Методичне забезпечення експериментальних досліджень

 

Залежно від теми наукового дослідження обсяг експериментів може бути різним. У кращому випадку для підтвердження робо­чої гіпотези достатньо лабораторного експерименту, але іноді до­водиться проводити серію експериментальних досліджень: попе­редніх (пошукових), лабораторних, полігонних на об'єкті, що експлуатується.

В окремих випадках на експеримент витрачаються значні ко­шти. Науковий робітник проводить велику кількість спостере­жень і вимірів, одержує численну кількість діаграм, графіків, виконує невиправдано велику кількість випробувань.

На обробку і аналіз такого експерименту витрачається багато часу, Іноді виявляється, що виконано багато зайвого, непотрібно­го. Усе неможливо, коли експериментатор чітко не визначив мету та завдання експерименту. В інших випадках результати трива­лого, широкого експерименту не повністю підтверджують робочу гіпотезу наукового дослідження. Як правило, це також властиве для експерименту, який чітко не обґрунтований метою та завдан­нями. Тому, перш ніж розпочати експериментальні дослідження, необхідно розробити методологію експерименту.

Методологія експерименту - це загальна структура (мето­дика) експерименту, тобто постановка та послідовність виконан­ня експериментальних досліджень.

Експеримент складається з таких основних етапів:

1. розроблення плану-програми експерименту;

2. оцінка вимірювання та вибір засобів для проведення експери­менту;

3. проведення експерименту;

4. обробка й аналіз експериментальних даних.

Наведена кількість етапів характерна для традиційного екс­перименту. Разом з цим останнім часом широко використовують математичну теорію експерименту, яка дозволяє значно підвищи­ти точність та зменшити обсяг експериментальних досліджень.

У цьому випадку експеримент охоплює такі етапи: розроблен­ня плану-програми експерименту; оцінка вимірювання та вибір засобів для проведення експерименту; математичне планування експерименту з одночасним проведенням експериментального дослідження, обробка й аналіз одержаних даних.

Зупинимося дещо детальніше на окремих етапах експеримен­тального дослідження.

Розроблення плану-програми експерименту. План програма містить найменування теми дослідження, робочу гіпотезу, ме­тодику експерименту, план створення експериментальної ситу­ації, перелік необхідних матеріалів, приладів, установок, список виконавців експерименту, календарний план робіт і кошторис ви­трат на виконання експерименту. У деяких випадках до план програми включають роботи з конструювання та виготовлення приладів, апаратів, пристроїв, методичне їх обстеження, а також програми дослідних робіт на підприємствах.

Одним із найбільш важливих етапів складання план програму є визначення мети і завдань експерименту. Чітко обґрунто­вані завдання - це вагомий внесок в їх вирішення. Кількість за­вдань має бути невеликою. Для конкретного (не комплексного) експерименту оптимальна кількість завдань 3-4. У великому ком­плексному експерименті їх може бути 8-10.

Основу плану-програми складає методика проведення експе­рименту, у якій детально проектують процес проведення експе­рименту. Спочатку визначають послідовність (черговість) прове­дення операцій вимірів і спостережень.

Потім ретельно описують кожну операцію окремо з урахуван­ням вибраних засобів для проведення експерименту. Особливу увагу приділяють методам контролю якості операцій, які повин­ні забезпечувати при мінімальній (раніше встановленій) кількості вимірів високу надійність і задану точність. Розробляють форми журналів для запису результатів вимірів і спостережень.

Важливим розділом методики є вибір методів обробки й ана­лізу експериментальних даних. Обробка даних зводиться до сис­тематизації всіх цифр, класифікації, аналізу. Результати експе­риментів повинні бути зведені до таких форм запису: таблиць, графіків, формул, номограм, які дозволяють швидко та доброякіс­но зіставляти одержані результати.

Особлива увага в методиці має бути приділена математич­ним методам обробки та аналізу одержаних дослідних даних - встановленню емпіричних залежностей, апроксимації зв'язків між варіюючи ми характеристиками, встановленню критеріїв тощо.

Після розроблення методики визначають обсяг та трудоміс­ткість експериментальних досліджень, які залежать від гли­бини теоретичних розробок, ступеня точності прийнятих засобів вимірювання. Чим чіткіше сформульована теоретична частина дослідження, тим менший обсяг експерименту. Так, залежно від результатів теоретичного дослідження можливі три випадки про­ведення експерименту.

Перший випадок - теоретично одержана аналітична залеж­ність, яка однозначно визначає досліджуваний процес. Наприклад,

у=3 + 6х². (6.1)

У цьому випадку обсяг експерименту для підтвердження даної залежності мінімальний, оскільки функція однозначно визнача­ється експериментальними даними.

Другий випадок - теоретичним шляхом встановлений лише характер залежності. Наприклад,

у = а + Ьх².'^Г (6.2)

У цьому випадку задане лише сімейство кривих. Експеримен­тальним шляхом необхідно визначити «а» і «Ь». При цьому обсяг експерименту збільшується.

Третій випадок — теоретично не вдалося одержати будь-яку залежність. Розроблені лише припущення щодо якісних законо­мірностей процесу. У багатьох випадках доцільний пошуковий експеримент. Обсяг експериментальних робіт різко зростає. У да­ному випадку доцільний метод математичного планування екс­перименту.

На обсяг та трудомісткість експерименту істотно впливає і вид експерименту. Наприклад, польові експерименти, як правило, мають велику трудомісткість. '

Після встановлення обсягу експериментальних робіт склада­ють перелік необхідних засобів вимірювання, матеріалів, список виконавців, календарний план і кошторис витрат.

Не менш важливим є розроблення в межах плану-програми експериментального дослідження так званого плану створення експериментальної ситуації.

Експериментальна ситуація - це сукупність умов, за яких проводиться експеримент.

План створення експериментальної ситуації завжди пов'яза­ний не лише із завданнями, методикою, але й з конкретним об'­єктом, на якому потрібно вирішувати поставлені завдання та реа­лізовувати саму методику.

На завершення план-програму експериментального дослі­дження розглядає науковий керівник, обговорюють у науковому колективі та затверджують в установленому порядку.

Оцінка вимірювання та вибір засобів для проведення експе­рименту. Обґрунтування засобів вимірювання - це вибір необхід­них для спостережень та вимірів приладів, обладнання, машин, апаратів тощо. Засоби вимірювання можуть бути вибрані стан­дартні або, за їх відсутності, виготовлені самостійно.

Дуже відповідальною частиною є встановлення точності вимі­рів і похибок. Методи вимірювання повинні базуватися на зако­нах спеціальної науки - метрології.

Проведення експерименту. Проведення експерименту є най­важливішим та трудомістким етапом. Експериментальні дослідження необхідно проводити відповідно до затвердженого план програми й особливо — методики експерименту. Розпочинаючи експеримент, остаточно уточнюють методику його проведення, по­слідовність випробувань.

При складному експерименті виникають випадки, коли очі­куваний результат одержують пізніше, ніж було передбачено пла­ном. Тому науковець має виявити терпіння, витримку, наполег­ливість і довести експеримент до одержання результатів.

Експеримент, як правило, дає результат реальний і пізна­вальний. Перший виявляється в розумінні характеру і ступеня впливу експериментальних факторів на вдосконалення діяль­ності об'єкта, що вивчається, другий виявляється у співвідно­шенні реального результату з поставленим пізнавальним зав­данням.

Обробка й аналіз експериментальних даних. Завершується експеримент переходом від емпіричного вивчення до оброблення отриманих даних, логічних узагальнень, аналізу і теоретичної інтерпретації отриманого фактичного матеріалу.

Попередня обробка результатів експерименту та їх аналіз про­водиться звичайно ще в процесі проведення експерименту. Це до­зволяє контролювати досліджуваний процес, корегувати експе­римент, покращувати методику і підвищувати ефективність екс­перименту.

Аналіз експерименту - це творча частина дослідження. Іноді за цифрами складно чітко уявити собі фізичну сутність процесу. Тому потрібне особливо ретельне зіставлення фактів, причин, що обумовлюють хід того чи іншого процесу, та встановлення адек­ватності гіпотези й експерименту.