Проведение эксперимента

Методология эксперимента

    Теория, или научно обобщенная система знаний, должна соответствовать практике. Очень часто только эксперимент (научно поставленный опыт) является единственным надежным способом решения поставленной задачи.

Экспериментальное и теоретическое исследования дополняют друг друга, расширяют и углубляют на каждом своем этапе наши знания о развитии явления.

В большинстве случаев в области техники нельзя обособливать теоретические и экспериментальные исследования, так как в основе теоретического исследования лежит опыт, а обобщение опытных данных развивает теорию. Исследование, состоящее из экспериментальной и теоретической частей, называется комплексным.

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 пассивного наблюдения 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 в кратчайший срок с минимальной затратой средств при самом высоком качестве полученных результатов.

Различают эксперименты:

- естественные;

- искусственные.

Естественные эксперименты характерны для получения социальных явлений в обстановке, например производства и быта.

При искусственном эксперименте изучают явление, изолированное до требуемой степени, чтобы оценить его в количественном и качественном отношениях (широко применяется в технических науках).

Поисковые экспериментальные исследования необходимы в том случае, если затруднительно классифицировать все факторы, влияющие на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных данных.

Экспериментальные исследования делятся на:

- лабораторные;

- производственные.

Лабораторные опыты проводятся с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т. д. Эти исследования позволяют наиболее полно и доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других.

Производственные экспериментальные исследования проводятся с целью изучения процесса в реальных условиях с учетом воздействия различных случайных факторов производственной среды.

Одной из разновидностей производственных экспериментов является собирание материалов в организациях, которые накапливают по стандартным формам те или иные данные. Такие данные систематизированы за многие годы по единой методике и хорошо поддаются обработке методами статистики и теории вероятностей.

Производственный эксперимент может проводиться также методом анкетирования.

Производственные экспериментальные исследования могут быть заменены опытами на специальных полигонах. Полигонные испытания позволяют проводить исследования без нарушения производственного ритма, что повышает эффективность использования применяемого в эксперименте оборудования, машин, приборов.

Объем экспериментов может быть различным. Иногда для подтверждения рабочей гипотезы достаточно лабораторного эксперимента, а иногда надо проводить серию экспериментальных исследований: предварительные, лабораторные, полигонные на эксплуатируемой объекте.

В ряде случаев на эксперимент затрачивается большое количество средств (делается много лишнего). 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.

В последнее время широко применяют математическую теорию эксперимента, позволяющую резко повысить точность и уменьшить объем экспериментальных исследований.

 

Разработка плана-программы эксперимента

План-программа эксперимента включает следующее:

-   наименование темы исследования;

-   рабочую гипотезу;

-   методику эксперимента;

-   перечень необходимых материалов, приборов, установок;

-   список исполнителей эксперимента;

-   календарный план работ;

-   смету на выполнение эксперимента.

Методика эксперимента составляет основу плана-программы. Методика эксперимента – это система приемов или способов для последовательного наиболее эффективного осуществления экспериментального исследования.

Методика эксперимента включает:

-   цель и задачи эксперимента;

-   выбор варьирующих факторов;

-   обоснование средств и необходимого количества измерений;

-   описание проведения эксперимента;

-   обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Цель и задачи эксперимента обосновывают на основе анализа информации, гипотезы и теоретических разработок.

Оптимальным количеством задач для конкретного (не комплексного) эксперимента является 3-4 задачи. В большом, комплексном эксперименте количество задач может быть 8-10.

Выбор варьирующих факторов – это установление основных и второстепенных характеристик, влияющих на исследуемый процесс. На основе анализа расчетных (теоретических) схем процесса классифицируют все факторы и составляют из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд.

При затруднении выявить роль основных и второстепенных факторов необходимо выполнить небольшой по объему предварительный поисковый опыт.

Основным принципом установления степени важности характеристики является ее роль в исследуемом процессе.

Обоснование средств измерений – это выбор необходимых для наблюдений и измерений приборов, оборудования, машин, аппаратов и др. Средства измерений можно подобрать по каталогам.

В случае необходимости создаются новые приборы, где желательно использовать готовые узлы выпускаемых или реконструировать существующие приборы.

Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки – метрологии, изучающей средства и методы измерений.

Под необходимым минимальным количеством измерений понимают такое их количество, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности.

В методике подробно описывается процесс проведения эксперимента.

Вначале составляется последовательность проведения операций измерений и наблюдений. Затем описывается каждая операция в отдельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента. Разрабатываются формы журналов для записи результатов наблюдений и измерений.

Выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных является важным разделом методики. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи – таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять полученные результаты.

Особое внимание в методике уделяется математическим методам обработки и анализа опытных данных – установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, установлению критериев и доверительных интервалов и др.

Чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента.

Различают три случая проведения эксперимента.

1. Теоретически получена аналитическая зависимость, которая однозначно определяет исследуемый процесс, например у = 5е3х. В этом случае объем эксперимента для подтверждения данной зависимости минимален, поскольку функция однозначно определяется экспериментальными данными.

2. Теоретическим путем установлен лишь характер зависимости, например у = bemx. В этом случае задано семейство кривых. Экспериментальным путем определяются коэффициенты b и m. Объем эксперимента при этом возрастает.

3. Теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей, а разработаны лишь предположения о качественных закономерностях процесса. Во многих случаях целесообразно проводить поисковый эксперимент, а также метод математического планирования эксперимента. Объем экспериментальных работ резко возрастает. План-программу обсуждают в научном коллективе и утверждают в установленном порядке.

Проведение эксперимента

Важным и наиболее трудоемким этапом является проведение эксперимента. Эксперимент необходимо проводить в соответствии с утвержденной планом-программой и методикой эксперимента. Приступая к эксперименту, окончательно уточняют методику его проведения, последовательность опытов и испытаний.

Иногда ожидаемый результат при исследовании сложных процессов получают позже, чем предусматривается планом. Поэтому необходимо проявить терпение, выдержку, настойчивость и довести эксперимент до получения результатов.

Экспериментатор должен фиксировать все характеристики исследуемого процесса, не допуская субъективного влияния на результаты измерений. Необходимо записывать все экспериментальные данные, а не выбирать только те, которые хорошо согласуются с теоретическими предположениями.

В процессе проведения эксперимента недопустима небрежность, что приводит к большим искажениям, ошибкам.

Ведение журнала является обязательным требованием проведения эксперимента. Журнал может быть произвольной формы.

В журнале отмечают: тему НИР и тему эксперимента; фамилию исполнителя; время и место проведения эксперимента; характеристику окружающей среды; данные об объекте эксперимента и средствах измерения; результаты наблюдений и другие данные для оценки получаемых результатов.

Журнал заполняется аккуратно, без исправлений. При получении резко отличающихся результатов необходимо их также записывать в журнал и указать обстоятельства, сопутствующие указанному измерению.

Если в процессе измерения необходимы простейшие расчеты, то они должны быть выполнены безупречно.

Исследователь должен систематически проводить рабочую проверку средств измерений. Необходимо обеспечивать надежность работы средств измерений, воспроизводимость измерений, соблюдать требуемую точность и достоверность получаемых результатов.

Одновременно с выполнением измерений необходимо проводить предварительную обработку результатов и их анализ. Такой анализ позволяет контролировать исследуемый процесс, корректировать эксперимент, улучшать методику и повышать эффективность эксперимента. Важными являются при этом консультации с коллегами.

При проведении экспериментов необходимо соблюдать технику безопасности, пожарную профилактику, руководствоваться принципами НОТ (фото- и киносъемка).

Результаты экспериментов сводят в таблицы, тщательно изучают сомнительные цифры, резко отличающиеся от средних значений. При анализе цифр устанавливают точность, с которой нужно проводить обработку опытных данных. Точность обработки не должна быть выше точности измерений.

Анализ эксперимента – это завершающая часть, на основе которой делают вывод о подтверждении гипотезы научного исследования. Анализ эксперимента является творческой частью исследования. При анализе требуется особо тщательное сопоставление фактов, причин, обуславливающих ход того или иного процесса и установление адекватности гипотезы и эксперимента.