Эмпирическое моделирование

Эмпирическое моделирование относится к любому виду ( компьютерному ) моделированию, основанному на эмпирических наблюдениях, а не на математически описываемых отношениях моделируемой системы.

Эмпирическое моделирование

Эмпирическое моделирование как разновидность эмпирического моделирования.

Эмпирическое моделирование – это общий термин для деятельности, направленной на создание моделей путем наблюдения и эксперимента . Эмпирическое моделирование (начальные буквы которого пишутся с заглавной буквы и часто сокращаются до EM) относится к особой 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, является интересным вопросом (к которому мы вернемся ниже), есть по крайней мере две веские причины рассматривать эмпирическое моделирование в первую очередь как компьютерное. Без сомнения, компьютерные технологии 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 действует по простому семантическому принципу: создатель наблюдает тесное соответствие между поведением модели и поведением ее референта. Создание этого соответствия может быть «эмпирическим» в самых разных смыслах: оно может включать в себя процесс проб и ошибок , может быть основано на вычислительной аппроксимации аналитических формул , оно может быть получено как отношение «черного ящика» , которое дает нет понимания того, «почему это работает».

Эмпирическое моделирование основано на ключевом принципе Уильяма Джеймса , радикального эмпиризма который постулирует, что все знания коренятся в 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 в опыте — это, по сути, индивидуальная человеческая деятельность, требующая навыков и сильно зависящая от контекста. Примеры таких связей включают в себя: 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 конкретных учащихся по конкретным предметам.

Принципы

В эмпирическом моделировании процесс конструирования является поэтапным, в котором промежуточными продуктами являются артефакты, вызывающие аспекты предполагаемого (а иногда и возникающего) референта посредством живого взаимодействия и наблюдения. Связи, возникающие таким образом, обладают отличительными качествами: они по своей сути личностны и основаны на опыте по своему характеру и временны, поскольку могут быть подорваны, уточнены и усилены по мере развития опыта строителя модели и понимания референта. Следуя прецеденту, установленному Дэвидом Гудингом в его описании роли, которую артефакты играли в Майклом Фарадеем экспериментальном исследовании электромагнетизма , промежуточные продукты процесса эмпирического моделирования описываются как « конструалы ». Отчет Гудинга является яркой иллюстрацией того, как создание конструкций может поддерживать деятельность по созданию смысла, которая ведет к концептуальным открытиям (ср. вклад, который работы Фарадея внесли в теорию электромагнетизма) и к практическим продуктам (ср. изобретение Фарадеем электродвигатель ).

Действия, связанные с созданием конструкции в рамках эмпирического моделирования, изображены на рисунке 1.

Значок глаза в центре рисунка представляет наблюдение создателя текущего состояния развития конструкции и ее референта. Две стрелы, исходящие из глаза, представляют собой данную в опыте связь между конструалом и его референтом, установленную в сознании создателя. Эта связь создается посредством экспериментального взаимодействия с строящейся конструкцией и ее возникающим референтом. Как и в настоящем эксперименте, диапазон взаимодействий, которые может осуществлять создатель, непостижимо широк. По усмотрению создателя, взаимодействия, характеризующие интерпретацию, — это те, которые учитывают связь, заданную в опыте создателя. По мере развития процесса эмпирического моделирования интерпретация, референт, понимание создателя и контекст участия создателя развиваются совместно таким образом, что:

интерактивный опыт, который дает конструкция, усиливается;
интерактивный опыт, характеризующий референта, уточняется;
расширяется репертуар характерных взаимодействий с конструалом и его референтом;
идентифицируются контекстуальные ограничения на характерные взаимодействия с конструалом и его референтом.

Концепции эмпирического моделирования

В эмпирическом моделировании. Создание и поддержание связи, данной в опыте, между интерпретатором и референтом основано на трех основных концепциях: наблюдаемые , зависимости и агентность . Как внутри конструкции, так и в ее 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 интерпретатором и референтом рассматриваются как изменения значений наблюдаемых величин. Изменение значения одной наблюдаемой может быть напрямую связано с изменением значения другой наблюдаемой, и в этом случае эти значения связаны зависимостью . Изменения наблюдаемых значений приписываются агентам , среди которых наиболее важным является создатель интерпретации. Когда изменения наблюдаемых значений происходят одновременно, это можно рассматривать как одновременное действие со стороны разных агентов или как сопутствующие изменения наблюдаемых значений, полученные в результате одного действия агента через зависимости. Чтобы создать данную в опыте связь между интерпретатором и референтом, создатель конструирует конструал таким образом, чтобы его наблюдаемые, зависимости и агентность близко соответствовали тем, которые наблюдаются в референте. С этой целью создатель должен придумать подходящие способы, с помощью которых наблюдаемым и действиям агентов в референте можно будет дать подходящие эмпирические аналоги в интерпретации.

Семантическая структура, показанная на рисунке 1, напоминает ту, которая принята при работе с электронными таблицами , где состояние, отображаемое в данный момент в сетке, имеет смысл только тогда, когда оно воспринимается в сочетании с внешним референтом. В этом случае ячейки служат наблюдаемыми, их определения определяют зависимости, а действие осуществляется путем изменения значений или определений ячеек. Создавая интерпретацию, создатель исследует роли каждого соответствующего агента, проецируя на него действие, как если бы он был человеческим агентом, и определяя наблюдаемые объекты и зависимости с этой точки зрения. Автоматизируя агентность, можно затем использовать конструкции для определения поведения почти 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 имеют смысл и подчиняются проверке создателя.

Среды для поддержки эмпирического моделирования

Разработка компьютерной среды для создания конструкций была постоянным предметом исследований на протяжении последних тридцати лет. Многие реализованные варианты таких сред основаны на общих принципах. Сеть зависимостей, которые в настоящее время соединяют наблюдаемые, записывается как семейство определений. Семантически такие определения напоминают определения ячеек электронной таблицы, в результате чего изменения значений наблюдаемых в правой части распространяются так, что изменяют значение наблюдаемых в LHS концептуально неделимым образом. Зависимости в этих сетях являются ациклическими, но их также можно реконфигурировать: переопределение наблюдаемого может привести к появлению нового определения, которое изменит структуру зависимостей. Наблюдаемые, встроенные в среду, включают скаляры, геометрические элементы и элементы экранного отображения: их можно разработать с использованием многоуровневых списочных структур. Зависимость обычно представляется определением, в котором используется относительно простое функциональное выражение для связи значения наблюдаемой величины со значениями других наблюдаемых. Такие функции обычно выражались 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 интерпретацией посредством переопределения существующих наблюдаемых или введения новых наблюдаемых в открытой и неограниченной манере. Такое взаимодействие играет решающую роль в экспериментальной деятельности, которая способствует постепенному развитию конструкции. Для автоматизации изменения состояния можно ввести триггерные действия: они выполняют переопределения в ответ на указанные изменения в значениях наблюдаемых.

Эмпирическое моделирование как более широкий взгляд на вычисления

На рисунке 1 идентификация «компьютера» как среды, в которой создается конструкция, потенциально вводит в заблуждение. Термин КОМПЬЮТЕР — это не просто ссылка на мощное вычислительное устройство. При построении конструкций основной упор делается на богатые потенциальные возможности взаимодействия и восприятия, которые предоставляет компьютер при использовании в сочетании с другими технологиями и устройствами. Основная мотивация разработки эмпирического моделирования — дать удовлетворительное описание вычислений, объединяющее эти две взаимодополняющие роли компьютера. Принципы, с помощью которых Джеймс и Дьюи стремились согласовать взгляды на агентность, 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. На этом основании 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 подходящего метода для поддержки конструкционизма, задуманного Сеймуром Пейпертом, и для удовлетворения гарантий «конструкции», как это определил Бруно Латур .

Эмпирическое моделирование как родовое осмысление?

Машина Тьюринга обеспечивает теоретическую основу 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 организации 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 использовать вычислительные правила. В этом отношении создание интерпретаций можно рассматривать как моделирование «разума, осмысляющего 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 осмыслении без конкретных ссылок. к использованию компьютера. Вклад, который анализ человеческого опыта Уильяма Джеймса вносит в концепцию эмпирического моделирования, можно рассматривать как свидетельство этого. Таким образом, принципы эмпирического моделирования могут быть подходящим способом анализа разновидностей эмпирического моделирования, не основанных на компьютерах. Например, вполне вероятно, что анализ с точки зрения наблюдаемых, зависимостей и агентности, применимый к взаимодействию с электронными таблицами, также будет уместен для ручных электронных таблиц, которые предшествовали им.

Фон

Эмпирическое моделирование было впервые разработано в начале 1980-х годов Мейригом Бейноном и Исследовательской группой эмпирического моделирования в области компьютерных наук в Университете Уорика .

Термин «Эмпирическое моделирование» (ЭМ) был принят для этой работы примерно с 1995 года, чтобы отразить экспериментальную основу процесса моделирования в наблюдении и эксперименте. Программное обеспечение специального назначения, поддерживающее основные концепции наблюдаемого, зависимости и агентности, находится в постоянной разработке (в основном под руководством студентов-исследователей) с конца 1980-х годов.

Принципы и инструменты ЭМ использовались и развивались 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 Мейрига Бейнона и Стива Расса (авторов этой статьи). Существует большой веб-сайт [1], содержащий исследовательские и учебные материалы, а также обширную коллекцию рецензируемых публикаций и материалов конференций.

Термин «конструальный» использовался с начала 2000-х годов для обозначения артефактов или моделей, созданных с помощью ЭМ-инструментов. Этот термин был адаптирован на основе его использования Дэвидом Гудингом в книге «Эксперимент и создание смысла» (1990) для описания возникающих предварительных идей, которые сформировались в сознании 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 ЭМ – «создание конструкций» – стала предметом проекта Erasmus+ CONSTRUIT! (2014-2017)[2].

См. также

Мультиагентная система

Внешние ссылки

http://www.dcs.warwick.ac.uk/modelling/ Группа исследований эмпирического моделирования
https://warwick.ac.uk/fac/sci/dcs/research/em/welcome/ ПОСТРОЕНО! Веб-страницы проекта

Примечания, Ссылки