Войти
Эмпирическое моделирование относится к любому виду (компьютерного ) моделирования на основе эмпирического, а не на математически описываемых отношениях моделируемой системы.
Эмпирическое моделирование как разновидность эмпирического моделирования
Эмпирическое моделирование - это общий термин для действий по созданию моделей путем наблюдения и эксперимента. Эмпирическое моделирование (с начальными буквами с заглавной буквы и часто сокращенно EM) относится к определенной разновидности эмпирического моделирования, при котором модели строятся в соответствии с определенными принципами. Хотя степень, в которой эти принципы могут быть применены к построению моделей без компьютеров, представляет собой интересный вопрос (который будет рассмотрен ниже), есть как минимум две веские причины рассматривать эмпирическое моделирование в первую очередь как компьютерное. Без сомнения, новые технологии, основанные на компьютерах, оказали преобразующее влияние на полное использование принципов эмпирического моделирования. Более того, концепция эмпирического моделирования была тесно связана с размышлениями о роли компьютера в построении моделей.
Эмпирическая модель работает на простом семантическом принципе: создатель наблюдает тесное соответствие между поведением модели и ее референтом. Построение этого соответствия может быть `` эмпирическим '' в самых разных смыслах: оно может повлечь за собой процесс проб и ошибок, может быть основано на вычислительном приближении к аналитическим формулам, оно может быть выведено как отношение черного ящика, которое дает нет понимания того, «почему это работает».
Эмпирическое моделирование основано на ключевом принципе «радикального эмпиризма» Уильяма Джеймса, который постулирует, что все знания основаны на связях, данных в опыте. Эмпирическое моделирование стремится создать соответствие между моделью и ее референтом таким образом, чтобы его происхождение можно было проследить до связей, данных в опыте. Установление связей на опыте - это, по сути, индивидуальная человеческая деятельность, которая требует навыков и сильно зависит от контекста. Примеры таких связей включают: идентификацию знакомых объектов в потоке мыслей, связывание слов естественного языка с объектами, к которым они относятся, и подсознательную интерпретацию строк и столбцов электронной таблицы как результатов экзаменов определенных студентов по определенным предметам.
Принципы эмпирического моделирования
В эмпирическом моделировании процесс построения является инкрементным, в котором промежуточными продуктами являются артефакты, которые вызывают аспекты предполагаемого (а иногда и возникающего) референта посредством живого взаимодействия и наблюдения. Связи, вызванные таким образом, обладают отличительными качествами: они по своей сути являются личными и эмпирическими по своему характеру и являются временными, поскольку они могут быть подорваны, уточнены и усилены по мере развития опыта создателя модели и понимания референта. Следуя прецеденту, установленному Дэвидом Гудингом в его описании роли, которую артефакты сыграли в экспериментальном исследовании электромагнетизма Майклом Фарадеем, промежуточные продукты процесса эмпирического моделирования описываются как «конструкты». Отчет Гудинга является убедительной иллюстрацией того, как создание конструкций может поддерживать осмысляющую деятельность, ведущую к концептуальному пониманию (ср. Вклад, который работа Фарадея внесла в теорию электромагнетизма) и практическим продуктам (ср. Изобретение Фарадеем электрического двигателя).
Рис. 1 Создание конструкции Действия, связанные с созданием конструкции в рамках эмпирического моделирования, изображены на рисунке 1.
Значок глаза в центре рисунка представляет наблюдение создателя текущего состояние развития конструкта и его референт. Две стрелки, исходящие из глаза, представляют связь, данную в опыте между конструктом и его референтом, которая устанавливается в сознании создателя. Эта связь создается посредством экспериментального взаимодействия с конструируемым конструктом и его возникающим референтом. Как и в реальном эксперименте, диапазон взаимодействий, которые может развлечь создатель, невероятно широк. По усмотрению создателя взаимодействия, характеризующие конструкт, - это те взаимодействия, которые уважают связь, данную в опыте создателя. По мере развертывания процесса эмпирического моделирования конструкт, референт, понимание создателя и контекст взаимодействия создателя совместно развиваются таким образом, что:
Концепции эмпирического моделирования
В эмпирическом моделировании. создание и поддержание связи, данной в опыте между конструктом и референтом, основано на трех основных концепциях: наблюдаемые, зависимости и агентность. Как в конструктивном элементе, так и в его референте создатель идентифицирует наблюдаемые как объекты, которые могут принимать диапазон различных значений и чьи текущие значения определяют его текущее состояние. Все изменяющие состояние взаимодействия с конструктом и референтом рассматриваются как изменения значений наблюдаемых. Изменение значения одного наблюдаемого может быть напрямую связано с изменением значения другого наблюдаемого, и в этом случае эти значения связаны зависимостью . Изменения наблюдаемых значений приписываются агентам, среди которых наиболее важным является создатель конструкта. Когда наблюдается одновременное изменение наблюдаемых значений, это может быть истолковано как одновременное действие со стороны разных агентов или как сопутствующие изменения наблюдаемых величин, полученные в результате действия одного агента через зависимости. Для установления связи, данной в опыте между конструктом и референтом, создатель конструирует конструкт таким образом, чтобы его наблюдаемые, зависимости и агентская деятельность близко соответствовали тем, которые наблюдаются в референте. С этой целью создатель должен представить себе подходящие способы, с помощью которых наблюдаемым и действиям агентов в референте могут быть даны подходящие эмпирические аналоги в конструкте.
Семантическая структура, показанная на рисунке 1, похожа на структуру, принятую при работе с электронными таблицами, где состояние, которое в настоящее время отображается в сетке, имеет смысл только в сочетании с внешним референтом. В этом параметре ячейки служат в качестве наблюдаемых, их определения определяют зависимости, а действие осуществляется путем изменения значений или определений ячеек. Создавая конструкцию, создатель исследует роли каждого релевантного агента, проецируя на него действие, как если бы это был агент-человек, и выявляя наблюдаемые и зависимости с этой точки зрения. Автоматизируя агентскую деятельность, можно использовать конструкторы для определения поведения во многом так же, как поведение можно выразить с помощью макросов в сочетании с электронными таблицами. Таким образом, анимированные конструкции могут имитировать поведение, подобное программе, в котором промежуточные состояния значимы и доступны для аудита со стороны создателя.
Среды для поддержки эмпирического моделирования
Разработка компьютерных сред для создания конструкций является постоянным предметом исследований в течение последних тридцати лет. Множество реализованных вариантов таких сред основаны на общих принципах. Сеть зависимостей, которые в настоящее время связывают наблюдаемые объекты, записана как семейство определений. Семантически такие определения напоминают определения ячеек электронной таблицы, посредством которых изменения значений наблюдаемых в правой части распространяются таким образом, чтобы изменить значение наблюдаемого на LHS концептуально неделимым образом. Зависимости в этих сетях являются ациклическими, но также можно реконфигурировать: переопределение наблюдаемого может ввести новое определение, которое изменяет структуру зависимостей. Наблюдаемые, встроенные в среду, включают скаляры, геометрические элементы и элементы отображения на экране: они могут быть разработаны с использованием многоуровневых структур списков. Зависимость обычно представлена определением, которое использует относительно простое функциональное выражение, чтобы связать значение наблюдаемого со значениями других наблюдаемых. Такие функции обычно выражаются во фрагментах простого процедурного кода, но самые последние варианты сред создания конструкций также позволяют выражать отношения зависимости с помощью соответствующим образом контекстуализированных семейств определений. Создатель может взаимодействовать с конструктором, переопределяя существующие наблюдаемые или вводя новые наблюдаемые без ограничений. Такое взаимодействие играет решающую роль в экспериментальной деятельности, которая способствует постепенному развитию конструкции. Запускаемые действия могут быть введены для автоматизации изменения состояния: они выполняют переопределения в ответ на указанные изменения в значениях наблюдаемых.
Эмпирическое моделирование как более широкий взгляд на вычисления
На рисунке 1 определение «компьютера» как среды, в которой создается конструкт, потенциально вводит в заблуждение. Термин КОМПЬЮТЕР - это не просто ссылка на мощное вычислительное устройство. При создании конструкций основной упор делается на обширные потенциальные возможности для взаимодействия и восприятия, которые обеспечивает компьютер при использовании в сочетании с другими технологиями и устройствами. Основная мотивация разработки эмпирического моделирования - дать удовлетворительный отчет о вычислениях, которые объединяют эти две взаимодополняющие роли компьютера. Принципы, с помощью которых Джеймс и Дьюи стремились примирить взгляды на свободу действий, основанные на логике и опыте, играют решающую роль в достижении этой интеграции.
Двойная роль компьютера, показанная на рисунке 1, широко актуальна для современных вычислительных приложений. Исходя из этого, эмпирическое моделирование можно рассматривать как основу для более широкого взгляда на вычисления. Эта точка зрения отражена в многочисленных публикациях по эмпирическому моделированию по таким темам, как образовательные технологии, компьютерное проектирование и разработка программного обеспечения. Создание конструкций также было предложено в качестве подходящей техники для поддержки конструктивизма, как задумано Сеймуром Папертом, и для удовлетворения гарантий «строительства», определенных Бруно Латуром.
Эмпирическое моделирование как формирование общего смысла?
Машина Тьюринга обеспечивает теоретическое обоснование роли компьютера как вычислительного устройства: ее можно рассматривать как моделирование «разума, следующего правилам». Практические применения эмпирического моделирования на сегодняшний день показывают, что создание конструкций хорошо подходит для поддержки дополнительной роли, которую компьютер может играть в оркестровке богатого опыта. В частности, в соответствии с прагматической философской позицией Джеймса и Дьюи, создание конструкций может выполнять объяснительную роль, предлагая случайные объяснения человеческого опыта в контекстах, где нельзя задействовать вычислительные правила. В этом отношении построение конструкций можно рассматривать как моделирование «разума, понимающего ситуацию».
Точно так же, как машина Тьюринга является концептуальным инструментом для понимания природы алгоритмов, ценность которых не зависит от существования компьютера, принципы и концепции эмпирического моделирования могут иметь общее значение в качестве основы для размышлений о осмысление без конкретной ссылки на использование компьютера. Доказательством этого может служить вклад, который анализ человеческого опыта Уильям Джеймс вносит в концепцию эмпирического моделирования. Таким образом, принципы эмпирического моделирования могут быть подходящим способом анализа разновидностей эмпирического моделирования, не основанного на компьютере. Например, вполне вероятно, что анализ с точки зрения наблюдаемых, зависимостей и агентств, который применяется к взаимодействию с электронными таблицами, также будет уместен для составленных вручную электронных таблиц, которые предшествовали им.
Предпосылки
Эмпирическое моделирование было впервые применено с начала 1980-х годов Меригом Бейноном и Исследовательской группой эмпирического моделирования в области компьютерных наук при Университете Уорика.
Термин «Эмпирическое моделирование» (ЭМ) был принят для этой работы примерно с 1995 года, чтобы отразить экспериментальную основу процесса моделирования в наблюдениях и экспериментах. Программное обеспечение специального назначения, поддерживающее основные концепции наблюдаемости, зависимости и действия, находится в постоянном развитии (в основном под руководством студентов-исследователей) с конца 1980-х годов.
Принципы и инструменты EM были использованы и разработаны многими сотнями студентов в рамках курсовых, проектных работ и исследовательских диссертаций. Модуль бакалавриата и магистратуры «Введение в эмпирическое моделирование» преподавался в течение многих лет, вплоть до 2013–2014 годов, до выхода на пенсию Мериг Бейнон и Стива Русса (авторов этой статьи). Существует большой веб-сайт [1], содержащий исследовательские и учебные материалы с обширной коллекцией рецензируемых публикаций и материалов конференций.
Термин «конструктивный» используется с начала 2000-х годов для артефактов или моделей, созданных с помощью инструментов ЭМ. Этот термин был адаптирован из его использования Дэвидом Гудингом в книге «Эксперимент и создание смысла» (1990) для описания возникающих предварительных идей, которые сформировались в уме Фарадея и были записаны в его записных книжках, когда он исследовал электромагнетизм. и изготовил первые электродвигатели в 1800-х годах.
Основная практическая деятельность, связанная с EM - «создание конструкций» - была предметом проекта Erasmus + CONSTRUIT! (2014-2017) [2].
[1] http://www.dcs.warwick.ac.uk/modelling/ Группа исследования эмпирического моделирования
[2] https://warwick.ac.uk/fac/sci/dcs/research/em/welcome/ СОЗДАЙТЕ! Веб-страницы проекта
