Προσομοίωση – Ο βαρόνος Μυνχάουζεν της εκπαίδευσης

Όλο και πιο συχνά τελευταία ακούω πως για διάφορους “σοβαρούς” λόγους:

η προσομοίωση αντικαθιστά το πείραμα

ότι δηλ. διδάσκοντας Φυσική μπορούμε να χρησιμοποιούμε την προσομοίωση αντί πειράματος.

Η άποψη αυτή μου έφερε στο μυαλό το βαρόνο Μυνχάουζεν, ο οποίος σε κάποια από τις φανταστικές περιπέτειες του, έχοντας βουλιάξει σ’ έναν βάλτο, άρπαξε την κοτσίδα του με το ίδιο του το χέρι, και τράβηξε το κορμί του έξω απ’ τα λασπόνερα γλυτώνοντας έτσι από φρικτό θάνατο.

Θα μου πείτε πως πολύ περίεργους συνειρμούς κάνει το μυαλό σου. Ας εξηγηθώ λοιπόν.

Πως φτιάχνεται μια προσομοίωση;

Χρειαζόμαστε ένα φυσικό φαινόμενο, το θεωρητικό του μοντέλο και ένα προγραμματιστή.

Ο προγραμματιστής σχεδιάζει πρώτα το γραφικό περιβάλλον της προσομοίωσης που περιλαμβάνει μια καρτουνίστικη εν πολλοίς αναπαράσταση του φαινομένου και  ένα σύνολο ρυθμιστικών για τη μεταβολή των ανεξάρτητων μεταβλητών-φυσικών μεγεθών του μοντέλου (π.χ. ένα slider για τη μεταβολή της μάζας του σώματος, κλπ).

Στη συνέχεια προγραμματίζει την επίλυση του συστήματος των μαθηματικών εξισώσεων που απαρτίζουν το θεωρητικό μοντέλο του φαινομένου, και υπολογίζει-απεικονίζει τις τιμές των εξαρτημένων μεταβλητών-φυσικών μεγεθών του μοντέλου ή και αναπαριστά γραφικά τη χρονική του εξέλιξη ή τη σχέση μεταξύ διάφορων φυσικών μεγεθών του μοντέλου (δημιουργεί δηλ. πολλαπλές αναπαραστάσεις).

Η ουσία είναι πως όλα τα αποτελέσματα που παίρνουμε από την προσομοίωση προέρχονται από την επίλυση του συνόλου των μαθηματικών εξισώσεων που περιγράφουν το θεωρητικό μοντέλο για το φυσικό φαινόμενο που θέλουμε να μελετήσουμε. Για να το πω αλλιώς με την προσομοίωση ο προγραμματιστής δεν αναπαράγει ένα φυσικό φαινόμενο αλλά το θεωρητικό του μοντέλο. Σε αντιδιαστολή το πείραμα -σε ελεγχόμενες συνθήκες- αναπαράγει το φυσικό φαινόμενο.

Η προσομοίωση στην εκπαιδευτική εκδοχή της επιστημονικής μεθόδου (διερευνητική μέθοδος) οφείλει να χρησιμοποιείται όπως ακριβώς χρησιμοποιείται και το θεωρητικό μοντέλο ενός φαινομένου στην επιστημονική μέθοδο.

Ας το εξηγήσουμε λέγοντας δυο πραγματάκια για τα θεωρητικά μοντέλα στη Φυσική.

Ένα επιστημονικό μοντέλο στοχεύει στην εξήγηση ή την κατανόηση μιας πτυχής του πραγματικού κόσμου. Δηλαδή, αντίθετα από τη θεωρία, τα μοντέλα αναφέρονται πάντα σε ένα συγκεκριμένο φυσικό σύστημα ή φαινόμενο. Στη Φυσική τα μοντέλα είναι συνήθως μαθηματικά, δηλαδή οι φυσικές ιδιότητες αναπαριστώνται από κατάλληλα φυσικά μεγέθη, και προκύπτουν με αφαίρεση και απλοποίηση του συστήματος, εστιάζοντας μόνο στα σημαντικά χαρακτηριστικά  του, ώστε να γίνει δυνατή η εφαρμογή της θεωρίας στη σύνθετη πραγματικότητα. 

Δηλαδή το μοντέλο είναι απλοποιημένη/εξιδανικευμένη αναπαράσταση ενός φυσικού συστήματος, και γι’ αυτό υπόκειται σε περιορισμούς, είναι προσωρινό και επιδέχεται αλλαγές ή βελτιώσεις,  οι οποίες είναι αποτέλεσμα της πειραματικής δοκιμής του μοντέλου. 

Με τα πειράματα αφενός αξιολογείται η αξιοπιστία των υποθέσεών του μοντέλου και αφετέρου συγκρίνονται οι προβλέψεις του με τα αντίστοιχα πειραματικά ευρήματα. Όταν νέα πειράματα, που διεξάγονται υπό ευρύτερο φάσμα περιστάσεων ή με μεγαλύτερη ακρίβεια, καθιστούν ανεπαρκείς τις προηγουμένως ικανοποιητικές εξηγήσεις του μοντέλου, είναι επιβεβλημένη η αναθεώρησή του και η εκ νέου πειραματική δοκιμή.

Συμπερασματικά το πείραμα είναι ο τρόπος της επιστημονικής μεθόδου (και συνεπώς και της εκπαιδευτικής της εκδοχής, δηλ. της διερευνητικής μεθόδου) για την επιβεβαίωση ή την αναθεώρηση του θεωρητικού μοντέλου για κάποιο φυσικό φαινόμενο.

Στο πλαίσιο αυτό η άποψη ότι «η προσομοίωση αντικαθιστά το πείραμα» πολύ απλά μας πληροφορεί ότι η προσομοίωση (ως αναπαράσταση του θεωρητικού μοντέλου) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιβεβαίωση ή την αναθεώρηση (?) του θεωρητικού μοντέλου (του εαυτού της δηλαδή). Πέραν του ότι αποτελεί αυτοεκπληρούμενη προφητεία (αφού ποτέ δεν διαψεύδει τον εαυτό της!), λειτουργεί όπως ακριβώς και ο βαρόνος Μυνχάουζεν, που έσωσε τον εαυτό του από πνιγμό τραβώντας τον με το χέρι του από τα μαλλιά του!

Αυτό που ισχυρίζομαι είναι πως 

η άποψη ότι «η προσομοίωση αντικαθιστά το πείραμα» αποτελεί
ψευδο-επιστημονική πρακτική 

Ως εκπαιδευτικοί οφείλουμε να αναγνωρίζουμε τις δυνατότητες, αλλά και τους περιορισμούς των διδακτικών εργαλείων και ανάλογα να τα χρησιμοποιούμε. Λανθασμένη ή παραπλανητική χρήση των διδακτικών εργαλείων δε μπορεί να αποτελεί μέρος του τρόπου μας να δημιουργήσουμε ενεργούς πολίτες.

Όλα αυτά δεν αναιρούν τη διδακτική αξία των προσομοιώσεων. Άλλωστε η χρήση τους μπορεί να εξυπηρετήσει και άλλους διδακτικούς στόχους, όπως τη λεπτομερή μελέτη του θεωρητικού μοντέλου κάποιου φαινομένου και την -μέσω των πολλαπλών αναπαραστάσεων που συνήθως προσφέρουν- ανάδειξη και κατανόηση των σχέσεων των εμπλεκομένων σε αυτό φυσικών μεγεθών.

Σε κάθε περίπτωση εκφράσεις όπως «πειραματισμός», «πείραμα" (εικονικό ή μη), «λήψη μετρήσεων» με την προσομοίωση
είναι λανθασμένες και δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται.
Επιπλέον πρέπει με κάθε σαφήνεια να δηλώνουμε πως η χρήση προσομοίωσης
αποτελεί μελέτη του θεωρητικού μοντέλου του φαινομένου.