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Obiettivi:
- Creare idee sulla scienza come la sfera più importante dell'attività umana.
- Far conoscere agli studenti le caratteristiche e la varietà dei metodi per conoscere gli esseri viventi.
- Concetti di base: fatto scientifico, metodo scientifico, metodi delle scienze biologiche (descrittivo, comparativo, storico, sperimentale).
Mezzi di istruzione: presentazione, vari dispositivi o i loro diagrammi.
Passi della lezione
I. Testare conoscenze e abilità.
Conversazione frontale su temi.
1) Quali direzioni nello sviluppo della biologia puoi evidenziare?
2) Quali grandi scienziati dell'antichità hanno dato un contributo significativo allo sviluppo delle conoscenze biologiche?
3) Perché nel Medioevo si poteva parlare solo condizionatamente della biologia come scienza?
4) Perché la biologia moderna è considerata una scienza complessa?
5) Qual è il ruolo della biologia nella società moderna?
II. Imparare nuovo materiale.
1. La storia di un insegnante con elementi di una conversazione sulla scienza come una delle sfere dell'attività umana, i suoi obiettivi e metodi; sulle caratteristiche della conoscenza scientifica, sui fatti scientifici.
La scienza è una delle sfere dell'attività umana, il cui scopo è lo studio e la conoscenza del mondo circostante. La conoscenza scientifica richiede la selezione di determinati oggetti di ricerca, problemi e metodi per studiarli. Ogni scienza ha i propri metodi di ricerca. Tuttavia, indipendentemente dai metodi utilizzati, il principio più importante per ogni scienziato rimane “Non dare nulla per scontato”. Il compito principale della scienza è costruire un sistema di conoscenza affidabile basato su fatti e generalizzazioni che possano essere confermate o confutate. La conoscenza scientifica è costantemente messa in discussione e accettata solo quando esistono prove sufficienti. Fatto scientificoè l’unico che può essere riprodotto e confermato.
Il metodo scientifico è l’insieme delle tecniche e delle operazioni utilizzate per costruire un sistema di conoscenza scientifica.
L'intera storia dello sviluppo della biologia dimostra chiaramente che è stata determinata dallo sviluppo e dall'applicazione di nuovi metodi di ricerca.
2. I principali metodi di ricerca utilizzati nelle scienze biologiche sono:
- Osservazione
- Descrizione
- Sistematizzazione
- Confronto
- Sperimentare
- Metodo analitico
- Metodo storico
- Modellazione
Una conversazione su questi metodi con elementi di lavoro indipendente da parte degli studenti per studiare il testo del libro di testo (sezione 2, pp. 10-11) e utilizzando una presentazione.
Registrazione su quaderni delle caratteristiche dei metodi di ricerca in biologia.
Conversazione finale sulle fasi della ricerca scientifica. Uno studente pre-preparato può parlare di queste fasi, raccogliendo fatti, avanzando ipotesi, conducendo esperimenti, formulando una teoria con determinate regole e leggi.
III. Riassumendo la lezione durante una conversazione generale:
Sui compiti e gli obiettivi della scienza
Sull'importanza dei metodi per lo sviluppo della scienza della biologia
Circa la massima distribuzione del metodo sperimentale
Informazioni sull'applicazione del metodo di modellazione, ecc.
IV. Compiti a casa:
Studia il paragrafo 2. Rispondi alle domande a pagina 11. Completa una delle attività a pagina 12.
Informazioni aggiuntive.
Alcuni scienziati conducono ricerche serie alla ricerca di organismi viventi ancora sconosciuti e non riconosciuti dalla scienza ufficiale, come l'ominide relitto, spesso chiamato Bigfoot. Questi studi costituiscono la base di una nuova branca della scienza biologica: la criptozoologia.
Breve descrizione:
Sazonov V.F. Metodi di ricerca moderni in biologia [risorsa elettronica] // Kinesiologo, 2009-2018: [sito web]. Data di aggiornamento: 22.02.2018..__.201_). Materiali sui moderni metodi di ricerca in biologia, nei suoi rami e nelle discipline correlate.
Materiali sui moderni metodi di ricerca in biologia, nei suoi rami e nelle discipline correlate
Disegno: Rami fondamentali della biologia.
Attualmente la biologia è convenzionalmente divisa in due grandi gruppi di scienze.
Biologia degli organismi: scienze delle piante (botanica), degli animali (zoologia), dei funghi (micologia), dei microrganismi (microbiologia). Queste scienze studiano i singoli gruppi di organismi viventi, la loro struttura interna ed esterna, lo stile di vita, la riproduzione e lo sviluppo.
Biologia generale: livello molecolare (biologia molecolare, biochimica e genetica molecolare), cellulare (citologia), tissutale (istologia), organi e loro sistemi (fisiologia, morfologia e anatomia), popolazioni e comunità naturali (ecologia). In altre parole, la biologia generale studia la vita a vari livelli.
La biologia è strettamente correlata alle altre scienze naturali. Così, all'incrocio tra biologia e chimica, apparvero biochimica e biologia molecolare, tra biologia e fisica - biofisica, tra biologia e astronomia - biologia spaziale. L'ecologia, situata all'intersezione tra biologia e geografia, è oggi spesso considerata una scienza indipendente.
Compiti degli studenti per il corso di formazione Metodi moderni della ricerca biologica
1. Familiarizzazione con una varietà di metodi di ricerca in vari campi della biologia.
Decisione e reporting:
1) Scrivere un saggio didattico di revisione sui metodi di ricerca in vari campi della biologia. Requisiti minimi per il contenuto dell'abstract: descrizione di 5 metodi di ricerca, 1-2 pagine (font 14, spaziatura 1,5, margini 3-2-2-2 cm) per ciascun metodo.
2) Fornire una relazione (preferibilmente sotto forma di presentazione) su uno dei moderni metodi di biologia: volume 5±1 pagina.
Risultati di apprendimento attesi:
1) Familiarità superficiale con un'ampia gamma di metodi di ricerca in biologia.
2) Comprensione approfondita di uno dei metodi di ricerca e trasferimento di questa conoscenza al gruppo di studenti.
2. Condurre ricerca educativa e scientifica dalla definizione degli obiettivi alle conclusioni utilizzando i requisiti necessari per la preparazione di un rapporto scientifico sulla ricerca.
Soluzione:
Ottenere dati primari nelle lezioni di laboratorio e a casa. È consentito condurre parte di tale ricerca al di fuori dell'aula.
3. Introduzione ai metodi generali della ricerca in biologia.
Soluzione:
Corso di lezioni frontali e lavoro indipendente con fonti di informazione. Rapporto sull'esempio di fatti della storia della biologia: volume 2±1 pagina.
4. Applicazione delle conoscenze, abilità e abilità acquisite per condurre e formalizzare la propria ricerca sotto forma di lavoro di ricerca, lavoro di corso e/o lavoro finale di qualificazione.
Definizione dei concetti
Metodi di ricerca - questi sono modi per raggiungere l'obiettivo del lavoro di ricerca.
Metodo scientifico è un insieme di tecniche e operazioni utilizzate nella costruzione di un sistema di conoscenza scientifica.
Fatto scientifico è il risultato di osservazioni ed esperimenti che stabilisce le caratteristiche quantitative e qualitative degli oggetti.
Base metodologica La ricerca scientifica è un insieme di metodi di conoscenza scientifica utilizzati per raggiungere l'obiettivo di questa ricerca.
Metodi scientifici generali, sperimentali, basi metodologiche -.
La biologia moderna utilizza una combinazione di approcci metodologici: utilizza “l'unità degli approcci descrittivo-classificatori ed esplicativi-nomotetici; l’unità della ricerca empirica con il processo di teorizzazione intensiva della conoscenza biologica, compresa la sua formalizzazione, matematizzazione e assiomatizzazione” [Yarilin A.A. “Cenerentola” diventa una principessa, ovvero il posto della biologia nella gerarchia delle scienze. // "Ecologia e vita" n. 12, 2008. P. 4-11. P.11].
Obiettivi dei metodi di ricerca:
1. "Rafforzare le capacità cognitive naturali dell'uomo, nonché la loro espansione e continuazione".
2. “Funzione comunicativa”, ovvero mediazione tra soggetto e oggetto di ricerca [Arshinov V.I. La sinergetica come fenomeno della scienza post-non classica. M.: Istituto di Filosofia RAS, 1999. 203 p. P.18].
Metodi generali di ricerca in biologia
Osservazione
Osservazione - questo è lo studio dei segni esterni e dei cambiamenti visibili in un oggetto durante un certo periodo di tempo. Ad esempio, monitorare la crescita e lo sviluppo di una piantina.
L’osservazione è il punto di partenza di ogni ricerca scientifica.
In biologia, ciò è particolarmente evidente, poiché l'oggetto del suo studio è l'uomo e la natura vivente che lo circonda. Già a scuola, nelle lezioni di zoologia, botanica e anatomia, ai bambini viene insegnato a condurre le più semplici ricerche biologiche osservando la crescita e lo sviluppo di piante e animali e lo stato del proprio corpo.
L'osservazione come metodo di raccolta delle informazioni è cronologicamente la primissima tecnica di ricerca apparsa nell'arsenale della biologia, o meglio, nel suo predecessore, la storia naturale. E questo non sorprende, poiché l'osservazione si basa sulle capacità sensoriali umane (sensazione, percezione, rappresentazione). La biologia classica è principalmente biologia osservativa. Tuttavia, questo metodo non ha perso il suo significato fino ad oggi.
Le osservazioni possono essere dirette o indirette, possono essere effettuate con o senza accorgimenti tecnici. Quindi, un ornitologo vede un uccello attraverso un binocolo e può ascoltarlo, oppure può registrare suoni con il dispositivo fuori dalla portata dell'orecchio umano. L'istologo osserva la sezione di tessuto fissata e colorata utilizzando un microscopio. E per un biologo molecolare, un'osservazione può registrare i cambiamenti nella concentrazione di un enzima in una provetta.
È importante capire che l'osservazione scientifica, a differenza dell'osservazione ordinaria, non è semplice, ma intenzionale lo studio di oggetti o fenomeni: viene effettuato per risolvere un dato problema, e l’attenzione dell’osservatore non deve essere distratta. Ad esempio, se il compito è studiare le migrazioni stagionali degli uccelli, noteremo i tempi della loro comparsa nei siti di nidificazione e nient'altro. Quindi l'osservazione è allocazione selettiva dalla realtà certa parte, in altre parole, aspetto, e l'inclusione di questa parte nel sistema oggetto di studio.
Nell'osservazione, non è importante solo l'accuratezza, l'accuratezza e l'attività dell'osservatore, ma anche la sua imparzialità, la sua conoscenza ed esperienza e la corretta scelta dei mezzi tecnici. La formulazione del problema presuppone anche l'esistenza di un piano di osservazione, ovvero la loro pianificazione. [Kabakova D.V. Osservazione, descrizione e sperimentazione come principali metodi di biologia // Problemi e prospettive per lo sviluppo dell'istruzione: materiali dell'internazionale. scientifico conf. (Perm, aprile 2011). I. Perm: Mercurio, 2011. pp. 16-19].
Metodo descrittivo
Metodo descrittivo - questa è la registrazione dei segni esterni osservati degli oggetti di studio, evidenziando l'essenziale e scartando ciò che non è importante. Questo metodo è stato all'origine della biologia come scienza, ma il suo sviluppo sarebbe stato impossibile senza l'utilizzo di altri metodi di ricerca.
I metodi descrittivi consentono prima di descrivere e poi analizzare i fenomeni che si verificano nella natura vivente, confrontarli, trovare determinati modelli e anche generalizzare, scoprire nuove specie, classi, ecc. I metodi descrittivi iniziarono ad essere utilizzati nei tempi antichi, ma oggi non hanno perso la loro rilevanza e sono ampiamente utilizzati in botanica, etologia, zoologia, ecc.
Metodo comparativo
Metodo comparativo è uno studio delle somiglianze e delle differenze nella struttura, nel corso dei processi vitali e nel comportamento di vari oggetti. Ad esempio, il confronto tra individui di sesso diverso appartenenti alla stessa specie biologica.
Consente di studiare gli oggetti di ricerca confrontandoli tra loro o con un altro oggetto. Consente di identificare somiglianze e differenze tra gli organismi viventi, nonché le loro parti. I dati ottenuti consentono di combinare gli oggetti studiati in gruppi in base a somiglianze nella struttura e nell'origine. Sulla base del metodo comparativo, ad esempio, viene costruita una tassonomia di piante e animali. Questo metodo è stato utilizzato anche per creare la teoria cellulare e per confermare la teoria dell'evoluzione. Attualmente è utilizzato in quasi tutte le aree della biologia.
Questo metodo è stato stabilito in biologia nel XVIII secolo. e si è dimostrato molto fruttuoso nel risolvere molti problemi importanti. Utilizzando questo metodo e in combinazione con il metodo descrittivo si sono ottenute informazioni che lo hanno reso possibile nel XVIII secolo. gettare le basi per la tassonomia delle piante e degli animali (C. Linnaeus), e nel XIX secolo. formulare la teoria cellulare (M. Schleiden e T. Schwann) e la dottrina dei principali tipi di sviluppo (K. Baer). Il metodo era ampiamente utilizzato nel 19° secolo. nel sostenere la teoria dell'evoluzione, nonché nel ristrutturare un certo numero di scienze biologiche sulla base di questa teoria. Tuttavia, l’uso di questo metodo non è stato accompagnato dal fatto che la biologia sia andata oltre i confini della scienza descrittiva.
Il metodo comparativo è ampiamente utilizzato in varie scienze biologiche nel nostro tempo. Il confronto acquista un valore speciale quando è impossibile definire un concetto. Ad esempio, un microscopio elettronico produce spesso immagini il cui vero contenuto è sconosciuto in anticipo. Solo confrontandole con immagini al microscopio ottico è possibile ottenere i dati desiderati.
Metodo storico
Consente di identificare modelli di formazione e sviluppo dei sistemi viventi, le loro strutture e funzioni e confrontarli con fatti precedentemente noti. Questo metodo, in particolare, fu utilizzato con successo da Charles Darwin per costruire la sua teoria evoluzionistica e contribuì alla trasformazione della biologia da scienza descrittiva a scienza esplicativa.
Nella seconda metà del XIX secolo. Grazie alle opere di Charles Darwin, il metodo storico ha posto su base scientifica lo studio dei modelli di comparsa e sviluppo degli organismi, la formazione della struttura e delle funzioni degli organismi nel tempo e nello spazio. Con l'introduzione di questo metodo, si sono verificati cambiamenti qualitativi significativi nella biologia. Il metodo storico ha trasformato la biologia da una scienza puramente descrittiva in una scienza esplicativa, che spiega come si sono formati i diversi sistemi viventi e come funzionano. Attualmente, il metodo storico, o "approccio storico", è diventato un approccio universale allo studio dei fenomeni della vita in tutte le scienze biologiche.
Metodo sperimentale
Sperimentare - questa è una verifica della correttezza dell'ipotesi avanzata con l'aiuto di un'influenza mirata sull'oggetto.
Un esperimento (esperienza) è una creazione artificiale in condizioni controllate di una situazione che aiuta a rivelare le proprietà profondamente nascoste degli oggetti viventi.
Il metodo sperimentale per studiare i fenomeni naturali è associato all'influenza attiva su di essi conducendo esperimenti (esperimenti) in condizioni controllate. Questo metodo consente di studiare i fenomeni isolatamente e ottenere la ripetibilità dei risultati quando si riproducono le stesse condizioni. L'esperimento fornisce una visione più profonda dell'essenza dei fenomeni biologici rispetto ad altri metodi di ricerca. È stato grazie agli esperimenti che le scienze naturali in generale e la biologia in particolare sono arrivate alla scoperta delle leggi fondamentali della natura.
I metodi sperimentali in biologia servono non solo per condurre esperimenti e ottenere risposte a domande di interesse, ma anche per determinare la correttezza dell'ipotesi formulata all'inizio dello studio del materiale, nonché per correggerla nel processo di lavoro. Nel XX secolo, questi metodi di ricerca sono diventati leader in questa scienza grazie all'avvento delle moderne attrezzature per condurre esperimenti, come ad esempio un tomografo, un microscopio elettronico, ecc. Attualmente, nella biologia sperimentale, sono ampiamente utilizzate tecniche biochimiche, analisi di diffrazione di raggi X, cromatografia, nonché la tecnica delle sezioni ultrasottili, vari metodi di coltivazione e molti altri. I metodi sperimentali combinati con un approccio sistemico hanno ampliato le capacità cognitive della scienza biologica e aperto nuove strade per l'applicazione della conoscenza in quasi tutti i settori dell'attività umana.
La questione dell'esperimento come uno dei fondamenti della conoscenza della natura fu sollevata già nel XVII secolo. Filosofo inglese F. Bacon (1561-1626). La sua introduzione alla biologia è associata alle opere di V. Harvey nel XVII secolo. sullo studio della circolazione sanguigna. Tuttavia, il metodo sperimentale entrò ampiamente nella biologia solo all'inizio del XIX secolo, e attraverso la fisiologia, in cui iniziarono ad utilizzare un gran numero di tecniche strumentali che consentirono di registrare e caratterizzare quantitativamente l'associazione delle funzioni con la struttura. Grazie alle opere di F. Magendie (1783-1855), G. Helmholtz (1821-1894), I.M. Sechenov (1829-1905), così come i classici dell'esperimento C. Bernard (1813-1878) e I.P. La fisiologia di Pavlova (1849-1936) fu probabilmente la prima delle scienze biologiche a diventare scienza sperimentale.
Un'altra direzione in cui il metodo sperimentale è entrato nella biologia è stata lo studio dell'ereditarietà e della variabilità degli organismi. Qui il merito principale appartiene a G. Mendel, che, a differenza dei suoi predecessori, ha utilizzato l'esperimento non solo per ottenere dati sui fenomeni studiati, ma anche per verificare le ipotesi formulate sulla base dei dati ottenuti. Il lavoro di G. Mendel è stato un classico esempio della metodologia della scienza sperimentale.
A suffragare il metodo sperimentale fu utile il lavoro svolto in microbiologia da L. Pasteur (1822-1895), che introdusse prima l'esperimento per studiare la fermentazione e confutare la teoria della generazione spontanea dei microrganismi, e poi per sviluppare la vaccinazione contro le malattie infettive. importante. Nella seconda metà del XIX secolo. Dopo L. Pasteur, contributi significativi allo sviluppo e alla convalida del metodo sperimentale in microbiologia furono apportati da R. Koch (1843-1910), D. Lister (1827-1912), I.I. Mechnikov (1845-1916), D.I. Ivanovsky (1864-1920), S.N. Vinogradsky (1856-1890), M. Beyernik (1851-1931), ecc. Nel XIX secolo. anche la biologia è stata arricchita dalla creazione di basi metodologiche per la modellazione, che è anche la forma più alta di esperimento. L'invenzione da parte di L. Pasteur, R. Koch e altri microbiologi di metodi per infettare animali da laboratorio con microrganismi patogeni e studiare la patogenesi delle malattie infettive su di essi è un classico esempio di modellizzazione che è stata portata avanti nel XX secolo. e integrato nel nostro tempo modellando non solo varie malattie, ma anche vari processi vitali, inclusa l'origine della vita.
A partire, ad esempio, dagli anni '40. XX secolo Il metodo sperimentale in biologia ha subito notevoli miglioramenti grazie all'aumento della risoluzione di molte tecniche biologiche e allo sviluppo di nuove tecniche sperimentali. Pertanto, la risoluzione dell'analisi genetica e di una serie di tecniche immunologiche è stata aumentata. Nella pratica di ricerca furono introdotte la coltura di cellule somatiche, l'isolamento di mutanti biochimici di microrganismi e cellule somatiche, ecc .. Il metodo sperimentale cominciò ad essere ampiamente arricchito con metodi di fisica e chimica, che si rivelarono estremamente preziosi non solo come metodi indipendenti , ma anche in combinazione con metodi biologici. Ad esempio, la struttura e il ruolo genetico del DNA sono stati chiariti attraverso l'uso combinato di metodi chimici per isolare il DNA, metodi chimici e fisici per determinarne la struttura primaria e secondaria e metodi biologici (trasformazione e analisi genetica dei batteri) per dimostrarne la struttura. ruolo di materiale genetico.
Attualmente, il metodo sperimentale è caratterizzato da eccezionali capacità nello studio dei fenomeni della vita. Queste capacità sono determinate dall'uso di vari tipi di microscopia, inclusa la microscopia elettronica con tecniche di sezione ultrasottile, metodi biochimici, analisi genetica ad alta risoluzione, metodi immunologici, una varietà di metodi di coltivazione e osservazione intravitale in colture di cellule, tessuti e organi , marcatura dell'embrione, fecondazione in vitro, metodo dell'atomo marcato, analisi di diffrazione dei raggi X, ultracentrifugazione, spettrofotometria, cromatografia, elettroforesi, sequenziamento, progettazione di molecole di DNA ricombinante biologicamente attive, ecc. La nuova qualità insita nel metodo sperimentale ha causato cambiamenti qualitativi nella modellistica. Oltre alla modellizzazione a livello di organo, è attualmente in fase di sviluppo la modellizzazione a livello molecolare e cellulare.
Metodo di simulazione
La modellazione si basa su una tecnica come analogia - questa è un'inferenza sulla somiglianza degli oggetti sotto un certo aspetto basata sulla loro somiglianza sotto una serie di altri aspetti.
Modello - questa è una copia semplificata di un oggetto, fenomeno o processo, sostituendoli in determinati aspetti.
Un modello è qualcosa con cui è più comodo lavorare, cioè qualcosa che è più facile da vedere, ascoltare, ricordare, registrare, elaborare, trasferire, ereditare e che è più facile da sperimentare, rispetto all'oggetto di modellazione (prototipo, originale).
Karkishchenko N.N. Nozioni di base sulla biomodellazione. - M.: VPK, 2005. - 608 p. Pag. 22.
Modellazione - si tratta, di conseguenza, della creazione di una copia semplificata di un oggetto, fenomeno o processo.
Modellazione:
1) creazione di copie semplificate di oggetti di conoscenza;
2) studio degli oggetti di conoscenza sulle loro copie semplificate.
Metodo di simulazione - questo è lo studio delle proprietà di un determinato oggetto studiando le proprietà di un altro oggetto (modello), che è più conveniente per risolvere problemi di ricerca e si trova in una certa corrispondenza con il primo oggetto.
La modellazione (in senso lato) è il principale metodo di ricerca in tutti i campi della conoscenza. I metodi di modellazione vengono utilizzati per valutare le caratteristiche di sistemi complessi e prendere decisioni su base scientifica in varie aree dell'attività umana. Un sistema esistente o progettato può essere studiato efficacemente utilizzando modelli matematici (analitici e di simulazione) al fine di ottimizzare il processo di funzionamento del sistema. Il modello di sistema è implementato sui computer moderni, che in questo caso fungono da strumento per sperimentare il modello di sistema.
La modellazione consente di studiare qualsiasi processo o fenomeno, nonché le direzioni dell'evoluzione, ricreandoli sotto forma di un oggetto più semplice utilizzando tecnologie e attrezzature moderne.
Teoria dei modelli
– la teoria della sostituzione dell'oggetto originale con il suo modello e lo studio delle proprietà dell'oggetto sul suo modello.
Modellazione
– un metodo di ricerca basato sulla sostituzione dell'oggetto originale in studio con il suo modello e sul lavoro con esso (al posto dell'oggetto).
Modello
(oggetto originale) (dal latino modus - "misura", "volume", "immagine") - un oggetto ausiliario che riflette i modelli più significativi per la ricerca, l'essenza, le proprietà, le caratteristiche della struttura e il funzionamento dell'oggetto originale .
Quando si parla di modellazione, di solito si intende modellare un sistema.
Sistema
– un insieme di elementi interconnessi uniti per raggiungere un obiettivo comune, isolati dall’ambiente e interagendo con esso come un tutto integrale e allo stesso tempo esibendo proprietà di sistema di base. Il documento identifica 15 principali proprietà del sistema, che includono: emergenza (emergenza); integrità; struttura; integrità; subordinazione all'obiettivo; gerarchia; infinito; ergacità; apertura; irreversibilità; unità di stabilità e instabilità strutturale; non linearità; potenziale multivarianza delle strutture reali; criticità; imprevedibilità in un’area critica.
Quando si modellano i sistemi, vengono utilizzati due approcci: classico (induttivo), che si è sviluppato storicamente per primo, e sistemico, che è stato sviluppato recentemente.
Approccio classico.
Storicamente, l’approccio classico allo studio di un oggetto e alla modellazione di un sistema è stato il primo ad emergere. L'oggetto reale da modellare viene suddiviso in sottosistemi, vengono selezionati i dati iniziali (D) per la modellazione e vengono fissati gli obiettivi (T), che riflettono i singoli aspetti del processo di modellazione. Sulla base di un insieme separato di dati iniziali, viene fissato l’obiettivo di modellare un aspetto separato del funzionamento del sistema; sulla base di questo obiettivo, viene formata una determinata componente (K) del modello futuro. Un insieme di componenti viene combinato in un modello.
Quello. i componenti sono riassunti, ogni componente risolve i propri problemi ed è isolato dalle altre parti del modello. Applichiamo l'approccio solo a sistemi semplici, dove le relazioni tra i componenti possono essere ignorate. Si possono notare due aspetti distintivi dell'approccio classico: 1) c'è un movimento dal particolare al generale durante la creazione di un modello; 2) il modello (sistema) creato si forma sommando le sue singole componenti e non tiene conto dell'emergere di un nuovo effetto sistemico.
Approccio sistemico – un concetto metodologico basato sul desiderio di costruire un quadro olistico dell’oggetto studiato, tenendo conto degli elementi dell’oggetto che sono importanti per il problema da risolvere, delle connessioni tra loro e delle connessioni esterne con altri oggetti e l’ambiente. Con la crescente complessità della modellazione degli oggetti, è nata la necessità di osservarli da un livello più alto. In questo caso, lo sviluppatore considera questo sistema come un sottosistema di rango superiore. Ad esempio, se il compito è progettare un sistema di controllo automatizzato aziendale, dal punto di vista di un approccio sistemico non dobbiamo dimenticare che questo sistema è parte integrante del sistema di controllo automatizzato integrato. La base dell'approccio sistemico è la considerazione del sistema come un tutto integrato, e questa considerazione durante lo sviluppo inizia con la cosa principale: la formulazione dello scopo dell'operazione. È importante che l'approccio sistemico determini la struttura del sistema: l'insieme delle connessioni tra gli elementi del sistema, che riflettono la loro interazione.
Esistono approcci strutturali e funzionali per studiare la struttura di un sistema e le sue proprietà.
A approccio strutturale viene rivelata la composizione degli elementi selezionati del sistema e le connessioni tra loro.
A approccio funzionale Vengono considerati gli algoritmi del comportamento del sistema (funzioni - proprietà che portano al raggiungimento dell'obiettivo).
Tipi di modellazione
1. Modellazione del soggetto
, in cui il modello riproduce le caratteristiche geometriche, fisiche, dinamiche o funzionali di un oggetto. Ad esempio, modello di ponte, modello di diga, modello di ala
aereo, ecc.
2. Modellazione analogica
, in cui il modello e l'originale sono descritti da un'unica relazione matematica. Un esempio sono i modelli elettrici utilizzati per studiare fenomeni meccanici, idrodinamici e acustici.
3. Modellazione iconica
, in cui diagrammi, disegni e formule fungono da modelli. Il ruolo dei modelli iconici è aumentato soprattutto con l'espansione dell'uso dei computer nella costruzione di modelli iconici.
4. Strettamente legato all'iconico simulazione mentale
, in cui i modelli acquisiscono un carattere mentalmente visivo. Un esempio in questo caso è il modello dell'atomo, proposto una volta da Bohr.
5. Esperimento modello.
Infine, un tipo speciale di modellazione è l'inclusione in un esperimento non dell'oggetto stesso, ma del suo modello, per cui quest'ultimo acquisisce il carattere di un esperimento modello. Questo tipo di modellizzazione indica che non esiste una linea netta tra i metodi di conoscenza empirica e teorica.
Organicamente connesso con la modellazione idealizzazione
- costruzione mentale di concetti, teorie su oggetti che non esistono e non sono realizzabili nella realtà, ma quelli per i quali esiste un prototipo o un analogo vicino nel mondo reale. Esempi di oggetti ideali costruiti con questo metodo sono i concetti geometrici di punto, linea, piano, ecc. Tutte le scienze operano con oggetti ideali di questo tipo: un gas ideale, un corpo assolutamente nero, una formazione socioeconomica, uno Stato, ecc.
Metodi di modellazione
1. Modellazione in scala reale
- un esperimento sull'oggetto in studio stesso, che, in condizioni sperimentali appositamente selezionate, funge da modello di se stesso.
2. Modellazione fisica
– un esperimento su installazioni speciali che preservano la natura dei fenomeni, ma riproducono i fenomeni in una forma in scala quantitativamente modificata.
3. Modellazione matematica
– l'utilizzo di modelli di natura fisica che differiscono dagli oggetti simulati, ma hanno una descrizione matematica simile. La modellazione su scala reale e quella fisica possono essere combinate in un'unica classe di modelli di somiglianza fisica, poiché in entrambi i casi il modello e l'originale sono identici in natura fisica.
I metodi di modellazione possono essere classificati in tre gruppi principali: analitici, numerici e di simulazione.
1. Analitico metodi di modellazione. I metodi analitici consentono di ottenere le caratteristiche di un sistema come alcune funzioni dei suoi parametri operativi. Pertanto, il modello analitico è un sistema di equazioni, la cui soluzione produce i parametri necessari per calcolare le caratteristiche di output del sistema (tempo medio di elaborazione delle attività, produttività, ecc.). I metodi analitici forniscono valori accurati delle caratteristiche del sistema, ma vengono utilizzati per risolvere solo una classe ristretta di problemi. Le ragioni di ciò sono le seguenti. In primo luogo, a causa della complessità della maggior parte dei sistemi reali, la loro descrizione matematica completa (modello) non esiste oppure non sono stati ancora sviluppati metodi analitici per risolvere il modello matematico creato. In secondo luogo, nel ricavare le formule su cui si basano i metodi analitici, vengono fatte alcune ipotesi che non sempre corrispondono al sistema reale. In questo caso, l'uso di metodi analitici deve essere abbandonato.
2. Numerico metodi di modellazione. I metodi numerici implicano la trasformazione del modello in equazioni che possono essere risolte utilizzando la matematica computazionale. La classe di problemi risolti con questi metodi è molto più ampia. Come risultato dell'applicazione di metodi numerici, si ottengono valori approssimativi (stime) delle caratteristiche di uscita del sistema con una determinata precisione.
3. Imitazione
metodi di modellazione. Con lo sviluppo della tecnologia informatica, i metodi di modellazione della simulazione sono diventati ampiamente utilizzati per l'analisi di sistemi in cui predominano le influenze stocastiche.
L'essenza della modellazione di simulazione (IM) è quella di simulare il processo di funzionamento del sistema nel tempo, osservando gli stessi rapporti di durata operativa del sistema originale. Allo stesso tempo, vengono simulati i fenomeni elementari che compongono il processo, preservandone la struttura logica e la sequenza del loro verificarsi nel tempo. Come risultato dell'utilizzo dell'MI, si ottengono stime delle caratteristiche di output del sistema, necessarie per risolvere problemi di analisi, controllo e progettazione.
In biologia, ad esempio, è possibile costruire un modello dello stato di vita in un bacino dopo un certo periodo di tempo quando cambiano uno, due o più parametri (temperatura, concentrazione salina, presenza di predatori, ecc.). Tali tecniche sono diventate possibili grazie alla penetrazione nella biologia delle idee e dei principi della cibernetica, la scienza del controllo.
La classificazione dei tipi di modellazione può essere basata su varie caratteristiche. A seconda della natura dei processi studiati nel sistema, la modellazione può essere suddivisa in deterministica e stocastica; statico e dinamico; discreto e continuo.
Deterministico
La modellazione viene utilizzata per studiare sistemi il cui comportamento può essere previsto con assoluta certezza. Ad esempio, la distanza percorsa da un'auto durante un movimento uniformemente accelerato in condizioni ideali; un dispositivo che quadra un numero, ecc. Di conseguenza, in questi sistemi avviene un processo deterministico, che è adeguatamente descritto da un modello deterministico.
Stocastico
Il modello (teorico della probabilità) viene utilizzato per studiare un sistema il cui stato dipende non solo da influenze controllate, ma anche incontrollate, o in cui esiste una fonte di casualità. I sistemi stocastici includono tutti i sistemi che includono esseri umani, ad esempio fabbriche, aeroporti, sistemi e reti informatiche, negozi, servizi ai consumatori, ecc.
Statico
la modellazione serve a descrivere i sistemi in qualsiasi momento.
Dinamico
la modellizzazione riflette i cambiamenti nel sistema nel tempo (le caratteristiche di output del sistema in un dato momento sono determinate dalla natura delle influenze di input nel passato e nel presente). Esempi di sistemi dinamici sono i sistemi biologici, economici, sociali; sistemi artificiali come una fabbrica, un’impresa, una linea di produzione, ecc.
Discreto
la modellazione viene utilizzata per studiare sistemi in cui le caratteristiche di input e output vengono misurate o modificate in modo discreto nel tempo, altrimenti viene utilizzata la modellazione continua. Ad esempio, un orologio elettronico, un contatore elettrico sono sistemi discreti; meridiane, apparecchi di riscaldamento - sistemi continui.
A seconda della forma di rappresentazione dell'oggetto (sistema), si può distinguere la modellazione mentale da quella reale.
A vero
modellazione (a grandezza naturale), lo studio delle caratteristiche del sistema viene effettuato su un oggetto reale, o su parte di esso. La modellazione reale è la più adeguata, ma le sue capacità, tenendo conto delle caratteristiche degli oggetti reali, sono limitate. Ad esempio, l'esecuzione di una modellazione reale con un sistema di controllo automatizzato aziendale richiede, in primo luogo, la creazione di un sistema di controllo automatizzato; in secondo luogo, condurre esperimenti con l'impresa, il che è impossibile. La modellazione reale comprende esperimenti di produzione e test complessi, che hanno un alto grado di affidabilità. Un altro tipo di modellazione reale è fisica. Nella modellistica fisica si ricercano installazioni che preservino la natura del fenomeno e abbiano una somiglianza fisica.
Mentale
la modellazione viene utilizzata per simulare sistemi praticamente impossibili da implementare in un dato intervallo di tempo. La base della modellazione mentale è la creazione di un modello ideale basato su un'analogia mentale ideale. Esistono due tipi di modellazione mentale: figurativa (visiva) e simbolica.
A figuratamente
Nella modellazione, sulla base delle idee umane sugli oggetti reali, vengono creati vari modelli visivi che mostrano i fenomeni e i processi che si verificano nell'oggetto. Ad esempio, i modelli di particelle di gas nella teoria cinetica dei gas sotto forma di sfere elastiche che agiscono l'una sull'altra durante una collisione.
A iconico
la modellazione descrive il sistema simulato utilizzando segni convenzionali, simboli, in particolare, sotto forma di formule matematiche, fisiche e chimiche. La classe più potente e sviluppata di modelli iconici è rappresentata dai modelli matematici.
Modello matematico
è un oggetto creato artificialmente sotto forma di formule matematiche e simboliche che mostra e riproduce la struttura, le proprietà, le interconnessioni e le relazioni tra gli elementi dell'oggetto studiato. Inoltre, vengono presi in considerazione solo i modelli matematici e, di conseguenza, la modellazione matematica.
Modellazione matematica
– un metodo di ricerca basato sulla sostituzione dell'oggetto originale in studio con il suo modello matematico e sul lavoro con esso (al posto dell'oggetto). La modellazione matematica può essere suddivisa in analitico (AM)
, imitazione (IM)
, combinato (CM)
.
A SONO
un modello analitico dell'oggetto viene creato sotto forma di equazioni algebriche, differenziali e alle differenze finite. Il modello analitico viene studiato sia con metodi analitici che con metodi numerici.
A LORO
viene creato un modello di simulazione e il metodo di modellazione statistica viene utilizzato per implementare il modello di simulazione su un computer.
A KM
viene effettuata la scomposizione del processo di funzionamento del sistema in sottoprocessi. Per questi ultimi, ove possibile, vengono utilizzati metodi analitici, altrimenti vengono utilizzati metodi di simulazione.
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Nuovi concetti teorici e l'avanzamento delle conoscenze biologiche sono sempre stati e sono determinati dalla creazione e dall'uso di nuovi metodi di ricerca. I principali metodi utilizzati nelle scienze biologiche sono descrittivi, comparativi, storici e sperimentali. Il metodo descrittivo è il più antico e consiste nel raccogliere materiale fattuale e la sua descrizione. Emerso all'inizio della conoscenza biologica, questo metodo è rimasto per lungo tempo l'unico nello studio della struttura e delle proprietà degli organismi. Pertanto, l'antica biologia era associata a una semplice riflessione del mondo vivente sotto forma di descrizione di piante e animali, cioè era essenzialmente una scienza descrittiva. L'utilizzo di questo metodo ha permesso di gettare le basi della conoscenza biologica. Basti ricordare quanto successo abbia avuto questo metodo nella tassonomia degli organismi: il metodo descrittivo è ancora ampiamente utilizzato oggi. Lo studio delle cellule utilizzando un microscopio ottico o elettronico e la descrizione delle caratteristiche microscopiche o submicroscopiche identificate nella loro struttura è un esempio dell'uso attuale del metodo descrittivo. Il metodo comparativo consiste nel confrontare gli organismi studiati, le loro strutture e funzionano tra loro al fine di identificare somiglianze e differenze. Questo metodo è stato stabilito in biologia nel XVIII secolo. e si è dimostrato molto fruttuoso nel risolvere molti problemi importanti. Utilizzando questo metodo e in combinazione con il metodo descrittivo si sono ottenute informazioni che lo hanno reso possibile nel XVIII secolo. gettare le basi per la tassonomia delle piante e degli animali (C. Linnaeus), e nel XIX secolo. formulare la teoria cellulare (M. Schleiden e T. Schwann) e la dottrina dei principali tipi di sviluppo (K. Baer). Il metodo era ampiamente utilizzato nel 19° secolo. nel sostenere la teoria dell'evoluzione, nonché nel ristrutturare un certo numero di scienze biologiche sulla base di questa teoria. Tuttavia, l’uso di questo metodo non è stato accompagnato dal fatto che la biologia sia andata oltre i confini della scienza descrittiva.
Quando parliamo di biologia, parliamo della scienza che si occupa dello studio di tutti gli esseri viventi. Vengono studiati tutti gli esseri viventi, compreso il loro habitat. Dalla struttura delle cellule ai complessi processi biologici, tutto questo è oggetto della biologia. Consideriamo Metodi di ricerca in biologia, che sono attualmente in uso.
Metodi di ricerca biologica includere:
- Metodi empirici/sperimentali
- Metodi descrittivi
- Metodi comparativi
- metodi statistici
- Modellazione
- Metodi storici
Metodi empirici consistono nel fatto che l'oggetto dell'esperienza è soggetto a un cambiamento nelle condizioni della sua esistenza, e quindi vengono presi in considerazione i risultati ottenuti. Gli esperimenti sono di due tipi a seconda del luogo in cui vengono condotti: esperimenti di laboratorio ed esperimenti sul campo. Per condurre esperimenti sul campo vengono utilizzate le condizioni naturali e per condurre esperimenti di laboratorio vengono utilizzate speciali attrezzature di laboratorio.
Metodi descrittivi si basano sull'osservazione, seguita dall'analisi e dalla descrizione del fenomeno. Questo metodo ci consente di evidenziare le caratteristiche dei fenomeni e dei sistemi biologici. Questo è uno dei metodi più antichi.
Metodi comparativi implica il confronto dei fatti e dei fenomeni ottenuti con altri fatti e fenomeni. Le informazioni si ottengono attraverso l'osservazione. Recentemente è diventato popolare utilizzare il monitoraggio. Il monitoraggio è un’osservazione costante, che permette di raccogliere dati sulla base dei quali verranno effettuate analisi e poi previsioni.
metodi statistici noti anche come metodi matematici e vengono utilizzati per elaborare i dati numerici ottenuti durante un esperimento. Inoltre, questo metodo viene utilizzato per garantire l'affidabilità di determinati dati.
Modellazione Questo è un metodo che sta guadagnando slancio ultimamente e prevede di lavorare con oggetti rappresentandoli in modelli. Ciò che non può essere analizzato e studiato dopo un esperimento può essere appreso attraverso la modellazione. In parte, non viene utilizzata solo la modellazione convenzionale, ma anche la modellazione matematica.
Metodi storici si basano sullo studio di fatti precedenti e ci consentono di determinare modelli esistenti. Ma poiché non sempre un metodo è sufficientemente efficace, è consuetudine combinarli per ottenere risultati migliori.
Quindi abbiamo esaminato i principali metodi di ricerca in biologia. Ci auguriamo davvero che tu abbia trovato questo articolo interessante e informativo. Assicurati di scrivere le tue domande e commenti nei commenti.
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Metodi di biologia. La biologia utilizza una varietà di metodi di ricerca. Il metodo descrittivo è tradizionale, ma ha mantenuto il suo significato. Metodi di base della biologia:
· Osservazione E descrizione
fatti e fenomeni (metodo descrittivo). Il metodo di osservazione dàla capacità di analizzare e descrivere fenomeni biologici. Il metodo descrittivo si basa sul metodo di osservazione. Per scoprire l'essenza di un fenomeno è necessario innanzitutto raccogliere e descrivere materiale fattuale. Ad esempio, utilizzando il metodo di osservazione, puoi studiare i cambiamenti stagionali nella fauna selvatica. L'osservazione è lo studio degli oggetti della natura vivente nelle condizioni naturali di esistenza. Questa è l'osservazione diretta del comportamento, dell'insediamento e della riproduzione delle piante e degli animali in natura. A tal fine vengono utilizzati sia tradizionali strumenti di ricerca sul campo (binocoli, videocamere) che sofisticate apparecchiature di laboratorio (microscopi, analizzatori biochimici, varie apparecchiature di misurazione).
· Confronto, che consente di stabilire le somiglianze e le differenze tra diverse strutture e fenomeni biologici (metodo comparativo). Confronta la struttura anatomica, la composizione chimica, la struttura genetica e altre caratteristiche di organismi di diversi livelli di complessità. In questo caso, non vengono studiati solo gli organismi viventi, ma anche quelli estinti da tempo conservati come resti fossili nella documentazione fossile.
· Sperimentare
(Latino Experimentum - test), durante il quale oggetti e processi biologici vengono studiati in condizioni create artificialmente e controllate con precisione (metodo sperimentale). Il metodo sperimentale è associato alla creazione mirata di un sistema e aiuta a studiare le proprietà e i fenomeni della natura vivente. Metodo sperimentale (esperienza) - ricerca su oggetti viventi in condizioni di fattori ambientali estremi - modifica della temperatura, della luce o dell'umidità, aumento del carico, tossicità o radioattività, modifica della modalità o del luogo di sviluppo (rimozione o trapianto di geni, cellule, organi, ecc. ) . P.) . Il metodo sperimentale ci consente di identificare proprietà nascoste, i limiti delle capacità adattive (adattative) dei sistemi viventi, il grado della loro flessibilità, affidabilità e variabilità.
·Ampiamente usato metodi strumentali
: elettrografia, radar, ecc. 
·Il metodo storico è di importanza universale per tutti i rami della biologia: lo studio di tutti i fenomeni e processi come fasi dello sviluppo evolutivo della natura. Il metodo storico rivela le trasformazioni evolutive delle specie biologiche e delle loro comunità. Questo è uno dei metodi più importanti che funge da base per comprendere i fatti ottenuti. Il metodo storico chiarisce i modelli dell'aspetto e dello sviluppo degli organismi, la formazione della loro struttura e funzioni.
· Metodo paleontologico
– studio degli organismi estinti.
· Metodo di sistema
appartiene alla categoria dei nuovi metodi di ricerca interdisciplinari. Gli oggetti viventi sono considerati sistemi, cioè raccolte di elementi con determinate relazioni.
I metodi citologici privati (speciali) vengono utilizzati per studiare la struttura e le funzioni di cellule e tessuti:
· Microscopia ottica
- consente di rilevare il nucleo e alcuni organelli cellulari: mitocondri, cloroplasti, apparato di Golgi, ciglia e flagelli.
· Microscopio elettronico
– permette di studiare la struttura fine degli organelli (ad esempio,cloroplasti), la loro ultrastruttura,
· Centrifugazione
- consente di evidenziare e studiare in modo selettivoorganelli cellulari;
· Metodo della coltura cellulare
E tessuti utilizzato per studiare la struttura e le funzioni delle cellule.
