2020-06-08
1174
Важнейшей составной частью научных исследований является экспери-мент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитывае мыми и управляемыми условиями. Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез.
Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.
Они различаются:
1. по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контроли-рующие, поисковые, решающие);
2. по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, произ-водственные и т.п.);
3. по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);
4. по характеру внешних воздействий на объект исследования (веществен-ные, энергетические, информационные);
5. по характеру взаимодействия средства экспериментального исследова-ния с объектом исследования (обычный и модельный);
6. по контролируемым величинам (пассивный и активный);
7. по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный); Преобразующий эксперимент включает активное изменение структуры и
функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, фор-мирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами. Исследователь в соответствии со вскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно созда-ет условия, которые должны способствовать формированию новых свойств и качеств объекта.
Констатирующий эксперимент используется для проверки определен-ных предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результа-том.
Поисковый эксперимент проводится в том случае,если затруднена клас-сификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных априорных данных. По результатам поискового эксперимента ус-танавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых.
Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основ-ных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколь-ко гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Это согласие приво-дит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной. Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и про-тиворечат другой.
Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с при-менением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т.д.
Чаще всего в лабораторном эксперименте изучается не сам объект, а его образец. Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторно-стью изучить влияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научную информацию с минимальными затратами времени и ресур-сов. Однако такой эксперимент не всегда полностью моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента.
Натурный эксперимент проводится в естественных условиях и на реаль-ных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем. В зависимости от места проведения испыта-ний натурные эксперименты подразделяются на производственные,полевые,полигонные. Практически во всех случаях основная научная проблема натур-ного эксперимента - обеспечить достаточное соответствие (адекватность) усло-вий эксперимента реальной ситуации, в которой будет работать впоследствии создаваемый объект.
Простой эксперимент используется для изучения объектов,не имеющихразветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаи-модействующих элементов, выполняющих простейшие функции.
В сложном эксперименте изучаются явления или объекты с разветвлен-ной структурой и большим количеством взаимосвязанных и взаимодействую-щих элементов, выполняющих сложные функции. Высокая степень связности элементов приводит к тому, что изменение состояния какого-либо элемента влечет за собой изменение состояния многих других элементов системы.
Информационный эксперимент используется для изучения воздействияопределенной информации на объект исследования. С помощью этого экспери-мента изучается изменение состояния объекта исследования под влиянием со-общаемой ему информации.
Энергетический эксперимент используется для изучения воздействияразличных видов энергии (электромагнитной, механической, тепловой и т.д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко распространен в естест-венных науках.
Обычный (или классический) эксперимент включает экспериментаторакак познающего субъекта; объект или предмет экспериментального исследова-ния и средства (инструменты, приборы, экспериментальные установки), при помощи которых осуществляется эксперимент. В обычном эксперименте экс-периментальные средства (инструментарий) непосредственно взаимодействуют
с объектом исследования. Они являются посредниками между экспериментато-ром и объектом исследования.
Модельный эксперимент в отличие от обычного имеет дело с модельюисследуемого объекта. Модель замещает не только объект исследования, но часто и условия, в которых изучается некоторый объект. Модельный экспери-мент имеет и ряд недостатков, связанных с тем, что различие между моделью и реальным объектом может стать источником ошибок.
Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранныхпоказателей (параметров, переменных) в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирование. Пассивный экспе-римент, по существу, является наблюдением, которое сопровождается инстру-ментальным измерением выбранных показателей состояния объекта исследова-ния.
Активный эксперимент связан с выбором специальных входных сигна-лов (факторов) и контролирует вход и выход исследуемой системы.
Однофакторный эксперимент предполагает:выделение нужных факто-ров; стабилизацию мешающих факторов; поочередное варьирование интере-сующих исследователя факторов.
Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том,что варьи-руются все переменные сразу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.
Для проведения эксперимента любого типа необходимо:
1. разработать гипотезу, подлежащую проверке;
2. создать программы экспериментальных работ;
3. определить способы воздействия на объект исследования;
4. разработать способы фиксирования хода и результатов эксперимента;
5. подготовить средства эксперимента (приборы, установки, модели и т.п.); Особое значение имеет правильная разработка методик эксперимента. Ме-
тодика - это совокупность мыслительных и физических операций, выполняе-мых в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.
Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который включает:
1. цель и задачи эксперимента;
2. выбор варьирующих факторов;
3. обоснование объема эксперимента, числа опытов;
4. порядок реализации опытов, определение последовательности измене-ния факторов;
5. выбор шага изменения факторов, задание интервалов между будущими экспериментальными точками;
6. обоснование средств измерений;
7. описание проведения эксперимента;
8. обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента. При разработке плана-программы эксперимента всегда необходимо стре-
миться к его упрощению, наглядности без потери точности и достоверности. Это достигается предварительным анализом и сопоставлением результатов из-мерений одного и того же параметра различными техническими средствами, а также методов обработки полученных результатов. Важнейшее место в процес-се подготовки эксперимента должно отводиться его автоматизации, вводом экспериментальных данных непосредственно в ЭВМ, с расчетом результирую-щих показателей (определение средних значений, дисперсии, факторов корре-ляции), с автоматическим управлением хода эксперимента (последовательности к повторимости замеров и т.д.).
Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требо-ваниям:
1. требование эффективности оценок, т.е. минимальность дисперсии от-клонения относительно неизвестного параметра;
2. требование состоятельности оценок, т.е. при увеличении числа наблю-дений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению;
3. требование несмещенности оценок - отсутствие систематических оши-бок в процессе вычисления параметров.
Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента являет-ся совместимость этих трех требований.
Особую роль в экспериментальной работе занимает вычислительный эксперимент. Данный эксперимент основан на применении прикладной мате-матики и электронно-вычислительных машин как технической базы при ис-пользовании математических моделей. Таким образом, вычислительный экспе-римент основывается на создании математических моделей изучаемых объек-тов. Этапы вычислительного эксперимента следующие:
1. Для исследуемого объекта строится модель, обычно сначала физическая, фиксирующая разделение всех факторов на главные и второстепенные. Второ-степенные на данном этапе исследования отбрасываются.
Одновременно формулируются допущения и условия применимости моде-ли, границы, в которых будут справедливы полученные результаты. Модель за-писывается в математических терминах, как правило, в виде дифференциаль-ных или интегрально-дифференциальных уравнений.
2. Разрабатывается метод расчета сформулированной математической за-дачи. Эта задача представляется в виде совокупности алгебраических формул, по которым должны вестись вычисления и условия, показывающие последова-тельность применения этих формул; набор этих формул и условий носит назва-ние вычислительного алгоритма.
Вычислительный эксперимент имеет многовариантный характер, так как решения поставленных задач часто зависят от многочисленных входных пара-метров. Тем не менее каждый конкретный расчет в вычислительном экспери-менте проводится при фиксированных значениях всех параметров.
Часто ставится задача определения оптимального набора параметров. По-этому для оптимальности выбора приходится проводить большое число расче-тов однотипных вариантов задачи, отличающихся значением некоторых пара-метров. В связи с этим можно использовать эффективные численные методы.
3. Разрабатываются алгоритм и программа решения задачи на ЭВМ. Про-граммирование решений определяется теперь не только искусством и опытом исполнителя, а перерастает в самостоятельную науку со своими принципиаль-ными подходами.
4. Проведение расчетов на ЭВМ. Результат получается в виде некоторой цифровой информации, которую далее необходимо будет расшифровать. Точ-ность информации определяется при вычислительном эксперименте достовер-ностью модели, положенной в основу эксперимента, правильностью алгорит-мов и программ (проводятся предварительные "тестовые" испытания).
Обработка результатов расчетов, их анализ и выводы. На этом этапе мо-гут возникнуть необходимость уточнения математической модели (усложнения или, наоборот, упрощения), предложения по созданию упрощенных инженер ных способов решения и формул, дающих возможности получить необходимую информацию более простым способом.
Вычислительный эксперимент приобретает исключительное значение в тех случаях, когда натурные эксперименты и построение физической модели оказываются невозможными.
В науке и технике известно немало областей, в которых вычислительный эксперимент оказывается единственно возможным при исследовании сложных систем.
Задание 2. Ответить на контрольные вопросы:
1. Цели эксперимента.
2. Виды экспериментальных исследований.
