Proses pemodelan dapat dipandang sebagai transisi dari satu kelas model ke kelas lainnya. Secara konvensional dibedakan tiga kelas model yang luas: kognitif, substantif, dan formal. Ketiganya membentuk tiga tingkat pemodelan yang saling terkait dan tidak dapat dipertimbangkan secara terpisah. Pengaruh timbal balik antartingkat pemodelan berkaitan dengan sifat potensialitas yang melekat pada model. Penciptaan model apa pun membawa munculnya pengetahuan baru tentang objek yang diteliti, yang mengarah pada penilaian ulang dan penyempurnaan konsep serta pandangan mengenai objek pemodelan pada berbagai tingkat. Keadaan ini, pada gilirannya, mengarah pada revisi model substantif dan kognitif yang bersangkutan, sehingga menjamin perkembangan spiral pada seluruh tingkat pemodelan objek yang diteliti.
Ketika mengamati objek asli, dalam benak peneliti terbentuk gambaran mental tentang objek tersebut — model idealnya. Dalam literatur ilmiah, ini biasa disebut model kognitif (mental). Dalam membentuk model semacam itu, peneliti, sebagai aturan, berupaya menjawab pertanyaan-pertanyaan tertentu; oleh karena itu, segala sesuatu yang tidak esensial dihilangkan dari susunan objek yang tak terhingga kompleksnya guna memperoleh deskripsi yang lebih ringkas dan padat. Representasi model kognitif dalam bahasa alami disebut model substantif.
Model kognitif pada dasarnya bersifat subjektif, karena dibangun oleh peneliti berdasarkan pengetahuan dan pengalaman sebelumnya. Model-model ini hanya dapat dipahami melalui deskripsi simbolik. Model kognitif dan substantif tidak setara, karena yang pertama mungkin mengandung unsur-unsur yang tidak mampu atau tidak ingin diungkapkan oleh peneliti. Pada saat yang sama, jika sebuah model substantif dirumuskan oleh orang lain atau merupakan hasil upaya kolektif, interpretasi, tingkat pemahaman, dan derajat kepercayaan terhadapnya dapat sangat bervariasi di antara para penafsirnya. Model substantif sering disebut sebagai pernyataan masalah teknis.
Berdasarkan tujuan dan fungsi, model substantif dibagi menjadi model deskriptif, eksplanatori, dan prediktif:
- Model deskriptif adalah deskripsi apa pun tentang suatu objek.
- Model eksplanatori menjawab pertanyaan mengapa sesuatu terjadi.
- Model prediktif menggambarkan perilaku masa depan suatu objek. Perlu dicatat, model prediktif tidak selalu mencakup komponen eksplanatori.
Model konseptual adalah model substantif yang perumusannya menggunakan konsep dan representasi dari bidang subjek yang berkaitan dengan kajian objek pemodelan.
Dalam arti yang lebih luas, model konseptual dipahami sebagai model substantif yang didasarkan pada konsep atau sudut pandang tertentu. Dibedakan tiga jenis model konseptual: logis-semantik, struktural-fungsional, dan kausal.
- Model logis-semantik menggambarkan suatu objek menggunakan istilah dan definisi dari bidang subjek terkait, dengan mencakup semua pernyataan dan fakta yang logis dan konsisten yang diketahui. Analisis model semacam ini mengandalkan penalaran logis dan pengetahuan yang terakumulasi dalam bidang yang bersangkutan.
- Model struktural-fungsional memperlakukan objek sebagai sistem terpadu yang diuraikan menjadi elemen-elemen atau subsistem individual. Komponen-komponennya dihubungkan oleh relasi struktural yang menentukan subordinasi, urutan logis, dan urutan waktu penyelesaian tugas. Diagram, bagan, dan peta biasa digunakan untuk merepresentasikan model semacam ini.
- Model kausal sering digunakan untuk menjelaskan dan memprediksi perilaku suatu objek. Model-model ini terutama ditujukan untuk: (1) mengidentifikasi keterkaitan utama antarelemen penyusun objek yang diteliti; (2) menentukan bagaimana perubahan pada faktor-faktor tertentu memengaruhi keadaan komponen model; (3) memahami bagaimana model secara keseluruhan akan berfungsi dan apakah model tersebut akan secara memadai menggambarkan dinamika parameter yang menjadi perhatian peneliti.
Model formal merepresentasikan model konseptual menggunakan satu atau lebih bahasa formal, seperti teori matematika, bahasa pemodelan khusus, atau bahasa pemrograman. Dalam ilmu humaniora, pemodelan sering kali berakhir pada penyusunan model konseptual, sedangkan dalam ilmu alam, penyusunan model formal umumnya dapat dilakukan.
Meskipun pentingnya model substantif dan formal dalam penelitian telah diakui secara luas, peran model kognitif sering kali kurang dihargai karena sifatnya yang subjektif dan proses pemikiran yang implisit. Namun demikian, model kognitif sangat penting dalam konteks di mana operator atau pengambil keputusan mengandalkan representasi mental mereka sendiri untuk mengendalikan objek atau proses. Jenis model ini juga memainkan peran yang cukup besar dalam ilmu-ilmu sosial.
Pemodelan matematis adalah bentuk pemodelan ilmiah, simbolik, dan formal yang di dalamnya objek dideskripsikan menggunakan bahasa matematika dan diselidiki melalui metode matematis.
Model matematis yang dirancang untuk penelitian ilmiah memungkinkan penentuan nilai parameter dari objek atau fenomena yang dimodelkan berdasarkan data masukan yang ditentukan. Dengan demikian, inti dari model semacam itu adalah pemetaan nilai parameter masukan ke nilai parameter keluaran. Perspektif ini memungkinkan model matematis dipandang sebagai operator matematis, yang secara luas dapat didefinisikan sebagai fungsi, pemetaan yang direpresentasikan oleh persamaan aljabar, diferensial, integro-diferensial, atau integral, algoritma, seperangkat aturan, atau tabel yang memfasilitasi penentuan parameter keluaran dari nilai masukan.
Mendefinisikan model matematis melalui konsep operator lebih konstruktif dari sudut pandang penyusunan klasifikasi model semacam ini, karena hal itu mencakup keseluruhan keragaman model matematis yang ada saat ini.
Keunggulan pemodelan matematis dibandingkan eksperimen fisik:
- ekonomis (khususnya, penghematan sumber daya sistem nyata);
- kemampuan untuk memodelkan objek hipotetis — yaitu, objek yang belum terwujud di alam;
- kemampuan untuk mensimulasikan kondisi operasi yang berbahaya atau sulit direproduksi dalam kenyataan;
- kemampuan untuk mengubah skala waktu;
- kemudahan dalam analisis multi-aspek;
- daya prediksi yang lebih besar, berkat kemampuan mengidentifikasi pola-pola umum;
- universalitas perangkat keras dan perangkat lunak yang digunakan (sistem pemrograman dan paket perangkat lunak aplikasi tujuan umum).
Model informasi adalah model suatu objek yang disajikan dalam bentuk informasi yang menggambarkan parameter dan variabel yang penting bagi analisis tertentu, hubungan di antara keduanya, serta masukan dan keluaran objek tersebut, yang memungkinkan seseorang mensimulasikan kemungkinan keadaan objek dengan memasukkan informasi tentang perubahan nilai masukan ke dalam model.