חקר מערכות מורכבות באמצעות מודלים. מאת עינת גיל

אחרי ששנים רבות עיסוקו העיקרי של המדע היה לרסק מערכות בבלנדר ולבחון את מרכיביהן אחד אחד כמיטב מסורת הרדוקציה, הצטבר גוף ידע בתחומים רבים המאפשר בחינת מערכות בשלמותן כדי להבין תופעות המתרחשות בהן. לכן, שמחתי כשעינת גיל, דוקטורנטית בחוג לחינוך מתמטי באוניברסיטת חיפה, נענתה להזמנתי להשתתף כמרצה בקורס למורי מחוננים על למידת חקר ולכתוב מאמר בבלוג זה. עינת, בבקשה…

  • כיצד עפות ציפורים במבנה, האם יש להן מוביל או מבנה מתעדכן?
  • מה עומד מאחורי תהליכים חברתיים כדוגמת שינויים דמוגרפים או שינויי שפה?
  • כיצד ניתן לחזות התפשטות איידס, שמועות בקהילה או וירוס ברשת מחשבים?
  • מהי ההשפעה של עיקור חתולים על מערכת אקולוגית?
  • מה יהיה תהליך התפתחותו של גביש בתנאים משתנים?
  • כיצד נוצר נחל כדוגמת הגרנד קניון בתנאי גשם שונים?

אלו חלק מהשאלות שניתן לשאול, לחקור ולבדוק במערכות מורכבות, תחום דעת מדעי רב-תחומי שזכה להכרה בשנות ה-90. חקר מערכות מורכבות שואב מתחומים רבים ככלכלה, ביולוגיה, רשתות מחשבים ועוד ומנסה למצוא עקרונות וקווים דומים בין מערכות מתחומי דעת שונים כדי לאפשר הבנה טובה יותר של תופעות שונות (Bar Yam, 1997). הדוגמאות למערכות מורכבות הן רבות ומגוונות, למשל: המוח, משפחות, רשת האינטרנט, תנועת מכוניות בכביש, מולקולות מים בקומקום, מעוף ציפורים, כרובית, פרקטלים, אומנות מוסלמית ועוד. בכל אחת מהדוגמאות הללו מצויות יחידות בסיס – פרטים/סוכנים עליהם פועל אוסף חוקים, המצמיח מערכת מרתקת וייחודית.

מערכת מורכבת עשויה מרכיבים רבים, הנמצאים באינטראקציה בינם לבין עצמם ועם סביבתם. מתוך האינטראקציה של פרטים אלו, נוצרת וצומחת התנהגות קולקטיבית של כלל האוכלוסייה שבה הפרטים מתארגנים באופן עצמאי בתבניות חוזרות למרות שבדרך כלל אינן מווסתות על ידי בקרה מרכזית (Resnick & Wilensky, 1993). למשל, הסתכלות על היבטים בחברה האנושית דרך העדשה של מערכות מורכבות עשויה להוליד את ההסתכלות הבאה: החברה האנושית מורכבת מאנשים משני מינים – גברים ונשים. לכל אדם מאוויים ורצונות ובין האנשים מתרחשות אינטראקציות בהן תקשורת, מעבר רגשות, השפעה על דעות, יחסים מיניים ועוד. רצונות הפרטים השונים והאינטראקציה ביניהם מצמיחים דפוסים המושפעים מתנאים שונים – דבר שמאפשר לראות כיצד המערכת משתנה בהתאם ל"רוחות" הנושבות דרך הפרטים, שאינם בהכרח תולדה של דברי מנהיגים אלו ואחרים. למעשה יש מעבר רמה בין האדם היחיד שעליו פועלים רצונות (כללים) מסוימים, למגמות ולדפוסים הנצפים בחברה, או על תת מערכת בתוכה (למשל שבט, משפחה או ישוב).

המחקר של מערכות מורכבות נעזר ביכולת חישובית של טכנולוגיות מחשב ומאפשר לחוקרים לחקור "היבטים של העולם האמיתי, שעבורם לאירועים ולפעולות יש גורמים והשלכות שונים, בסביבה בה מתקיימים מבנה וסדר ברמות שונות של זמן, מרחב וארגון"  (Jacobson & Wilensky, 2006). לצורך מחקר זה פותחה תוכנה ושפת מחשב בשם NetLogo על ידי פרופ' אורי ווילנסקי מהמרכז ללמידה מקושרת ומידול מבוסס מחשב, שבאוניברסיטת נורת'ווסטרן. נטלוגו מאפשרת לבנות ולשנות מודלים מבוססי-סוכנים של מערכות מורכבות, להריצם ולחקור תופעות שונות. במודלים ניתן באמצעות הליכי תיכנות לתת הוראות לסוכנים בלתי תלויים הפועלים באופן בו-זמני,  ולבחון קשרים בין תכונות וגורמים שונים – בין ובתוך הרמה המיקרו, ובינה לרמה המקרו – המשפיעות על הסביבה הנחקרת במודל (Wilensky, 2006). נטלוגו ניתנת להורדה חופשית מהאתר: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/  והיא מצוידת בספריית מודלים עשירה, בנושאים ותחומי תוכן שונים. בכל המודלים הקוד פתוח, ומידע חשוב ביחס לשימוש במודל נגיש וזמין (Info), דבר שמאפשר המשך לימוד ותורם ליצירת מודלים חדשים.

לדוגמה, נבחן את מודל השלכת בסתיו (Wilensky, NetLogo Autumn model) המצוי בספריית המודלים, במחיצת ביולוגיה. נוכל לבדוק ולחקור כיצד תנאים שונים – כרוח, עוצמת גשם ושמש, משפיעים על נשירת עלים מעץ, שינוי צבעם, והשתנות ריכוז החומרים בעלה. לקביעת התנאים ההתחלתיים יש לכוון את המחוונים לערכים הרצויים, למשל מספר העלים על העץ, הטמפרטורה וכו'. בלחיצה על Setup ואחר כך על Go תתחיל הרצת המודל. לצד החלון המרכזי בו נראית הסימולציה של העץ המצהיב ומשיר והגשם היורד, ניתן להמשיך ולכוון את הטמפרטורה ועוצמת הרוח, או להחליט להריץ את המודל מהתחלה עם תנאי פתיחה שונים. מעקב אחר כמות העלים הנושרים, תנאי מזג וריכוז החומרים בעלים (Leaf averages) נעשית באמצעות הגרפים משמאל.

אז מה משפיע, על מה, ועד כמה? ומה יקרה במצבי קיצון כמו שמש חזקה או הוריקן? השאלות העולות הן רבות, וכך גם הידע הטמון בסימולציה, בעזרתה החקר עשוי לעבור דרך כמה סבבי סקרנות.

einatpost1

איור 1 מה יקרה לעלים בתנאי מזג האוויר הנוכחיים? חקר מודל שלכת בנטלוגו
(Wilensky, NetLogo Autumn mode)

לצד מודלים רבים במדעי הטבע, מתמטיקה ומחשבים ניתן למצוא בספריית המודלים גם מודלים מעניינים במדעי החברה כמודל המרד (Rebellion), בידול/הפרדה (Segregation) והעברת איידס. המודלים מציגים הפשטה של המציאות המורכבת יותר, אך ניתן להיעזר בהם ללמוד ולחקור תופעות ומושגים תיאורטיים העומדים מאחוריהם. למשל מהו בידול חברתי, מדוע הוא נוצר? השאלה עשויה להוליד דיון מעניין, החורג מעבר לסימולציה – לתפיסות, עמדות  או אף לתיאוריות סוציולוגיות. גם יוצרי מודל עשויים להיעזר בו לחקר תופעה, מאחר והתמונה הרחבה שונה מסך הפרטים והחוקים הפועלים עליהם.

בלמידת חקר ניתן להשתמש בחקר מערכות מורכבות באמצעות מודלים בלפחות ארבע דרכים שונות:

א. בהצגת/הדגמת תופעה לצד לימוד עליה (על ידי מורה/תלמיד).

ב. לימוד על תופעה על ידי חקר המודל באמצעות בדיקת תנאים וגורמים שונים במודל, צפייה, העלאת שאלות, משחק, ניסוי, הסקת מסקנות.

ג. שינוי מודל קיים כדי להתאימו לחקר תופעה חדשה, או כדי לשכלל את חקר התופעה המוצגת במודל. דרך  זו מצריכה לימוד וחשיפה קטנה לתכנות בנטלוגו.

ד. יצירת מודל חדש כדי לייצג ולחקור תופעה חדשה. דרך זו מצריכה התעמקות בתכנות ובחקר התופעה, דבר המחייב גם לימוד רחב יותר של שפת הנטלוגו באמצעות ספרות ועזרים המלווים את התוכנה.

שני הסעיפים האחרונים נושאים את למידת החקר אל תוך מחוזותיה של גישת למידה מופלאה נוספת – קונסטרקשיוניזם (או קונסטרקציוניזם – Constructionism; Papert, 1986) המשלבת בין תיאוריה קונסטרוקטיביסטית ולמידה בה הולך ונבנה תוצר משמעותי ללומד. עבודה כתובה המסבירה את השיקולים בייצוג היבטים אלו ואחרים של התופעה הנחקרת ומיוצגת במודל, עשויה לתרום אף היא לתהליך הבניה ו/או המחקר שכן שיקולים אלו מהווים מרכיב חשוב הן בתהליך ייצוג התופעה והמידול והן בהבנת המשתמש את התופעה כמיוצגת במודל.

דוגמה לחקר מערכת מורכבת בעזרת מודלים ניתן למצוא בפעילות "על חתולים וישובים" (גיל, 2008) הנוגעת לנושא אקולוגי של התרבות חתולים בשכונה/ישוב ועושה שימוש במודל שנבנה על ידי המחברת בהנחיית דר' שרונה ט. לוי מאוניברסיטת חיפה.

לסיכום, שאלות רבות ניתן להעלות ולחקור באמצעות חקר מערכות מורכבות בעזרת מודלים – אלו הקיימים, ואלו שניתן ליצור בעזרת שינוי מודלים קיימים או יצירת מודלים חדשים. למידת החקר של תופעות מתחומי דעת שונים ובנושאים מגוונים עשויה להיתרם גם על ידי דיון בשאלה בלתי-נמנעת, הצומחת מלמידה זו: מהן המגבלות בייצוג וחקר תופעה של מערכת מורכבת בעזרת מודל, שאלה שלמעשה רלוונטית לכל תחום ושיטת מחקר גם בדיסציפלינות אחרות.

המאמר מתבסס על הרצאה מצולמת: חקר מערכות מורכבות באמצעות מודלים, שניתנה בקורס מקוון בנושא למידת חקר למורי מחוננים באגף לטיפוח תלמידים מחוננים ומצטיינים במשרד החינוך, פברואר 2013. 

עינת גיל הינה מעצבת סביבות למידה, דוקטורנטית בחוג לחינוך מתמטי, ומנחה בהשתלמויות מורים במחלקה ללימודי המשך, אוניברסיטת חיפה.

דוא"ל: egil767@gmail.com , אתר אישי: https://sites.google.com/site/gileinat

מקורות

גיל, ע'. (2006). מודל חתולים ב-NetLogo. אוניברסיטת חיפה.

גיל, ע', (2008) .על חתולים וישובים,  פעילות חקר במדעים, בעזרת נטלוגו לילדים בכיתות ה'-ט'. אתר פעילויות לעוטף עזה, המגמה לטכנולוגיות בחינוך,  אוניברסיטת חיפה.

Bar-Yam, Y. (1997). Overview: The dynamics of complex systems – examples, questions, methods and concepts.  Dynamics of complex systems. New England Complex Systems Institute.  http://necsi.org/publications/dcs/index.html

Jacobson, M. J. & Wilensky, U. (2006). Complex systems in education: Scientific and educational importances and implications for the learning sciences. The Journal of the Learning Sciences, 15(1), 11-34.

Papert, S. (1986). Constructionism: A new opportunity for elementary science education. Massachusetts Institute of Technology, Media Laboratory, Epistemology and Learning Group.‏

Resnick, M., & Wilensky, U. (1993, April). Beyond the deterministic, centralized mindsets: New thinking for new sciences. In annual meeting of the American Educational Research Association, Atlanta, GA.‏

Wilensky, U. (1999). NetLogo. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

Wilensky, U. (2005). NetLogo Autumn model. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Autumn. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

Wilensky, U. (2006). NetLogo 3.1.2 User Manual. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/

מודעות פרסומת
השארת תגובה

תגובה אחת

  1. הי גילמור,
    שמחה שהעלית את הפוסט ואיזה יופי שהוספת את הקישורים למודל ולספריית המודלים ברשת. זה מאפשר להפעיל את המודל בלי להתקין את הנטלוגו.
    מקווה ששלומך משתפר.
    שלומות,
    עינת

    Sent from my iPhone

    הגב

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

בלוג אגף א' למדעים

המזכירות הפדגוגית, משרד החינוך

מחוננים ומצטיינים במחקר - בלוג האגף לתלמידים מחוננים ומצטיינים, המינהל הפדגוגי, במשרד החינוך

בלוג האגף לתלמידים מחוננים ומצטיינים. מיועד ליידע ולעדכן את הקהילה העוסקת בחינוך וייעוץ למחוננים ולמצטיינים בממצאי המחקר בתחום ולחזק את שיתוף הפעולה עם חוקרים בתחום המחוננים והמצטיינים עורכת: דר' גילמור קשת

%d בלוגרים אהבו את זה: