2015-07-14
1799
Планирование многофакторных экспериментов с сокращением перебора вариантов является мощным средством повышения эффективности исследований и уменьшения затрат времени и средств на эксперимент. Приведем пример плана 27-4 для семи факторов, каждый из которых изменяется на двух уровнях, кодируемых +1 и -1.
| Номер опыта | X0 | X1 | X2 | X3 | X4 (X1X2) | X5 (X1X3) | X6 (X2X3) | X7 (X1X2X3) |
| +1 | -1 | -1 | -1 | +1 | +1 | +1 | -1 | |
| +1 | +1 | -1 | -1 | -1 | -1 | +1 | +1 | |
| +1 | -1 | +1 | -1 | -1 | +1 | -1 | +1 | |
| +1 | +1 | +1 | -1 | +1 | -1 | -1 | -1 | |
| +1 | -1 | -1 | +1 | +1 | -1 | -1 | +1 | |
| +1 | +1 | -1 | +1 | -1 | +1 | -1 | -1 | |
| +1 | -1 | +1 | +1 | -1 | -1 | +1 | -1 | |
| +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 |
Таблица 1. Дробный факторный план 27-4*
По сравнению с полным перебором этот план сокращает число опытов в 16 раз. Если бы ставился полный факторный эксперимент, то это потребовало бы N = 27 = 128 опытов; а в данном плане N = 8.
Несмотря на малое число опытов, такой дробный факторный план обладает следующими свойствами:
- Симметричностью относительно центра эксперимента: алгебраическая сумма элементов вектор-столбца для каждого фактора равна 0, j – номер фактора (j = 1,2…k), i- номер опыта.
|
|
|
- Ортогональностью любых двух векторов-столбцов плана: сумма почленных произведений их элементов равна нулю.
- Нормировкой: сумма квадратов элементов каждого столбца равна числу опытов.
Этот план позволяет получить оценки b – коэффициентов модели. Условие ортогональности обеспечивает независимость оценок коэффициентов. Если опыты выполняются произвольным образом, не по ортогональному плану, то оценки закореллированы. Это усложняет интерпретацию математической модели и не позволяет получить надежные рекомендации по отысканию области оптимума. Ортогональность обеспечивает хорошие статистические свойства оценок и приводит к простой формуле расчета b-коэффициентов:
Планирование эксперимента в STATISTICA
Задачу составления многофакторного плана можно легко решить в модуле Планирование эксперимента системы STATISTICA. Для этого:
- Запускаем модуль Планирование эксперимента.
- Выбираем раздел Дробные 2**(k-p) факторные планы.
- Число факторов/блоков/опытов 7/1/8.
- В результате получаем нужный нам план.
Легко убедиться, что полученная электронная таблица – многофакторный 2(7-4) план - ничем не отличается от приведенного ранее.
6.2. Основы планирования многофакторного эксперимента
Как уже отмечалось в первой главе, в общем случае объект исследования можно представить в виде структурной схемы, показанной на рис.6.1.
Рис.6.1
Представление объекта в виде такой схемы основано на принципе «черного ящика». Имеем следующие группы параметров:
1) управляющие (входные) 
, которые называются факторами;
|
|
|
2) выходные параметры 
, которые называются параметрами состояния;
3) 
- возмущающие воздействия.
Предполагается, что возмущающие воздействия не поддаются контролю и либо являются случайными, либо меняются во времени.
Каждый фактор имеет область определения, которая должна быть установлена до проведения эксперимента.
Комбинацию факторов можно представить как точку в многомерном пространстве, характеризующую состояние системы.
На практике целью многофакторного эксперимента является установление зависимости
, (6.2.1)
описывающей поведение объекта. Чаще всего функция (6.2.1) строится в виде полинома
(6.2.2)
или
. (6.2.3)
Целью эксперимента может быть, например, построение зависимости (6.2.1) при минимальном количестве измерений значений управляющих параметров .
На первом этапе планирования эксперимента необходимо выбрать область определения факторов . Выбор этой области производится исходя из априорной информации. Значения называются уровнями управляющего параметра.
Если выбрана линейная модель (6.2.2), то для построения аппроксимирующей функции достаточно выбрать основной уровень и интервал варьирования управляющего параметра .
Для линейной модели интервал варьирования можно определить как
,
а основной (нулевой) уровень - как среднее значение
.
Для упрощения планирования эксперимента принято вместо реальных (натуральных) уровней использовать кодированные значения факторов. Для факторов с непрерывной областью определения это можно сделать при помощи следующего преобразования
,
где 
- натуральное значение фактора; 
- интервал варьирования; 
- основной уровень; 
- кодированное значение. В результате принимает значения на границах 
, на основном уровне 
. Основная проблема состоит в выборе области варьирования, поскольку эта задача является неформализованной.
Рассмотрим полный факторный эксперимент на примере линейной модели (6.2.2). Если число факторов 
, то для проведения полного факторного эксперимента нужно 
опытов, где 2 - число уровней, которого достаточно для построения линейной модели.
Условие проведения этого эксперимента можно зафиксировать в матрице планирования (табл.5.3).
Таблица 6.3
| Номер опыта | 
| 
| 
|
| -1 | -1 | 
| |
| +1 | -1 | 
| |
| -1 | +1 | 
| |
| +1 | +1 | 
|
Таким образом, для двух факторов построение матрицы планирования элементарно. Для большего числа факторов необходимо разработать правила построения таких матриц. Например, при появлении фактора 
в табл.6.3 произойдут следующие изменения (табл.6.4): при появлении нового столбца каждая комбинация уровней исходной таблицы проявится дважды.
Таблица 6.4
| Номер опыта |
|
|
|
|
| -1 | -1 | +1 |
| |
| +1 | -1 | +1 |
| |
| -1 | +1 | +1 |
| |
| +1 | +1 | +1 |
| |
| -1 | -1 | -1 | 
| |
| +1 | -1 | -1 | 
| |
| -1 | +1 | -1 | 
| |
| +1 | +1 | -1 | 
|
Это не единственный способ расширения матрицы планирования. Используют также перемножение столбцов, правило чередования знаков.
Очень важны общие свойства матрицы планирования:
1) симметричность матрицы относительно центра эксперимента: 
. Тогда 
.
2) условие нормировки 
, то есть сумма квадратов элементов каждого столбца равна числу опытов.
Первые два свойства относятся к построению отдельных столбцов матрицы
3) совокупность столбцов имеет следующее свойство 
, где 
.
4) Ротатабельность. Это означает, что точки (значения факторов) в матрице планирования подбираются так, что точность предсказания выходного параметра должна быть одинакова на равных расстояниях от центра эксперимента (нулевого уровня) и не зависеть от направления.
Планирование эксперимента первого порядка для двух переменных. План эксперимента первого порядка для двух переменных показан на рис.6.2. То есть искомая функция 
описывается модельно в виде плоскости
|
|
|
(6.2.4)
или гиперболоида
. (6.2.5)
Расположение этой модели в пространстве показано на рис.6.2 поверхностью, проходящей через точки 1 – 2 – 3 – 4.
Рис.6.2
Необходимые уровни для полного факторного эксперимента расположены в плоскости 
. Для модели в виде гиперболоида этот план является предельно экономным. Для построения гиперболоида необходимо определить четыре коэффициента в модели (6.2.5). Это можно сделать, решая систему из четырех уравнений. Следовательно, необходимы все четыре опыта. В теории планирования эксперимента используется термин насыщенности.
Если рассматривать модель (6.2.4) в виде плоскости, то план эксперимента является ненасыщенным (избыточным), так как необходимо определить только три коэффициента 
, 
и 
. В случае модели (6.2.5) (насыщенный эксперимент) решение системы единственно, и поверхность гиперболоида пройдет через все четыре экспериментальных значения . Следствием этого является то, что насыщенный эксперимент не позволяет усреднить случайные погрешности и не дает сведения об их размере.
Для ненасыщенного плана (6.2.4) избыточное число опытов позволяет произвести усреднение и оценить размеры погрешности. Проведя плоскость через точки 1, 2 и 3, можно оценить погрешность, определив, на каком расстоянии от плоскости находится точка 4. Оценка Погрешность в других точках может быть оценена проведением плоскостей 1 – 3 – 4, 1 – 2 – 4 и 2 – 3 – 4. С другой стороны коэффициент наклона поверхности к оси может быть найден как из наклона прямой 1 – 2, так и из наклона прямой 3 – 4. Аналогично коэффициент при можно определить из наклона прямых 1 – 3 и 2 – 4.
Поскольку полученные таким образом значения 
и 
могут отличаться, ненасыщенный эксперимент позволяет провести их усреднение и оценить погрешность.
Если уравнение плоскости представить в виде
, (6.2.6)
где 
; 
, то мы переносим начало координат в точку с координатами 
. Тогда коэффициент 
находится усреднением всех четырех значений как высота центра плоскости 1 – 2 – 3 – 4.
|
|
|
Процесс переноса начало координат в центр пространства факторов с координатами 
очень важен при обработке данных любых экспериментов, описываемых моделью в виде гиперплоскости, так как позволяет получить более устойчивое усредненное значение для .
Важнейшим фактором является то, что в результате такого усреднения построенная плоскость удовлетворяет всем четырем значениям лишь в среднем. В любой точке может быть найдена погрешность отклонения экспериментальных данных относительно модели, и по этим четырем отклонениям можно вычислить СКО.
Таким образом, один из четырех опытов является избыточным и может быть исключен. Но тогда план эксперимента становится неротатабельным, то есть неравноточным по всем направлениям. Если исключена точка 4 на рис.6.2, то в направлении 3 – 2 в плоскости факторов будет обеспечена большая точность, чем в направлении 1 - 0. В этом случае для восстановления ротатабельности точки 1, 2 и 3 в плоскости факторов должны быть равноудалены как друг от друга, так и от центра, то есть располагаться в вершинах равностороннего треугольника с центром в точке 0. В общем случае для линейной модели (6.2.4), эксперимент содержащий конечное число опытов позволяет получить только оценки для коэффициентов , и . Подставив в уравнение модели (6.2.4) известные значения факторов 
и результаты опытов получим систему линейных алгебраических уравнений для определения 
. Если количество этих уравнений больше трех, то значения оценок , и могут быть получены при помощи МНК:
, (6.2.7)
где 
- количество опытов. Здесь учтено, что принимают значения -1,+1.
Для вычисления коэффициентов линейной модели по формуле (6.2.7) получим:
,
Таким образом, для вычисления и можно использовать (6.2.8). Для определения в формуле (6.2.4) найдем среднее значение 
, равное 
, где 
, 
.
В случае симметричности матрицы планирования 
, откуда 
. Чтобы коэффициент модели вычислялся по единой формуле (6.2.7) в матрице планирования вводят фиктивную переменную 
, которая принимает значение 
во всех опытах и соответствует коэффициенту . Коэффициент при независимых переменных указывает на силу влияния факторов: чем больше значение имеет коэффициент , тем большее влияние оказывает соответствующий фактор. В этом смысле результат планирования эксперимента алогичны факторному анализу. Для пассивных экспериментов факторный анализ может использоваться в качестве априорных данных при планировании.
Планируя эксперимент, стремятся получить линейную модель, однако в выбранных интервалах варьирования априори не известно, что линейная модель адекватно описывает поведение системы.
Нелинейность связана со смешанным взаимодействием. Формула (6.2.5) всегда может быть оценена по полному факторному эксперименту. Для полного факторного эксперимента 
матрица планирования с учетом эффекта взаимодействия приведена в табл.6.5.
Таблица 6.5
| Номер опыта |
|
|
| 
|
|
| +1 | -1 | -1 | +1 |
| |
| +1 | +1 | -1 | -1 |
| |
| +1 | -1 | +1 | -1 |
| |
| +1 | +1 | +1 | +1 |
|
В этом случае коэффициент 
также может быть вычислен по формуле (6.2.7):
. (6.2.7)
Столбцы , задают планирование эксперимента – по ним определяют результаты опыта; столбцы , служат только для расчета.
С ростом числа факторов число возможных взаимодействий возрастает. Например, для факторного эксперимента 
кроме , , 
, в матрице планирования появляются столбцы , 
, 
, 
. Всего в матрице планирования оказывается восемь столбцов, следовательно, необходимо определять восемь коэффициентов. Все восемь коэффициентов необходимо определять в том случае, если учитывать смешанное взаимодействие. Если же модель задается в виде гиперплоскости (линейная модель), то достаточно определить четыре коэффициента: , 
, , . Полный факторный эксперимент оказывается избыточным и у экспериментатора возникает выбор:
1. Построить гиперплоскость по четырем экспериментам, а остальные четыре опыта использовать для оценки погрешности.
2. Провести эксперимент, состоящий из 4-х опытов, то есть реализовать экономный план эксперимента.
Таким образом, в отличие от модели гиперболоида, которая требует определение 
неизвестных коэффициентов, модель гиперплоскости, содержит 
коэффициент и требует соответствующего числа опытов, то есть полный факторный план (ПФП) для модели гиперплоскости сильно избыточен.
Для построения гиперплоскости, следовательно, достаточно использовать лишь некоторую часть из ПФП. Эту часть в теории планирования эксперимента называют дробной репликой или дробным факторным планом (ДФП). Если дробление ПФП производится последовательным делением числа опытов на 2, то реплику называют регулярной. Число 
последовательного деления называют дробностью реплики.
Число опытов регулярного ДФП равняется 
. При 
ДФП называют полурепликой (или 1/2 реплика), при 
– 1/4 реплика и т.д.
Соответствующее число опытов и параметров планирования приведены в таблице 6.6.
Таблица 6.6
| Число факторов,
| Число коэфф. модели,
| Число опытов ПФП | Вид плана | Число опытов плана | Избыточность |
| ПФП | |||||
| Полуреплика | |||||
| Полуреплика | |||||
| Четвертьреплика | |||||
| 1/8 реплика | |||||
| 1/16 реплика | |||||
| 1/16 реплика |
Для составления планов-таблиц регулярных дробных реплик часто используют так называемое правило двоичного кода. Оно гласит, что для модели в виде гиперболоида знаки “+” и “–“ в столбцах плана должны чередоваться по правилу чередования двоичных чисел в разряде двоичного кода, то есть в столбце - через 1, в столбце - через 2, в столбце - через 4, в столбце 
- через 
.
Проведение экспериментов и обработка результатов. Так как эксперимент содержит элемент неопределенности вследствие ограниченности обрабатываемых данных, то расстановка повторных или параллельных опытов не дает полностью совпадающих результатов. Получаемая погрешность (воспроизводимости) оценивается стандартными методами усреднения, то есть
,
где 
– число параллельных опытов.
В этом случае дисперсия равна
. (6.2.8)
Если учесть, что матрица планирования состоит из серии опытов, то оценка дисперсии всего эксперимента получается в результате усреднения дисперсии всех опытов. В этом случае говорят о дисперсии воспроизводимости не одного опыта, а эксперимента в целом. Такая дисперсия равна
, (6.2.9)
где – число различных опытов (число элементов в матрице планирования); 
– число повторных опытов.
Формула (6.2.9) справедлива, если соблюдается равенство числа повторных опытов во всех экспериментальных точках матрицы планирования. На практике в разных точках бывает выполнено разное число опытов. В этом случае для оценки дисперсии воспроизводимости пользуются средневзвешенным значением
, (6.2.10)
где 
– оценка дисперсии 
-го опыта, 
– число степеней свободы в -ом опыте; это число рассчитывают как 
(число параллельных опытов минус 1).
Назад | Содержание | Вперед
Методические указания к лабораторным и практическим работам по курсу «Основы технического творчества»
Работа № 1 Формы обучения и система организации технического творчества студентов инженерной специальности.
РАБОТА № 2 Планирование и проведение многофакторного эксперимента при проверке технических решений.
РАБОТА №3 «Математическая обработка результатов экспериментальной проверки технических решений»
РАБОТА № 4 «Средства измерений при проверке технических решений»
Цель работы: Изучить измерительные приборы, установки, электрические измерения механических величин при проверке технических решений
ВВЕДЕНИЕ
Повышение уровня подготовки специалистов требует творческого подхода к овладению знаниями, участия в настоящем научном исследовании. Творчество – это самодеятельность субъекта с постановкой или выбором задачи, поиском условий и способа ее решения и созданием нового. Оно подразделяется на техническое, научно-техническое и научное. Серьезная творческая работа формирует нужные качества будущих специалистов, раскрывает новые пути в науке. Наука – это динамическая система объективно истинных знаний, получаемых специальной деятельностью людей и превращаемых в непосредственную производительную силу общества. Цель науки состоит в познании законов развития природы и общества, в правильном воздействии на природу на основе использования знаний для получения полезных обществу результатов. Необходимость творческого подхода в системе образования заставляет науку развиваться более быстрыми темпами, чем любую другую отрасль деятельности. Творческий подход непосредственно сказывается на развитии высшей школы. Он предъявляет новые возросшие требования к знаниям студентов, их творческому развитию, умению находить наиболее рациональные конструкции, технологические решения. Создание в высшей школе творческой атмосферы позволяет готовить специалистов на уровне современных требований.
В настоящее время, когда развитие механизации сельскохозяйственного производства требует новых подходов и технических решений, молодые специалисты должны овладеть новейшими знаниями в области технического творчества. Это обязывает высшую школу обучать студентов методики проведения научных исследований. Современное сельскохозяйственное производство требует от специалиста умения самостоятельно ставить и решать различные принципиально новые вопросы. Поэтому творческая подготовка в ВУЗах должна быть одной из важнейших сторон обучения.
Настоящий сборник заданий и методических указаний к лабораторным и практическим работам по курсу «Основы технического творчества» вводит будущих специалистов по механизации сельскохозяйственного производства в основы технического творчества и научного поиска. В заданиях приведены основные вопросы, подлежащие изучению по конкретным темам. В методических указаниях к каждому заданию изложен материал, раскрывающий данную тему. Изложение материала подкрепляется примерами творческих решений по механизации сельскохозяйственного производства. Сборник охватывает и освещает основной комплекс вопросов по курсу «Основы технического творчества».
Работа № 1
Тема: Формы обучения и система организации технического творчества студентов инженерной специальности.
Цель работы: Изучить форму и систему организации технического творчества студентов механического факультета.
З А Д А Н И Е
Изучить:
1. Основные направления технического творчества студентов на кафедрах механического факультета.
2. Систему и формы технического творчества студентов.
3. Комплексный план организации технического творчества на весь период обучения студентов механического факультета.
4. Влияние технического творчества на формирование личных качеств студента как будущего специалиста.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Квалификационная модель инженера.
2. Система организации технического творчества студентов инженерной специальности.
3. Формы обучения студентов техническому творчеству.
4. Комплексный план организации технического творчества на весь период обучения студентов по специальности «Механизация сельского хозяйства».
ЛИТЕРАТУРА
1. Чус А.В., Данченко В.Н. Основы технического творчества. - Киев: Донецк: Вища школа, 1983.-184 с.
2. Альтшуллер Г.С. Поиск новых идей: от оформления к технологии. Кишинев, 1989.-231 с.
3. Бабицкий Л.Ф. и др. Основы научных исследований. - Киев: Издательство НАУ, 1999.- 228 с.
4. Бабицкий Л.Ф. Біонічні напрями розробки грунтообробних машин. К: Урожай, 1998. – 164 с.
5. Василенко П.М., Погорелый Л.В. Основы научных исследований. Механизация сельского хозяйства. – К: Вища школа, 1985. – 266 с.
6. Завалишин Ф.С., Мацнев М.Г. Методы исследований по механизации сельскохозяйственного производства. - М: Колос, 1982.-231 с.
7. Основы научных исследований. Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова, Вища школа, 1989. - 400 с.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к работе № 1
Формы обучения и система организации технического творчества
студентов инженерной специальности
ВВЕДЕНИЕ
Каждый современный специалист должен не только иметь необходимую сумму фундаментальных и специальных знаний, но и овладеть навыками творческого решения практических вопросов, умением использовать в своей практической работе все то новое, что появляется в науке и практике. Все эти качества воспитываются в ВУЗе через активное участие студентов в творческой работе.
Принципиальной особенностью творческой работы в высшей школе является ее тесная связь с учебным процессом. Широкое участие студентов в научной работе, введение элементов исследовательской деятельности в различные формы учебных занятий является наиболее эффективным путем преодоления противоречия между массовым характером подготовки в ВУЗе и потребностями развития у каждого студента самостоятельности и инициативы, индивидуального почерка и творческих способностей. Научное творчество затрагивает эмоциональный строй студента. Такого рода деятельность несовместима с пассивностью, инертностью, безразличием или равнодушием. Все это подтверждает, что в формировании исследователя в ВУЗе НИРС играет исключительно важную роль, способствуя выработке у будущих специалистов не только навыков самостоятельного поиска творчества, но и активной жизненной позиции. Процесс обучения в ВУЗе все больше опирается на самостоятельную, близкую к исследовательской, деятельность студента.
Целью настоящей работы является раскрытие факторов влияния творческой работы на формирование личности студента, как будущего специалиста.
1. Система и формы обучения студентов творческой работе.
Систематическая, целенаправленная и широко развернутая творческая работа в ВУЗах позволяет использовать новейшие научные достижения в учебном процессе, улучшает его организацию, является важным условием дальнейшего совершенствования всей системы образования в соответствии с потребностями развития экономики, науки и культуры, подготовки кадров по новым и перспективным направлениям науки и техники, вооружения будущих специалистов современными общенаучными и профессиональными знаниями. Специалист, которого сегодня готовят в высшей школе, должен находиться на переднем крае науки. Наука и образование становятся все более неотделимы друг от друга.
Формирование у студентов творческих умений и навыков, необходимых в дальнейшей практической работе, сравнительно длительный процесс. В ВУЗе это достигается варьированием методов ведения учебных занятий по специальным дисциплинам, что служит основой для выработки у студентов навыков и умений исследователя. Как специалист, владеющий навыками исследователя в своей области, студент может организовать свой труд и труд коллектива в соответствии с задачами. Рассматривая профессиограмму современного специалиста (инженера), следует отметить, что квалификационная деятельность охватывает умения и навыки, приобретаемые инженером при выполнении инженерной, научно-исследовательской, воспитательной и организационной работы (рис. 1).
Рис. 1. Квалификационная модель инженера.
Мотивами творческой деятельности студентов выступают понимание ее общественной и личной значимости, желание внести посильный вклад в решение практических и научных проблем, стремление к научному поиску, любознательность. Большинство студентов воспринимают свое участие в исследовательской работе как подготовку к будущей практической деятельности после окончания ВУЗа.
В ВУЗах наиболее распространена система научной подготовки студентов по двум направлениях – учебно-исследовательская работа (УИР) и научно-исследовательская работа (НИР). Эта система постоянно совершенствуется.
Основная задача УИР - привить всем студентам устойчивые навыки самостоятельной исследовательской работы, ознакомить их с современными методами научного познания, техникой физического эксперимента, с реальными условиями труда в лаборатории, в научном коллективе.
Студенты учатся пользоваться научным оборудованием, самостоятельно вести эксперименты, применять теоретические знания на практике. Программы указанных на рис.2 спецкурсов содержат перечень знаний, умений, навыков, необходимых для формирования личности инженера-исследователя. Для решения этой задачи необходима совокупность всех видов учебных занятий и внеаудиторных форм работы на основе применения развивающихся и проблемных методов.
Так одной из задач курса «Введение в инженерную специальность» является раскрытие содержания форм и методов, системы подготовки в ВУЗе, основ методики самостоятельной работы. В связи с этим значительное место отводится теме участия студентов в техническом творчестве.
В процессе изучения общественных и специальных дисциплин первокурсники знакомятся с системой научно-исследовательской работы в ВУЗе, принципами и методами технического творчества. Спецкурс «Основы технического творчества» вводит студентов в лабораторию научного творчества, знакомит с современными методами творческой работы, прививает исследовательские навыки и умения. Активность студентов повышается в процессе прохождения производственной практики, где студенты выступают с лекциями и докладами по результатам своих научных исследований. Кроме этого, студенты готовят рефераты с элементами научного исследования, курсовые научно-исследовательские работы и по завершению учебы в институте выполняют реальные дипломные проекты, включающие результаты технического творчества.
Обучение студентов творческой работе осуществляется по нескольким формам (рис. 3).
Рис. 3 Формы обучения творческой работе в системе НИРС.
Наиболее распространены в ВУЗах такие формы привлечения студентов к творчеству, как работа в научных кружках, в студенческих проектно-конструкторских и других бюро, в проблемных лабораториях, участие в выполнении госбюджетной и хоздоговорной тематики кафедр, в олимпиадах и конкурсах на лучшую научную работу в области естественных, технических и гуманитарных наук. Высший уровень творческой активности студентов проявляется там, где они самостоятельно ставят проблему, находят пути ее решения, выбирают из них оптимальный вариант. Задача обучения состоит в том, чтобы развить у молодого специалиста интерес к изобретательской деятельности, вызвать потребность поиска новых технических решений.
1. Комплексный план организации технического творчества студентов.
Основные требования комплексного подхода к организации технического творчества реализуются в вузовских планах путем введения элементов творческой работы в различные виды учебного процесса: планирования НИРС во внеучебное время, установления тесной взаимосвязи основных форм НИРС, проводимых в учебное и внеучебное время, посредством использования единой темы творческой работы, согласования научных направлений кафедр и лабораторий с профилем специальностей, по которым ВУЗ готовит специалистов организаций НИРС по реальной плановой тематике ВУЗа, привлечения к организации НИРС всех кафедр и использования самых разнообразных форм работы для улучшения профессиональной и творческой подготовки будущих специалистов, совершенствования их воспитания, учета специфики ВУЗа, конкретных требований к специалисту данного профиля.
В планах по специальностям предусматривается привлечение студентов к НИРС на кафедрах общенаучных и общетехнических дисциплин, причем увязывается тематика этих исследований с профилем специальности. Большое внимание уделяется согласованию деятельности кафедр на различных курсах с тем, чтобы у студентов последовательно формировались навыки экспериментальной работы, владения методами и методиками творческой работы, умение анализировать экспериментальные данные, оформлять научную работу. В задания дипломных проектов предлагается включать исследовательский раздел, а тематику дипломных заданий формировать с учетом плановых хоздоговорных и госбюджетных НИР ВУЗа.
Из рекомендуемых типовым планом форм организации НИРС во внеучебное время наиболее широкое распространение получили студенческие научные кружки. В них работают около половины всех участников НИРС, которые, выполняя творческую работу во внеучебное время, продолжают и углубляют исследования, начатые в учебном процессе. Это позволяет рационально использовать резерв времени студентов, планируемый для творческой работы, повысить эффективность и результативность НИРС. Кроме того, типовой план предлагает широко использовать для организации проектно-конструкторской работы студентов различные студенческие объединения, конструкторские и другие бюро, привлекая к работе в них часть хорошо успевающих студентов младших курсов и значительную часть обучающихся на старших курсах.
Индивидуальный комплексный план способствует достижению органического единства форм учебной и творческой работы студента. План содействует систематической творческой работе студента, стимулирует его рост на основе поэтапного приобретения навыков исследовательской деятельности. Перспективный план на весь период обучения является также важным средством организации самостоятельной работы студента и источником информации, необходимой для управления процессом творческой подготовки будущего специалиста. План дает возможность оценивать эффективность различных форм творческой подготовки специалиста высшей квалификации.
2. Влияние технического творчества на формирование личных качеств
студента как будущего специалиста.
Специфическая особенность творческой работы в высшем учебном заведении состоит в том, что она, как и вся деятельность ВУЗа в целом, имеет первоочередной целью обеспечить формирование творчески мыслящего, всесторонне подготовленного к практической жизни специалиста. При организации творческой работы в ВУЗах развиваются те исследования, которые обусловлены содержанием подготовки специалистов и совпадают с ее профилем. Знакомство с современной научной проблематикой расширяет кругозор у студентов, помогает им яснее представить и понять перспективы научно-технического прогресса, личное участие в исследованиях приучает студента к самостоятельности, помогает ему выработать высокую требовательность к себе, целеустремленность, собранность, организованность. Воспитание у молодежи органической потребности вести творческий поиск – характерная особенность современного стиля подготовки специалистов.
В целом можно выделить следующие важнейшие особенности творческой деятельности студентов:
а) подчиненность целей творческой деятельности учебным;
б) основными мотивами ее являются познавательные;
в) она осуществляется под руководством преподавателей и научных сотрудников;
г) в процессе творческой работы у студентов формируется профессиональная самостоятельность, способность к творческому решению практических задач с началом трудовой деятельности;
д) творческая деятельность способствует расширению сведений для успешного разрешения студентами профессиональных, организаторских и других проблемных ситуаций, которые могут возникнуть в будущем.
Показателем готовности студентов к творческой деятельности является наличие умений поиска литературного материала, самостоятельно оценивать значимость изучаемого материала, сопоставлять, сравнивать, анализировать, проявлять самостоятельность в обобщении, выводах работы, в использовании методов научного познания. Участие студентов в проектно-конструкторской работе, в обобщении передовых методов труда и практики лучших предприятий и хозяйств, развивает у молодежи творческий подход к овладению знаниями, вооружает ее исследовательскими навыками, укрепляет веру в силу науки. Органическое сочетание учебной и творческой работы в высшей школе получает дальнейшее и все более широкое развитие. Такой подход позволяет каждому студенту в той или иной мере принять участие в творчестве.
Рекомендуется развивать и такую форму творческого соревнования между студентами, как олимпиада. Олимпиада в значительной степени способствует овладению более глубокими и прочными знаниями, воспитанию у студентов любви к избранной профессии, стремления к постоянному расширению кругозора.
Благотворное влияние участия студентов в творческой работе проявляется при выполнении ими курсовых и дипломных проектов. Курсовые проекты в большинстве своем выполняются по заказам промышленных и сельскохозяйственных предприятий и содержат исследовательскую часть. Результаты выполненных реальных дипломных проектов, содержащих исследовательскую часть, внедряются в производство.
Техническое творчество студентов имеет важное значение и для дальнейшей подготовки научно-педагогических кадров. Студенческие научные кружки стали для многих ученых тем началом, которое определило их творческую судьбу. Поэтому уже сейчас возникает необходимость, чтобы в процессе НИРС осуществлялся не только подбор, но и специализация и частичная начальная подготовка по будущей специальности студентов, деятельность которых по окончании ВУЗа будет связана с научной работой. Это будет способствовать сокращению периода адаптации аспирантов и соискателей.
Практика показывает, что уровень готовности к труду выше, а период адаптации к нему меньше у выпускников тех ВУЗов, в которых студенты вовлечены в проведение научных исследований. Период адаптации у выпускников ВУЗов, занимавшихся ранее творческой работой, сокращается в 5-6 раз. Особенно ускоряется адаптация, если тема дипломного проекта связана с местом будущей работы молодого специалиста. Учебная и творческая деятельность студентов находятся в единстве и выступают как средства лучшего освоения будущей профессиональной деятельности, формирования необходимых для этого качеств и опыта.
РАБОТА № 2
Тема: Планирование и проведение многофакторного эксперимента при проверке технических решений.
Цель работы: Изучить методику планирования полного факторного эксперимента при проверке технических решений.
ЗАДАНИЕ
Изучить:
1. Основы методики рационального планирования эксперимента.
1.1. Цель и задачи планирования эксперимента.
1.2. Основные принципы оптимального планирования эксперимента.
1.3. Полный факторный и дробный факторный эксперименты.
1.3.1. Последовательность проведения полного факторного эксперимента.
1.3.2. Выбор цели, параметров оптимизации и независимых факторов.
1.3.3. Сбор и анализ априорной информации.
1.3.4. Выбор математической модели.
1.3.5. Составление схемы проведения опытов.
1.3.6. Построение плана полного факторного эксперимента.
1.3.7. Проведение и статистическая оценка результатов эксперимента.
2. ОТЧЕТ
Вычертить схемы, таблицы и провести расчеты планирования, проведения и обработки результатов полного факторного эксперимента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Завалишин Ф.С., Мацнев М.Г. Методы исследования по механизации сельскохозяйственного производства. – М.: Колос, 1982.- 231 с.
2. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1979.-416 с.
3. Практикум по мелиоративным машинам. Под. ред. Мера И.И. – М.: Колос, 1984. – 192 с.
4. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. – К.: Техника, 1975. – 168 с.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к работе № 2
Планирование и проведение многофакторного эксперимента при проверке технических решений
1.Общие сведения об эксперименте
На рабочие органы машин, создаваемых в процессе технического творчества оказывают влияние одновременно несколько факторов. Колебание одного фактора служит непосредственной причиной изменения влияния других факторов на исследуемые параметры. В этом случае необходимо проводить многофакторный эксперимент. Применение для этих целей «классического способа» – изменение факторов по одному при стабилизации остальных требует проведения большого числа опытов. Такой способ исследования очень продолжителен и малоэффективен. В ряде случаев он не только затрудняет отыскание оптимальных условий, но и не позволяет решить поставленную задачу.
1. Понятие о планировании эксперимента.
Планирование эксперимента – это средство построения математических моделей различных процессов, способ сокращения времени и средств, повышения производительности труда исследователя. С помощью планирования эксперимента можно получить математические модели, связывающие исследуемый параметр со всеми влияющими на него факторами.
3.Планирование и проведение многофакторного эксперимента.
3.1. Последовательность проведения полного факторного эксперимента.
Многофакторные эксперименты проводятся в следующей последовательности:
а) определение цели исследования и на основании этого выбор количественной характеристики цели – параметра оптимизации, а также факторов, влияющих на объект исследования;
б) сбор и анализ априорной (доопытной) информации об исследуемом объекте;
в) выбор математической модели;
г) составление схемы проведения опытов (матрицы планирования), числа опытов, порядка их проведения;
д) проведение эксперимента;
е) обработка результатов эксперимента с использованием статистических методов и регрессионного анализа;
ж) интерпретация результатов эксперимента, т. е. проверка соответствия математической модели выдвинутой гипотезе.
Рассмотрим все этапы проведения многофакторного эксперимента на примере исследования процесса очеса риса на корню. Технологическая схема очесывания риса представлена на рисунке 1.
3.1.1. 1 этап. Выбор цели, параметра оптимизации и независимых факторов.
При проведении многофакторного эксперимента можно ставить две цели (задачи):
а) интерполяционную – когда требуется установить только существующую связь между параметром оптимизации и факторами;
б) оптимизационную – когда необходимо найти условия состояния объекта, при которых параметр оптимизации достигает экстремального значения
(МАХ или MIN).
Выбираем первую задачу – интерполяционную.
На технологическом процессе очеса риса на корню влияют следующие независимые факторы (рис. 2):
- угловая скорость очесывающего барабана;
H - величина погружения очесывающих пальцев в стеблестой;
V - поступательная скорость агрегата;
- зазоры между пальцами;
U - скорость всасывающего воздушного потока;
d - диаметр барабана и др.
Влияют на технологический процесс также нерегулируемые факторы:
Q - урожайность;
w - влажность;
C - соломистость и др.
Выходными параметрами или параметрами оптимизации при очесе риса на корню (а также при уборке зерновых) являются:
а) P - процент потерь зерна;
б) - процент дробления и обрушивания зерна;
в) q - производительность уборки, кг/с.
Таким образом, на процесс очесывания риса на корню влияют много факторов. В планировании эксперимента учитываются только независимые факторы. А чтобы исключить влияние нерегулируемых факторов опыты рандомизируют.
Количество параметров оптимизации сводят, как правило, к одному (например, потери зерна P), а остальные параметры являются ограничениями.
Количество независимых факторов также сводят к минимуму, для упрощения эксперимента, используя для этого методы отсеивания несущественных факторов (формализация априорной информации, метод случайного баланса и др.).
3.1.2. 2 этап. Сбор и анализ априорной (доопытной) информации о технологическом процессе очеса риса.
Источниками информации об очесе риса могут быть:
а) литературные источники: книги, статьи и т.д.;
б) опыт и знания специалистов в конкретной области;
в) результаты предыдущих исследований.
По многочисленным ранее проведенным исследованиям установлено, что на потери зерна наибольшее влияние оказывают два фактора: - угловая скорость очесывающего барабана и H - величина погружения очесывающих пальцев в стеблевую массу.
3.1.3. 3 этап. Выбор математической модели.
Когда неизвестен механизм протекания процесса в «черном ящике» аналитическое выражение функции отклика также неизвестно. Поэтому описывают функцию отклика уравнением регрессии вида:
где x и x - значения факторов;
b - свободный член, равный выходу при x = 0;
b -коэффициент регрессии соответствующих факторов на изучаемый объект;
b -коэффициент регрессии соответствующих факторов двойного взаимодействия.
Для нашего примера с двумя факторами x = и x уравнение регрессии будет иметь вид:
Для трех факторов x x x:
Y= b0 +b1 x1 +b2 x2 +b3 x3 +b1,2 x1x2+b1,3x1x3+b2,3x2x3+b1,2,3x1x2x3 (3)
Коэффициенты уравнения регрессии рассчитывают по результатам эксперимента. Величина коэффициентов регрессии и знак характеризуют данный фактор, его влияние на параметр оптимизации.
3.1.4. 4 этап. Составление схемы проведения опытов.
При планировании многофакторного эксперимента могут применяться следующие методы:
а) полный факторный эксперимент (ПФЭ);
б) дробный факторный эксперимент (ДФЭ);
в) симплексный метод;
г) отсеивающие эксперименты и др.
При планировании используем метод полного факторного эксперимента (ПФЭ) и приводим построение плана ПФЭ.
При составлении плана эксперимента назначают уровни варьирования факторов. Обычно принимают 2 уровня и обозначают их «+1» и «-1».
Таблица 1. Уровни варьирования факторов
| № п/п | Факторы | Обозначения | Уровни факторов | |
| — 1 | + 1 | |||
| Угловая скорость, 1/с | х 
| |||
| Величина погружения, м | х
|
Комбинации условий эксперимента при 3-х уровнях определяются
показательной функцией N = 2, где n - количество факторов.
Эти комбинации условий (количество опытов) можно представить в виде таблицы сочетаний разных уровней факторов, упорядоченных по столбцам. Такая таблица называется матрицей планирования. Строки матрицы соответствуют различным опытам, а столбцы – значениям факторов.
Таблица 2. – Матрица планирования двухфакторного эксперимента типа N = 22
| Номер опыта | х0 | х1 | х2 | х1х2 | Вектор выхода y | |||
| Повторности | Ср. значение | |||||||
| у1 | у2 | у3 | уu (уср) | |||||
| + | - | - | + | у11 | у12 | у13 | уср1 | |
| + | + | - | - | у21 | у22 | у23 | уср2 | |
| + | - | + | - | у31 | у32 | у33 | уср. 3 | |
| + | + | + | + | у41
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
 Сейчас читают про:
  6009 5720 |
