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Modellbildung im Überblick: 1. Sem. Einführung Ökologie G5 (1V) 4. Sem. Modellbildung in der Geoökologie G5 (2 V) Simulations- modelle M103 (1V + 3P) 5.-7.

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1 Modellbildung im Überblick: 1. Sem. Einführung Ökologie G5 (1V) 4. Sem. Modellbildung in der Geoökologie G5 (2 V) Simulations- modelle M103 (1V + 3P) Ökologische Modellbildung M103 (2V) Zeitreihen- analyse (2V + 2P) Funktionen von Ökosystemen (2S + 2P) Seminare: (2S) AL, ÖS-Modelle, Nachhaltigkeit, Zustandsmodelle,... Umweltinformations- (2S) Geoinformations- (2V) Systeme (neu)

2 Modellbildung im Überblick: 1. Sem. Stoffkreislauf, Organismen, Nutzungsgeschichte 4. Sem. Zustandsmodelle, Populationen, Transport Sim.-Mod: VENSIM: Wirkung Parameter ÖMod.: Interaktive und algorithmische Modelle ZRA.: Methoden, Daten, belebt = unbelebt? Tracer-Exp.: Parameter -Identifikation Seminare: Beispiele, Anwendungen, UIS: Monitoring, Bewertung GIS: räumliche Daten- analyse

3 Kernpunkte der Veranstaltungen in G5 Der erste Zugang (Physik und Chemie) orientierte sich an den Stoff – und Energieflüssen -Wie gelangt man zu einer lokalen Beschreibung? Der zweite Zugang orientiert sich an den Organismen -Wie berücksichtigt man die Individualität und Geschichtlichkeit ? Der dritte Zugang orientiert sich an der Praxis der Ökosystemnutzung -Diese Nutzungen kommen meist nicht aus der Wissenschaft -Hier treten viele Umweltprobleme auf -Geoökologie ist ein Lösungsansatz

4 Motivation Ausgangslage: -Naturwissenschaftliche Fakten beschreiben Änderungen in der Umwelt. -Sind die Folgen und deren Wirkungen absehbar? -Auf welcher Basis lassen sich die Folgen und Wirkungen bewerten? Wie gelangt man zu einer Arbeitsteilung innerhalb der Wissenschaften ? -Geoökologie (verstanden als Umweltnaturwissenschaft) ist ein Ansatz der auf Ursachenforschung abzielt -Ist Kausalität stets eine geeignete Kategorie ? -Was sind die Alternativen ? Wie gelangt man zu einer Arbeitsteilung zwischen der Wissenschaften und der Praxis ? -Welche Kategorien werden gemeinsam benutzt ? -Schnittstellen ?

5 Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS Einführung, Modelle, Modellklassen Definition von Ökosystemen, Phänomenologie Zustandsmodelle, zelluläre Automaten Populationsmodelle (FK) Individuenbasierte Modelle (FK) Transportgleichungen und -modelle Konzeptionelle Modelle der Hydrologie Fallbeispiel Gårdsjön: Parameteridentifikation Modelle zur Gewässerversauerung Flussnetzwerke, Modelle in der Geomorphologie Besprechung der Übungsaufgaben (FK) -1-2 weitere Termine: Besprechung der Übungsaufgaben (FK)

6 Ökologische Modellbildung -Warum Modellbildung? -Was ist ein Modell? -Was ist ein Ökosystem? -Funktionelle Aspekte (Geo: z.B. Wassereinzugsgebiet) -Strukturelle Aspekte (Bio: z.B. Nahrungsnetze) -Interaktive Aspekte (Nutzungs-Traditionen) -Analogien, Methoden der Modellbildung -Welche Probleme können mit Computermodellen gelöst werden ? -Worin besteht der technische Fortschritt?

7 Was ist ein Modell ? -Modell von was ? -Für was, Zu welchem Zweck ? -Womit ? -Welche Leitbilder (Paradigmen), Abstraktionen, Begriffe ? -Erfolgskriterien -Realistisch: wahr oder falsch ? -Nützlich: gut oder schlecht ? -Sicherheit:... -Konsistent: innere und äußere ? -Welche Techniken ? -Numerische Verfahren (Pesch) -Zeitreihenanalyse (Lischeid/Hauhs) -Programmiertechniken (NN. Informatik)

8 Herkunft des Modell-Begriffes -Latein: Modus, Modulus -Art, Weise, Form, Maß, Gefäß, Menge,... -Seit 10. Jhd.: Model -Frühhochdeutsch: Modell Lehnwort aus dem Lateinischen im Sinne von: Form, Muster Vorbild -Ital. Renaissance: modello -Wird gleichzeitig im Sinne von Vorbild und Abbild verwendet -19. Jhd. Wissenschaftliche Modelle: -(Ernst Mach: Die Atomtheorie...ist ein mathematisches Modell zur Abbildung von Thatsachen) -Aktuell: -Vorbild und Abbild -Abstrakte, stoffliche, rituelle Konstruktionen

9 Merkmale eines allgemeinen Modell- Begriffes (nach Stachowiak 1973) -Formal logisch als dreistellige Relation von -Wirklichkeit (Original), -Modell und -modellbildenden Subjekt -Hauptmerkmale: -Abbildungsmerkmal (Wahrnehmung) -Wiederholungsmerkmal (Gedächtnis) -Verkürzungsmerkmal -Subjektivierungs- bzw. pragmatisches Merkmal -Funktion oder Interaktion? (Hauptstudium)

10 Was ist ein Modell ? Werte- Bereich Bild- bereich Ein Pfeil !

11 Modell von Was? Ein Pfeil Zustand Verhalten Physik: Verhalten resultiert aus Zustands-Änderungen Dabei drücken einfache Gleichungen die Naturgesetze aus Informatik: Zustände können auf Verhalten zurück geführt werden Vollständige (Verhaltens)-muster drücken die Reaktionsnormen aus

12 Modellierung (nach Robert Rosen) Natural System ENCODING DECODING Formal System INFERENCE CAUSALITY Naturgesetze Naturgesetze stehen für eine Übertragung (engl.: entailment), die durch Kausalität (links) oder durch Logik (rechts) hervor gebracht wir

13 Regeln der wissenschaftlichen Transformation -Intersubjektivität (Kommunikation) -Logische Regeln (Mathematik) -Inhaltliche Regeln (Theorie) -Regeln der Beschreibung der Symbole (Systemabgrenzung, Messung) -Prinzipien der Abstraktion (Einfachheit, Vollständigkeit).

14 Modelle Die Rolle von Modellen in verschiedenen Wissenschaften:

15 Reicht das ? -Was für Annahmen haben wir bis jetzt gemacht ? -Hätten wir auch anders anfangen können ? -Haben andere Kulturen das gemacht? -Wie hat sich durch das Aufkommen von Computern geändert?

16 Historisches Beispiel: Ansätze für Bewegungsmodelle Newton –Kraft zur Veränderung von Bewegung –Bewegung als Zustand –Anfangsbedingungen legen Entwicklung fest –abstraktes Modell –idealisierte Experimente Aristoteles –Kraft zur Aufrechterhaltung von Bewegung –Bewegung als Prozeß –Ende der Bewegung bekannt –realistisches Modell –anschauliche Demonstration

17 Metaphern als Modell -Bildhafte, qualitative Analogien -ohne Encoding (R.Rosen) -typischer Vergleich (die eine Seite wird dabei als selbstverständlich vorausgesetzt) -Metaphern der Ökosystemforschung: -Räderwerk, Uhrwerk (mechanische Metaphern) -Chemische Fabrik, Ursuppe (thermodynamische M.) -Kommunikationsnetzwerke, Agenten (Computer M.)

18 Modellbildung in der Informatik -UML (unified modeling language) ist zum Standard der Modellbildung in der Informatik geworden -OMG (object management group) Vereinigung von Entwicklern und Anwendern objektorientierter Technologien, die versuchen einen Standard zu schaffen -Seit 1995

19 Beispiel: Zeitreihen Ausgangspunkt ist eine Chronik von Daten: –z.B. Liste von eingeschriebenen Studenten –Liste von Planetenpositionen –Liste von Abflussereignissen –... Beziehung zwischen den Attributen suchen Beziehung zwischen aufeinander folgenden Daten suchen Kann die als (rekursive) Gleichung geschrieben werden ?

20 Übungsaufgaben I: -Finden sie Beispiele für Verwendung des Modellbegriffes und versuchen Sie diese nach dem vorgestellten Schema zu klassifizieren als: -(Abbildungs)-Funktionen, -Vorbild-Funktion oder -Weitere Fälle (Interaktionen?) -Installieren Sie FRACTINT und untersuchen Sie, welche Abhängigkeit die Visualisierung der Mandelbrotmenge vom Abbruch-Kriterium hat: -http://spanky.triumf.ca/www/fractint/fractint.htmlhttp://spanky.triumf.ca/www/fractint/fractint.html -Wie leicht gelingt es Ihnen in einem interessanten Bereich zu bleiben, Wovon hängt das ab? -Halten sie die erste Implementierung dieser Menge durch Mandelbrot für eine Erfindung oder eine Entdeckung?


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