تعريف النماذج العلمية
النماذج ذات دور أساسي في العديد من السياقات العلمية، فمثلا النماذج التضخمية في علم الكونيات ونماذج الدوران العام للمناخ العالمي ونموذج الحلزون المزدوج للحمض النووي والنماذج التطورية في علم الأحياء ونماذج العوامل في العلوم الاجتماعية ونماذج التوازن العام للأسواق في مجالاتهم الخاصة.
في العلم النموذج هو تمثيل لفكرة أو كائن أو حتى عملية أو نظام يُستخدم لوصف وشرح الظواهر التي لا يمكن تجربتها بشكل مباشر وتعد النماذج أساسية لما يفعله العلماء سواء في أبحاثهم أو عند توصيل تفسيراتهم والنماذج هي طريقة ذهنية بصرية لربط النظرية بالتجربة وهي توجه البحث من خلال كونها تمثيلات مبسطة لواقع متخيل يتيح تطوير التنبؤات واختبارها بالتجربة.
لماذا يستخدم العلماء النماذج؟
للنماذج مجموعة متنوعة من الاستخدامات، من توفير طريقة لشرح البيانات المعقدة إلى تقديمها كفرضية، وقد يكون هناك أكثر من نموذج اقترحه العلماء لشرح أو التنبؤ بما قد يحدث في ظروف معينة، وغالبا ما يجادل العلماء حول “صحة” نموذجهم، وفي هذه العملية سيتطور النموذج أو يتم رفضه، وبالتالي تعتبر النماذج أساسية في عملية بناء المعرفة في العلوم، وتوضح كيف أن المعرفة العلمية مؤقتة.
فكر في نموذج يُظهر الأرض كرة أرضية حتى عام 2005 كانت الكرات الأرضية دائماً تمثيل مميز لما كنا نظن أن الكوكب يبدو عليه (في عام 2005، تم إنتاج أول كرة أرضية تستخدم صور الأقمار الصناعية من وكالة ناسا) أول كرة أرضية معروفة تم صنعها (في 150 قبل الميلاد) لم تكن دقيقة للغاية وتم بناء الكرة الأرضية في اليونان
لذا ربما لم تظهر سوى مساحة صغيرة من الأرض في أوروبا، ولم تكن أستراليا أو الصين أو نيوزيلندا عليها، نظرا لتراكم المعرفة على مدى مئات السنين، حيث تحسن النموذج حتى تم إنتاج كرة أرضية مصنوعة من صور حقيقية، ولم يكن هناك فرق ملحوظ بين التمثيل والشيء الحقيقي.
يبدأ العلماء بكمية صغيرة من البيانات ويقومون ببناء تمثيل أفضل وأفضل للظواهر التي يشرحونها أو يستخدمونها للتنبؤ مع مرور الوقت، وفي هذه الأيام، من المرجح أن تكون العديد من النماذج رياضية ويتم تشغيلها على أجهزة الكمبيوتر بدلا من أن تكون تمثيلا مرئيا، ولكن المبدأ هو نفسه.
ما أهمية النماذج العلمية
عند سماع كلمة `نموذج`، قد تفكر في سيارة أو طائرة تشبه لعبة، ولكن النماذج العلمية هي تمثيلات للأشياء أو الأنظمة أو الأحداث، وتستخدم كأدوات لفهم العالم الطبيعي. تستخدم النماذج ككائنات مألوفة لتمثيل أشياء غير مألوفة.
يمكن للنماذج المصغرة أن تساعد في تصوير أو تصور شيء صعب الرؤية أو الفهم في العقل، ويمكن للنماذج أن تساعد العلماء على توصيل أفكارهم وفهم العمليات وإجراء التنبؤات، وهناك بعض الأمثلة التي تمثل النماذج.
- الأشياء الصغيرة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها: نموذج ذرة أو خلية.
- الأشياء الكبيرة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها: نموذج الكواكب.
- الأشياء التي لم تعد موجودة: نموذج ديناصور.
- الأشياء التي لم يتم اختراعها بعد: نماذج أولية مثل نموذج إنسان آلي.
- الأحداث التي تحدث ببطء شديد بحيث لا يمكن رؤيتها: نموذج تكوين الجبال.
- الأحداث التي تحدث بسرعة لا يمكن رؤيتها: نموذج للتنبؤ بحدوث زلزال.
- الأحداث التي لم تحدث بعد: نماذج أنظمة الطقس.
مزايا وقيود النماذج
- التفاصيل: لا يمكن للنماذج أن تشمل تفاصيل جميع الكائنات التي تمثلها. على سبيل المثال، الخرائط لا يمكن أن تحتوي على جميع تفاصيل معالم الأرض مثل الجبال والأودية وما إلى ذلك.
- التقديرات التقريبية: تتضمن معظم النماذج بعض التقريبات اللازمة لوصف ما يحدث في الطبيعة، ولكن هذه التقريبات غير دقيقة، وبالتالي، فإن التنبؤات التي تعتمد عليها تكون مختلفة قليلا عن الأحداث الفعلية، حيث لا تتصرف النماذج تماما مثل الأشياء التي تمثلها.
- الدقة: تم تبسيط النماذج بدرجة كافية لتوصيل الأفكار، مما أدى إلى فقدان بعض الدقة، على سبيل المثال، النماذج الكروية والعصا لا تظهر كل التفاصيل التي يعرفها العلماء حول بنية الذرة.
مزايا أنواع النماذج الثلاثة وحدود إمكاناته
النموذج المادي
النماذج التي يمكنك رؤيتها ولمسها تسمى النماذج المادية حيث توضح النماذج المادية كيفية ارتباط الأجزاء ببعضها البعض حيث يمكن استخدامها أيضاً لإظهار كيف تظهر الأشياء عندما تغير موقعها أو كيف تتفاعل عندما تعمل القوى الخارجية عليها وتشمل الأمثلة نموذجاً للنظام الشمسي أو كرة أرضية أو نموذجاً لجذع الإنسان.
المزايا:
- يحتاج إلى وقت كبير في عمله.
- يصعب إجراء تعديل عليه.
النموذج الفكري
النموذج الفكري يتألف من المعادلات والبيانات الرياضية، حيث تتيح لك النماذج الرياضية البسيطة حساب أشياء مثل عدد الأميال التي تقطعها السيارة في الساعة، وتكون النماذج الرياضية الأخرى معقدة للغاية، بحيث تحتاج إلى برامج الكمبيوتر لإنشائها، وتكون نماذج الكمبيوتر مفيدة في تصميم أحداث تستغرق وقتا طويلا مثل حركة الصفائح التكتونية، وهي أيضا مفيدة في تصميم أحداث تحدث بسرعة كبيرة جدا ولا يمكن رؤيتها، مثل التنبؤ بالزلازل
وتقوم الحواسيب أيضا بنمذجة حركات ومواقف الأشياء التي قد تأخذ ساعات أو أياما لحسابها يدويا أو باستخدام آلة حاسبة. واستخدام العلماء لنماذج الحاسوب للمساعدة في تنبؤ الطقس عن طريق حركة التيارات الهوائية في الغلاف الجوي هو مثال على استخدام نماذج الحاسوب لتنبؤ تأثير الأنظمة أو القوى المختلفة.
المزايا:
- القدرة على إظهار العلاقات والأفكار المجردة.
- يوجد صعوبة كبيرة في فهم النموذج الفكري
النموذج الحاسوبي
تستخدم النماذج المفاهيمية الحاسوبية المقارنات مع الأشياء المألوفة للمساعدة في توضيح أو شرح فكرة، ويمكن أن تكون هذه النماذج أيضا نظاما للأفكار. ويعد نظام التصنيف المستخدم لتصنيف الكائنات الحية مثالا على النموذج المفاهيمي الحاسوبي، حيث يصنف العلماء الكائنات الحية حسب مدى تشابهها. ومن أمثلة النماذج المفاهيمية الأخرى نموذج بور للذرة، حيث تدور الإلكترونات حول نواة الذرة بنفس الطريقة التي تدور بها الكواكب حول الشمس.
- إظهار التغيرات البطيئة والسريعة.
- إعادة العرض أكثر من مرة.
- لا يعرض بشكل جيد العلاقات الفراغية.
سبب استخدام النماذج
- تُستخدم النماذج للتواصل: النماذج تستخدم لنقل الملاحظات والأفكار للآخرين، حيث تساعد النماذج الأشخاص على تصور الأفكار والمفاهيم المجردة.
- النماذج هي الحجم المناسب فقط: يمكن استخدام النماذج لتمثيل الأشياء الصغيرة جدا أو الكبيرة جدا، حيث يمكن أن تساعدك النماذج على تصور الأشياء في عقلك.
- تُستخدم النماذج لعمل التنبؤات واختبارها: يمكن استخدام النماذج لعمل توقعات عندما يقوم العلماء بتطوير فرضيات، حيث يمكنهم استخدام النماذج لاختبار صحة فرضياتهم وإثباتها أو نفيها. كما يمكن للمهندسين استخدام النماذج للتنبؤ بأداء اختراعاتهم.
- توفر النماذج الوقت والمال والأرواح: يمكن أن يكون استخدام النماذج للاختبار والعمل أكثر أمانا وأسرع وأقل تكلفة من استخدام الشيء الفعلي.
- النماذج تبني المعرفة العلمية: يمكن استخدام النماذج لمساعدة شرح النظريات العلمية، فهي تساعد في دعم النظريات العلمية أو إثبات خطأها، ويمكن استبدال النماذج أو تغييرها عند تعلم معلومات جديدة، ومع تقدم التكنولوجيا، أصبح العلماء قادرين على مراجعة النماذج وتحديثها.