Г) возникновение и эволюция вычислительного эксперимента

Вопрос 45. Методологические новации в современном естествознании.

План: 1. Чем обусловлены методологические новации в современной науке. 2. Уровни методологических новаций: а) изменение в методах б) появление междисциплинарных стратегий в)изменение стиля мышления в современной науке.

Что такое методологическая новация?      

    Под методологическими новациями понимается совокупность принципов и методов, ориентированных на создание вариантов принципиально нового понимания и описания мира, а также на поиск принципиально новых способов решения давно существующих проблем.

    Специфика объектов, изучаемых в постнеклассический период развития науки, междисциплинарность, комплексный характер проблем и организации научного исследования, отказ от противопоставления исследований прикладного и фундаментального теоретического характера, эмпирического и теоретического (в рамках вычислительного эксперимента), – все это обостряет интерес к методологическим проблемам науки и побуждает к поиску методологических новаций. Например, возникновение синергетики связано с прикладными исследованиями фазовых переходов и образованием диссипативных структур, каковыми являются структуры в жидкостях, химические волны, лазерные пуки, неустойчивость плазмы, явления выхлопа и флаттера.

В чем проявляется плюрализм методологических инноваций?

    Методологические новации можно сгруппировать: 1. изменение в методах исследования;2.появление междисциплинарных стратегий научного исследования;3.становление постнеклассической научной рациональности,изменение стиля мышления.

    1.Изменения в методах исследования проявляются как:

а) эволюция математических моделей.Первоначально математические модели представляют собой математическую запись отдельных наблюдений над объектами. Для таких моделей характерная линейность, малая размерность, она включала 1 или 2 переменных, способ решения -  аналитический. Затем появляются модели, которые  отражают структуру функционирующего объекта. Модели нелинейные и предполагают решение системы уравнений (размерность – до нескольких десятков), обращение к вычислительному эксперименту. Затем появляются модели, объединяющие в информационно-технологические комплексы для работы с реальными фирмами, заказчиками:нефтеразведка, нефтепереработка, продажа, транспортировка и т.д. единого кластера-фирмы. Цель таких модеей – получение обоснованных и реализуемых управленческих решений. Модель рассматривается как элемент целостной постановки задачи управления и становится информационно-технологическим инструментом ее решения. Модели управления переводят науку в социальную силу. Наконец, появляются модели виртуального мира. Это виртуальное моделирование -- воспроизводство трехмерного мира компьютерными средствами. Объем визуализации возрастает, количество визуализируемых деталей достигает многих тысяч даже в простейших случаях. Это модели, обеспечивающие операторский тренинг, решение инженерных, биомедицинских задач, разработку разнообразных систем тестирования и диагностики.

б) применение метода математической гипотезы в создании научных теорий неклассической физики – квантовой механики (вопрос 53).

в) вхождение в методологический арсенал науки «casestudies» («метод кейсов»).Метод кейсов впервые метод был применен в 1924 г. вГарвардской бизнес-школе. Метод кейсов предполагает наличие индивидуализированного объекта, который находится под наблюдением, но не может быть объяснен в рамках имеющегося научного знания. Такие объекты характерны не только для социально-гуманитарных, но и для естественных наук. Метод кейсов требует разработки ситуационной логики, адекватной конкретной изучаемой ситуации.

г) возникновение и эволюция вычислительного эксперимента

    Особое место в современном теоретическом исследовании принадлежит вычислительному эксперименту, широкое использование которого началось в последние десятилетия двадцатого века благодаря стремительному развитию информационно-компьютерной базы научного поиска. Вычислительный эксперимент – это эксперимент над математической моделью объекта на компьютере, сущность которого заключается в том, что по одним параметрам модели вычисляются другие ее характеристики и на этой основе делаются выводы о свойствах явлений, репрезентированных математической моделью. Вычислительный эксперимент базируется на триаде «математическая модель — алгоритм программа» и носит междисциплинарный характер, поскольку в одном цикле объединяет деятельность теоретиков, специалистов в области приклад ной математики и программистов. 

    Основные этапы вычислительного эксперимента включают в себя:

1) построение математической модели изучаемого объекта в тех или иных условиях. Как правило, она представлена системой уравнений высокого порядка;

2) определение вычислительного алгоритма решения базовой системы уравнений;

3) построение программы реализации поставленной задачи для ЭВМ.

    Вычислительный эксперимент, базирующийся на триаде «математическая модель – алгоритм – программа», носит междисциплинарный характер, объединяя в едином цикле деятельность теоретиков, специалистов в области прикладной математики и программистов. На основе накопленного опыта математического моделирования, банка вычислительных алгоритмов и программного обеспечения вычислительный эксперимент позволяет быстро и эффективно решать сложные исследовательские задачи практически в любой области математизированного научного знания. Это такие задачи, как проблемы управляемого термоядерного синтеза,  расчеты траекторий движения и аэродинамических параметров космических летательных аппаратов, диагностика плазмы, технология создания материалов с заданными свойствами, разработки в области вычислительной томографии, исследования глобальных экологических проблем, гео- и астрофизических явлений, моделирование климатических процессов и их трансформаций под воздействием факторов антропогенного и техногенного характера. Обращение к вычислительному эксперименту позволяет резко снизить стоимость научных разработок и интенсифицировать процесс научного поиска, что обеспечивается многовариантностью выполняемых расчетов и простотой модификаций математических моделей для имитации тех или иных условий эксперимента.

    В качестве основных типов вычислительного эксперимента выделяют поисковый, прогностический, оптимизационный, диагностический и др. Особый интерес вызывает распределенный вычислительный эксперимент, позволяющий привлечь к поиску решения поставленной задачи многочисленный отряд пользователей персональных компьютеров, берущих на себя реализацию части общей программы эксперимента путем установки на свой компьютер специальной программы, выполняющей небольшой фрагмент требуемых вычислений. В результате тысячи персональных компьютеров, подключенных к Интернету, работают совместно над одной и той же программой, образуя огромный виртуальный «суперкомпьютер». Примером распределенного вычислительного эксперимента может служить проект SETI@Home, нацеленный на поиск контактов с внеземными цивилизациями, а также проект Genom@Home, призванный, в частности, точнее расшифровать функции отдельных генов в геноме человека.

    Таким образом, вычислительный эксперимент предстает в качестве новой технологии научных исследований, фундирующей перспективные стратегии научного поиска. Сложность и своеобразие этого вида исследований ставит вопрос о появлении новых научных дисциплин: компьютерной математики, вычислительной информатики, вычислительной физики.

    Использование вычислительного эксперимента, в частности, приводит к появлению в сфере теоретического знания новой формулировки научного закона. Наряду слингвистической и модельнойформами закона появляется процедурная, компьютерная форма научного знания.Она имеет место тогда, когда при отсутствии математической модели исследуемых явлений, последние удовлетворительным образом отслеживаются и контролируются в заданном диапазоне параметров с помощью компьютерных устройств, реализующих определенные программы и скрывающиеся за ними вычислительные алгоритмы. В подобных случаях система алгоритмов и составленных на их основе программ вычислений выступает в качестве одной из формулировок процедурной формы закона – компьютерной формулировки. В результате в современном физическом исследовании закладываются основы, так называемой вычислительной физики, для которой формулировки законов в виде уравнений и их систем не являются необходимыми, а эволюция реальной системы, начиная от исходного состояния, моделируется как численный процесс обработки имеющейся информации о системе и ее начальном состоянии.

    Таким образом, информационные технологии в современном научном познании обеспечивают плюрализм методологических новаций и стратегий научного поиска.