計算機模擬實驗的優(yōu)越性及其限度

唐國梅

摘要：計算機模擬實驗是一種新的科學(xué)實驗方式，具有強大的計算能力。與傳統(tǒng)實驗相比有著自己的優(yōu)越性和獨特性，可以突破實驗主體的認知限度和時空條件的約束，規(guī)避自然規(guī)律，實現(xiàn)對科學(xué)領(lǐng)域的擴張。計算機模擬實驗也存在不足，該實驗的進行必須依賴數(shù)學(xué)模型的建立，驗證過程具有不確定性。計算機模擬實驗推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，擴大了實驗研究的范圍。

關(guān)鍵詞：計算機模擬實驗；優(yōu)越性；獨特性；限度

計算機是20世紀最重要的科學(xué)技術(shù)之一，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機模擬實驗也在不斷進步。計算機模擬實驗的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)科學(xué)實驗存在的不足，讓社會得以更快地發(fā)展，也引發(fā)了哲學(xué)家們對二者之間的關(guān)系對比研究。現(xiàn)階段學(xué)者們對于計算機模擬實驗的哲學(xué)思考研究還比較薄弱，仍處在進一步探索中，從不同角度探索與傳統(tǒng)實驗之間的差異。計算機模擬實驗有著自身的特點和局限性，本文將以更深入的視角對計算機模擬實驗進行剖析和探討。

一、計算機模擬實驗的產(chǎn)生及其原理

科學(xué)實驗推動著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在觀察對象得不到滿足的情況下，人們通常以自然條件為工具對被研究對象進行干預(yù)，是人們使用一定手段和工具實現(xiàn)實驗?zāi)康牡囊环N實踐活動，包括實驗主體、實驗對象和實驗工具三個基本要素[1]。科學(xué)實驗的規(guī)模在不斷擴大，實驗方法種類日益增多。在計算機模擬實驗出現(xiàn)以前，主要有實物實驗、思想實驗和模型實驗等幾種實驗方式。[2]

實物實驗，即實驗過程中的實驗主體、實驗對象和使用的實驗工具等在實際場所中以實物為基礎(chǔ)進行的實驗方式；思想實驗則是依靠人腦，借助人的邏輯思維能力，在頭腦中架構(gòu)實驗?zāi)Ｐ汀⑼茢鄬嶒灲Y(jié)果的一種實驗方式；模型實驗的對象是被研究對象的模擬物，把原型的最基本特征和屬性用模型體現(xiàn)出來，通過研究模型得出實驗原型的性質(zhì)特征，最終達到實驗?zāi)康腫2]。三種實驗方式有著共同之處。第一，具備實驗的三個基本要素，有著明確的目標，具有實驗的性質(zhì)；第二，根據(jù)實際系統(tǒng)建立相應(yīng)的模型，對模型進行研究來實現(xiàn)實驗?zāi)繕恕3]以上是研究者較為重視且使用較多的傳統(tǒng)實驗方法，是實驗進行的基礎(chǔ)，它們是對現(xiàn)存問題的一種研究方式，一種解決方法。

然而，在面對一些復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)值模擬問題和危險性高的實驗時，使用傳統(tǒng)的實驗方法可能達不到理想的結(jié)果，而且還需付出大量的人力物力。[4]因此，需要建構(gòu)一種模型作為研究對象，由此產(chǎn)生了一種以計算機為基礎(chǔ)的新的實驗方式——計算機模擬實驗。從19世紀四十年代第一臺電子計算機誕生開始，計算機模擬技術(shù)經(jīng)歷了模擬階段、串行處理階段、模擬——數(shù)字混合機階段和并行處理階段四個發(fā)展歷程。[5]計算機模擬又可以稱為計算機仿真或計算機實驗，[6]是指“在計算機上對實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行模擬試驗，從而達到研究一個已存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)的目的”[2]。

計算機模擬實驗主要包括以下過程[5-8]：（1）系統(tǒng)分析。盡可能收集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)的不足，確定實驗?zāi)康摹＃?）確定實際系統(tǒng)。即根據(jù)實驗?zāi)康拇_定實驗研究對象。（3）建立數(shù)學(xué)模型。依據(jù)所收集的數(shù)據(jù)，分析確定實際系統(tǒng)所涉及的變量和參數(shù)，找到各個變量和參數(shù)之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，用一系列數(shù)學(xué)方法和邏輯表達式描述參數(shù)與變量之間的函數(shù)關(guān)系的過程。（4）建立仿真模型。將建立好的數(shù)學(xué)模型之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的指令，編寫相應(yīng)程序。（5）進行仿真實驗。在計算機上執(zhí)行程序，仿真得出實驗結(jié)果。（6）實驗結(jié)果分析。看仿真結(jié)果與實驗?zāi)繕耸欠裣喾希磸?fù)修改程序中的參數(shù)變量得出最佳的實驗結(jié)果。[6][8]無論是傳統(tǒng)實驗，還是計算機實驗，都是人借助不同的模型對實際系統(tǒng)進行模擬，達到實驗的預(yù)期目標。了解計算機模擬實驗的產(chǎn)生和原理，可以更好地研究計算機模擬實驗的特點和不足。

二、計算機模擬實驗對傳統(tǒng)實驗的超越

計算機模擬實驗是以計算機模擬技術(shù)為基礎(chǔ)形成的一種新的科學(xué)實驗形式，它的產(chǎn)生為后來的科學(xué)研究提供了極其重要的技術(shù)指導(dǎo)。它改變了人們傳統(tǒng)的思維方式，擴展了人們的思維能力，在一定程度上改善了實驗主體的認知局限，不再受制于真實物質(zhì)世界的限制，研究對象范圍更廣泛，人們可以接觸許多沒有見過的新事物。

（一）突破時空條件的約束

傳統(tǒng)實驗依附于真實存在的物體，當研究對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易操作時，會耗費大量的人力、物力，但還不能確保實驗順利進行。計算機技術(shù)的產(chǎn)生改變了這種尷尬的局面，使得傳統(tǒng)實驗不再受制于真實的物理世界，不再受時間和空間的限制。只需要建立一個模型來模擬實際系統(tǒng)，對模型進行研究，便可解決上述問題。

在現(xiàn)代社會，人們出行會選擇不同的交通工具，然而也面臨著一個讓人頭疼的問題，那就是交通擁堵，遇到高峰期可能讓你寸步難行。工程師們需要根據(jù)道路情況做出總體設(shè)計規(guī)劃，對道路交通流量進行分析假設(shè)。然而工程師們不可能邊試驗邊進行道路交通建設(shè)，不可能站在道路上用肉眼進行觀察，這樣無疑會造成交通癱瘓。而是需要一個合適的虛擬實驗室將各種因素結(jié)合在一起，合理規(guī)劃交通燈、人行道、各種車道以及高架橋等之間正確的組合方式，讓人們可以暢通無阻的出行。利用計算機模擬技術(shù)，工程師們可以創(chuàng)建一個虛擬的道路交通電子世界，根據(jù)需求對局部交通區(qū)域進行擴大，任意觀察某條道路交通擁擠情況。用不同的顏色對道路情況進行標記，可以看到任意一條路線在各個時間點的交通情況，有針對性的對某一個區(qū)域存在的問題進行改進。[9]141-153

對于這種具有復(fù)雜性的研究對象，傳統(tǒng)實驗無法根據(jù)肉眼完成這么龐大的任務(wù)。而在通過計算機模擬技術(shù)創(chuàng)建的電子世界中，可以把實物轉(zhuǎn)化為電子模型，實現(xiàn)對研究對象的任意放大或縮小，不用再局限于有著固定場所的附著于實物的實驗室中，突破了時空條件的約束。

（二）突破主體認知的局限

無論是傳統(tǒng)實驗還是思想實驗，它們的實驗主體是人，實驗的起始需要人利用自己的思維去去思考和建構(gòu)模型，否則實驗無法自己完成。人作為現(xiàn)實世界的存在物，必然存在認知上的局限。然而計算機仿真技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它具有快速且強大的數(shù)學(xué)計算能力，可以解決傳統(tǒng)實驗解決不了的復(fù)雜性計算問題，人類在認知能力上的缺陷得以突破。

利用計算機技術(shù)建立的電子世界，可以包含城市的地理結(jié)構(gòu)、道路等，將實物用數(shù)學(xué)符號表示，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，再利用計算機模擬技術(shù)將各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換為計算機語言進行計算。工程師便可在計算機上對交通狀況進行調(diào)整，再應(yīng)用到實踐中，節(jié)省了資源。整個計算過程精細而復(fù)雜，需要極大的運算量，而人的精力和認知都很有限，靠人的數(shù)學(xué)計算能力無法完成這么大的工作量，不能理清各種參數(shù)之間繁瑣的數(shù)學(xué)關(guān)系。計算機模擬實驗是對人腦的擴充，延展了人的思維，在一定程度上突破了人類的認知局限，帶來更多的可能性。[2]

三、計算機模擬實驗的獨特性

計算機模擬實驗是對已建立的數(shù)學(xué)模型用計算機語言進行仿真運行的過程，無需大的空間，該過程在計算機創(chuàng)建的虛擬空間里即可操作完成，這是它自身具備的獨特的特點，不同于傳統(tǒng)的實驗。

（一）對自然規(guī)律的規(guī)避

古時候人們只能根據(jù)自然規(guī)律預(yù)測天氣，而這種預(yù)測的可信度是不精確的。隨著計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，人們可以利用計算機技術(shù)建立一個虛擬環(huán)境，形成一種人機交互界面，研究者們可對即將要發(fā)生的結(jié)果進行推測。氣象學(xué)家們可以通過氣象儀觀測風(fēng)速、溫度、氣壓和水汽等變量，建立求解大氣的復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系式，利用計算機仿真進行計算，使得這些變量涉及的方程式具有最新的數(shù)值，實現(xiàn)實時更新天氣情況。[9]63-66利用計算機模擬技術(shù)創(chuàng)建的獨特的環(huán)境，無需出門，只需要建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對這些數(shù)值進行分析、評估，即可對未來幾天的天氣進行預(yù)測和預(yù)報，給人們的出行帶來了極大的便利。通過計算機模擬技術(shù)的使用可以不再受限于現(xiàn)實世界的實體，獲得傳統(tǒng)實驗無法獲得的經(jīng)驗材料，在避開自然規(guī)律的情況下達到實驗?zāi)繕恕?/p>

（二）對科學(xué)領(lǐng)域的拓張

傳統(tǒng)實驗有著自身的局限性，對于復(fù)雜性、帶有危險性的實驗，僅依靠人借助實物是無法完成的。而計算機模擬技術(shù)可以讓我們在未知的領(lǐng)域探索出無限多種可能，如實現(xiàn)對天氣的實時更新研究。我們實現(xiàn)了中長期天氣的預(yù)測，然而這個計算過程極其復(fù)雜，必須借助計算機技術(shù)超強的計算能力。氣象學(xué)家研究天氣時，將區(qū)域內(nèi)附加網(wǎng)格并對其進行劃分，網(wǎng)格中包括溫度、風(fēng)速、氣壓等變量，通過衛(wèi)星、氣象船等方式觀測實地天氣獲得初始時刻這些變量的數(shù)值，再根據(jù)獲得的這些數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)關(guān)系推斷這些變量的數(shù)值將發(fā)生的變化，建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式，形成對未來天氣預(yù)測的模型，預(yù)報天氣。[9]63這個領(lǐng)域傳統(tǒng)實驗無法介入，不可能用人工去探測、去計算。而利用計算機模擬技術(shù)對提前建立的數(shù)學(xué)模型進行模擬實驗，可以讓我們預(yù)知未來的天氣，拓張了科學(xué)研究領(lǐng)域，為科技的發(fā)展做出了重大貢獻。

四、計算機模擬實驗的限度

計算機模擬實驗有著獨特的性質(zhì)，它能夠超越傳統(tǒng)實驗存在的不足。可以將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成計算機語言，可以利用計算機的強大的數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)處理能力得出精確的數(shù)值解，但也有著自身的局限性，對研究主體和研究對象都有極高的要求。

（一）對數(shù)學(xué)模型的依賴

進行實驗之前，必須根據(jù)系統(tǒng)目標建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是指借助于數(shù)學(xué)符號，針對實際系統(tǒng)的特征和數(shù)量依存關(guān)系，運用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了系統(tǒng)各要素以及它所表征的變量、參數(shù)之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系。需要抓住實際模型的主要矛盾對其進行簡化，并且該數(shù)學(xué)模型必須是可推導(dǎo)的，否則沒有意義。[10]

計算機模擬實驗與數(shù)學(xué)模型有著密切的關(guān)系，前者為后者提供便利，后者為前者提供基礎(chǔ)。然而，數(shù)學(xué)模型的建立要求工作人員必須熟練地掌握數(shù)學(xué)知識，使用數(shù)學(xué)知識。研究人員需要具備數(shù)學(xué)知識和計算機知識，才能更好地將二者結(jié)合起來，將實驗得以實現(xiàn)。數(shù)學(xué)建模以人為主體，通過人的主體性以實際系統(tǒng)為原型，探索研究對象中存在的規(guī)律，確定目標之后再建立研究對象之間的邏輯關(guān)系。然而人對事物的認識水平、技術(shù)的掌握有限，其自身的數(shù)學(xué)水平也有限，各種局限性使得某些實際問題無法設(shè)計出準確的數(shù)學(xué)模型。而且某些領(lǐng)域至今還沒有發(fā)展到用建模方法尋求事物規(guī)律的階段，超出了人類認識的范圍。比如說我們國家的中醫(yī)診斷過程，更符合只可意會不可言傳的一種境界，目前還無法用數(shù)學(xué)關(guān)系去尋求一種普遍的規(guī)律，無法建立起數(shù)學(xué)模型，當前還存在一定的難度。

計算機仿真實驗的實驗對象是抽象的數(shù)學(xué)模型，即便是最簡單的實驗，只有將數(shù)學(xué)模型翻譯為計算機識別的語言才能進行模擬實驗，否則實驗無法進行。因此對計算機模擬的使用僅限于我們能夠考察的范圍，可以找到邏輯關(guān)系和規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型的依賴導(dǎo)致了計算機模擬實驗存在局限性，需要我們進一步去開拓和完善。

（二）驗證的不確定性

傳統(tǒng)實驗以實物為模型，可以直觀觀察到實驗的變化過程，實驗結(jié)果出現(xiàn)錯誤時可以直接判斷哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，有針對性的對實驗過程中的實物進行調(diào)整，直觀便捷，目標明確。計算機模擬實驗則不同，實現(xiàn)系統(tǒng)目標需要經(jīng)過數(shù)學(xué)模型和仿真模型兩個階段。首先根據(jù)研究對象之間的邏輯關(guān)系，用數(shù)學(xué)語言進行描述，利用參數(shù)和變量確定數(shù)學(xué)模型，再將模型轉(zhuǎn)換為計算機能夠讀取的機器語言，在計算機上運行調(diào)試。該過程可以看到仿真結(jié)果，但不能直接觀察實驗的仿真過程。當我們調(diào)試運行的實驗結(jié)果和預(yù)期的系統(tǒng)目標不一致時，對于一些隱藏的錯誤無法直接發(fā)現(xiàn)，是不確定的，需要對仿真結(jié)果進行仔細的分析和研究，數(shù)學(xué)模型或是仿真程序出現(xiàn)錯誤都會導(dǎo)致實驗結(jié)果的失敗，因此需要從起點開始檢查，通過一次次調(diào)試運行來排除可能出現(xiàn)的錯誤，無法像傳統(tǒng)實驗?zāi)菢又苯訉嵨镞M行修改。驗證的不確定性增加了計算機模擬實驗的難度，一次次的調(diào)試直到運行結(jié)果達到預(yù)期目標，運行結(jié)果沒有顯示錯誤，與設(shè)計中的實際模型達到高度相似，實驗才算完成。

小結(jié)

計算機模擬實驗與實際相結(jié)合，不受時間和空間的約束，擴展了科學(xué)研究的領(lǐng)域，獲得傳統(tǒng)實驗無法獲得的經(jīng)驗材料，在一定程度上是人腦思維的擴充，突破以人為主體的認知局限，是研究者們不可或缺的實驗工具。但是對數(shù)學(xué)模型的依賴和驗證的不確定性使得該實驗方式存在著局限性。目前計算機模擬技術(shù)已經(jīng)滲透到科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，在各實驗方法中起著舉足輕重的作用，它的產(chǎn)生給我們的生活帶來了極大的便利，讓我們的生活越來越智能化，足不出戶也可以吃飽穿暖，可以學(xué)習(xí)工作，可以瀏覽天下事，智能時代的到來離不開計算機模擬技術(shù)，未來的發(fā)展和改變會更加出乎意料，也會給我們帶來更多的美好事物和便利。

參考文獻：

[1]陳利珍. 虛擬實驗的哲學(xué)反思[D]. 南昌大學(xué)， 2009.

[2]李友良.思維實驗初探[J].滁州師專學(xué)報，2004（01）：17-19.

[3]嘎日達.社會實驗與自然科學(xué)實驗的方法論比較[J].北京行政學(xué)院學(xué)報，2002（02）：80-83.

[4]歐宜貴，李志林，洪世煌.計算機模擬在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用[J].海南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（01）：89-95.

[5]趙時亮.虛擬實驗：從思想實驗到虛擬現(xiàn)實[J].科學(xué)技術(shù)與辯證法，1999（06）：21-25.

[6]曹偉，張忠利，姜斌，李醒飛.論計算機仿真方法[J].自然辯證法研究，1997（04）：43-48.

[7]林夏水.科學(xué)實驗的新形式──計算機實驗[J].哲學(xué)研究，1998（08）：17-24.

[8]萬世昌，張珍.計算機模擬的應(yīng)用和方法介紹[J].計算機與現(xiàn)代化，2009（10）：49-51.

[9]（美）約翰·L·卡斯蒂.虛實世界——計算機仿真如何改變科學(xué)的疆域[M].王千祥，權(quán)利寧譯.上海：上海科技教育出版社，1998.

[10]彭文青. 傳統(tǒng)實驗比計算機模擬在認知上更優(yōu)越？[J].自然辯證法通訊，2018，40（06）：36-43.