تكنولوجيا المحاكاة الحاسوبية واستكشاف أعماق العلم
في ظل المتغيرات والتحديات التي يشهدها العالم في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا ، تكثر التساؤلات حول كيفية مواكبة هذه التغييرات ومواجهة التحديات التي نواجهها ، وكيفية البحث عن فهم أكبر من شأنه أن يخلق أفرادًا مبدعين قادرين على العطاء. في مختلف المجالات ، وربما لا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال وعي الفرد بطبيعة العلاقة المتبادلة بين العلم والتكنولوجيا والمجتمع والحياة والبيئة ، ومن خلال منح نفسه كل الوسائل للقيام بذلك ؛ يمكن من خلالها تحقيق هذا الوعي وتطوير تعليم العلوم والتكنولوجيا ، والذي يتم توظيفه من خلال تطوير استراتيجيات وأساليب التدريس المتقدمة التي توجه المعلم نحو الإبداع والتميز ، وتجعله قادرًا على الوصول إلى عصر وإلقاء الضوء عليه. عندما سادت فنون المعرفة والتكنولوجيا ، وتكاثرت المشاكل والتحديات المستقبلية.
ولمواجهة هذه التحديات ، كان من الضروري استخدام التقنيات الحديثة في التعليم ، مثل أجهزة الكمبيوتر والتلفزيون والأفلام ، لمساعدة المعلم على تحسين التعلم والتركيز على نماذج يحتذى بها.التعلم الذاتي والتعلم المفتوح والتعلم عن بعد. لتحسين النجاح الأكاديمي للطلاب. ولعل من أفضل الوسائل التقنية الحديثة التي ظهرت في ذلك الوقت أجهزة الكمبيوتر التي ساعدت في توفير الوقت بقدر ما تمكن المعلم من تحقيق المزيد من الأهداف التي غالبًا ما تم إهمالها لضيق الوقت والتي لم يستطع المعلم الوصول إليها. تحقيق في ظل الظروف العادية.
الكمبيوتر كأداة تعليمية:
يعد استخدام الحاسب الآلي في العملية التعليمية من أهم التطورات التربوية التي حظيت باهتمام متزايد من صانعي السياسات في مختلف المجالات وخاصة في مجال التعليم. مع هذا التطور بما يحقق أهدافه وفق خصائص الطلاب وخلفياتهم السابقة ، من خلال القدرة على استخدام واختبار طرق التدريس الفعالة والأدوات والأساليب التي تساهم في تحقيق الأهداف وتعلم أفضل للمفاهيم العلمية في من أجل تحقيق الطلاب مستوى أعلى من الإنجاز وزيادة الوعي بأهمية ما يتعلمونه في حياتهم الأكاديمية والعملية.
ويعرّف جيرلدين غيج الكمبيوتر من وجهة نظر تربوية بأنه: "آلة تمنح المتعلم التفرد في التعلم ، وتساعده على التحكم في المرور من مرحلة إلى أخرى في دراسته وتعلمه. تشجعه على الانغماس فيه ، ويساعدهم أيضًا في الحصول على استجابة مستقلة في تعلمهم. "
ويعتبر استخدام الكمبيوتر كمساعد في التدريس والنمذجة القائمة على المحاكاة جانبًا مهمًا من التدريس ، خاصة في مجال تعليم العلوم الطبيعية ، حيث يتيح لنا الكمبيوتر محاكاة الظواهر الطبيعية والتجارب التي يصعب تنفيذها عمليًا في المختبر ، إما بسبب خطورتها أو لارتفاع تكلفتها.
تعريف المحاكاة:
المحاكاة هي: "طريقة أو طريقة تدريس يستخدمها المعلم عادةً لإعادة الطلاب إلى العالم الحقيقي ، وهو أمر يصعب توفيره للمتعلمين بسبب التكلفة المادية أو الموارد البشرية." من المحاكاة في تاريخ البشرية لعبة الشطرنج التي يعود تاريخها إلى العام 3000 قبل الميلاد في الصين ، والتي كان الهدف منها ممارسة المناورات العسكرية.
وأما بالنسبة لجذور ألعاب المحاكاة ، فهي تعود إلى بداية الحضارة اليونانية. أظهر أفلاطون وفلاسفة يونانيون آخرون أهمية تقليد مواقف الحياة من خلال التدريب عليها. منذ منتصف الستينيات من القرن العشرين ، ازداد الاهتمام بالمحاكاة كوسيلة مناسبة وفعالة في عملية التعليم ، خاصة بعد ظهور أجهزة الكمبيوتر ، حيث أصبحت عملية محاكاة المفاهيم والأنشطة والخبرات من خلال الكمبيوتر ولها دور مهم وبارز في العملية التعليمية.
ومع تطور أجهزة الكمبيوتر ، أصبحت المحاكاة الحاسوبية أكثر فاعلية وإثارة في تدريس مفاهيم وموضوعات علمية مختلفة ، وتنوعت لغات المحاكاة واستخداماتها في التدريس ، مما جعلها أكثر مرونة وحيوية من ذي قبل. يصعب إدارتها بدون مخاطر في الواقع ، لأنها تبسيط لمواقف معينة من الحياة أو عملية يكون لكل فرد فيها دور يتفاعل من خلاله مع الآخرين في ضوء عناصر الحالة المحاكاة.
وفي البرامج التعليمية المعتمدة على الحاسوب ، تمثل المحاكاة تكرارًا لظاهرة في الطبيعة ، لذلك يصعب تنفيذها داخل أو خارج الفصل ، لخطورتها أو ارتفاع تكلفتها. في هذه البرامج يواجه المتعلم مواقف واقعية تعرض له بطريقة مماثلة ، وبالتالي فهي تقنية فعالة لتعلم أو تعليم مفهوم الحياة عن طريق تقليد هذا المفهوم أو من خلال استحضار شيء يشبهه ، والمحاكاة ليست كذلك. يُنظر إليه على أنه حافز للمتعلمين فقط ، ولكن يُنظر إليه على أنه قادر على جعل المتعلمين يتعلمون بطريقة مشابهة لكيفية تعرضهم في حياتهم العملية الحقيقية.
أنواع المحاكاة:
يمكن تقسيم المحاكاة إلى أربعة أنواع على النحو التالي:
1- المحاكاة الفيزيائية أو الفيزيائية: يرتبط هذا النوع بمعالجة الأشياء المادية المادية بهدف استخدامها ، مثل: تحليق الطائرة ، واستخدام الأدوات والمواد الكيميائية.
2- المحاكاة الإجرائية: يهدف هذا النوع من المحاكاة إلى تعلم سلسلة من الإجراءات أو الخطوات ، مثل التدريب على خطوات تشغيل آلة أو جهاز ، أو تشخيص أمراض معينة في مجال الطب.
3- المحاكاة الظرفية: يختلف هذا النوع عن المحاكاة الإجرائية حيث يكون للمتعلم دور أساسي في السيناريو المعروض عليه ، وليس فقط تعلم القواعد والاستراتيجيات كما في الأنواع السابقة. يتمثل دور المتعلم في اكتشاف الاستجابات للمواقف من خلال المحاكاة المتكررة.
4-المحاكاة العملية أو المعالجة: في هذا النوع ، لا يلعب المتعلم أي دور في المحاكاة ، بل هو مراقب خارجي ومختبر. في الوقت الذي لا يستطيع فيه المتعلم رؤية الإلكترونات أو حركة الضوء وسرعته. ، يمكنه رؤيتها في المحاكاة العملية ، مما يسهل عليه إدراك هذه المفاهيم.
لتسهيل التمييز بين أنواع المحاكاة ، تم تقسيم المحاكاة إلى جزئين رئيسيين:
أ- محاكاة تعلم الأشياء: أي محاكاة لتعلم الأشياء أو التعلم من خلال مشاهدة شخص آخر ، وتندرج ضمن هذا القسم المحاكاة الفيزيائية والعملية.
ب- المحاكاة لفعل شيء ما: وهذا يعني تعلم كيفية القيام بالأشياء أو كيفية التعلم من خلال مشاهدة شخص آخر ، وتندرج المحاكاة الوضعية والإجرائية تحت هذا القسم.
فوائد المحاكاة:
المحاكاة هي واحدة من أهم طرق التدريس التي يعتمد عليها المديرون لتبسيط التكاليف. ليس فقط ترشيد التكاليف المالية بل تكلفة الوقت وتكاليف الجهد البشري وتعتمد عليه طريقة تدريب المحاكاة لتحقيق مستوى متقدم من الجودة مع بداية دخول المتدرب بيئة العمل الحقيقي دون الاعتماد على مبدأ رفع جودة الأداء من خلال الخير والشر مما يؤثر بلا شك على سمعة الموظف والمنظمة. نسارع إلى الإشارة إلى أن هناك مجالات قد يكون فيها العمل الفعلي والخبرة صعبًا أو مستحيلًا ، لكن من الضروري الاعتماد على تدريب المحاكاة.
متطلبات المحاكاة:
1- تهيئة بيئة العمل لمحاكاة وتشابه قدر الإمكان بيئة العمل الحقيقية التي يتم التخطيط للتدريب فيها.
2- توفير المعدات اللازمة للتدريب على المحاكاة المتوافقة مع الأجهزة التي ستستخدم عمليا.
3- تقديم مستندات مطابقة للوثائق التي سيتم معالجتها.
خطوات تدريب المحاكاة:
1- تحليل الأداء لتحديد الاحتياجات التدريبية والشخصيات المستهدفة وأهداف خطة التدريب.
2- تحليل الشركة الفعلية التي سيتم تشكيلها لأول مرة أو التي سيتم تشكيلها فيها لرفع مستوى الأداء فيها.
3- تحديد العناصر الأساسية لبيئة العمل التي يمكن تقديمها في موقع التدريب.
4- خلق بيئة تدريبية مشابهة للبيئة الحقيقية.
5- تنفيذ العملية التدريبية من خلال:
- خلق بيئة تدريبية قريبة قدر الإمكان من بيئة العمل الحقيقية.
- التدريب في المواقف التي تحاكي وتشبه بشكل كامل ما يمكن أن يحدث في البيئة الواقعية دون مبالغة أو مبالغة في مواقف غير واقعية.
- يتم تكثيف التدريب في حالة المتدرب عديم الخبرة ، بينما يتم تقليله إلى حد ما بالنسبة للمتدرب عديم الخبرة.
- يتم تطبيق تدريب المحاكاة فقط بسبب تكلفته عند الحاجة إليه بالفعل ، وقد يكون من الأنسب في بعض الحالات تطبيق طرق أخرى.
6- تقييم الأداء قبل وبعد التدريب لممارسة العمل الحقيقية للمتدرب.
المحاكاة والبحث العلمي:
الطريقة الثالثة لصياغة العلم ، "محاكاة الكمبيوتر" ، تسللت إلى معظم مجالات البحث العلمي في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي ، وغالبًا ما كانت الطريقة الوحيدة الممكنة التي يمكن أن تعمل بنجاح ، وكلما انتقل المزيد من الباحثين إلى الزوايا المظلمة من العالم الطبيعي ، كلما اكتشفوا تفاصيل وتعقيدات لم يكن أحد يتخيلها منذ عقود ، والتي لا تزال تواجههم بحدود عاداتهم القديمة وعقولهم التي لا تستند إلى ما يساعدهم.
وعلى سبيل المثال ، علم الفلكيون ، ومنذ وقت ما هو مستعر أعظم (سوبر نوفا) ، و (سبر هامانيان تشاندر شيخار) أظهر في ثلاثينيات القرن الماضي أنه عندما يستنفد نجم كبير كل وقوده ، فإنه ينهار تحت وطأة الوزن. من وزنه ، وقد عُرف فيما بعد أن هناك حالات يؤدي فيها هذا الانهيار إلى إطلاق انفجار - وهو أكبر مستعر أعظم - يقذف جزءًا كبيرًا من كتلة النجم ، تاركًا وراءه نجمًا نيوترونيًا كثيفًا. أو ربما ثقب أسود ، وكل هذا تم اكتشافه بواسطة "فيزياء القلم والورق" ، لكن هذه الأساليب فشلت في مواكبة تفاصيل الأحداث الأساسية التي حدثت. يستغرق الأمر أجزاء من ألف في الثانية ، حيث يتقلص قلب النجم ، ثم يرتد فجأة ثم ينفجر ، وهناك الكثير مما يحدث في تلك الفترة الزمنية القصيرة جدًا ، والتي لا يستطيع المنظرون تتبعها ومعرفتها ، والتجارب المعملية. هي ، بالطبع ، مستحيلة في مثل هذه الحالات.
تقليد قوانين الطبيعة:
بدأت عمليات المحاكاة الحاسوبية في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي ، لملء الفراغ الموجود في تفاصيل موت النجوم ، وبدأت هذه المحاكاة بنموذج رياضي لنجم يصف كتلة النجم وتكوينه الكيميائي وبنيته الداخلية. ، وبداية المحاكاة لها تأثير مشابه لبداية قوانين الفيزياء ، أي بداية محاكاة نموذج نجمي. تبدأ التفاعلات النووية ، وتدور تيارات الحمل الحراري ، وتضغط الجاذبية على لب النجم ، ويتسرب المزيد من النيوترونات عبر طبقات الغلاف الجوي. في غضون ذلك ، ينتظر الفيزيائي ما سيحدث ، والانتظار لم يدم قصيرًا ، حتى باستخدام أسرع أجهزة الكمبيوتر.يمكن أن تستغرق المحاكاة عدة دقائق لتمثيل ما يحدث في الطبيعة في بضع أجزاء من الثانية ، لكن النتائج تستحق الانتظار .
وعلى سبيل المثال ، كشفت عمليات المحاكاة الحاسوبية أن تفجير النجم ليس بالأمر السهل دائمًا ، لأن موجة الصدمة التي تحمل الزخم من قلب النجم المنهار إلى الطبقات الخارجية تميل إلى تأخير وتوزيع طاقتها في تفتيت النوى الذرية ، حتى هذه الطاقة. يتم إحياءه بالنيوترونات من القلب. .
ومن ناحية أخرى ، فإن ملاحظة المستعرات الأعظمية الحقيقية - ولا سيما المستعر الأعظم لسحابة ماجلان الكبرى - ألهمت بشكل كبير واضعي نماذج الكمبيوتر ، وأصبح الحوار العلمي أكثر صخبًا وثلاثيًا (النظرية والتجربة والمحاكاة) ، مما يجعل جميع الأطراف يخرجون بمزيد من المعرفة والحكمة.
واستخدام أجهزة الكمبيوتر للحصول على نتائج تفصيلية للقوانين الفيزيائية ليس بالأمر الجيد على الإطلاق.في القرن الثامن عشر ، تم دمج نماذج الكواكب مع آلية الساعة المعقدة (تسمى نماذج الكواكب التي توضح معداتها حركات ومواقع الكواكب في النظام الشمسي ألبينو ، وهي أجهزة كمبيوتر ميكانيكية عمليا) تحاكي حركات الكواكب وأقمارها ، وكان إذا أراد المرء معرفة تكوين النظام الشمسي للسنوات قبل أو بعد أن يدير الكرنك لصنع الكواكب والشمس يتحرك ، حتى يعرف ما يريد ، كما أن بعض الأسطرلاب الأقدم يخدم أغراضًا مماثلة.
وفي الواقع ، قد تكون تقنية هذه المحاكيات قديمة جدًا ، ويُعتقد أن إحدى القطع المعدنية المتآكلة التي عثر عليها في حطام سفينة بالقرب من الجزيرة اليونانية "Antikythera" ليست سوى بقايا كمبيوتر كوكبي صنع في القرن الأول قبل الميلاد ، ولكن هذه الأجهزة كانت فقط أدوات لتوفير الجهد ، ولم يحل المشكلات التي لا يمكن حلها بوسائل أخرى ، ولم تظهر المحاكاة كمسار بديل يؤدي إلى معرفة جديدة وأصلية فقط بعد أن حلت أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية القوية محل الأجهزة الميكانيكية في منتصف القرن الماضي.
طريقة مونت كارلو:
واحدة من أقدم وأشهر البراهين العلمية التي تم الحصول عليها عن طريق المحاكاة حدثت في المختبرات الأمريكية في لوس ألاموس بعد نهاية الحرب العالمية الثانية مباشرة ، وكان الباحثون لا يزالون يعملون بجد لإنتاج أكثر القنابل الذرية نجاحًا ، وكانوا بحاجة إلى طريقة. للتنبؤ بمصير النيوترونات المنقولة عبر مواد مختلفة ، عندما يصطدم نيوترون بذرة فإنه يتشتت ويمكن امتصاصه ، أو يمكن أن تنقسم نواة الذرة في بعض الحالات إلى إطلاق وإطلاق المزيد من النيوترونات ، والنتائج المختلفة لاحتمالات كان هناك تصادم معين معروف ، لكن المشكلة بقيت وصعبة الحل لأن كل نيوترون كان متورطًا في عدد كبير من الاصطدامات وطور عالم الرياضيات ستانيسلاف أولام حلًا بسيطًا ، أو بدا الأمر بسيطًا بالنظر إليه لاحقًا ، أي بعد الوصول إليه وتطبيقه. والنتيجة تم تحديد كل تصادم عن طريق الاختيار العشوائي لرقم من الاحتمالات المعروفة ، ويمكن تمثيل المحاكاة من حيث المبدأ باستخدام الدوار. على سبيل المثال ، تم تحديد أنه إذا توقف الدوار على رقم زوجي ، فإن النيوترونات مبعثرة و الرقم الفردي يمثل اتصال النيوترون.
ويمكن أن تحدث حالات انقسام نادرة عندما تتوقف عجلة الروليت عند الصفر (لكن الاحتمالات الفعلية تختلف عن ذلك (في إشارة إلى كازينوهات المقامرة بما في ذلك لعبة الروليت) ، وعلى مر السنين تم تطبيق هذه الطريقة على العديد من المشكلات بخلاف رسم مسارات النيوترونات. من وجهة نظر علمية ، فإن لعبة الروليت ليست الأداة المفضلة لدراسات مونت كارلو ، فقد استخدم أولام وزملاؤه نوعين لحل هذه المشكلة ، وهناك نوعان من أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الرقمية ، وهما الكمبيوتر "أنياك" و كمبيوتر "مينياك". اليوم ، يتم إجراء عمليات المحاكاة بواسطة أسرع أجهزة الكمبيوتر المتاحة ، والتوافر الواسع لهذه الأجهزة هو ما سمح لعمليات المحاكاة الحاسوبية بالازدهار على مدى العقدين الماضيين.
الحلول المستحيلة:
ليس من المستغرب أن "علم المحاكاة" قد استخدم على نطاق واسع في المناطق التي تواجه طرقًا بها عوائق ، وتحدث المحاكاة في حدوث المستعرات الأعظمية لأن مثل هذه الأحداث نادرة وتقع بعيدًا جدًا عنا وفي الأماكن التي بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من البدائل للمحاكاة في محاولتنا لفهم البنية الهائلة للكون ، حيث تكون المحاكيات هي الطريقة الوحيدة للوصول إلى منظر الكون من الخارج ، وتبين لنا المحاكاة شبكة واسعة من الخيوط الرفيعة ومنازل العنكبوت المشابهة لـ الخرائط الأولية التي أعدها المراقبون الفلكيون ، وهي على الأقل تقدم أدلة أولية حول كيفية تطور هذه الهياكل ، والمحاكاة لا تملأ فقط الفراغ الناشئ عن التجارب غير العملية في بعض الحالات ، ولكن أيضًا فجوة مماثلة في النظريات غير المناسبة.
عولى سبيل المثال ، في السبعينيات من القرن الماضي ، كانت إحدى أكثر المشكلات تعقيدًا في الفيزياء النظرية هي تفسير ارتداد الكواركات (الجسيمات التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات ، وما إلى ذلك) فقد أظهر وجود روابط لا تنفصم بينها ، و كانت الروابط هي روابط القوة النووية القوية الموصوفة في نظرية تسمى "نظرية التكسير الكمومي" ، لكن المنظرون لم يجدوا في هذه النظرية أي مساعدة في شرح سبب هذه الحرية العظيمة التي تتمتع بها الكواركات وعدم انفصالها عن بعضها البعض. في الوقت نفسه ، كانت المشكلة أساسًا أن مجال القوة بين كواركين كان أكثر تعقيدًا مما يمكن حسابه ، ولم يتم العثور على حل نهائي لهذه المشكلة بعد ، ولكن تم عرض الحل الأقرب حتى الآن في الكمبيوتر المحاكاة التي طورها "كينيت ويلسون" من جامعة كورنيل.
تطوير العلوم التجريبية:
قد تشير هذه الأمثلة وغيرها إلى أن المحاكاة الحاسوبية تستخدم فقط في الحالات الصعبة وعندما تفشل النظرية والتجربة التقليدية ، ولكن في الحقيقة أن المحاكاة الحاسوبية قد وجدت مكانًا في العلم.التي لا تعاني من مثل هذه الحواجز المنهجية ، على سبيل المثال ، الكيمياء علم تجريبي نموذجي ، ولكن في العقدين الماضيين أصبحت الكيمياء الحاسوبية علمًا فرعيًا مهمًا. يعمل بعض الكيميائيين الحسابيين لحساب بنية الجزيئات من المعادلات الأساسية لميكانيكا الكم. يستخدم البعض الآخر طرقًا حسابية أقل دقة لوصف الجسيمات الكبيرة ، مثل الانتشار ، أو لاستكشاف الأنظمة المعقدة للتفاعلات المترابطة ، كما هو الحال في احتراق الوقود. الميزة الكبرى للطرق الحسابية هي أنها تسمح للكيميائي برؤية الأشياء التي كان يمكن استقراءها من نتائج التجربة التقليدية مباشرة. على سبيل المثال ، أجرى الكيميائي Enrico Clemente محاكاة مونت كارلو لجزيئات الماء المحيطة بالشريط (اللولب المزدوج) للحمض النووي (D.N.). طرق عملية تميل فيها جزيئات الماء إلى ترتيب نفسها وفقًا لأنماط هذه التفاعلات.
محاكاة علم الأحياء والمناخ:
دخلت أجهزة الكمبيوتر أيضًا إلى مختبرات الأحياء ، وكان علماء الأحياء الذين يدرسون ديناميكيات السكان هم أول من استخدم محاكاة الكمبيوتر. تتمثل المشكلة التقليدية في هذا المجال في تصور كيفية تذبذب أعداد الأنواع المفترسة على مجموعة الفرائس عندما يكون النوعان على اتصال مع في حين أن المراقبة الميدانية في هذه المنطقة قد تستغرق سنوات ، يمكن للكمبيوتر أن يمر عبر أجيال من الأرانب البرية في دقائق وأجيال من الوشق (حيوان أصغر من النمر يتغذى على الأرانب البرية) ، للكشف عن العلاقة العكسية بين المجموعتان ، وطريقة مماثلة تُستخدم حاليًا في دراسة الأمراض المعدية ، بما في ذلك انتشار الإيدز (نقص المناعة) في البشر.
والتنبؤ بالمناخ هو مجال آخر تؤثر فيه المحاكاة الحاسوبية بشكل مباشر على مصلحة اجتماعية أخرى ، حيث أننا جميعًا نعرف في السنوات الأخيرة أن الأنواع البشرية لديها القدرة على تعديل مناخ الأرض من خلال تأثير الاحتباس الحراري أو الاحتباس الحراري. المناخ (الدفيئة) ، و وكان آخر مصدر لهذه المعرفة هو المحاكاة الحاسوبية التي تنبأت بآثار زيادة تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي على المناخ ، ولا يزال العلماء يدرسون مدى هذه التأثيرات ، وتنتج نماذج مختلفة نتائج متباينة على مقياس الإحباط. ، ولكن يبدو أن معظمهم يتفق مع الفكرة المركزية القائلة بأن العالم يزداد دفئًا حقًا وأن ظاهرة الاحتباس الحراري بدأت الحرارة الحرارية تهدد مناخ الأرض.
