4 (1084739)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

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.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций