От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике – таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности[7]
Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. В научном языке и исследовательской работе термин «экспери мент» обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предсказания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом его развития и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях воспроизведения того или иного явления и, по возможности, наиболее чистого, т. е. не осложняемого другими явлениями.
Эксперимент играет весьма важную роль в научных исследованиях. Достаточно сказать, что примерно 80-90% исследователей занято экспериментом, а в исследованиях технологических процессов и того больше. Почему на данный момент времени сложилась такая ситуация? Это связано следующими обстоятельствами.
Во-первых, можно всесторонне исследовать объект (процесс, явление), его поведение, переход из одного состояния в другое и т. п. На основании результатов этого исследования в дальнейшем создать теоретическую модель свойств объекта, его поведения, с помощью которой можно прогнозировать различные его состояния, закономерности перехода из состояния в состояние и т. п. Однако такой подход исследования сложных технических систем требует значительных затрат времени и средств, а в ряде случаев не может быть реализован в разумные сроки.
Во вторых, даже если удалось найти теоретическое решение той или иной задачи, то и в этом случае приходится обращаться к эксперименту для проверки найденного решения и возможно его уточнения.
В третьих. Теория не рождается на «голом месте». Она, прежде всего, базируется на результатах предварительных экспериментальных исследованиях. Поэтому любое фундаментальное исследование реализуется по схеме:
эксперимент – теория – эксперимент .
Здесь уместен эпиграф, приведенный в начале лекции. Действительно, если обратиться к такой науке, как технологии машиностроения, то увидим, что содержание многих вопросов, связанных с изготовлением деталей, представляет собой результаты экспериментальных исследований. Это, например, вопросы точности обработки, обеспечения качества поверхностного слоя деталей и др.
Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, которые проводятся в различных областях науки, являются отраслевыми и имеют соответствующие названия: химические, биологические, физические, психологические, социальные и т. п. Они различаются:
- по способу формирования условий (естественный, искусственный);
- по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие);
- по организации проведения (лабораторные, натурные, отраслевые, производственные и т. п.);
- по структуре изучаемых объектов и явлений (простые и сложные);
- по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные);
- по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследований (обычный и модельный);
- по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный);
- по контролируемым величинам (пассивный и активный);
- по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный);
- по характеру изучаемых объектов или явлений (технологический, социометрический) и по другим признакам классификации экспериментов.
Виды экспериментов
Естественный эксперимент предполагает проведение опытов в естественных условиях существования объекта исследования (чаще всего используется в биологии, педагогике, психологии и других социальных науках).
Искусственный эксперимент предполагает формирование искусственных условий (широко применяется в естественных технических науках).
Преобразующий (созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами. Исследователь в соответствии с раскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно создает условия, которые должны способствовать формированию новых свойств и качеств объекта.
Констатирующий эксперимент используется для проверки определенных предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется наличие определенных фактов.
Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий над объектом исследования с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта.
Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых.
Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Это согласие приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной. Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из теории гипотез и противоречат другой. Примером решающего эксперимента служат опыты по проверке справедливости ньютоновской теории истечения света и волнообразной теории Гюйгенса. Эти опыты были поставлены французским ученым Фуко (1819-1868). Они касались вопроса о скорости распространения света внутри прозрачных тел. Согласно гипотезе истечения, скорость света внутри таких тел должна быть больше, чем в пустоте. Но Фуко своими опытами доказал обратное, т. е. что в менее плотной среде скорость света большая. Этот опыт Фуко и был тем решающим опытом который разрешил спор между двумя гипотезами (в настоящее время гипотеза Гюйгенса заменена электромагнитной гипотезой Максвелла).
Другим примером решающего эксперимента может служить спор междуПтолемеем и Коперником о движении Земли. Решающий опыт Фуко с маятником окончательно решил спор в пользу теории Коперника.
Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т. д. Чаще всего в лабораторном эксперименте изучается не сам объект, а его образец (модель). Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научную информацию с минимальными затратами времени и ресурсов. Однако такой эксперимент не всегда полностью моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента.
Натурный эксперимент[8] проводится в естественных условиях и на реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем. В зависимости от места проведения испытаний на эксперименты подразделяются на производственные, полигонные, полунатурные и т. п. Натурный эксперимент требует тщательного продумывания и планирования, рационального выбора методов исследования.
Практически во всех случаях основная научная проблема натурного эксперимента - обеспечить достаточное соответствие (адекватность) условий эксперимента реальной ситуации, в которой будет работать впоследствии создаваемый объект. Поэтому центральными задачами натурного эксперимента являются: изучение характеристик воздействия среды на испытуемый объект; идентификация статистических и динамических параметров объекта; оценка эффективности функционирования объекта и проверка его на соответствие заданным требованиям.
Эксперименты могут быть открытыми и закрытыми, они широко распространены в психологии, социологии, педагогике. В открытом эксперименте его задачи открыто объясняются испытуемым, в закрытом - в целях получения объективных данных эти задачи скрываются от испытуемого. Любая форма открытого эксперимента влияет (часто активизирует) на субъективную сторону поведения испытуемых. В этой связи открытый эксперимент целесообразен только тогда, когда имеются возможность и достаточная уверенность в том, что удастся вызвать у испытуемого живое участие и субъективную поддержку намечаемой работе.
Закрытый эксперимент характеризуется тем, что его тщательно маскируют: испытуемый не догадывается об эксперименте и работа протекает внешне в естественных условиях. Такой эксперимент не вызывает у испытуемых повышенной настороженности и излишнего самоконтроля, стремления вести себя не так, как обычно.
Простой эксперимент используется для изучения объектов, не имеющих разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих простейшие функции.
В сложном эксперименте изучаются явления или объекты с разветвленной структурой (можно выделить иерархические уровни) и большим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции. Высокая степень связности элементов приводит к тому, что изменение состояния какого-либо элемента или связи влечет за собой изменение состояния многих других элементов системы. В сложных объектах исследования возможно наличие нескольких разных структур, нескольких разных целей. Но все же конкретное состояние сложного объекта может быть описано. В очень сложном эксперименте изучается объект, состояние которого по тем или причинам нам до сих пор не удается подробно и точно описать. Например, для описания требуется больше времени, чем то, которым располагает исследователь между сменами состояний объекта или когда современный уровень знаний недостаточен для проникновения в существо связей объекта (либо они непонятны).
Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определенной (различной по форме и содержанию) информации на объект исследования. Чаще всего информационный эксперимент используется в биологии, психологии, социологии, кибернетике и т. п. С помощью этого эксперимента изучается изменение состояния объекта исследования под влиянием сообщаемой ему информации.
Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние различных добавок на качество стали.
Энергетический эксперимент используется для изучения воздействия различных видов энергии (электромагнитной, механической, тепловой и т. д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко распространен в естественных науках.
Обычный (или классический) эксперимент включает экспериментатора как познающего субъекта, объект или предмет экспериментального исследования и средства (инструменты, приборы, экспериментальные установки), при помощи которых осуществляется эксперимент. В обычном эксперименте экспериментальные средства непосредственно взаимодействуют с объектом исследования. Они являются посредниками между экспериментатором и объектом исследования.
Модельный эксперимент в отличие от обычного имеет дело с моделью исследуемого объекта. Модель входит в состав эксперименталъной установки, замещая не только объект исследования, но часто и условия, в которых изучается некоторый объект. Модельный эксперимент при расширении возможностей экспериментального исследования одновременно имеет и ряд недостатков, связанных с тем, что различие между моделью и реальным объектом может стать источником ошибок и, кроме экстраполяция результатов изучения поведения модели на моделируемый объект требует дополнительных затрат времени и теоретического обоснования правомочности такой экстраполяции. Различие между орудиями эксперимента при моделировании позволяет выделить мысленный[9] и материальный эксперимент.
Мысленный эксперимент является одной из форм умственной деятельности познающего субъекта, в процессе которой воспроизводится в воображении структура реального эксперимента. Орудиями мысленного (умственного) эксперимента являются мысленные модели исследуемых объектов или явлений (чувственные образы, образно-знаковые модели, знаковые модели). Для обозначения мысленного эксперимента иногда пользуются терминами: идеализированный или воображаемый эксперимент.
Структура мысленного эксперимента включает: построение мысленной модели объекта исследования, идеализированных условий эксперимента и воздействий на объект; сознательное и планомерное изменение, комбинирование условий эксперимента и воздействий на объект; сознательное и точное применение на всех стадиях эксперимента объективных законов науки, благодаря чему исключается абсолютный произвол. В результате такого эксперимента формируются выводы.
Материальный эксперимент имеет аналогичную структуру. Однако в материальном эксперименте используются материальные, а не идеальные объекты исследования. Основное отличие материального эксперимента от мысленного в том, что реальный эксперимент представляет собой форму объективной материальной связи сознания с внешним миром. Мысленный же эксперимент является специфической формой теоретической деятельности субъекта.
Сходство мысленного эксперимента с реальным в значительной мере определяется тем, что всякий реальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на практике, сначала проводится человеком мысленно в процессе обдумывания и планирования. Поэтому мысленный эксперимент нередко выступает в роли идеального плана реального эксперимента, в известном смысле предваряя его.
Мысленный эксперимент имеет более широкую сферу применения, чем реальный эксперимент, так как применяется не только при подготовке и планировании последнего, но и в тех случаях, когда проведение реальных опытов представляется невозможным. Так, Галилей в мысленном эксперименте пришел к выводу о существовании движения по инерции, опрокинувшему аристотелевскую точку зрения, согласно которой движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие .
Этот вывод мог быть получен только с помощью мысленного эксперимента. По этому поводу А. Эйнштейн говорил следующее: «Мы видели, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно - мышлением, связанным с наблюдением. Этот эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов».
Мысленный эксперимент, заменяя собой реальный, расширяет границы познания, ибо обеспечивает получение такой информации, которую иными средствами добыть невозможно. Мысленный эксперимент позволяет преодолеть неизбежную ограниченность реального опыта путем абстрагирования от действия нежелательных, затемняющих причин, полное устранение которых в реальном эксперименте практически недостижимо.
Мысленный эксперимент является существенным моментом всякой творческой деятельности. Мысленный эксперимент используется не только учеными, но и писателями, художниками, педагогами, врачами. Мысленное применение экспериментального метода ярко проявляется в мышлении шахматистов. Роль мысленного эксперимента в техническом конструировании и изобретательстве занимает первостепенное значение. Результаты мысленного эксперимента находят отражение в формулах, чертежах, графиках, набросках, эскизных проектах и т. п.
Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранных показателей (параметров, переменных) в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирование. Примерами пассивного эксперимента является наблюдение за интенсивностью, составом, скоростями движения транспортных потоков, за числом заболеваний вообще или какой-либо определенной болезнью; за числом дорожно-транспортных происшествий и т. п. Пассивный эксперимент, по существу, является наблюдением, которое сопровождается инструментальным измерением выбранных показателей.
Активный эксперимент связан с выбором специальных входных сигналов (факторов) и контролирует вход и выход исследуемой системы.
Однофакторный эксперимент предполагает выделение нужных факторов; стабилизацию мешающих факторов; поочередное варьирование факторов, интересующих исследователя.
Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том, что варьируются все переменные сразу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.
Технологический эксперимент направлен на изучение элементов технологического процесса (продукции, оборудования, деятельности работников и т. п.) или процесса в целом.
Приведенная классификация экспериментальных исследований не может быть признана полной, поскольку с расширением научного знания расширяется и область применения экспериментального метода. Кроме того, в зависимости от целей и задач эксперимента различные его виды могут объединяться, образуя комплексный или комбинированный эксперимент.
3. Этапы подготовки экспериментальных исследований. Методика экспериментальных исследований
Если в рамках разработки темы планируется проведение экспериментальных исследований, то формулируются их задачи, выбирается методика, приборы и средства измерения, составляется программа эксперимента в виде рабочего плана, в котором указываются объем работ, методы, техника, трудоемкость и сроки выполнения. Принятые методические решения формулируются в виде методических указаний проведения эксперимента.
Способы и приемы экспериментального исследования зависят от его цели, используемых средств и специфики тех условий, в которых данное исследование проводится и, естественно, от области науки. Например, в социологии, педагогике и других подобных науках часто используется такой метод исследования, как анкетный опрос. В области технических наук широко используется метод планируемого эксперимента и т. д. Вместе с тем, независимо от области проведения эксперимента методика планирования экспериментального исследования является в целом общей и включает в себя следующие этапы (рис. 1):
- определение целей и задач эксперимента;
- литературный обзор результатов известных исследований по поставленной проблеме;
- выбор факторов, определяющих состояние и поведение объекта исследования;
- разработка рабочей гипотезы, подлежащей проверке;
- составление методики экспериментальных исследований;
- обеспечение условий для осуществления экспериментальных работ (планирование и расстановка научных сил, решение различных организационных вопросов).
Задачи экспериментальных исследований. Наиболее часто являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез, нахождение связей между параметрами и факторами процессов и явлений, лежащих в основе их развития.
Заметим, что количество задач для конкретного эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3...4, максимально 8. ..10).
Литературный обзор – изучение технической литературы (статей, монографий и т. п.) по рассматриваемой проблеме и вопросам, которые предстоит исследовать. Это тот этап работы, с которого начинается любое исследование.
Что дает литературный обзор?
вырабатывается система взглядов, понятий по изучаемой проблеме и составных ее вопросов;
 |
выявляются очевидные истины, хорошо исследованные моменты в поставленной задаче;
определяются разногласия результатов исследования тех или иных вопросов в рассматриваемой проблеме.
На основании литературного обзора уточняются вопросы, подлежащие исследованию; принимается решение о возможном включении новых вопросов, подлежащих исследованию (например, вопросов, имеющих разногласия результатов их исследования).
Выбор факторов, определяющих состояние и развитие об ъекта исследования. Количество этих факторов может быть очень большим, что приводит к резкому росту числа необходимых опытов при изучении объекта. Кроме того, учет большого числа факторов может затруднить выявление закономерностей и даже к ошибочным выводам. Заметим, что среди факторов, как правило, есть такие, которые оказывают наибольшее влияние на состояние объекта, и факторы, оказывающие второстепенное влияние. Поэтому перед планированием экспериментов производят отсеивание несущественных факторов, используя те или иные методы отсеивания, в частности, априорное отсеивание, экспертный метод (ранговый метод), метод случайного баланса.
Априорное отсеивание предполагает высокий уровень знаний об объекте, что позволяет исследователю самостоятельно решить вопрос о несущественном влиянии тех или факторов.
Ранговый метод основан на использовании экспертных оценок специалистов в данной области науки и техники. При этом применяют способ последовательного сравнения факторов по их значимости, либо способ попарного сопоставления (аналогично определению коэффициентов весомости показателей качества).
Метод случайного баланса базируется на проведении серии отсеивающих экспериментов, методика которых позволяет выделить доминирующие факторы из рассматриваемых [3].
Иногда бывает трудно выявить роль основных и второстепенных факторов. В таких случаях необходимо выполнить небольшой по объему предварительный поисковый опыт.
Разработка рабочей гипотезы. Вопрос разработки рабочей гипотезы подробно будут рассмотрен на следующей лекции.
Разработка общей и частных методик проведения экспериментов. Методика - это совокупность мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования. Методика экспериментального исследования должна ответить на следующие вопросы:
как рационально, научно-обосновано и экономично спланировать и осуществить исследовательский процесс;
на каком оборудовании, с применением какой оснастки и измерительной аппаратуры;
следуя какому плану, при какой затрате времени и средств.
Общая методика относится ко всему исследованию в целом. Частные методики – это методики проведения отдельных опытов или серии опытов, имеющие специфические приемы, и направленные на исследование отдельных вопросов темы исследования.
При разработке методики проведения эксперимента предусматривают:
· проведение поисковых опытов;
· создание условий, в которых возможно экспериментирование (подбор объектов для экспериментального воздействия, устранение влияния случайных факторов); определение пределов измерений входных и выходных параметров;
· систематическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фактов;
· проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами;
· создание повторяющихся ситуаций, перекрестных воздействий, изменение их характера и условий; создание усложненных ситуаций с целью подтверждения или опровержения ранее полученных данных;
· переход от эмпирического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного фактического материала.
Объем и трудоемкость экспериментальных исследований зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измерений (чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента). В зависимости от предварительной теоретической подготовки возможны три случая проведения эксперимента, определяющих его трудоемкость.
Если теоретически получена аналитическая зависимость которая однозначно определяет исследуемый процесс (например, у = 3е -2х), то объем эксперимента для подтверждения данной зависимости оказывается минимальным, поскольку функция однозначно определяется экспериментальными данными.
Если теоретическим путем установлен лишь характер зависимости (например, у = ае k х), т. е. задано семейство кривых, то экспериментальным путем необходимо определить как а, так и k, следовательно, объем эксперимента возрастает.
Если теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей, и разработаны лишь предположения о качественных закономерностях процесса, то целесообразен поисковый эксперимент.
Поисковые опыты предшествуют разработке общей методики. В ряде случаев проводятся на этапе разработки рабочей гипотезы.
Задачи поисковых опытов:
- проверка вариантов хода развития изучаемого процесса, выдвинутых рабочей гипотезой;
- проверка отдельных частей методики, приспособленности оборудования, измерительной аппаратуры, методик измерения исследуемых величин;
- установление обоснований для расчета количества опытов.
Количество поисковых опытов зависит от поставленной цели:
при проверке направления развития процесса необходимо два опыта – в начале и в конце процесса;
при установлении факторов, влияющих на развитие процесса число опытов » удвоенному предполагаемому количеству факторов;
при проверке хода развития процесса в зависимости от данного фактора - серия опытов (3 - 5).
Планирование количества основных опытов. При определении общего числа опытов исходят из требования минимального количества опытных точек, которые обеспечивает достоверность графического и математического представления связей между параметрами и факторами изучаемого явления или процесса:
- для описания линейной связи необходимы два опыта при достаточном промежутке между ними (например, для определения зависимости глубины наклепа от силы обкатывания);
- для описания нелинейной связи, например, в виде уравнения окружности – три опыта. При более сложных кривых – каждый перегиб кривой выявляется не менее чем тремя точками, а для количественного описания – пятью точками.
Заметим, что для обеспечения «весомости» одной опытной точки необходимо повторение каждого опыта 3-5 раз.
На объем и трудоемкость проведения экспериментальных работ существенно влияет вид эксперимента. Например, натурные и полевые эксперименты, как правило, всегда имеют наибольшую трудоемкость.
Применение математической теории эксперимента позволяет уже при составлении методики исследований определенным образом оптимизировать объем экспериментальных работ и повысить их точность.
Выбор последовательности осуществления опытов. Чтобы избежать появления некоторой неслучайной связи между реализациями каждого опыта или серии опытов эксперимента производят рандомизацию последовательности опытов во времени, т. е. последовательность осуществления опытов назначают с использованием таблиц случайных чисел или иным способом генерирования случайных чисел.
Рандомизация обычно проводится следующим образом. В таблице случайных чисел[10] из любого столбца выбирают числа в порядке их следования от 1 до N (количества точек плана). Если матрица планирования содержит параллельные опыты, то количество случайных чисел возрастает до mN, где m – число параллельных опытов. Каждое число от 1 до N или mN из таблицы случайных чисел берется только один раз.
Рандомизация опытов может осуществляться и другими способами[11]
Планирование оборудования, оснастки, измерительной аппаратуры. В методике большое внимание уделяется обоснованию набора средств измерений (приборов), оборудования, машин и аппаратов. В связи с этим экспериментатор должен быть хорошо знаком с выпускаемой в стране измерительной аппаратурой (при помощи ежегодно издающихся каталогов, по которым можно заказать те или иные средства измерений, выпускаемые отечественным приборостроением). Естественно, что в первую очередь следует использовать стандартные, серийно выпускаемые машины и приборы, работа на которых регламентируется инструкциями, ГОСТами и другими официальными нормативными документами.
В отдельных случаях возникает потребность в создании уникальных приборов, установок, стендов, машин для выполнения задуманного эксперимента. При этом разработка и конструирование приборов и других средств должны быть тщательно обоснованы теоретическими расчетами и практическими соображениями о возможности изготовления оборудования. При создании новых приборов желательно использовать готовые узлы выпускаемых приборов или реконструировать существующие приборы.
Установление точности измерений и погрешностей является одним из ответственных моментов в эксперименте. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки - метрологии[12], изучающей средства и методы и измерений.
При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измерения) повторные отсчеты на приборах, как правило, неодинаковы. Отклонения объясняются различными причинами: неоднородностью свойств изучаемого тела (материал, конструкция и т. д.), несовершенством приборов, классом их точности, субъективными особенностями экспериментатора и др. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт тем больше расхождения результатов, получаемых при измерениях, тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, а, следовательно, необходимо знать их минимальное количество. Под потребным минимальным количеством измерений понимают такое количество измерений, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Установление требуемого минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств.
Выбор методов обра ботки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех числовых данных, классификации, анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи - таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять и анализировать полученные результаты. Все переменные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин.
Особое внимание в методике должно быть уделено математическим методам обработки и анализу опытных данных, например, установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, установлению доверительных интервалов и др. Диапазон чувствительности (нечувствительности) критериев должен быть стабилизирован (эксплицирован).
Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям:
- требование эффективности оценок, т. е. минимальной дисперсии отклонения относительно неизвестного параметра;
- требование состоятельности оценок, т. е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к истинному значению;
- требование несмещенности оценок - отсутствие систематических ошибок как при проведении опытов, так и при вычислении параметров.
Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требований.
Организационные вопросы. После установления объема экспериментальных работ составляется перечень необходимых средств измерений, объем материалов, список исполнителей, календарный план и смета расходов.
План-программу рассматривает научный руководитель, обсуждают в научном коллективе и утверждают в установленном порядке.
При разработке плана-программы эксперимента всегда необходимо стремиться к его упрощению, наглядности без потери точности и достоверности. Это достигается предварительным анализом и сопоставлением результатов измерений одного и того же параметра различными техническими средствами, а также методов обработки полученных результатов. В условиях интенсификации проведения научных исследований важнейшее место в процессе подготовки эксперимента должно отводиться его автоматизации с вводом экспериментальных данных непосредственно в ЭВМ, с расчетом результирующих показателей, с автоматическим управлением ходом эксперимента (последовательностью и повторяемостью замеров, определением средних значений, построением таблиц и графиков и т. д.).
Контрольные вопросы по теме 2
1. Что такое эксперимент, основная цель экспериментальных исследований?
2. Приведите 3-4 признака классификации экспериментов и виды экспериментов по этим признакам.
3. С какой целью проводится констатирующий эксперимент?
4. В чем отличие лабораторного эксперимента от натурного эксперимента?
5. В каких науках применяют закрытый и открытый эксперименты, в чем отличие этих экспериментов?
6. В чем отличие и сходство материального и мысленного экспериментов?
7. С какой целью осуществляют энергетический эксперимент? Приведите два-три примера из известных вам из физики или химии результатов познания объекта (например, какого-то вещества), которые могут быть подтверждены и сейчас с помощью энергетического эксперимента.
8. Какой метод научного познания обычно используется в пассивном эксперименте?
9. Какие основные задачи решают с помощью экспериментальных исследований?
10. Какими методами осуществляют отсеивание несущественных факторов?
11. Сколько опытов надо поставить для описания линейной связи между параметром и фактором, определяющим поведение исследуемого объекта, и сколько – для описания нелинейной связи, например, в виде уравнения параболы?
12. Сколько опытов надо поставить для обеспечения «весомости» одной опытной точки?
13. С какой целью производят рандомизацию последовательности осуществления опытов во времени?
14. Каким статистическим требованиям должны удовлетворять результаты экспериментов?
Дата: 2019-02-19, просмотров: 384.
