Modelado científico

El modelado científico es una actividad científica, cuyo objetivo es hacer que una parte o característica particular del mundo sea más fácil de entender, definir, cuantificar, visualizar o simular al hacer referencia a conocimientos existentes y comúnmente aceptados. Requiere seleccionar e identificar aspectos relevantes de una situación en el mundo real y luego usar diferentes tipos de modelos para diferentes objetivos, como modelos conceptuales para comprender mejor, modelos operativos para operacionalizar, modelos matemáticos para cuantificar, modelos computacionales para simular y modelos gráficos. modelos para visualizar el tema.

El modelado es una parte esencial e inseparable de muchas disciplinas científicas, cada una de las cuales tiene sus propias ideas sobre tipos específicos de modelado. Lo siguiente fue dicho por John von Neumann.

... las ciencias no intentan explicar, apenas intentan interpretar, principalmente hacen modelos. Por modelo se entiende una construcción matemática que, con la adición de ciertas interpretaciones verbales, describe fenómenos observados. La justificación de tal construcción matemática es única y precisamente que se espera que funcione, es decir, que describa correctamente fenómenos de un área razonablemente amplia.

También hay una atención creciente al modelado científico en campos como la educación científica, la filosofía de la ciencia, la teoría de sistemas y la visualización del conocimiento. Existe una colección creciente de métodos, técnicas y metateorías sobre todo tipo de modelos científicos especializados.

Visión de conjunto

Un modelo científico busca representar objetos empíricos, fenómenos y procesos físicos de una manera lógica y objetiva. Todos los modelos están en simulacros, es decir, reflejos simplificados de la realidad que, a pesar de ser aproximaciones, pueden ser de gran utilidad. Construir y disputar modelos es fundamental para la empresa científica. Una representación completa y verdadera puede ser imposible, pero el debate científico a menudo se refiere a cuál es el mejor modelo para una tarea determinada, por ejemplo, cuál es el modelo climático más preciso para el pronóstico estacional.

Los intentos de formalizar los principios de las ciencias empíricas utilizan una interpretación para modelar la realidad, de la misma manera que los lógicos axiomatizan los principios de la lógica. El objetivo de estos intentos es construir un sistema formal que no produzca consecuencias teóricas contrarias a lo que se encuentra en la realidad. Las predicciones u otras declaraciones extraídas de tal sistema formal reflejan o mapean el mundo real solo en la medida en que estos modelos científicos sean verdaderos.

Para el científico, un modelo es también una forma de amplificar los procesos del pensamiento humano. Por ejemplo, los modelos que se representan en software permiten a los científicos aprovechar el poder computacional para simular, visualizar, manipular y ganar intuición sobre la entidad, el fenómeno o el proceso que se representa. Dichos modelos de computadora están en silico. Otros tipos de modelos científicos son in vivo (modelos vivos, como ratas de laboratorio) e in vitro (en cristalería, como cultivo de tejidos).

Lo esencial

El modelado como sustituto de la medición y la experimentación directas

Los modelos se utilizan normalmente cuando es imposible o poco práctico crear condiciones experimentales en las que los científicos puedan medir directamente los resultados. La medición directa de resultados en condiciones controladas (ver Método científico) siempre será más confiable que las estimaciones de resultados modeladas.

Dentro del modelado y la simulación, un modelo es una simplificación y abstracción deliberada y orientada a tareas de una percepción de la realidad, moldeada por restricciones físicas, legales y cognitivas. Está dirigido por tareas porque un modelo se captura con una determinada pregunta o tarea en mente. Las simplificaciones dejan fuera todas las entidades conocidas y observadas y su relación que no son importantes para la tarea. La abstracción agrega información que es importante pero no necesaria con el mismo detalle que el objeto de interés. Ambas actividades, la simplificación y la abstracción, se realizan con un propósito. Sin embargo, se realizan en base a una percepción de la realidad. Esta percepción ya es un modelo.en sí mismo, ya que viene con una restricción física. También existen restricciones sobre lo que podemos observar legalmente con nuestras herramientas y métodos actuales, y restricciones cognitivas que limitan lo que podemos explicar con nuestras teorías actuales. Este modelo comprende los conceptos, su comportamiento y sus relaciones de forma informal y, a menudo, se lo denomina modelo conceptual. Para ejecutar el modelo, es necesario implementarlo como una simulación por computadora. Esto requiere más opciones, como aproximaciones numéricas o el uso de heurísticas. A pesar de todas estas limitaciones epistemológicas y computacionales, la simulación ha sido reconocida como el tercer pilar de los métodos científicos: construcción de teorías, simulación y experimentación.

Simulación

Una simulación es una forma de implementar el modelo, a menudo empleada cuando el modelo es demasiado complejo para la solución analítica. Una simulación de estado estacionario proporciona información sobre el sistema en un instante específico en el tiempo (generalmente en equilibrio, si tal estado existe). Una simulación dinámica proporciona información a lo largo del tiempo. Una simulación muestra cómo se comportará un objeto o fenómeno en particular. Tal simulación puede ser útil para pruebas, análisis o capacitación en aquellos casos en los que los sistemas o conceptos del mundo real pueden representarse mediante modelos.

Estructura

La estructura es una noción fundamental ya veces intangible que cubre el reconocimiento, la observación, la naturaleza y la estabilidad de patrones y relaciones de entidades. Desde la descripción verbal de un copo de nieve por parte de un niño hasta el análisis científico detallado de las propiedades de los campos magnéticos, el concepto de estructura es un fundamento esencial de casi todos los modos de investigación y descubrimiento en la ciencia, la filosofía y el arte.

Sistemas

Un sistema es un conjunto de entidades interactuantes o interdependientes, reales o abstractas, que forman un todo integrado. En general, un sistema es una construcción o colección de diferentes elementos que juntos pueden producir resultados que los elementos no pueden obtener por sí solos. El concepto de un "todo integrado" también puede establecerse en términos de un sistema que incorpora un conjunto de relaciones que se diferencian de las relaciones del conjunto con otros elementos, y forman relaciones entre un elemento del conjunto y elementos que no forman parte del mismo. régimen relacional. Hay dos tipos de modelos de sistemas: 1) discretos en los que las variables cambian instantáneamente en puntos separados en el tiempo y 2) continuos donde las variables de estado cambian continuamente con respecto al tiempo.

Generando un modelo

El modelado es el proceso de generar un modelo como una representación conceptual de algún fenómeno. Por lo general, un modelo se ocupará solo de algunos aspectos del fenómeno en cuestión, y dos modelos del mismo fenómeno pueden ser esencialmente diferentes, es decir, que las diferencias entre ellos comprenden más que un simple cambio de nombre de los componentes.

Tales diferencias pueden deberse a diferentes requisitos de los usuarios finales del modelo, o a diferencias conceptuales o estéticas entre los modeladores y a decisiones contingentes tomadas durante el proceso de modelado. Las consideraciones que pueden influir en la estructura de un modelo pueden ser la preferencia del modelador por una ontología reducida, preferencias con respecto a modelos estadísticos versus modelos deterministas, tiempo discreto versus continuo, etc. En cualquier caso, los usuarios de un modelo deben comprender las suposiciones hechas que son pertinente a su validez para un uso dado.

Construir un modelo requiere abstracción. Los supuestos se utilizan en el modelado para especificar el dominio de aplicación del modelo. Por ejemplo, la teoría especial de la relatividad asume un marco de referencia inercial. Esta suposición fue contextualizada y más explicada por la teoría general de la relatividad. Un modelo hace predicciones precisas cuando sus suposiciones son válidas y es posible que no haga predicciones precisas cuando sus suposiciones no se cumplen. Tales suposiciones son a menudo el punto con el que las teorías más antiguas son reemplazadas por otras nuevas (la teoría general de la relatividad también funciona en marcos de referencia no inerciales).

Evaluación de un modelo

Un modelo se evalúa ante todo por su coherencia con los datos empíricos; cualquier modelo inconsistente con observaciones reproducibles debe ser modificado o rechazado. Una forma de modificar el modelo es restringiendo el dominio sobre el cual se le atribuye una alta validez. Un ejemplo de ello es la física newtoniana, que es muy útil excepto para los fenómenos muy pequeños, muy rápidos y muy masivos del universo. Sin embargo, un ajuste a los datos empíricos por sí solo no es suficiente para que un modelo sea aceptado como válido. Los factores importantes en la evaluación de un modelo incluyen:

• Habilidad para explicar observaciones pasadas.
• Habilidad para predecir futuras observaciones.
• Costo de uso, especialmente en combinación con otros modelos
• Refutabilidad, que permite estimar el grado de confianza en el modelo
• Simplicidad, o incluso atractivo estético

Las personas pueden intentar cuantificar la evaluación de un modelo utilizando una función de utilidad.

Visualización

La visualización es cualquier técnica para crear imágenes, diagramas o animaciones para comunicar un mensaje. La visualización a través de imágenes visuales ha sido una forma efectiva de comunicar ideas tanto abstractas como concretas desde los albores del hombre. Los ejemplos de la historia incluyen pinturas rupestres, jeroglíficos egipcios, geometría griega y los métodos revolucionarios de dibujo técnico de Leonardo da Vinci para fines científicos y de ingeniería.

Mapeo espacial

El mapeo espacial se refiere a una metodología que emplea una formulación de modelado "casi global" para vincular modelos "gruesos" (ideales o de baja fidelidad) con modelos "finos" (prácticos o de alta fidelidad) de diferentes complejidades. En la optimización de ingeniería, el mapeo espacial alinea (mapea) un modelo grueso muy rápido con su modelo fino relacionado costoso de calcular para evitar la costosa optimización directa del modelo fino. El proceso de alineación refina iterativamente un modelo aproximado "asignado" (modelo sustituto).

Tipos

Aplicaciones

Modelado y simulación

Una aplicación del modelado científico es el campo del modelado y la simulación, generalmente denominado "M&S". M&S tiene un espectro de aplicaciones que van desde el desarrollo y análisis de conceptos, pasando por la experimentación, la medición y la verificación, hasta el análisis de eliminación. Los proyectos y programas pueden utilizar cientos de simulaciones, simuladores y herramientas de análisis de modelos diferentes.

Ejemplo de uso integrado de Modelado y Simulación en la gestión del ciclo de vida de Defensa. El modelado y la simulación en esta imagen se representan en el centro de la imagen con los tres contenedores.

La figura muestra cómo se utiliza el modelado y la simulación como parte central de un programa integrado en un proceso de desarrollo de capacidades de defensa.

Aprendizaje basado en modelos en educación

El aprendizaje basado en modelos en la educación, particularmente en relación con el aprendizaje de las ciencias, implica que los estudiantes creen modelos para conceptos científicos con el fin de:

• Obtenga información sobre la(s) idea(s) científica(s)
• Adquirir una comprensión más profunda del tema a través de la visualización del modelo.
• Mejorar la participación de los estudiantes en el curso.

Los diferentes tipos de técnicas de aprendizaje basadas en modelos incluyen:

• macrocosmos físicos
• Sistemas representacionales
• modelos sintácticos
• modelos emergentes

La creación de modelos en la educación es un ejercicio iterativo en el que los estudiantes refinan, desarrollan y evalúan sus modelos a lo largo del tiempo. Esto cambia el aprendizaje de la rigidez y monotonía del currículo tradicional a un ejercicio de creatividad y curiosidad de los estudiantes. Este enfoque utiliza la estrategia constructiva de la colaboración social y la teoría del andamio de aprendizaje. El aprendizaje basado en modelos incluye habilidades de razonamiento cognitivo en las que los modelos existentes pueden mejorarse mediante la construcción de modelos más nuevos utilizando los modelos antiguos como base.

"El aprendizaje basado en modelos implica determinar modelos de destino y un camino de aprendizaje que brinde posibilidades realistas de comprensión". La creación de modelos también puede incorporar estrategias de aprendizaje combinadas mediante el uso de herramientas y simuladores basados ​​en la web, lo que permite a los estudiantes:

• Familiarizarse con los recursos en línea o digitales.
• Cree diferentes modelos con varios materiales virtuales a bajo costo o sin costo alguno
• Practique la actividad de creación de modelos en cualquier momento y en cualquier lugar
• Refinar modelos existentes

"Una simulación bien diseñada simplifica un sistema del mundo real al mismo tiempo que aumenta la conciencia de la complejidad del sistema. Los estudiantes pueden participar en el sistema simplificado y aprender cómo funciona el sistema real sin pasar los días, semanas o años que llevaría pasar por esta experiencia. en el mundo real."

El papel del docente en el proceso general de enseñanza y aprendizaje es principalmente el de facilitador y organizador de la experiencia de aprendizaje. Él o ella asignaría a los estudiantes una actividad de creación de modelos para un concepto en particular y proporcionaría información relevante o apoyo para la actividad. Para las actividades de creación de modelos virtuales, el maestro también puede proporcionar información sobre el uso de la herramienta digital y brindar asistencia para la resolución de problemas en caso de fallas durante el uso de la misma. El profesor también puede organizar la actividad de discusión grupal entre los estudiantes y proporcionar la plataforma necesaria para que los estudiantes compartan sus observaciones y conocimientos extraídos de la actividad de creación de modelos.

La evaluación del aprendizaje basada en modelos podría incluir el uso de rúbricas que evalúen el ingenio y la creatividad del alumno en la construcción del modelo y también la participación general del alumno en el aula frente al conocimiento construido a través de la actividad.

Sin embargo, es importante dar la debida consideración a lo siguiente para que ocurra un aprendizaje basado en modelos exitoso:

• Uso de la herramienta adecuada en el momento adecuado para un concepto particular
• Provisión dentro de la configuración educativa para la actividad de creación de modelos: por ejemplo, sala de computadoras con servicio de Internet o software instalado para acceder al simulador o herramienta digital