования изучается модель пищевых связей в экосистеме, описываются связи между отдельными видами.

Статистический метод

Этот метод занимается тем, что обрабатывает накопленный материал. Статистически закономерность в биологии — правило или научный закон. Таким образом биологические законы представляют собой статистически выверенные закономерности — без исключений и определенным способом объясненные.

Методы сбора биологических исследований

Сбор биологических исследований важно осуществлять с учетом отдельных моментов:

Как правильно вести дневник исследования

В процессе описания эксперимента в специальном дневнике важно придерживаться определенного плана. Вот из каких пунктов состоит план:

Если вы будете придерживаться плана, то сможете грамотно оформить исследование в дневнике.

Источник

Биологические исследования как метод анализа при изучении живой материи

Точная стоимость зависит от конкретного случая. Оставьте заявку или уточняйте по телефону.

Этапы и методы биологического исследования.

Биологические исследования – основной метод анализа, который применяется при исследовании живой материи.

Живая материя имеет несколько уровней организации. Все они описаны в биологии. Каждый уровень можно изучить с помощью проведения биологического исследования, главнейшими из которых являются:

После проведения биологических исследований по этой схеме проводится обработка результата, используя метод математико-статистического анализа.

Самым первым методом анализа, который начал использоваться, был сравнительно-описательный. Он позволял описывать форму организма или явления. После этого, при проведении биологического исследования, проводится сравнительный анализ объекта или явления с другими формами или процессами. Данный метод можно применять на всех уровнях организации живой материи от атомного, до биоценотического.

Задача любого научного исследования – классифицировать все биологически объекты, выделяя группы на основе степени их сходства или различий.

В основе биологического исследования лежит ряд принципов:

Экспериментальный метод биологического исследования представляет собой искусственное изменение каких-либо параметров, влияющих на условия обитания объектов исследования, анализируя затем результаты эксперимента.

Существует два вида экспериментов: полевые и лабораторные.

1. полевой эксперимент проводится в естественных условиях обитания объектов исследования. Объектами полевых экспериментов являются группы организмов, для которых проблематично организовать лабораторные условия проживания, так как это значительно искажает его результаты;

2. лабораторные эксперименты проводятся в искусственно оборудованных помещениях – лабораториях. Наиболее целесообразно проводить такие эксперименты на атомном, молекулярном, клеточном, тканевом или организменном уровнях. Иногда для проведения данного вида биологического исследования создаются искусственные популяции организмов, отдельные живые клетки или клоны – это лабораторные культуры, созданные специально для проведения научных экспериментов. Это свойство нашло себе применение в промышленности в виде биотехнологий. Данное направление сейчас активно развивается, а его результаты применяются как в пищевой, так и в фармакологической промышленности для выращивания культур, производящих лекарственные вещества.

Следующий тип биологического исследования – мониторинг, в основе которого лежит постоянное наблюдение за процессами, происходящими в отдельных уровнях организации живой материи. Данное исследование позволяет состояние объектов исследования и составлять вероятный прогноз их изменения, анализировать последствия, к которым могут привести изменения каких-либо глобальных параметров (например, климат планеты Земля).

На основе полученных заключений проводится разработка тактики, применяемой в случае возникновения данной ситуации, и методы предупреждения таких ситуаций. Мониторинг может использовать и ретроспективный анализ материалов, накопленных на определенный период. С их помощью, например, можно выявить изменение ареалов и установить возможную причину этого феномена. А также исследовать внутривидовую экологическую и географическую изменчивость в данной ситуации.

Метод моделирования – вмешательство в естественные процессы обитания исследуемых объектов. Оно позволяет изучать процессы, которые невозможно наблюдать в естественной среде или воспроизводить в условиях лаборатории.

Моделирование может более достоверно прогнозировать последствия различных процессов.

Но не следует забывать, что при моделировании создается только значительно упрощенная модель, которая не может отразить всю сложность объектов или явлений, которые с ними происходят. Она имеет только общие черты вероятного развития событий, которые и описываются при биологическом исследовании.

Подвидом моделирования является создание математической модели – это выражение парных связей животного или растительного мира в виде чисел. Созданию математической модели биологического исследования предшествует накопление точных данных об объектах, явлениях и процессах, которые с ними происходят. А результаты берутся на основе проведенных ранее экспериментов. Таким образом, использование каждой из методик биологического исследования логично, каждая методика является продолжением предыдущей. При этом используются результаты предыдущего этапа исследования.

При использовании математического моделирования используется электронно-вычислительная техника, уровень развития которой на данном этапе позволяет создавать сложнейшие математические модели с множеством вариантов развития событий.

Статистический метод биологического исследования используется для установления достоверности полученных данных на каждом этапе биологических исследований. Только после заключительного этапа проведения исследования, а именно статистического, можно говорить о том, что данная теория научно обоснована.

Биологическое исследование – это научный метод проведения исследований. Он состоит из нескольких этапов, и может применяться на каждом из уровней организации живой материи. Результаты, полученные после каждого последующего уровня исследования используются при организации следующего уровня, что в результате создает логичную непрерывную модель исследования. И только после прохождения всех этапов биологического исследования, полученные результаты можно назвать научными.

Чтобы получить качественную экспертизу независимых экспертов, тогда вам стоит обратиться в наше «Федерация Судебных Экспертов». Мы рады сотрудничеству в области судебной и досудебной экспертизы с муниципальными и федеральными органами Российской Федерации.

Цена биологической экспертизы указана с учетом налогов. Транспортные расходы оплачиваются отдельно.

Источник

Современные методы исследований в биологии

Материалы по современным методам исследований в биологии, её разделах и смежных дисциплинах

Рисунок: Основные ветви биологии.

В настоящее время биология условно разделяется на две большие группы наук.

Биология организмов: науки о растениях (ботаника), животных (зоология), грибах (микология), микроорганизмах (микробиология). Эти науки изучают отдельные группы живых организмов, их внутреннее и внешнее строение, образ жизни, размножение и развитие.

Общая биология: молекулярный уровень (молекулярная биология, биохимия и молекулярная генетика), клеточный (цитология), тканевой (гистология), органы и их системы (физиология, морфология и анатомия), популяции и природные сообщества (экология). Иными словами, общая биология изучает жизнь на различных уровнях.

Биология тесно связана с другими естественными науками. Так, на стыке между биологией и химией появились биохимия и молекулярная биология, между биологией и физикой – биофизика, между биологией и астрономией – космическая биология. Экология, находящаяся на стыке биологии и географии, в настоящее время часто рассматривается как самостоятельная наука.

Задачи студентов по учебному курсу Современные методы биологических исследований

1. Ознакомление с разнообразными методами исследований в различных областях биологии.

Решение и отчётность:
1) Написание обзорного учебного реферата по методам исследования в различных областях биологии. Минимальные требования к содержанию реферата: описание 5 методов исследования по 1-2 страницы (шрифт 14, интервал 1,5, поля 3-2-2-2 см) на каждый метод.
2) Предоставление доклада (желательно в виде презентации) по одному из современных методов биологии: объём 5±1 страница.
Ожидаемые результаты обучения:
1) Поверхностное знакомство с широким набором методов исследований в биологии.
2) Углубленное понимание одного из методов исследования и передача этого своего знания студенческой группе.

2. Проведение обучающего учебно-научного исследования от постановки цели до выводов с применением необходимых требований к оформлению научного отчёта об исследовании.

Решение:
Получение первичных данных на лабораторных занятиях и в домашних условиях. Допускается проведение части подобного исследования во внеаудиторное время.

3. Знакомство с общими методами исследования в биологии.

Решение:
Лекционный курс и самостоятельная работа с источниками информации. Доклад на примере фактов из истории биологии: объём 2±1 страница.

4. Применение полученных знаний, умений и навыков для проведения и оформления собственного исследования в виде НИРС, курсовой работы и/или выпускной квалификационной работы.

Определение понятий

Методы исследования — это способы достижения цели исследовательской работы.

Научный метод — это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Научный факт — это результат наблюдений и экспериментов, который устанавливает количественные и качественные характеристики объектов.

Современная биология использует объединение методологических подходов, она использует «единство описательно-классифицирующего и объяснительно-номотетического подходов; единство эмпирических исследований с процессом интенсивной теоретизации биологического знания, включающим его формализацию, математизацию и аксиоматизацию» [Ярилин А.А. «Золушка» становится принцессой, или Место биологии в иерархии наук. // «Экология и жизнь» №12, 2008. С. 4-11. С.11].

Задачи методов исследования:

1. «Усиление естественных познавательных способностей человека, а также их расширение и продолжение».

2. «Коммуникативная функция», т.е. посредничество между субъектом и объектом исследования [Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. М.: Ин-т философии РАН, 1999. 203 с. С.18].

Общие методы исследований в биологии

Наблюдение

Наблюдение — это исследование внешних признаков и видимых изменений объекта на протяжении определённого промежутка времени. Например, наблюдение за ростом и развитием проростка.

Наблюдение – это отправной пункт всякого естественнонаучного исследования.

В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект её изучения – человек и окружающая его живая природа. Уже в школе на уроках зоологии, ботаники, анатомии детей учат проведению самых простых биологических исследований путём наблюдения за ростом и развитием растений и животных, за состоянием собственного организма.

Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать её, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона. Гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани. А для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.

Важно понимать, что научное наблюдение, в отличие от обыденного, есть не простое, но целенаправленное изучение объектов или явлений: оно ведётся для решения поставленной задачи, и внимание наблюдателя не должно рассеиваться. Например, если стоит задача изучить сезонные миграции птиц, то мы будем замечать сроки их появления в местах гнездования, а не что-либо иное. Таким образом, наблюдение — это избирательное выделение из действительности определенной части, иначе говоря, аспекта, и включение этой части в изучаемую систему.

В наблюдении важна не только точность, аккуратность и активность наблюдателя, но и его непредвзятость, его знания и опыт, правильный выбор технических средств. Постановка задачи предполагает также наличие плана наблюдений, т.е. их планомерность. [Кабакова Д.В. Наблюдение, описание и эксперимент как основные методы биологии // Проблемы и перспективы развития образования: материалы междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2011 г.).Т. I. Пермь: Меркурий, 2011. С. 16-19.].

Описательный метод

Описательный метод — это фиксирование наблюдаемых внешних признаков объектов исследования с выделением существенного и отбрасыванием несущественного. Этот метод стоял у истоков биологии, как науки, но ее развитие было бы невозможно без применения других методов исследования.

Описательные методы позволяют вначале описывать, а затем анализировать явления, происходящие в живой природе, сравнивать их, находя определённые закономерности, а также обобщать, открывать новые виды, классы и прочее. Описательные методы начали использоваться ещё в древности, но на сегодняшний день не утратили своей актуальности и широко применяются в ботанике, этологии, зоологии и т. д.

Сравнительный метод

Сравнительный метод — это исследование сходства и различия в строении, протекании жизненных процессов и поведении различных объектов. Например, сравнение особей разного пола, приндлежащих к одному биологическому виду.

Позволяет изучать объекты исследования путём их сравнения между собой или с другим объектом. Позволяет выявлять сходства и различия живых организмов, а также их частей. Полученные данные дают возможность объединять исследованные объекты в группы по признакам сходства в строении и происхождении. На основе сравнительного метода, например, строится систематика растений и животных. Этот метод использовался также при создании клеточной теории и для подтверждения теории эволюции. В настоящее время он применяется практически во всех направлениях биологии.

Этот метод утвердился в биологии в XVIII в. и оказался очень плодотворным в решении многих крупнейших проблем. С помощью этого метода и в сочетании с описательным методом были получены сведения, позволившие в XVIII в. заложить основы систематики растений и животных (К. Линней), а в XIX в. сформулировать клеточную теорию (М. Шлейден и Т. Шванн) и учение об основных типах развития (К. Бэр). Метод широко применялся в XIX в. в обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. Однако использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки.
Сравнительный метод широко применяется в разных биологических науках и в наше время. Сравнение приобретает особую ценность тогда, когда невозможно дать определение понятия. Например, с помощью электронного микроскопа часто получают изображения, истинное содержание которых заранее неизвестно. Только сравнение их со светомикроскопическими изображениями позволяет получить желаемые данные.

Исторический метод

Позволяет выявить закономерности образования и развития живых систем, их структур и функций, сопоставлять их с ранее известными фактами. Данный метод, в частности, успешно использовался Ч. Дарвином для построения его эволюционной теории и способствовал превращению биологии из описательной науки в науку объясняющую.

Во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина исторический метод поставил на научные основы исследование закономерностей появления и развития организмов, становления структуры и функций организмов во времени и пространстве. С введением этого метода в биологии произошли значительные качественные изменения. Исторический метод превратил биологию из науки чисто описательной в науку объясняющую, которая объясняет, как произошли и как функционируют многообразные живые системы. В настоящее время исторический метод, или «исторический подход» стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках.

Экспериментальный метод

Эксперимент — это проверка верности выдвинутой гипотезы с помощью целенаправленного воздействия на объект.

Эксперимент (опыт) – искусственное создание в контролируемых условиях ситуации, которая помогает выявить глубоко скрытые свойства живых объектов.

Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем проведения опытов (экспериментов) в контролируемых условиях. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и достигать повторяемости результатов при воспроизведении тех же условиях. Эксперимент обеспечивает более глубокое, чем другие методы исследования, раскрытие сущности биологических явлений. Именно благодаря экспериментам естествознание в целом и биология частности дошли до открытия основных законов природы.
Экспериментальные методы в биологии служат не только для проведения опытов и получения ответов на интересующие вопросы, но и для определения правильности сформулированной в начале изучения материала гипотезы, а также для её корректировки в процессе работы. В двадцатом столетии данные способы исследования становятся ведущими в этой науке благодаря появлению современного оборудования для проведения опытов, такого как, например, томограф, электронный микроскоп и прочее. В настоящее время в экспериментальной биологии широко используются биохимические приёмы, рентгеноструктурный анализ, хроматография, а также техника ультратонких срезов, различные способы культивирования и многие другие. Экспериментальные методы в сочетании с системным подходом расширили познавательные возможности биологической науки и открыли новые дороги для применения знаний практически во всех сферах деятельности человека.

Вопрос об эксперименте как одной из основ в познании природы, был поставлен ещё в XVII в. английским философом Ф. Бэконом (1561-1626). Его введение в биологию связано с работами В. Гарвея в XVII в. по изучению кровообращения. Однако экспериментальный метод широко вошел в биологию лишь в начале XIX в., причем через физиологию, в которой стали использовать большое количество инструментальных методик, позволявших регистрировать и количественно характе- ризовать приуроченность функций к структуре. Благодаря трудам Ф. Мажанди (1783-1855), Г. Гельмгольца (1821-1894), И.М. Сеченова (1829-1905), а также классиков эксперимента К. Бернара (1813-1878) и И.П. Павлова (1849-1936) физиология, вероятно, первой из биологических наук стала экспериментальной наукой.
Другим направлением, по которому в биологию вошел экспериментальный метод, оказалось изучение наследственности и изменчивости организмов. Здесь главнейшая заслуга принадлежит Г. Менделю, который, в отличие от своих предшественников, использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основе получаемых данных. Работа Г. Менделя явилась классическим образцом методологии экспериментальной науки.

Метод моделирования

Моделирование основывается на таком приёме, как аналогия — это умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде иных отношений.

Модель — это упрощённая копия объекта, явления или процесса, заменяющая их в определённых аспектах.

Модель – это то, с чем более удобно работать, то есть то, что легче увидеть, услышать, запомнить, записать, обработать, передать, наследовать, с чем легче экспериментировать, по сравнению с объектом моделирования (прототипом, оригиналом).
Каркищенко Н.Н. Основы биомоделирования. — М.: ВПК, 2005. — 608 с. С. 22.

Моделирование — это, соответственно, создание упрощённой копии объекта, явления или процесса.

1) создание упрощённых копий объектов познания;

2) исследование объектов познания на их упрощённых копиях.

Моделирование (в широком смысле) – это основной метод исследования во всех областях знаний. Методы моделирования используются для оценок характеристик сложных систем и принятия научно обоснованных решений в разных сферах человеческой деятельности. Существующую или проектируемую систему можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных) с целью оптимизации процесса функционирования системы. Модель системы реализуется на современных компьютерах, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.

Моделирование позволяет изучать какой-либо процесс или явление, а также направления эволюции путём воссоздания их в виде более простого объекта при помощи современных технологий и оборудования.

Теория моделирования – теория замещения объекта-оригинала его моделью и исследования свойств объекта на его модели [15].
Моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его моделью и на работе с ней (вместо объекта) [7, 15].
Модель (объекта-оригинала) (от лат. modus – «мера», «объем», «образ») – вспомогательный объект, отражающий наиболее существенные для исследования закономерности, суть, свойства, особенности строения и функционирования объекта-оригинала [7].
Когда говорят о моделировании, обычно имеют в виду моделирование некоторой системы.
Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. В [7] выделено 15 основных системных свойств, к которым относятся: эмергентность (эмерджентность); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность; бесконечность; эргатичность; открытость; необратимость; единство структурной устойчивости и неустойчивости; нелинейность; потенциальная многовариантность актуальных структур; критичность; непредсказуемость в критической области.
При моделировании систем используют два подхода: классический (индуктивный), сложившийся исторически первым, и системный, получивший развитие в последнее время [7, 15].

Классический подход. Исторически первым сложился классический подход к изучению объекта, моделированию системы. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на подсистемы, выбираются исходные данные (Д) для моделирования и ставятся цели (Ц), отражающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента (К) будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель.
Т.о. происходит суммирование компонент, каждая компонента решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Применим подход только для простых систем, где можно не учитывать взаимосвязи между компонентами. Можно отметить две отличительные стороны классического подхода: 1) наблюдается движение от частного к общему при создании модели; 2) созданная модель (система) образуется путем суммирования отдельных ее компонент и не учитывает возникновение нового системного эффекта.

Системный подход – методологическая концепция, основанная на стремлении построить целостную картину изучаемого объекта с учетом важных для решаемой задачи элементов объекта, связей между ними и внешних связей с другими объектами и окружающей средой. С усложнением объектов моделирования возникла необходимость их наблюдения с более высокого уровня. В этом случае разработчик рассматривает данную систему как некоторую подсистему более высокого ранга. Например, если ставится задача проектирования АСУ предприятия, то с позиции системного подхода нельзя забывать, что эта система является составной частью АСУ объединением. В основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного – формулировки цели функционирования. Важным для системного подхода является определение структуры системы – совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие.

Существуют структурные и функциональные подходы к исследованию структуры системы и ее свойств.

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы и связи между ними.

При функциональном подходе рассматриваются алгоритмы поведения системы (функции – свойства, приводящие к достижению цели).

Виды моделирования

Методы моделирования

1. Натурное моделирование – эксперимент на самом исследуемом объекте, который при специально подобранных условиях опыта служит моделью самого себя.
2. Физическое моделирование – эксперимент на специальныхустановках, сохраняющих природу явлений, но воспроизводящих явления в количественно измененном масштабированном виде.
3. Математическое моделирование – использование моделей пофизической природе, отличающихся от моделируемых объектов, ноимеющих сходное математическое описание. Натурное и физическоемоделирование можно объединить в один класс моделей физического подобия, так как в обоих случаях модель и оригинал одинаковы пофизической природе.

Методы моделирования можно классифицировать на три основные группы: аналитические, численные и имитационные [8, 15, 18].

1. Аналитические методы моделирования. Аналитические методы позволяют получить характеристики системы как некоторые функции параметров ее функционирования. Таким образом, аналитическая модель представляет собой систему уравнений, при решении которой получают параметры, необходимые для расчета выходных характеристик системы (среднее время обработки задания, пропускную способность и т.д.). Аналитические методы дают точные значения характеристик системы, но применяются для решения только узкого класса задач. Причины этого заключается в следующем. Во-первых, вследствие сложности большинства реальных систем их законченное математическое описание (модель) либо не существует, либо еще не разработаны аналитические методы решения созданной математической модели. Во-вторых, при выводе формул, на которых основываются аналитические методы, принимаются определенные допущения, которые не всегда соответствуют реальной системе. В этом случае от применения аналитических методов приходится отказываться.

3. Имитационные методы моделирования. С развитием вычислительной техники широкое применение получили имитационные методы моделирования для анализа систем, преобладающими в которых являются стохастические воздействия.
Суть имитационного моделирования (ИМ) заключается в имитации процесса функционирования системы во времени, с соблюдением таких же соотношений длительности операций как в системе оригинале. При этом имитируются элементарные явления, составляющие процесс, сохраняется их логическая структура, последовательность протекания во времени. В результате применения ИМ получают оценки выходных характеристик системы, которые необходимы при решении задач анализа, управления и проектирования.

В основу классификации видов моделирования можно положить различные признаки [7, 8, 15, 18]. В зависимости от характера изучаемых процессов в системе моделирование может быть разделено на детерминированное и стохастическое; статическое и динамическое; дискретное и непрерывное.
Детерминированное моделирование применяется для исследования систем, поведение которых можно абсолютно точно предвидеть. Например, путь, пройденный автомобилем, при равноускоренном движении в идеальных условиях; устройство, возводящее в квадрат число и т.п. Соответственно в этих системах протекает детерминированный процесс, который адекватно описывается детерминированной моделью.

Стохастическое (теоретико-вероятностное) моделирование применяется для исследования системы, состояние которой зависит не только от контролируемых, но и от неконтролируемых воздействий или в ней самой есть источник случайности. К стохастическим системам относятся все системы, которые включают человека, например, заводы, аэропорты, вычислительные системы и сети, магазины, предприятия бытового обслуживания и т.п.
Статическое моделирование служит для описания систем в какой-либо момент времени.

Дополнительные материалы:

Математические методы

Корреляционный анализ. Факторный анализ. Регрессионный анализ. Ряды динамики (временные ряды). Количественные методы классификации.

Дополнительные материалы к математическим методам

Теоретический (системный метод)

Между всеми перечисленными методами нельзя проводить строгую границу. Применяемые в сочетании друг с другом, они дают возможность более полно и эффективно исследовать живые системаы, а также устанавливать закономерности их возникновения, развития и функционирования.

Источник