Modelleme süreci, bir model sınıfından diğerine geçiş olarak görülebilir. Modellerin üç geniş sınıfı geleneksel olarak ayırt edilir: bilişsel, içeriksel ve biçimsel. Bunlar, birbirinden ayrı ele alınamayacak, birbiriyle ilişkili üç modelleme düzeyini oluşturur. Modelleme düzeyleri arasındaki karşılıklı etkileşim, modellerin sahip olduğu potansiyellik özelliğiyle bağlantılıdır. Herhangi bir modelin oluşturulması, incelenen nesne hakkında yeni bilgilerin ortaya çıkmasını gerektirir; bu da modelleme nesnesine ilişkin kavram ve görüşlerin farklı düzeylerde yeniden değerlendirilmesine ve geliştirilmesine yol açar. Bu durum ise, ilgili içeriksel ve bilişsel modellerin revize edilmesine yol açarak, incelenen nesnenin tüm modelleme düzeylerinin sarmal biçimde gelişmesini sağlar.
Özgün nesne gözlemlenirken, araştırmacının zihninde nesnenin zihinsel bir imgesi — onun ideal modeli — oluşur. Bilimsel literatürde buna genellikle bilişsel (zihinsel) model denir. Böyle bir model oluşturulurken araştırmacı, kural olarak belirli sorulara yanıt aramaktadır; bu nedenle, daha derli toplu ve öz bir tanım elde etmek için nesnenin sonsuz karmaşık yapısından önemsiz olan her şey ayıklanır. Bilişsel bir modelin doğal dildeki temsili, içeriksel model olarak adlandırılır.
Bilişsel modeller, araştırmacılar tarafından önceki bilgi ve deneyimlere dayanılarak oluşturuldukları için doğaları itibarıyla özneldir. Bu modeller yalnızca simgesel bir tanımlama aracılığıyla anlaşılabilir. Bilişsel ve içeriksel modeller birbirine eşdeğer değildir, çünkü ilki, araştırmacının dile getiremediği veya dile getirmek istemediği unsurlar içerebilir. Aynı zamanda, bir içeriksel model başka biri tarafından formüle edilmişse veya ortak bir çalışmanın ürünüyse, bu modelin yorumlanması, anlaşılma düzeyi ve ona duyulan güven derecesi yorumlayıcılar arasında önemli ölçüde farklılık gösterebilir. İçeriksel modeller genellikle teknik problem ifadeleri olarak anılır.
İşlevsel amaç ve hedeflerine göre içeriksel modeller betimleyici, açıklayıcı ve öngörücü olarak ayrılır:
- Betimleyici model, bir nesnenin herhangi bir tanımıdır.
- Açıklayıcı model, bir şeyin neden gerçekleştiği sorusuna yanıt verir.
- Öngörücü model, bir nesnenin gelecekteki davranışını tanımlar. Dikkat çekici bir şekilde, öngörücü bir model zorunlu olarak açıklayıcı bir bileşen içermez.
Kavramsal model, formülasyonunda modelleme nesnesinin incelenmesiyle ilgili konu alanlarının kavram ve temsillerinin kullanıldığı bir içeriksel modeldir.
Daha geniş anlamda kavramsal model, belirli bir kavrama veya bakış açısına dayanan bir içeriksel model olarak anlaşılır. Üç tür kavramsal model ayırt edilir: mantıksal-anlamsal, yapısal-işlevsel ve nedensel.
- Mantıksal-anlamsal model, ilgili konu alanlarının terim ve tanımlarını kullanarak bir nesneyi tanımlar ve bilinen tüm mantıksal olarak tutarlı ifadeleri ve olguları içerir. Bu modellerin analizi, mantıksal akıl yürütmeye ve ilgili alanlarda birikmiş bilgiye dayanır.
- Yapısal-işlevsel model, nesneyi bütünleşik bir sistem olarak ele alır ve onu ayrı ayrı öğelere veya alt sistemlere ayırır. Bileşenler, astlık ilişkisini, mantıksal sıralamayı ve görevlerin tamamlanma zamansal düzenini tanımlayan yapısal ilişkilerle birbirine bağlanır. Bu modelleri temsil etmek için genellikle diyagramlar, çizelgeler ve haritalar kullanılır.
- Nedensel model, genellikle bir nesnenin davranışını açıklamak ve öngörmek için kullanılır. Bu modeller öncelikle şunlara yöneliktir: (1) incelenen nesnenin bileşen öğeleri arasındaki temel ilişkileri belirlemek; (2) belirli faktörlerdeki değişikliklerin modelin bileşenlerinin durumunu nasıl etkilediğini saptamak; (3) modelin bir bütün olarak nasıl işleyeceğini ve araştırmacının ilgilendiği parametrelerin dinamiğini yeterince tanımlayıp tanımlamayacağını anlamak.
Biçimsel model, bir kavramsal modeli, matematiksel teoriler, özel modelleme dilleri veya programlama dilleri gibi bir veya daha fazla biçimsel dil kullanarak temsil eder. Beşerî bilimlerde modelleme genellikle kavramsal bir modelin geliştirilmesiyle sona erer, doğa bilimlerinde ise biçimsel bir model oluşturmak genellikle mümkündür.
İçeriksel ve biçimsel modellerin araştırmadaki önemi yaygın olarak kabul edilse de, bilişsel modellerin rolü, öznellikleri ve düşünce süreçlerinin örtük doğası nedeniyle sıklıkla hafife alınır. Bununla birlikte, bilişsel modeller, operatörlerin veya karar vericilerin nesneleri veya süreçleri kontrol etmek için kendi zihinsel temsillerine güvendiği bağlamlarda özellikle önemlidir. Bu tür model, sosyal bilimlerde de önemli bir rol oynar.
Matematiksel modelleme, nesnelerin matematiksel dil kullanılarak tanımlandığı ve matematiksel yöntemlerle incelendiği bilimsel, simgesel ve biçimsel bir modelleme türüdür.
Bilimsel araştırma için tasarlanmış bir matematiksel model, belirli girdi verilerine dayanarak modellenen nesnenin veya olgunun parametre değerlerinin belirlenmesini sağlar. Böylece, bu tür bir modelin özü, girdi parametre değerlerinin çıktı parametre değerlerine eşlenmesidir. Bu bakış açısı, bir matematiksel modelin matematiksel bir operatör olarak görülmesine olanak tanır; bu operatör geniş anlamda bir fonksiyon, cebirsel, diferansiyel, integro-diferansiyel veya integral denklemlerle temsil edilen bir eşleme, bir algoritma, bir kurallar kümesi veya çıktı parametrelerinin girdi değerlerinden belirlenmesini sağlayan tablolar olarak tanımlanabilir.
Bir matematiksel modelin operatör kavramı aracılığıyla tanımlanması, bu tür modellerin sınıflandırmasının oluşturulması açısından daha yapıcıdır, çünkü bugün var olan matematiksel modellerin tüm çeşitliliğini kapsar.
Matematiksel modellemenin fiziksel deneye kıyasla avantajları:
- ekonomiklik (özellikle gerçek sistemin kaynaklarının korunması);
- varsayımsal nesneleri — yani doğada gerçekleşmemiş nesneleri — modelleme yeteneği;
- gerçekte tehlikeli olan veya yeniden üretilmesi zor olan çalışma koşullarını simüle etme yeteneği;
- zaman ölçeğini değiştirme yeteneği;
- çok yönlü analiz kolaylığı;
- genel örüntüleri belirleme yeteneği sayesinde daha güçlü öngörü gücü;
- kullanılan donanım ve yazılımın evrenselliği (programlama sistemleri ve genel amaçlı uygulama yazılımı paketleri).
Bir bilgi modeli, belirli bir analiz için gerekli olan parametreleri ve değişkenleri, bunlar arasındaki ilişkileri ve nesnenin girdi ile çıktılarını tanımlayan bilgi biçiminde sunulan bir nesnenin modelidir; bu, girdi değerlerindeki değişikliklere ilişkin bilgilerin modele beslenmesi yoluyla nesnenin olası durumlarının simüle edilmesine olanak tanır.