Экспериментирование в научно-исследовательской деятельности

Эксперимент (проба, опыт) — метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются явления действительности. Нередко главной задачей эксперимента служат проверка гипотез и предсказание теории, имеющей принципиальное значение. В связи с этим эксперимент как одна из форм практики выполняет функцию критерия истинности научного познания в целом.

Изложим несколько фундаментальных правил проведения эксперимента, сформулированных выдающимся французским математиком и теоретиком науки А. Пуанкаре.

1. Если установлено какое-либо правило, то, прежде всего, мы долж­ны исследовать те случаи, в которых это правило имеет больше всего шансов оказаться неверным.

2. В эксперименте, уходя далеко в пространстве и во времени, мы должны ожидать, что наши обычные правила там совершенно рушатся. И именно это великое разрушение часто может помочь нам лучше усмотреть и понять те небольшие изменения, которые могут происходить вблизи нас сейчас и привести к разрушению в будущем.

3. Исследователь должен сосредоточить свое внимание главным образом не столько на сходствах и различиях, сколько на тех аналогиях, которые часто скрываются в кажущихся различиях.

4. Исследователь должен сконцентрировать много опытов, много мыслей в небольшом объеме.

Эксперименты в системах управления проводятся с целью оценки возможных последствий от реализации идей или гипотез, программ и проектов по созданию, развитию и реорганизации (реструктуризации, преобразования, трансформации и др.) и систем управления, и управляемых объектов.

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением, которое весьма многогранно, что и породило множество при­знаков различия экспериментов. Рассмотрим основные виды экспериментов, имеющие отношение к исследованию систем управления.

Эксперименты различаются:

а) степенью воздействия на изучаемый объект — активный, пассивный;

б) организацией проведения — лабораторный, натурный;

в) характером взаимодействия с объектом исследования — материальный (классический), вычислительный, мыслительный;

г) ожидаемым результатом — качественный, количественный;

д) числом варьируемых факторов — однофакторный, многофакторный;

е) природой изучаемого объекта или явления — физический, экономический, социометрический, технологический и др.

Рассмотрим особенности основных видов экспериментов.

^ Активный эксперимент - это эксперимент, при котором исследо­вателю удается выделять и оценивать доминирующие факторы, варьи­ровать переменные и параметры, ставя опыты по разработанной и осмысленной программе. В целом активный эксперимент — это осуществление сознательного поиска варианта лучшего исполнения действия.

^ Пассивный эксперимент предусматривает только наблюдение или измерение параметров и переменных, характеризующих функционирование объекта, т.е. их тестирование. В дальнейшем под понятиями «эксперимент» и «экспериментирование» подразумевается активный эксперимент.

^ Лабораторные эксперименты проводят с применением специальных моделирующих систем и установок, стендов, а также измерительных приборов и других способов изучения. При достаточно полном научном обосновании исследований они позволяют получить ценную научную информацию с минимальными затратами времени и средств. В теории организационного управления лабораторные эксперименты — это, как правило, вычислительные эксперименты, состоящие в проведении на вычислительных комплексах или системах экспериментов с математическими и имитационными моделями, описывающими поведение сложных процессов и систем в течение заданного периода времени. К особому классу лабораторных экспериментов следует отнести деловые игры, хозяйственные ситуации («case — stade») и компьютерные системы для решения практических задач управления.

^ Натурные эксперименты имеют целью изучить функционирование процессов или системы в целом в реальных условиях с учетом воздействия разного характера случайных факторов внутренней и внешней среды. Вследствие громоздкости опытов требуются тщательные продумывание и планирование эксперимента. Одной из разновидностей натурного эксперимента является производственный эксперимент, часто сводящийся к сбору материалов в организациях, которые накапливают по стандартным формам. Их ценность заключается в том, что они систематизированы по единой методике за многие годы. Такие материалы хорошо поддаются обработке методами математической 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 по предварительно составленной анкете. К результатам опроса следует относиться с особой тщательностью, поскольку они не всегда содержат достаточно надежные данные.

В зависимости от сложности темы научного исследования объем проведения экспериментов может быть различным. Для подтверждения рабочей гипотезы в лучшем случае достаточно будет проведения лабораторных экспериментов. В худшем случае потребуется серия экспериментальных исследований, включающая, например, поисковые, лабораторные и производственные исследования.

^ Материальный эксперимент, в дальнейшем именуемый классичес­ким, представляет форму объективной материальной связи сознания с внешним миром. Объектом исследования выступают реальные системы, а также их физические и аналоговые модели.

^ Вычислительный эксперимент — современная технология экспериментирования на компьютере с моделью функционирования объекта в течение продолжительного периода времени.

^ Мыслительный эксперимент служит одной из форм умственной деятельности познающего субъекта, в процессе которого в воображении воспроизводится структура реального эксперимента, поэтому он нередко выступает в роли идеального плана реального эксперимента и предшествует ему.

^ Качественный эксперимент ставится с целью установить наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления. Количественный, или измерительный, эксперимент проводится для выявления количественной определенности какого-либо свойства изучаемого объекта или системы.

^ Однофакторный и многофакторный эксперименты. Исследователь, начиная эксперимент, «погружается» в пространство факторов или независимых переменных. В этом контексте для исследователя существуют два классических подхода: получить решение однофакторным или многофакторным методом. Концепция многофакторного эксперимента заключается в оптимальном использовании пространства независимых переменных.

^ Социометрический эксперимент используется для изучения существующих межличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего изменения.

^ Технологический эксперимент направлен на изучение элементов и всего технологического процесса в целом. Аналогично можно говорить об экономическом эксперименте, эксперименте по обучению персонала и т.д.

В силу сложности экспериментальных исследований, прежде чем приступить к ним, необходимо разработать методологию эксперимента.

Методология эксперимента — это концепция, общие принципы, структура эксперимента, его постановка и последовательность выполнения экспериментальных исследований.

Цель разработки методологии эксперимента — это экономия мысли и труда. Одним из направлений, позволяющим осуществить сформулированную цель, служит применение математических методов планирования эксперимента. По определению В.В. Налимова, «планирование эксперимента — это оптимальное управление экспериментом при неполном знании механизма явления». Математические методы планирования эксперимента позволяют исследовать и оптимизировать сложные сист­мы и процессы, обеспечивая высокую эффективность эксперимента и точность определения исследуемых факторов.

Планирование эксперимента рассматривается как одно из направлений кибернетики, так как во многих случаях, приступая к изучению некоторого объекта, исследователь не знает всех тонкостей механизма его функционирования. Тогда, основываясь на принципах кибернетики, объект в целом или его элементы можно представлять в виде «черного ящика». В основу планирования эксперимента положены принципы теории эксперимента, такие как последовательность проведения, рандомизация, оптимальное использование факторного пространства и математическое моделирование.

Последовательное проведение эксперимента означает, что его выполняют поэтапно: анализируются данные каждого этапа и принимается решение о целесообразности приведения дальнейших исследований. Результаты эксперимента представляются уравнением регрессии или моделью процесса. С позиции кибернетики под моделью понимают приближенное выражение неизвестного закона, которое удовлетворительно характеризует явление в некоторой локальной области факторного пространства.

Принцип рандомизации заключается в том, что в план эксперимента вводят элемент случайности. Для этого план эксперимента составляют таким образом, чтобы те систематические факторы, которые трудно поддаются контролю, учитывать статистически и исключить в исследованиях как систематические ошибки.

Принцип оптимального использования факторного пространства заключается в снижении размерности задачи за счет выявления ненаблюдаемых параметров, являющихся линейной комбинацией наблюдаемых (измеряемых) параметров — факторов. Это позволит добиться значительного увеличения точности расчета коэффициентов полученной модели и уменьшить трудоемкость эксперимента.

Планы «оптимального эксперимента» реализуются в следующей последовательности:

1) оценка информации и определение n факторов, наиболее существенных для исследуемого процесса;

2) использование математической модели в виде линейной функции отклика;

3) анализ выбранной модели;

4) нахождение экстремума в области n-мерного факторного пространства путем использования полинома степени k.

Логически выстроенная последовательность этапов применения специальных положений, правил, методов, способов и приемов исследования для достижения цели эксперимента отображается в виде методики эксперимента. Число этапов и содержание исследований зависят от способа изучения объекта. Перейдем к изучению содержания этапов в понятиях классического и вычислительного экспериментов.