4 (Конспект лекций)

4

ГЛАВА МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

§ 1. Методология эксперимента

Наиболее важной составной частью научных исследований явля­ются эксперименты. Экспериментальное исследование один из основных способов получить новые научные знания. В его основе лежит эксперимент, представляющий собой научно поставленный опыт или наблюдение явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за его ходом, управлять им, воссоздавать его каждый раз при повторе­нии этих условий. От обычного, обыденного пассивного наблюден на эксперимент отличается активным воздействием исследователя на изучаемое явление. Основной целью эксперимента является проверка теоретических положений (подтверждение рабочей гипотезы), а также более широ­кое и глубокое изучение темы научного исследования. Эксперимент должен быть проведен по возможности в кратчай­ший срок с минимальной затратой материальных и денежных средств при самом высоком качестве полученных результатов. Различают эксперименты естественные и искусственные. Естественные эксперименты характерны для получения социальных явле­ний (социальный эксперимент) в обстановке, например, производ­ства, быта и т. п. Искусственный эксперимент широко применяется во многих научных и в первую очередь в технических науках. В этом случае изучают явление, изолированное до требуемой степени, чтобы оценить его в количественном и качественном отношениях. Иногда возникает необходимость провести поисковые экспериментальные исследования. Они необходимы в том случае, если за­труднительно классифицировать все факторы, влияющие на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных данных. На основе предварительного эксперимента строится программа исследований в полном объеме. Экспериментальные исследования делятся на лабораторные и производственные. Лабораторные опыты проводят с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т. д. Эти исследования позволяют наиболее полно и доброкачественно, требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других. Лабораторные опыты при достаточно полном научном обосновании эксперимента (математическое планирование) позволяют получить хорошую научную информацию с минимальными затратами. Однако такие эксперименты не всегда полностью моделируют реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении производственного эксперимента. Производственные экспериментальные исследования имеют целью изучить процесс в реальных условиях с учетом воздействия различных случайных факторов производственной среды. Такие эксперименты проводят на строящихся объектах заводах, эксплуатируемых дорогах, зданиях и сооружениях. Вследствие, как правило, громоздкости опыта требуется особо тщательное продумывание и планиро­вание эксперимента. Важную роль играет обоснование минимального потребного количества измерений. К производственным исследо­ваниям относят также специальные полевые экспедиции по обследо­ванию эксплуатируемых объектов. Например, для изучения процессов деформаций и разрушений конструкций дорог создают спе­циальные экспедиции, которые обследуют конструкции в осенние и весенние периоды повышенного увлажнения. Для изучения службы мостов, создают специальные мостоиспытательные экспедиции, которые на основе статических и динамических нагружений исследуют напряженно деформируемое состояние элементов мостов. Одной из разновидностей производственных экспериментов является собирание материалов в организациях, которые накапли­вают по стандартным формам те или иные данные. Ценность этих материалов заключается в том, что они систематизированы за мно­гие годы по единой методике. Такие данные хорошо поддаются обра­ботке методами статистики и теории вероятностей. В ряде случаев производственный эксперимент эффективно про­водить методом анкетирования. Для изучаемого процесса составля­ют тщательно продуманную методику. Основные данные собирают методом опроса производственных организаций по предварительно составленной анкете. Этот метод позволяет собрать очень большое количество данных наблюдений или измерений по изучаемому во­просу. К результатам анкетных данных следует относиться с особой тщательностью, поскольку они не всегда содержат достаточно надеж­ные данные. Особую роль здесь играет метод статистической чистки измерений (см. § 3). Производственные экспериментальные исследования могут быть заменены опытами на специальных полигонах. Полигонные испыта­ния позволяют производить исследования без нарушения техноло­гического производственного ритма, что повышает эффективность использования применяемого в эксперименте оборудования, машин, приборов. В зависимости от темы научного исследования объем эксперимен­тов может быть различным. В лучшем случае для подтверждения ра­бочей гипотезы достаточно лабораторного эксперимента, в худшем приходится проводить серию экспериментальных исследований: предварительные (поисковые), лабораторные, полигонные на экс­плуатируемом объекте. В ряде случаев на эксперимент затрачивается большое количе­ство средств. Научный работник производит огромное количество наблюдений и измерений, получает множество диаграмм, графиков, выполняет неоправданно большое количество испытаний. На обра­ботку и анализ такого эксперимента затрачивается много времени. Иногда оказывается, что выполнено много лишнего, ненужного. Все это возможно, когда экспериментатор четко не обосновал цель и задачи эксперимента. В других случаях результаты длительного, обширного эксперимента не полностью подтверждают рабочую гипо­тезу научного исследования. Как правило, это также свойственно для эксперимента, четко не обоснованного целью и задачами. По­этому прежде чем приступить к экспериментальным исследованиям, необходимо разработать методологию эксперимента. Методология эксперимента -это общая структура (проект) эксперимента, т. е. постановка и последовательность выполнения экспериментальных исследований. Методология эксперимента вклю­чает в себя следующие основные этапы: разработку плана-програм­мы эксперимента; оценку измерений и выбор средств для проведения эксперимента; проведение эксперимента; обработку и анализ экспе­риментальных данных. Приведенное количество этапов справедливо для традиционного эксперимента. В последнее время широко применяют математиче­скую теорию эксперимента, позволяющую резко повысить точность и уменьшить объем экспериментальных исследований. В этом случае методология эксперимента включает такие этапы: разработку плана-программы эксперимента; оценку измерений и выбор средств для проведения эксперимента; математическое планирование экспери­мента с одновременным проведением экспериментального исследова­ния, обработкой и анализом полученных данных.

§ 2. Разработка плана-программы эксперимент

План-программа включает наименование темы исследования, рабочую гипотезу, методику эксперимента, перечень необходимых материалов, приборов, установок, список исполнителей экспери­мента, календарный план работ и смету на выполнение эксперимен­та. В ряде случаев включают работы по конструированию и изготов­лению приборов, аппаратов, приспособлений, методическое их обследование, а также программы опытных работ на заводах, строительстве и т. п. Основу плана-программы составляет методика эксперимента. Методика представляет собой систему приемов или способов для последовательного наиболее эффективного осуществления экспери­ментального исследования и в общем случае включает в себя: цель и задачи эксперимента; выбор варьирующих факторов; обоснование средств и потребного количества измерений; описание проведения эксперимента; обоснование способов обработки и анализа резуль­татов эксперимента Определение цели и задач эксперимента - один из наиболее важных этапов. На основе анализа информации, гипотезы и теорети­ческих разработок обосновывают цель и задачи эксперимента. Вся научная информация позволяет в той или иной степени судить об ожидаемых закономерностях изучаемого процесса, а следовательно, и определить задачи эксперимента. Четко обоснованные задачи - это большой вклад в их решение. Количество задач не должно быть слишком большим. Для конкрет­ного (не комплексного) эксперимента оптимальным количеством является 3-4 задачи. В большом, комплексном эксперименте их может быть 8-10. Выбор варьирующих факторов - это установление основных и второстепенных характеристик, влияющих на исследуемый процесс. Вначале анализируют расчетные (теоретические) схемы процесса. На основе этого классифицируют все факторы и составляют из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд. Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку экспери­мент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами. В отдельных случаях трудно сразу выявить роль основных и второстепенных факторов. При этом необходимо выполнить небольшой по объему предварительный поисковый опыт. Основным принципом установления степени важности характеристики является ее роль в исследуемом процессе. Для этого изу­чают процесс в. зависимости от какой-то одной переменной при остальных постоянных. Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя лишь в тех случаях, когда переменных характерис­тик мало -1-3. Если же переменных величин много, целесообразен принцип многофакторного анализа, рассматриваемый ниже. Обоснование средств измерений - это выбор необходимых для наблюдений и измерений приборов, оборудования, машин, аппара­тов и др. Экспериментатор должен быть хорошо ознакомлен с выпус­каемой в стране измерительной аппаратурой. Ежегодно издаются каталоги на средства измерения, по которым можно заказать выпус­каемые отечественным приборостроением те или иные средства измерений. Естественно, что в первую очередь используют стандартные, серийно выпускаемые машины и приборы, работа на которых регла­ментируется инструкциями, ГОСТами и другими официальными документами. В отдельных случаях возникает потребность в создании уникаль­ных приборов, аппаратов, установок, стендов, машин для разработки темы. При этом разработка и конструирование приборов и других средств должны быть тщательно обоснованы теоретическими рас­четами и практическими соображениями о возможности изготовления оборудования. Создавая новые приборы, желательно использовать готовые узлы выпускаемых или реконструировать существую­щие приборы. Очень ответственной частью является установление точности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки — метрологии, изучаемой средства и методы измерений (см. § 3,4 настоящей главы). При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измерения) повторные отчеты на приборах, как пра­вило, не одинаковы. Отклонения объясняются различными причи­нами — неоднородностью свойств изучаемого тела (грунт, материал, конструкция и т. д.), не совершенностью приборов и классом их точности, субъективными особенностями экспериментатора и др. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт, тем больше расхождения цифр, получаемых при измерениях, т. е. тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать их потребное минимальное количество. Под потребным минимальным количе­ством измерений понимают такое их количество, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой вели­чины, удовлетворяющее заданной степени точности. Установление потребного минимального количества измерений имеет большое зна­чение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств. В методике подробно проектируют процесс проведения экспери­мента. В начале составляют последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений. Затем тщательно описывают каждую операцию в отдельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента. Важное внимание уделяют методам контроля качества операций, обеспечивающих при мини­мальном (ранее установленном) количестве измерений высокую на­дежность и заданную точность. Разрабатывают формы журналов для записи результатов наблюдений и измерений. Важным разделом методики является выбор методов отработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы запи­си - таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие бы­стро и доброкачественно сопоставлять полученные результаты. Особое внимание в методике должно быть уделено математиче­ским методам обработки и анализу опытных данных - установле­нию эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между ва­рьирующими характеристиками, установлению критериев и довери­тельных интервалов и др. После установления методики устанавливают объем и трудоем­кость экспериментальных исследований, которые зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств рений. Чем четче сформулирована теоретическая часть исследова­ния, тем меньше объем эксперимента. Возможны три случая проведения эксперимента. Первый - теоретически получена аналитическая зависимость, которая однозначно определяет исследуемый процесс. Например, у = 3e^-2x .В этом случае объем эксперимента для подтверждения данной зависимости минимален, поскольку функция однозначно определяется экспериментальными данными. Второй случай. Теоретическим путем установлен лишь характер зависимости. Например, у = е^-kx .В этом случае задано семейство кривых. Экспериментальным путем необходимо определить а и k. При этом объем эксперимента возрастает. Третий случай. Теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей. Разработаны лишь предположения о качественных за­кономерностях процесса. Во многих случаях целесообразен поиско­вый эксперимент. Объем экспериментальных работ резко возрастает. Здесь уместен метод математического планирования эксперимента. На объем и трудоемкость существенно влияет вид эксперимента. Полевые эксперименты, как правило, имеют большую трудоемкость. После установления объема экспериментальных работ составляют перечень необходимых средств измерений, объем материалов, спи­сок исполнителей, календарный план и смету расходов. План-про­грамму рассматривает научный руководитель, обсуждают в научном коллективе и утверждают в установленном порядке.

§ 3. Методы оценки измерений

Измерения являются основной составной частью любого экспе­римента. От тщательности измерений и последующих вычислений за­висят результаты эксперимента. Поэтому каждый экспериментатор должен знать закономерности измерительных процессов: уметь правильно измерить изучаемые величины; оценить погрешности при измерениях; правильно, с требуемой точностью вычислить значения величин и их минимальное количество, определить наи­лучшие условия измерений, при которых ошибки будут наимень­шими, и произвести общий анализ результатов измерений. Измерение - это процесс нахождения какой-либо физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, это познавательный процесс сравнения величины чего-либо с известной величиной, принятой за единицу (эталон). Теорией и практикой измерений занимается специальная нау­ка - метрология. Измерения бывают статическими, когда измеряемая величина не изменяется, и динамическими, когда измеряемая величина ме­няется (например, измерение пульсирующих процессов). Кроме того, измерения разделяются на прямые и косвенные. При прямых измерениях искомую величину устанавливают не­посредственно из опыта, при косвенных - функционально от дру­гих величин, определенных прямыми измерениями: b=f(a), где b - величина, найденная с помощью косвенных измерений; а - то же, но с помощью прямых измерений. Различают три класса измерений.