Modeling process — فرآیند مدل‌سازی

فرآیند مدل‌سازی را می‌توان به‌صورت گذار از یک کلاس مدل به کلاس دیگر تصویر کرد. به‌طور قراردادی سه کلاس بزرگ مدل تفکیک می‌شوند: مدل‌های شناختی، مدل‌های محتوایی و مدل‌های صوری. این سه کلاس سه سطح به‌هم‌پیوسته از مدل‌سازی را تشکیل می‌دهند که نمی‌توان آن‌ها را جداگانه و مستقل از یکدیگر بررسی کرد. تأثیر متقابل سطوح مدل‌سازی با ویژگی بالقوگی مدل‌ها پیوند دارد. ساختن هر مدلی با پدیدار شدن دانش‌های جدید درباره شیء مورد مطالعه همراه است که به بازنگری و دقیق‌سازی مفاهیم و دیدگاه‌ها نسبت به شیء مدل‌سازی در سطوح مختلف می‌انجامد. این امر به نوبه خود موجب بازنگری مدل‌های محتوایی و شناختی متناظر می‌شود و توسعه مارپیچی همه سطوح مدل‌سازی شیء مورد مطالعه را تضمین می‌کند.

مدل‌های شناختی و محتوایی

هنگام مشاهده شیء اصلی، در ذهن پژوهشگر تصویر ذهنی‌ای از آن شیء شکل می‌گیرد — مدل آرمانی آن — که در ادبیات علمی مدل شناختی (ذهنی، یاری‌دهنده به شناخت) نامیده می‌شود. پژوهشگر در هنگام ساختن چنین مدلی معمولاً می‌کوشد به پرسش‌های مشخصی پاسخ دهد؛ از این رو همه عناصر ناضروری از ساختار بی‌نهایت پیچیده شیء حذف می‌شوند تا توصیفی فشرده‌تر و موجزتر به دست آید. بازنمایی مدل شناختی به زبان طبیعی، مدل محتوایی نامیده می‌شود.

مدل‌های شناختی ذهنی هستند، زیرا پژوهشگر آن‌ها را بر پایه تمام دانش‌ها و تجربیات پیشین خود به‌صورت درون‌نگرانه می‌سازد. تصویری از مدل شناختی را تنها می‌توان با توصیف آن در قالب نشانه‌ای به دست آورد. نمی‌توان ادعا کرد که مدل‌های شناختی و محتوایی معادل‌اند، زیرا دسته اول ممکن است عناصری داشته باشند که پژوهشگر قادر به صورت‌بندی آن‌ها نیست یا نمی‌خواهد آن‌ها را صورت‌بندی کند. در عین حال، اگر مدل محتوایی توسط شخص دیگری صورت‌بندی شده باشد یا حاصل خلق جمعی باشد، تفسیر آن، سطح درک و میزان اعتماد به آن بسته به تفسیرکننده می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی متفاوت باشد. مدل محتوایی را اغلب صورت‌بندی فنی مسئله می‌نامند.

بر اساس ویژگی کارکردی و اهداف، مدل‌های محتوایی به توصیفی، تبیینی و پیش‌بینانه تقسیم می‌شوند:

• هر توصیفی از یک شیء را می‌توان مدل توصیفی نامید.
• مدل تبیینی به این پرسش پاسخ می‌دهد که چرا چیزی رخ می‌دهد.
• مدل پیش‌بینانه باید رفتار آینده شیء را توصیف کند. شایان ذکر است که مدل پیش‌بینانه الزاماً نباید مدل تبیینی را در خود داشته باشد.

مدل‌های مفهومی

مدل محتوایی‌ای را که در صورت‌بندی آن از مفاهیم و تصورات حوزه‌های موضوعی دانش که به مطالعه شیء مدل‌سازی می‌پردازند استفاده می‌شود، مدل مفهومی می‌نامند.

در معنای گسترده‌تر، مدل مفهومی به مدل محتوایی‌ای اطلاق می‌شود که بر پایه مفهوم یا دیدگاه خاصی بنا شده است. سه نوع مدل مفهومی تفکیک می‌شوند: منطقی-معنایی، ساختاری-کارکردی و علّی-معلولی.

• مدل منطقی-معنایی توصیف شیء است به اصطلاحات و تعریف‌های حوزه‌های موضوعی مربوطه که شامل همه گزاره‌ها و واقعیت‌های شناخته‌شده و منطقاً ناقض‌ناپذیر است. تحلیل چنین مدل‌هایی با ابزارهای منطق و با بهره‌گیری از دانش‌های انباشته‌شده در حوزه‌های موضوعی مربوطه انجام می‌شود.
• در ساختن مدل ساختاری-کارکردی، شیء معمولاً به‌مثابه یک سامانه یکپارچه در نظر گرفته می‌شود که به عناصر یا زیرسامانه‌های جداگانه تجزیه می‌گردد. بخش‌های سامانه با روابط ساختاری به هم پیوند می‌خورند که تبعیت، توالی منطقی و زمانی حل وظایف جداگانه را توصیف می‌کنند. برای بازنمایی این‌گونه مدل‌ها، انواع نمودارها، نقشه‌ها و دیاگرام‌ها کاربردی هستند.
• مدل علّی-معلولی اغلب برای تبیین و پیش‌بینی رفتار شیء به کار می‌رود. این مدل‌ها عمدتاً معطوف به موارد زیر هستند: ۱) شناسایی روابط اصلی میان اجزای سازنده شیء مورد مطالعه؛ ۲) تعیین اینکه تغییر برخی عوامل چگونه بر حالت مؤلفه‌های مدل تأثیر می‌گذارد؛ ۳) درک اینکه مدل در کل چگونه عمل خواهد کرد و آیا به‌درستی پویایی پارامترهای مورد علاقه پژوهشگر را توصیف خواهد کرد.

مدل‌های صوری

مدل صوری، بازنمایی مدل مفهومی با استفاده از یک یا چند زبان صوری است (مانند زبان‌های نظریه‌های ریاضی، زبان‌های تخصصی مدل‌سازی یا زبان‌های الگوریتمی). در علوم انسانی، فرآیند مدل‌سازی در بسیاری موارد با ساختن مدل مفهومی شیء به پایان می‌رسد. در رشته‌های علوم طبیعی، معمولاً ساختن مدل صوری ممکن است.

اگر ارزش مدل‌های محتوایی و صوری برای فرآیند شناخت کم‌وبیش توسط پژوهشگران درک می‌شود، نقش مدل‌های شناختی اغلب دست‌کم گرفته می‌شود. این امر به ذهنی بودن این مدل‌ها و پنهان بودن فرآیند تفکر مربوط می‌شود. با این حال اشیاء و فرآیندهایی وجود دارند که نقش مدل‌های شناختی در آن‌ها به‌ویژه بسیار مهم است. برای نمونه، اپراتور یا تصمیم‌گیرنده، اداره شیء یا فرآیند را عمدتاً بر اساس مدل‌های شناختی خود انجام می‌دهد. نقش این نوع مدل‌ها در علوم اجتماعی نیز بسیار بزرگ است.

مدل‌سازی ریاضی، مدل‌سازی صوری نشانه‌ای علمی آرمانی است که در آن توصیف شیء به زبان ریاضیات صورت می‌گیرد و مطالعه مدل با استفاده از روش‌های ریاضی گوناگون انجام می‌شود.

هر مدل ریاضی که برای پژوهش‌های علمی طراحی شده باشد، این امکان را فراهم می‌آورد که بر اساس داده‌های اولیه مشخص، مقادیر پارامترهای مورد نظر پژوهشگر از شیء یا پدیده مدل‌شده به دست آید. بنابراین می‌توان فرض کرد که ماهیت هر چنین مدلی در نگاشت مجموعه‌ای معین از مقادیر پارامترهای ورودی به مجموعه‌ای از مقادیر پارامترهای خروجی نهفته است. این واقعیت اجازه می‌دهد مدل ریاضی را به‌مثابه یک عملگر ریاضی در نظر بگیریم. مفهوم عملگر را می‌توان به‌اندازه کافی گسترده تفسیر کرد. این می‌تواند تابعی باشد که مقادیر ورودی و خروجی را به هم پیوند می‌دهد، یا نگاشتی باشد که بیان نمادین دستگاهی از معادلات جبری، دیفرانسیلی، انتگرال-دیفرانسیلی یا انتگرالی را نشان می‌دهد. این همچنین می‌تواند الگوریتم، مجموعه‌ای از قواعد یا جداولی باشد که یافتن (یا تعیین) پارامترهای خروجی بر اساس مقادیر اولیه داده‌شده را ممکن می‌سازد.

تعریف مدل ریاضی از طریق مفهوم عملگر از دیدگاه ساختن طبقه‌بندی این مدل‌ها سازنده‌تر است، زیرا همه تنوع موجود مدل‌های ریاضی کنونی را در بر می‌گیرد.

مزایای مدل‌سازی ریاضی در مقایسه با آزمایش طبیعی:

• اقتصادی بودن (به‌ویژه صرفه‌جویی در منابع سامانه واقعی)؛
• امکان مدل‌سازی اشیاء فرضی، یعنی آنچه در طبیعت محقق نشده است؛
• امکان اجرای حالت‌هایی که در واقعیت خطرناک یا دشوارالتحقق هستند؛
• امکان تغییر مقیاس زمان؛
• سادگی تحلیل چندبُعدی؛
• قدرت پیش‌بینانه بیشتر به دلیل امکان شناسایی قوانین کلی؛
• جهانی بودن سخت‌افزار و نرم‌افزار کار انجام‌شده (سامانه‌های برنامه‌نویسی و بسته‌های نرم‌افزاری کاربردی چندمنظوره).

مدل اطلاعاتی — مدل شیئی است که به‌صورت اطلاعاتی ارائه می‌شود که پارامترها و متغیرهای مهم شیء برای بررسی مورد نظر، روابط میان آن‌ها، ورودی‌ها و خروجی‌های شیء را توصیف می‌کند و با دریافت اطلاعات درباره تغییرات متغیرهای ورودی، امکان شبیه‌سازی حالت‌های ممکن شیء را فراهم می‌آورد.