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1、模型：现代科学的核心方法,孙根年 教授、博士生导师,陕西师范大学旅游与环境学院,构建模型，并把模型看作研究客体的一种手段，这是人类在认识世界及实践的一大创造，有的科学家深有体会地指出：模型方法乃是现代科学方法的核心。现在，科学的研究对象日趋复杂，对于一些难于直接研究客体，能不能顺利地进行研究，其关键就在于能不能针对所要研究的问题构建出一个合适的科学模型，如关于宇宙的研究，关于基本粒子的研究，关于复杂社会系统的研究。,科学模型是人们按照科学研究的特定目的，在一定的假设条件下，用物质形式或思维形式再现原型客体的某种本质特征，诸如关于客体的某种结构（整体的或部分的）、功能、属性、关系、过程等等。通过
2、对这种科学模型的研究，来推知客体的某种性质或规律，这种借助模型来获取关于客体的认识的方法就是模型方法。,一、天然模型和人工模型,物质形式的模型即实物模型，有天然的与人工的两种： 天然实物模型是以天然物为对象，进行观察研究的。例如生物医学研究所选用的实验动物，遗传学中的果蝇、医学实验上的兔子、猴子等； 人工实物模型又包括了人造实物模型和人造工程模型。前者如地球仪模型、地形模型等，后者如航空模型、飞机模型。,自然界物质的形态美,蕨类植物的 分形结构,DNA的双 螺旋结构,天然模型，即以天然存在物作为科学模型。最为典型和运用得最多的是生物模型，其方法论作用表现在两个方面： 一方面，许多生物常具有人类
3、所没有的奇妙的器官和功能，给人以启示，使人们想到模仿某种生物的功能来构思和建造能够服务于人类的某种工程或产品。 另一方面，许多生物又常常具有与人类相似的器官和功能，因此在研究人体的时候，常常需要借助于某类生物作为科学模型来进行研究，即借助生物模型来获取对于人体的认识。,人工模型，即以人工制作物作为科学模型。这种人工模型在工程技术中和科学研究中都大量地使用着。在工程技术中的实物模型，其特点是它们所模拟的是人们所设计的希望建造出来为人的某种需要服务的工程或产品，如水利工程、桥梁、房屋、船舶、飞机、人造卫星、宇宙飞船等。从人们构思、设计到建造成功，中间必须经过大量的模型实验。通过对模型的不断修改，才
4、有可能按照较优或最优的设计进入实际的工程建设或产品生产，从而达到或修改人们的预定目标。,二、思维形式的科学模型,对要研究的客体，按照一定的研究目的，经过科学的分析而抽象出它的本质属性和特征，构造一种思维形式的模拟物，即为思维模型，常表现为抽象的、数学的、理论的形态。在现代科学认识活动中，特别是在理论研究中，大量地使用着思维形式的科学模型，诸如理想模型、数学模型、理论模型、半经验半理论的模型等。,托勒米的宇宙体系,哥白尼的宇宙体系,开普勒的宇宙体系,地球,太阳,太阳,地球,地球,本轮,均轮,自然美的理论体系,1、理想模型这是对研究客体所作的一种科学抽象，也是一种简化或理想化。实际的物体都是拥有多
5、种属性的，并且处于与其他物体的相互作用中。但是当我们将某一物体作为特定的研究对象，针对某种目的，从某种角度进行研究时，有许多没有直接关系的属性和作用可以忽略不计。科学研究离不开科学抽象，简化了的理想模型作为科学抽象的结果，在各门科学中比比皆是。例如，数学中的点、线、面；物理学和化学中的点电荷、绝对黑体、理想流体、理想晶体、理想热机、理想溶液；生物学中的模式细胞等等。由于这些理想模型反映了客体的本质属性，因而它们同时也是各门科学中的基本概念。,2、数学模型这是对所研究的问题进行一种数学上的抽象，即把问题用数学的符号语言表述为一种数学结构，亦称为数学模型。数学模型一般是以理想模型为基础建立起来的。
6、构建数学模型是一件创造性的工作，要根据不同的问题，不同的情况作不同的抽象和处理，没有刻板的建模程序。总起来看，建立数学模型的基本点就是寻找出所研究的实际问题与某种数学结构的对应关系，从而使实际问题能得到简化，归结成为一个数学问题。,（3） 类比-移植,研究对象,数据现象,模型规律,实验 检验,已知对象,特殊规律,相似 类比,空间两个物体 之间吸引力,牛顿万有引力,点电荷之间 相互作用力,库仑定律,城市之间 相互吸引力,威尔逊定律,旅游地引力模型,Grampon定律,重力模型之间的类比-移植研究方法,我们要研究的实际问题层出不穷、千姿百态，建立起来的数学模型也是多种多样，丰富多彩，而数学的不断发
7、展，为我们提供愈来愈多的数学结构。如果所研究问题十分复杂，变量和关系极多，所建立的数学模型不借助于计算机就无法实际应用，因此就要尽可能直接用计算机语言来模拟各种变量之间的关系，即所谓计算机仿真模型。,3、理论模型这是对所研究的某个对象领域中的某个基本问题及其相关问题，在积累了相当多的科学事实的基础上，系统地进行分析和综合，提出基本概念，并据此进行推论，对这一领域中的有关诸问题给出理论上一以贯之的回答和说明，还要提出新的预见，以求实验证实。这样的理论模型通常表现为一种科学学说。这里所说的基本概念，虽然是根据已知的科学事实和科学规律提出的，但一般只能根据科学家所掌握的部分事实和已经了解的有限的科学
8、规律，而要用它去涵盖更多的事实，并能演绎出新的事实亦即预言，实际上必然含有推测的成分，具有假说性质。因此，作为一种科学学说的理论模型，一般是一种“假说演绎体系。”,河流水质模型,距离：km,浓度（mg/L),当河流受到有机物污染时，将引起河流水的氧平衡变化 其中：DO按一级动力衰减；BOD先减少后升高。,BOD的变化,氧亏D的变化,DO的变化,BOD,DO,排污口,富氧速率：,4、半经验半理论模型在建立理论性的模型时，如果其中含有明显的或相当数量的经验成分，实际上就是形成了一种理论加经验、或数学加经验的模型。运用这种半经验半理论的模型可以进行半定量半定性的研究。现代科学的理论模型，一般希望它具
9、有数学形式，可以进行定量研究。但是，在很多情况下，特别是十分复杂的对象系统，其中所涉及的变量和参量，不但数量大而且其中有许多因素是难以测量、难以定量化的，所以不能提炼出定量的数学模型。,地下水位与植被盖度关系趋势图,烟气抬升高度计算式 1.Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020）2.Briggs公式：给出使用（不稳定及中性）大气条件的公式（参考式4-174-21） 3.我国“制订地方排放标准的原则和方法”中的公式 （参考式4-224-28）,于是人们就常常在经验基础上、或是经验与理论相结合的基础上，对某些因素做出量的估计，并据以提出概念和假设。这时虽然也可能运用
10、某种数学结构，也能进行推理和演算，但是所得到的结果其实只能理解为半定性半定量的，并不能作为严格的定量分析的依据，只能提供出定性的参考性推论。半经验半理论模型，在科学中，特别是技术科学中大量地使用着，尤其对复杂系统的研究，像复杂的生物体、人体以及社会系统等，实际上只能运用这种模型进行定量分析与定性分析相结合的综合研究方法才是最有效的。,三、建立模型的方法论原则,在科学认识活动中，模型是主体与客体之间的一种特殊的中介。模型身兼二者，既是工具，又是对象，或者说，科学模型具有工具性与对象性双重性质。建立模型的方法论原则表现在以下三方面： 1、相似性与简单性的统一从相似性来说，我们不可能也不必要要求模型
11、与原型全面相似，但是必须按照所要研究问题的性质和目的，使模型与原型具有本质上的相似性，也就是说，要在基本的主要的方面具有相似性。,从简单性来说，就是要化繁为简、化难为易，使复杂事物有可能通过比较简单的模型来进行研究。坚持相似性与简单性相统一的原则，是建立科学模型的第一要义，是最重要的方法论原则。,A. 实证研究方法,现实世界的事务及其运行状况及效益,观察调查 数据资料,数据的 统计分析,新理论 新结论,应用 实践,调查,观察,假设,数学,抽象,凝练,解释 现象,预测 过程,规划 管理,对比,检验,地带划分,高山冰雪 森林草地 牧场,砾、沙、洪积扇 荒（灌从）漠带 地表水转化地下水,潜水出露 人
12、工绿洲，农田 工农业、人居用水,天然绿带，胡杨 梭梭,盐沼湿地尾闾湖泊,沙漠,生态用水,山区生态用水（1 ),荒漠灌丛用水 （2 ),人工绿洲用水 （3）,天然绿带用水 （4）,湖沼用水 （4）,用水 （5）,内陆区生态用水图示,2、可验证性一般说来，只要模型具有可操作性，就有具体的操作过程，并能取得具体的研究结果，这结果是可以与实际进行对照和比较的，因而就是可检验的。科研工作者应主动地自觉地利用模型的可检验性对之进行检验。科学模型的验证，需要一个过程，有时要经历相当长的时间。 3、多种知识和方法的综合运用建立模型、运用模型和检验模型，都没有刻板的程序和固定的方法，需要科研工作者综合地灵活地使
13、用多种多样的知识和方法，充分发挥自己的创造性思维能力。,观察调查(O),理论构建(T),假设演绎(H),经验概括(E),统计分析,归纳法,实证研究,理论研究,机理解释,方法设计,演绎法,猜测,管理研究中归纳法与演绎方法的区别,管理科学的理 论与实证研究,四.科学模型的多重功能,(一).科学研究的间接方法人类面对着一个无限广阔和无限丰富的客观世界，其中能够直接通过观察实验进行研究的客体只占少数，大多数对象需要采用间接研究的方法，借助于既有客观依据又带有主观想像的模型来开展研究，逐步推进认识。例如在工程设计中，对于人们期望制造的人工客体，必须先通过模型进行大量试验和演算，不断地修正才能做出优化的设
14、计和施工方案。,将资源节约型与环境友好型结合起来,奥运会旅游的引致机制模式,(二).科学模型的研究纲领作用科学模型只有在人们对于客体已具有一定认识、积累了一定知识、数据和资料的基础上才有可能建立起来。模型本身体现为对客体的已有认识的总结，是科学认识的一种阶段性成果。然而，模型又不仅是已有认识的总结，作为科学工作者的创造，又加进了人们的新的猜测和假设，含有新的概念和思想。因此，科学模型，特别是理论模型又是进一步研究客体的新起点。科学模型不但开启科学研究的新阶段，还开启的科学研究的新方法。,建立起新的理论模型，需要进行一系列的科学研究工作。要以新的理论为出发点，一方面设计实验，一方面进行理论的推导
15、和计算，有目的有计划地把实验研究工作和理论研究工作全面推开。因此，对于科学研究来说，一个新的理论模型实际上能起到一种新的研究纲领的作用，使研究工作获得极大的推动和展开。无怪乎有的科学家说：建立一个完美的模型，比一千个事实还要珍贵。,(三).模型研究对实践的指导作用科学模型是对实际客体的一种合理的正确的抽象，与实际情况相比，具有简化、优化和理想化的特点。所以，在模型上进行研究的结果，一般优于实际结果。,五.模型的多样性和局限性,(一).模型的多样性“横看成岭侧成峰”，对于同一问题，人们从不同的角度去考察时，可以产生很不相同的认识。模型作为主体对客体的一种认识成果，不同的人、不同的科学共同体（学派），在研究同一客体的同一问题时，或由于采集到客体的不同信息，或采用了不同的思路、不同的方法，或依据了不同的科学概念、假说等理论知识，或由于加进了不同的想象和猜测，都可能构建出不同的模型。,
