创新思维方法论：模拟和模型的应用

第六节　模拟和模型

一、模拟

根据一个对象（原型）的某些属性，关系或功能，人为地建立一个与之相似的模型来进行实验，就称这个模型是对原型的模拟。

模拟法的特点是利用类比关系去认识事物，实现由自然原型向人工模型的过渡。显然，如果两个对象有着许多的共同属性，尤其是它们具有相同的结构，那么自然原型所具有的某种功能，人工模型也可以具有。其推理的形式如下；

模拟法自古以来就被人们作为认识世界，改造世界的方法。人类最初使用的工具如刀，斧等大都是模拟自然界锋利的物体而制造的。传说我国古代著名的工匠鲁班，有一次上山砍树，手被野草的嫩叶子划破。柔软的草叶怎能划破手指呢？鲁班感到很奇怪，于是他就细细地观察起这些草叶来，发现这些叶子的边缘上整齐地排列着许多小齿，正是这些小齿使这些草叶变得异常锋利。鲁班由此进行类推，如果把铁片的边缘也制作成一排小齿，那不就可以很容易地锯开树木吗？经过反复的试验和改进，鲁班终于发明人们沿用至今的伐木工具——锯。

随着科学的不断进步，以直观的模仿为主要特征的模拟方法逐步发展为应用各种相似原理而进行的各种模拟实验。例如，仿生学主要是应用模拟实验而建立的一门独立的新学科。仿生学专门研究生物系统的结构和功能，并对某一系统及其功能加以模拟，从而创造出适合人类需要的技术系统。通过对蜘蛛结网，桑蚕吐丝等生物功能的模拟，终于使人造丝的假想变成了现实；模拟苍蝇的翅，人们研制出用于火箭和飞机导航的振动陀螺仪，而对蛙眼模拟，使人们研制出“电子蛙眼”用以跟踪天上的卫星以及监视空中的飞机。仿生学的历史虽然不长，却已取得了许多巨大的成就，并展现出无限的发展前景。

不仅如此，就连电子计算机也是一种模拟的产物。把人的行为，目的等概念输入机器，抛开物质对象的具体形态和过程的具体性质，根据信息的反馈和周围环境的作用，模拟人脑对外界信息的接受、储备、加工、控制、输出等行为，就可以使电子计算机作出相应的判断，输出新的信息，执行人脑的部分思维功能。

二、模型

模型是人们基于想像和抽象而对现实事物的一种系统的简化了的映象。通过研究模型来揭示原型（即被模拟的对象）的形态、特征和本质的方法，称之为模型的方法。

模型方法的特点是利用类比关系去认识事物，实现由人工模型向原型的过渡。显然，如果两个对象有着许多的共同属性，尤其是它们具有相同的结构，那么人工模型所具有的某种性质或功能，原型也可以具有。其推理形式如下：

所以要设计出与原型相似的模型，目的就是为了认识原型。随着实验科学的产生和发展，模型方法被应用到实践中去。模型方法运用的早期，是为了在实验中解决生产建设中的问题。如文艺复兴时期的科学家达·芬奇在研究建筑问题时，用小型的栋梁模型，来研究栋梁支撑与其长短粗细的关系；17世纪时，伽里略也曾用小船模型的实验来研究大船运行的情况，这种模型方法直到现在仍被普遍采用。在许多大型复杂的工程如大电站、大水库、大桥、高大建筑、飞机、火箭、飞船等在正式施工或建造前，都要预先设计出模型，通过对模型的试验和研究，提供大量的科学资料，可以预先发现问题而加以改进。这样做，既能提高设计质量，缩短工期，又能节约人力和物力，还能对各种可能出现的后果作出预见，加以预防。

随着科学本身的发展，为了深入认识自然界的各种复杂现象，对模型的实验常常不仅是直接解决生产建设中的问题，而且主要是为了解决科学研究中的问题。例如，为了研究生命的起源，用模拟原始大气的各种成分和条件，组成一个生命起源的模型装置进行试验；又例如，大气环流模型的运转，每半分钟左右转一次，就能模拟一天的气候变化，三个多小时就能模拟一年的气候变化。通过这些模型的反复实验，人们就可以逐渐地认识自然界的规律性。(www.xing528.com)

在科学假说和科学理论中也可以建立一定的模型。这种模型不以实物模型为凭借，而是以形象的语言，符号表述出来的关于未知事物的一种思想形象。这样的模型，称之为思想模型。如1903年汤姆逊建立的“面包夹葡萄干”的原子结构模型；1911年卢瑟福进—步提出原子结构的行星模型；爱因斯坦从广义相对论得出的有限而无边的宇宙模型，伽莫夫等提出的大爆炸宇宙模型等都属于思想模型。思想模型建立后，要通过计算，观察和实验事实来检验它们。

三、模拟和模型的认识作用

作为一种科学研究方法，模拟和模型方法在人们认识世界，改造世界中有很重要的作用。

（一）能突破人类感官的界限及时空的障碍

模拟和模型能突破人类感官的界限及时空的障碍，它们不但可以对“时过境迁”的过去进行返溯认识，而且可对将来的事物能进行预测，它们不仅可以对广大的对象在小的范围内进行实验，并且又可以对变化时间漫长的事物在短的时间内实现其变化，它们不仅可以对人们已知的事物情况作出合理的解释，而且可以对未知的事物，甚至浩渺的宇宙作出科学的丰富的想像。对未知的事物，经过多次的模拟实验，人们便可以逐步认识对象，把握对象的规律。

（二）能简化和缩短获取信息的过程

模拟和模型能简化和缩短从被研究的原型对象中获得信息的过程，利用人特有的想像能力、抽象能力，将外部获得的各种信息经过人脑内部融化，理想地再现原型的各种复杂联系，重新加以组合，创造出新的图形、符号或新的概念、命题。从而有利地推进和加速发明、发现和创新的过程。

（三）能借助数字符号再现事物的静态或动态联系

模拟和模型能借助数字符号计算公式、绘制图式、立体构建，从整体上再现复杂系统中的各种因子、各层次的静态或动态的联系，使人的思维从事物的主体结构上进行更方便的交流，使要创造的课题一目了然。

但模拟和模型方法是与类比方法密切联系的。因此，一般说来，只有能够类比的事物才能进行模拟，才能建立相应的模型，另一方面，通过模拟而建立的模型只是对原型的模仿，只是与原型相似而不是相等。因此，对模型的认识不可以完全代替对原型的认识。此外，人们所建立的模型也不是一成不变的，而是在实践的过程中不断地发展。一些不真实，不完善的模型被抛弃，被改造，一些更加符合原型的模型被建立起来，这标志着人们认识的不断深化。通过模拟和模型方法所获得的各种结果，仍然不具有必然性，对于这些结果，仍然必须在实践中加以检验。