Методика проведения экспериментальных исследований

Методы экспериментальных исследований

Методика проведения экспериментальных исследований

Наиболее важной составной частью научных исследований являются эксперименты.

Экспериментальные исследования — один из основных способов получить новые научные знания. В его основе лежит эксперимент.

Эксперимент представляет 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, обыденного пассивного наблюдения эксперимент отличается активным воздействием исследователя на изучаемое явление.

Целью эксперимента может быть:

  • проверка теоретических положений, подтверждение рабочей гипотезы;
  • более глубокое изучение предмета или явления.

К эксперименту обычно предъявляются такие требования, как:

  • проведение в возможно кратчайший срок;
  • минимальные затраты материальных и денежных средств;
  • высокое качество полученных результатов.

Различают эксперименты естественные и искусственные.

Естественные эксперименты характерны для изучения социальных явлений в обстановке, например, производства, быта и т.п.

Искусственные эксперименты широко применяются во многих научных и в первую очередь в технических науках. В этом случае изучают явление, изолированное до требуемой степени, чтобы оценить его в качественном и количественном отношениях.

Иногда возникает необходимость провести поисковые экспериментальные исследования. Они необходимы в том случае, если затруднительно выделить те факторы, которые влияют на изучаемое явление из-за отсутствия достаточных предварительных данных. На основе предварительного (поискового) эксперимента затем строится программа исследований в полном объеме.

Экспериментальные исследования делятся на лабораторные и производственные.

Лабораторные опыты проводят с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т.п.

Эти исследования позволяют наиболее полно и доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик на другие при их изменении в широком диапазоне.

Обычно лабораторные исследования при достаточно полном научном обосновании эксперимента позволяет получить хорошую научную информацию с минимальными затратами.

Однако такие эксперименты не всегда полностью моделируют реальный ход изучаемого вопроса, поэтому возникает необходимость в проведении производственного эксперимента.

Производственные экспериментальные исследования имеют целью изучить процесс в реальных условиях с учетом воздействия различных случайных факторов производственной среды. Такие эксперименты проводят на строящихся объектах, заводах, зданиях, сооружениях, а применительно к горному делу, в шахтах, очистных и подготовительных забоях, в выработках или на поверхностном комплексе.

Как правило, производственные опыты громоздки, связаны с дополнительными затратами материальных и денежных ресурсов, иногда служат помехой в производственной деятельности и поэтому они требуют тщательного обоснования, продумывания и планирования.

Одной из разновидностей производственных экспериментов является собирание материалов в организациях, например, на шахтах, которые накапливают различные данные по стандартным формам, например, форма 25-тп. Ценность этих материалов заключается в том, что они систематизированы за многие годы по единой методике. Такие данные хорошо поддаются обработке методами статистики и теории вероятностей.

В ряде случаев производственный эксперимент эффектно проводить методом анкетирования. Для изучаемого процесса составляют тщательно продуманную методику. Основные данные собирают методом опроса производственных организаций по предварительно составленной анкете.

Этот метод позволяет собрать большое количество данных по изучаемому вопросу, но к результатам анкетных данных следует относиться с особой тщательностью, так как они не всегда содержат надежные результаты.

В процессы их обработки к ним можно применять метод статистической чистки данных.

Иногда производственные экспериментальные исследования могут быть заменены опытами на специальных полигонах.

Например, в горном деле вновь создаваемая техника, например, проходческий комбайн вместо того, чтобы его демонтировать и по отдельным узлам спускать в шахту, там снова монтировать, испытывают на полигоне на специальном стенде, имитирующем массив горных пород с заданными физико-механическими свойствами.

В зависимости от темы научного исследования объем экспериментов может быть различным. В лучшем случае для подтверждения рабочей гипотезы достаточно лабораторного эксперимента, в худшем — приходится проводить серию экспериментальных исследований: предварительные, т.е. поисковые, лабораторные, полигонные и в производственных условиях.

В ряде случаев на эксперимент затрачивается большое количество средств и времени.

Производится большое количество измерений и наблюдений, выполняется большое количество испытаний, делается громадная работа по обработке полученных данных, строятся графики, диаграммы, выводятся эмпирические формулы, но большинство из всего этого оказывается лишним, ненужным. Как говорят, работа на полку. Обычно это происходит, когда четко не обоснована цель и задачи исследования.

В других случаях результаты длительного обширного эксперимента не полностью подтверждают рабочую гипотезу научного исследования. Как правило, это также свойственно для эксперимента, четко не обоснованного целью и задачами. Поэтому прежде, чем приступить к экспериментальным исследованиям, необходимо разработать методологию эксперимента.

Методология эксперимента — это общая структура проекта эксперимента, т.е. постановка и последовательность выполнения экспериментальных исследований.

Методология эксперимента включает в себя следующие основные этапы:

  • разработка плана-программы эксперимента;
  • оценка измерений и выбор средств для проведения эксперимента;
  • проведение эксперимента;
  • обработка и анализ экспериментальных данных.

Приведенные этапы справедливы для традиционного эксперимента. В последнее время широко применяют математическую теорию эксперимента, позволяющую резко повысить точность и уменьшить объем экспериментальных исследований.

В этом случае методология эксперимента включает такие этапы:

  • разработка плана-программы эксперимента;
  • оценка измерений и выбор средств для проведения эксперимента;
  • математическое планирование эксперимента с одновременным
  • проведением эксперимента, обработкой и анализом экспериментальных данных.

Разработка плана-программы эксперимента

План-программа эксперимента включает:

  • наименование темы исследования;
  • рабочую гипотезу;
  • методику эксперимента;
  • перечень необходимых материалов, приборов, установок;
  • список исполнителей эксперимента;
  • календарный план работ;
  • смету на выполнение эксперимента.

В ряде случаев включают работы по конструированию и изготовлению приборов, аппаратов, приспособлений, а также программы опытных работ на производственных объектах.

Основу плана-программы составляет методика эксперимента.

Методика эксперимента представляет собой систему приемов или способов для последовательного наиболее эффективного осуществления экспериментального исследования.

Методика в общем случае включает в себя:

  • цель и задачи эксперимента;
  • выбор варьирующих факторов;
  • обоснование средств и потребного количества измерений;
  • описание проведения эксперимента;
  • обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Определение цели и задач эксперимента — один из наиболее важных этапов. На основе анализа информации, гипотезы и теоретических разработок обосновывается цель и задачи эксперимента. Имеющаяся информация позволяет в той или иной степени судить об ожидаемых результатах в проводимых исследованиях, а следовательно, и определить задачи эксперимента.

Четко обоснованные задачи — это большой вклад в их решение. Количество задач не должно быть большим: для конкретного эксперимента не более 3-4, для комплексного эксперимента 8-10.

Выбор варьирующих факторов — это установление основных и второстепенных характеристик, влияющих на исследуемый процесс.

Вначале анализируют расчетные (теоретические) схемы процесса (например, его математическую модель).

На основе этого классифицируют все факторы и составляют из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд.

Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку эксперимент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами.

В отдельных случаях трудно сразу выявить роль основных и второстепенных факторов. Для их уточнения необходимо выполнить небольшой по объему предварительный поисковый эксперимент.

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

Для этого изучают процесс в зависимости от какой-то одной переменной при остальных постоянных.

Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя лишь в тех случаях, когда переменных характеристик мало — 1-3. Если же переменных величин много, целесообразен принцип многофакторного анализа.

Обоснование средств измерений — это выбор необходимых для наблюдений и измерений приборов, оборудования, машин, аппаратов и др. Экспериментатор должен быть хорошо ознакомлен с выпускаемой измерительной аппаратурой. В первую очередь используют стандартные, серийно выпускаемые машины и приборы, работа на которых регламентируется инструкциями, ГОСТами и другими официальными документами.

В отдельных случаях возникает необходимость в создании уникальных приборов, аппаратов, установок, стендов, машин для разработки темы исследования.

При этом разработка и конструирование приборов и других средств должны быть тщательно обоснованы теоретическими расчетами и практическими соображениями о возможности изготовления.

Создавая новые приборы, желательно использовать готовые узлы выпускаемых или реконструировать существующие приборы применительно к задачам эксперимента.

Очень ответственной частью является установление точности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки — метрологии, изучаемой средства и методы измерений.

При экспериментальном исследовании одного и тоже процесса повторные отсчеты на приборах, как правило, не одинаковы. Отклонения объясняются различными причинами — наличием случайных неучтенных факторов, неоднородностью изучаемой структуры, несовершенством измерительных приборов, субъективными особенностями экспериментатора и др.

Чем больше случайных влияющих факторов, тем больше расхождения измерений, т.е. тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать их потребное минимальное количество.

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

Установление потребного минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств.

В методике подробно проектируют процесспроведения эксперимента. В начале составляют последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений. Затем тщательно описывают каждую операцию в отдельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента. Разрабатывают формы журналов для записи результатов измерений и наблюдений.

Важным разделом методики является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставить полученные результаты.

https://www.youtube.com/watch?v=NIRCkWaysjE

Особое внимание в методике должно быть уделено математическимметодам обработки и анализа опытных данных — установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, установлению критериев и доверительных интервалов и др.

После установления методики устанавливают объем и трудоемкость экспериментальных исследований, которые зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измерений. Чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента.

Возможны три случая проведения эксперимента.

Первый — теоретически получена аналитическая зависимость, которая однозначно определяет исследуемый процесс. Например,

y = 5x + 12

В этом случае объем эксперимента для подтверждения данной зависимости минимальный, поскольку функция однозначно определяется экспериментальными данными.

Второй — теоретически установлен лишь характер зависимости. Например,

y = ax + b.

В этом случае задано семейство кривых. Экспериментально необходимо определить коэффициенты a и b. При этом объем эксперимента возрастает.

Третий — теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей. Разработаны лишь предположения о качественных закономерностях процесса. Например,

y=f(x).

При этом случае чаще всего целесообразен поисковый эксперимент. Объем экспериментальных работ резко возрастает. Для сокращения этого объема уместен метод математического планирования эксперимента.

На объем и трудоемкость существенно влияет вид эксперимента. Полевые эксперименты, как правило, имеют большую трудоемкость.

После установления объема экспериментальных работ составляют перечень необходимых средств >измерений, объем материалов, список исполнителей, календарный план и смету расходов.

План-программу разрабатывают исполнители, рассматривает научный руководитель, обсуждают и утверждают в установленном в данном научном коллективе порядке.

Источник: http://lib.kstu.kz:8300/tb/books/Osnov%40i_nauchn%40ih_issledovanij/teory/11.htm

4.2 Экспериментальные исследования: методика и классификация экспериментальных исследований, методы физических измерений, средства измерений

Методика проведения экспериментальных исследований

Методологияи классификация экспериментальныхисследований

Эксперимент — это активный целенаправленныйметод изучения явлений в точнофиксированных условиях их протекания,которые могут воссоздаваться иконтролироваться самим исследователем.

Эксперимент имеет перед наблюдениемряд преимуществ: в ходе экспериментаизучаемое явление может не тольконаблюдаться, но и воспроизводиться пожеланию исследователя; в условияхэксперимента возможно обнаружениетаких свойств явлений, которые нельзянаблюдать в естественных условиях;эксперимент позволяет изолироватьизучаемое явление от усложняющихобстоятельств путем варьированияусловий и изучать явление в «чистомвиде»; в условиях эксперимента резкорасширяется арсенал используемыхприборов, инструментов и аппаратов.

Выделяются следующие виды эксперимента:1) исследовательский, и поисковыйэксперимент; 2) проверочный или контрольныйэксперимент; 3) воспроизводящий; 4)изолирующий; 5) качественный иликоличественный; 6) физический, химический,социальный, биологический эксперимент.

Методология экспериментальныхисследований – это общая структура(проект) эксперимента. Включает следующиеэтапы:

1. Разработка плана – программыэксперимента, это:

— наименование темы исследования,

— рабочая гипотеза,

— методика эксперимента,

— перечень необходимых материалов,приборов, установок,

— список исполнителей,

— календарный план работ,

— смета на выполнение эксперимента.

Иногда дополнительно включают работыпо конструированию и изготовлениюприборов, аппаратов и др.

2. Оценка измерений и выбор средствизмерений. Средства измерения могутбыть выбраны стандартные или изготовленыспециально для эксперимента. Поверкасредств измерений.

3. Проведение эксперимента (этапытрадиционного эксперимента, включаяматематическое планирование). В методикеэксперимента подробно проектируютпроцесс проведения эксперимента:

— составляют последовательностьпроведения операций наблюдений иизмерений;

— описывают каждую операцию с учетомвыбранных средств;

— контролируют качество операций, чтобыпри минимальном количестве измеренийобеспечить повышенную надежность изаданную точность;

— разрабатывают форму журнала для записирезультатов наблюдений и измерений;

— выбирают методы обработки и анализаэкспериментальных данных, включаяматематические.

Наиболее важной составной частью научныхисследований являются эксперименты.Это один из основных способов получитьновые научные знания. Более двух третейвсех трудовых ресурсов науки затрачиваетсяна эксперименты.

В основе экспериментальногоисследования находится эксперимент,представляющий собой научно поставленныйопыт или наблюдение явления в точноучитываемых условиях, позволяющихследить за его ходом, управлять им,воссоздавать его каждый раз при повторенииэтих условий.

От обычного, обыденного,пассивного наблюдения экспериментотличается активным воздействиемисследователя на изучаемое явление.

Основной целью эксперимента являетсяпроверка теоретических положений(подтверждение рабочей гипотезы), атакже более широкое и глубокое изучениетемы научного исследования.

Различают эксперименты естественныеи искусственные.

Естественные эксперименты характерныпри изучении социальных явлений(социальный эксперимент) в обстановке,например, производства, быта и т.п.

Искусственные эксперименты широкоприменяются во многих естественнонаучныхисследованиях. В этом случае изучаютявления, изолированные до требуемойстепени, чтобы оценить их в количественноми качественном отношениях.

Иногда возникает необходимость провестипоисковые экспериментальные исследования.Они необходимы в том случае, еслизатруднительно классифицировать всефакторы, влияющие на изучаемое явлениевследствие отсутствия достаточныхпредварительных данных. На основепредварительного эксперимента строитсяпрограмма исследований в полном объеме.

Экспериментальные исследования бываютлабораторные и производственные.

Лабораторные опыты проводят с применениемтиповых приборов, специальных моделирующихустановок, стендов, оборудования и т.д.Эти исследования позволяют наиболееполно и доброкачественно, с требуемойповторяемостью изучить влияние одниххарактеристик при варьировании других.

Лабораторные опыты в случае достаточнополного научного обоснования эксперимента(математическое планирование) позволяютполучить хорошую научную информацию сминимальными затратами.

Однако, такиеэксперименты не всегда полностьюмоделируют реальный ход изучаемогопроцесса, поэтому возникает потребностьв проведении производственногоэксперимента.

Производственные экспериментальныеисследования имеют целью изучить процессв реальных условиях с учетом воздействияразличных случайных факторовпроизводственной среды. Пассивныепроизводственные экспериментызаключаются в сборе данных и анализеслучайных отклонений от заданныхпараметров процесса. В активныхэкспериментах изменения параметровпроцесса заранее планируют и задают.

Методы физических измерений

Еслиэксперимент хорошо продуман и удачноспланирован, то он имеет больше шансовна успех. Основываясь на известныхтеориях и экспериментальных результатах,можно так выбрать способы и методыизмерений, чтобы получить как можнобольше сведений. Очень важно исключитьвлияние внешней среды или свести его кнулю. На практике финансовые проблемычасто ограничивают аппаратурныевозможности.

Измерения– это нахождение значения физическойвеличины опытным путем с помощьюспециальных технических средств.Измерения в философском аспекте –важнейший универсальный метод познанияфизических явлений и процессов.

Измерение– вторичный метод познания, так каксначала нужно изучить объект измерений,выстроить его модель. Измерение с этойточки зрения является методом кодированиясведений, то есть заключительной стадиейпроцесса познания.

В научном аспектеизмерения – это количественная информацияоб объекте, без которой невозможно точновоспроизвести условия техническогопроцесса и эффективного управленияобъектом.

В техническом аспекте измерениядают возможность проверки научныхгипотез, осуществляют связь теории ипрактики в науке. Цель измерений –получить численные значения нужнойфизической величины.

Измеренияподразделяютна прямые (получаютнепосредственно значение измеряемойвеличины) и косвенные (нужную величинувычисляют из результатов непосредственных измерений).

При многократных измерениях получаютразные численные значения измеряемойфизической величины (даже если всезначения одинаковы). Сразу возникаютвопросы:

— об истинном значении физическойвеличины,

-о точности, с которой истинное значениеможно определить по нашим данным.

Х0– истинное значение, Х – тозначение, которое получено в результатеизмерения. Е = Х – Х0– ошибкаизмерения.Ошибки измеренияподразделяютна:

— систематические,

— случайные,

— грубые (так называемые выбросы).

Грубые возникают вследствие ошибкиэкспериментатора или отказа оборудования.В отличии от других грубые ошибки обычносразу видно. Систематические ошибкитрудно обнаружить, так как отклонениев них одинаково.

Они возникают из-за:несовершенства оборудования, несовершенстваметода измерения, непостоянства условийопыта, влияния окружающей среды, ошибокэкспериментатора, влияния неучтенныхфакторов. Случайные ошибки возникаютвследствие многозначных причин.

Такиеошибки ликвидируют обработкой данныхна основе теоретической схемы теорииошибок, которая объединяет теориювероятностей и математическую статистику

Внастоящее время следует говорить обизмерительных технологиях, так каксложность измерений возрастает.

Основалюбой формы управления, анализа,прогнозирования, планирования, контроляили регулирования – достоверная исходнаяинформация, основанная на измерениях.Отсюда значительные затраты на измерения.

Примерно 15% общественного трудазатрачивается на проведение измерений,от 3 до 6% валового национального продуктатратится на измерения, прямо или косвенно.

Средства измерений и их классификация

Средствоизмерений– это техническое средство:

-используемое при измерениях,

-имеющее нормированные метрологическиесвойства,

-воспроизводящее или хранящее единицуфизической величины, размер которойпринимается неизменным (в пределахустановленной погрешности) в течениеизвестного интервала времени.

Средство измерений либо воспроизводитвеличину заданного размера (например,гиря – массу, магазин сопротивлений –ряд дискретных значений сопротивлений),либо вырабатывает сигнал, несущийинформацию о значении измеряемойвеличины. Сигнал либо сразу воспринимаетсячеловеком (отклонение стрелки прибора),либо преобразуется еще раз, чтобы бытьвоспринятым (сравнение в приборе двухсигналов и выдача разницы колориметр).

Средствоизмерений может работать в двух режимах:статическом, при котором изменениемизмеряемой величины за время измеренияможно пренебречь, и динамическом, прикотором изменение нужно учитывать, таккак это изменение превышает допустимуюпогрешность.

Средстваизмерений классифицируют:

1.По роли, выполняемой в системе обеспеченияединства измерений, средства измеренийподразделяют на метрологические, дляхранения или воспроизведения единицыизмерений, и рабочие, применяемые длянепосредственных измерений в эксперименте.

2. По уровню автоматизации: — неавтоматические,- автоматизированные, в этом режимевозможно одно измерение или его часть,- автоматические, в этом режиме проводятвсе измерение и обработку его результатов,регистрацию, передачу данных иливыработку управляющих сигналов.

3. По уровню стандартизации: стандартизованные,то есть отвечающие требованиямгосударственного или отраслевогостандарта (их чаще используют, по нимпроводят государственные испытания),нестандартизованные(уникальные)для решения специальной задачи, которуюне нужно стандартизировать.

4. По отношению кизмеряемой физической величине:

– основные (измеряютосновную физическую величину),

— вспомогательные,измеряют физическую величину, влияниекоторой на основное средство измеренийнужно учесть, чтобы получить требуемуюточность.

5. По роли в процессе измерения ивыполняемым функциям. Это основнаяклассификация. Средства измеренийподразделяют на

элементарные: меры (однозначные –гиря, многозначные – линейка, наборымер — ареометры, магазины мер – магазинсопротивлений и т.д.), устройствасравнения, измерительные преобразователи(датчик),

комплексные: измерительные приборы,измерительные установки, измерительныесистемы и комплексы.

Метрологические характеристикисредств измерений

Этохарактеристики свойств средствизмерений, оказывающие влияние нарезультат измерения и его погрешности.Характеристики, устанавливаемыенормативно-техническими документаминазывают нормируемыми, а определяемыеэкспериментально – действительными.

Метрологические характеристикипозволяют: — определять результатыизмерений и рассчитывать оценкихарактеристик инструментальнойсоставляющей погрешности измерения вреальных условиях применения средствизмерений, — рассчитывать метрологическиехарактеристики каналов измерительныхсистем, состоящих из нескольких средствизмерений с известными метрологическимихарактеристиками, — проводить оптимальныйвыбор средств измерений для данныхусловий с нужным качеством измерений,- сравнивать средства измерений разныхтипов.

Классыточности средств измерений это обобщеннаяхарактеристика средств измерений,выражаемая пределами допускаемыхзначений его основной и дополнительнойпогрешностей, а также другимихарактеристиками, влияющими на точность.

Класс точности не является непосредственнойоценкой точности измерений, так как оназависит еще от метода измерений, условийизмерений и т.д. Класс точности – лишьпределы погрешности, это интервал, вкотором находится значение основнойпогрешности средства измерений.

Средствоизмерений может иметь два или болеекласса точности, например, если у негодва или более диапазонов измеряемойвеличины, а также, если прибор измеряетнесколько физических величин.

Анализ экспериментальных данных

Возможны три случая проведенияэксперимента.

Первый – теоретически полученааналитическая зависимость, котораяоднозначно определяет исследуемыйпроцесс. Например, y= 6e5x.В этом случае объем эксперимента дляподтверждения данной зависимостиминимален, поскольку функции однозначноопределяется экспериментальнымиданными.

Второй случай – теоретическим путемустановлен лишь характер зависимости.Например, y=ae-kx.В этом случае задано семейство кривых.Экспериментальным путем необходимоопределитьaиk.При этом объем эксперимента возрастает.

Третий случай – теоретически не удалосьполучить каких-либо зависимостей.Разработаны лишь предположения окачественных закономерностях процесса.Во многих случаях целесообразен поисковыйэксперимент. Объем экспериментальныхработ резко возрастает. Здесь уместенметод математического планированияэксперимента.

Источник: https://studfile.net/preview/3987356/page:10/

Методика экспериментальных исследований

Методика проведения экспериментальных исследований

Наиболее важной составной частью научных исследований являются эксперименты. Это один из основных способов получить новые научные знания. Более 2/3 всех трудовых ресурсов науки затрачивается на эксперименты.

В основе экспериментального исследования 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, обыденного, 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 по возможности в кратчайший срок с минимальными затратами при самом высоком качестве полученных результатов.

Для проведения эксперимента любого типа необходимо: разработать гипотезу, подлежащую проверке; создать программы экспериментальных работ; определить способы и приемы вмешательства в объект исследования; обеспечить условия для осуществления процедуры экспериментальных работ; разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов эксперимента; подготовить средства эксперимента (приборы, установки, модели и т.п.); обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом [8].

Особое значение имеет правильная разработка методик эксперимента. Методика — это совокупность мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.

При разработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать: проведение целенаправленного предварительного наблюдения над изучаемым объектом или явлением с целью определения исходных данных (гипотез, выбора варьирующих факторов); создание условий, в которых возможно экспериментирование (подбор объектов для экспериментального воздействия, устранение влияния случайных факторов); определение пределов измерений; систематическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фактов; проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами; создание повторяющихся ситуаций, изменение характера условий и перекрестные воздействия, создание усложненных ситуаций с целью подтверждения или опровержения ранее полученных данных; переход от эмпирического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного фактического материала.

Методология эксперимента — это общая структура (проект) эксперимента, т. е. постановка и последовательность выполнения экспериментальных исследований. Методология эксперимента включает в себя следующие основные этапы:

1) разработку плана-программы эксперимента;

2) оценку измерений и выбор средств для проведения эксперимента;

3) проведение эксперимента;

4) обработку и анализ экспериментальных данных.

Приведенное количество этапов справедливо для традиционного эксперимента. В последнее время широко применяют математическую теорию эксперимента, позволяющую резко повысить точность и уменьшить объем экспериментальных исследований.

В этом случае методология эксперимента включает такие этапы: разработку плана- программы эксперимента; оценку измерения и выбор средств для проведения эксперимента; математическое планирование эксперимента с одновременным проведением экспериментального исследования, обработкой и анализом полученных данных.

Правильно разработанная методика экспериментального исследования предопределяет его ценность. Поэтому разработка, выбор, определение методики должно проводиться особенно тщательно.

При определении методики необходимо использовать не только личный опыт, но и опыт товарищей и других коллективов. Необходимо убедиться в том, что она соответствует современному уровню науки, условиям, в которых выполняется исследование.

Целесообразно проверить возможность использования методик, применяемых в смежных проблемах и науках.

Выбрав методику эксперимента, исследователь должен удостовериться в ее практической применимости. Это необходимо сделать даже в том случае, если методика давно апробирована практикой других лабораторий, так как она может оказаться неприемлемой или сложной в силу специфических особенностей климата, помещения, лабораторного оборудования, персонала, объекта исследований и т. п.

Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который включает: цель и задачи эксперимента; выбор варьирующих факторов; обоснование объема эксперимента, числа опытов; порядок реализации опытов, определение последовательности изменения факторов; выбор шага изменения факторов, задание интервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование средств измерений; описание проведения эксперимента; обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Применение математической теории эксперимента -позволяет уже при планировании определенным образом оптимизировать объем экспериментальных исследований и повысить их точность.

Важным этапом подготовки к эксперименту является определение его целей и задач. Количество задач для конкретного эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3…4, максимально 8…10).

Перед экспериментом надо выбрать варьируемые факторы, т.е. установить основные и второстепенные характеристики, влияющие на исследуемый процесс, проанализировать расчетные (теоретические) схемы процесса. На основе этого анализа все факторы классифицируются и составляется из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд.

Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку эксперимент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами. Иногда бывает трудно сразу выявить роль основных и второстепенных факторов.

В таких случаях необходимо выполнять небольшой по объему предварительный поисковый опыт.

Основным принципом установления степени важности характеристики является ее роль в исследуемом процессе. Для этого процесс изучается в зависимости от какой-то одной переменной при остальных постоянных.

Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя лишь в тех случаях, когда таких характеристик мало — 1…3.

Если же переменных величин много, целесообразен принцип многофакторного анализа, рассматриваемый ниже.

Необходимо также обосновать набор средств измерений (приборов) другого оборудования, машин и аппаратов.

В связи с этим экспериментатор должен быть хорошо знаком с выпускаемой в стране измерительной аппаратурой (при помощи ежегодно издающихся каталогов, по которым можно заказать выпускаемые отечественным приборостроением те или иные средства измерений).

Естественно, что в первую очередь следует использовать стандартные, серийно выпускаемые машины и приборы, работа на которых регламентируется инструкциями, ГОСТами и другими официальными документами.

В отдельных случаях возникает потребность в создании уникальных приборов, установок, стендов, машин для разработки темы.

При этом разработка и конструирование приборов и других средств должны быть тщательно обоснованы теоретическими расчетами и практическими соображениями о возможности изготовления оборудования.

При создании новых приборов желательно использовать готовые узлы выпускаемых приборов или реконструировать существующие приборы. Ответственный момент — установление точности измерений и погрешностей.

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

При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измерения) повторные отсчеты на приборах, как правило, неодинаковы. Отклонения объясняются различными причинами — неоднородностью свойств изучаемого тела (материал, конструкция и т.д.

), не совершенностью приборов и классов их точности, субъективными особенностями экспериментатора и др. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт, тем больше расхождения цифр, получаемых при измерениях, т. е. тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения.

Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать их минимальное количество. Под потребным минимальным количеством измерений понимают такое количество измерений, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности.

Установление потребного минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств.

В методике подробно разрабатывается процесс проведения эксперимента, составляется последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений, детально описывается каждая операция в отдельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента, обосновываются методы контроля качества операций, обеспечивающие при минимальном (ранее установленном) количестве измерений высокую надежность и заданную точность. Разрабатываются формы журналов для записи результатов наблюдений и измерений.

Важным разделом методики является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу.

Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, формулы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять полученное и проанализировать результаты.

Все переменные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин.

Особое внимание в методике должно быть уделено математическим методам обработки и анализу опытных данных, например, установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, установлению критериев и доверительных интервалов и др. Диапазон чувствительности (нечувствительности) критериев должен быть стабилизирован (эксплицирован).

Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям: требование эффективности т. е. минимальность дисперсии отклонения относительно неизвестного параметра; требование состоятельности т. е.

при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению; требование несмещенности оценок — отсутствие систематических ошибок в процессе вычисления параметров.

Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требований.

После разработки и утверждения методики устанавливается объем и трудоемкость экспериментальных исследований, которые зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измерений (чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента).

В зависимости от предварительной теоретической подготовки возможны три случая проведения эксперимента: 1) если теоретически получена аналитическая зависимость, которая однозначно определяет исследуемый процесс (например, r =3е2х), то объем эксперимента для подтверждения данной зависимости оказывается минимальным, поскольку функция однозначно определяется экспериментальными данными; 2) если теоретическим путем установлен лишь характер зависимости (например, у — aehx), т.е. задано семейство кривых, то экспериментальным путем необходимо определить как а, так и k и, следовательно, объем эксперимента возрастает; 3) если теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей и разработаны лишь предположения о качественных закономерностях процесса, то целесообразен поисковый эксперимент, при котором объем экспериментальных работ резко возрастает. В таких случаях уместно применять метод математического планирования эксперимента.

На объем, и трудоемкость проведения экспериментальных работ существенно влияет вид эксперимента. Например, полевые эксперименты, как правило, всегда имеют большую трудоемкость, что следует учитывать при планировании.

После установления объема экспериментальных работ составляется перечень необходимых средств измерений, объем материалов, список исполнителей, календарный план и смета расходов.

План-программу рассматривает научный руководитель, обсуждают в научном коллективе и утверждают в установленном порядке.

Источник: https://studopedia.su/11_34165_metodika-eksperimentalnih-issledovaniy.html

Основы методики экспериментального исследования

Методика проведения экспериментальных исследований

Эксперимент – один из наиболее важных, а в ряде случаев и наиболее трудоемкий этап научного исследования. В зависимости от сложности изучаемого процесса или явления и заданных сроков выполнения работы цели экспериментального исследования могут быть различными.

В ряде случаев цель экспериментального исследования – установление физической природы явления, механизма изучаемого процесса, выявление соответствующих закономерностей, познание которых при соответствующих абстрактных обобщениях – основа для разработки соответствующей математической модели, построения теории.

В таких случаях говорят о постановке поисковых экспериментов. Целью эксперимента может быть оценка правильности принятых при теоретическом исследовании допущений, установление точности и области применения теоретических разработок, поиск решения поставленной задачи при отсутствии теоретических разработок.

Прибегают к этому, когда такое решение представляется единственно возможным. Трудоемкость таких экспериментальных исследований наиболее высокая.

Эксперимент – это научно поставленный опыт, цель которого изучение явления в точно учитываемых условиях с применением комплекса разнообразного оборудования и измерительных средств. В зависимости от условий проведения исследования различают лабораторные, полевые и производственные (эксплуатационные) эксперименты.

Лабораторные эксперименты проводят в случаях, когда необходимы высокая воспроизводимость условий постановки опытов, исключение влияния различного рода случайных воздействий и помех, получение достаточно точных результатов при малом числе опытов. Такого рода эксперименты в большинстве случаев проводят с моделями машин, рабочих органов, сред.

Полевые эксперименты, как правило, проводят с натурными образцами машин для оценки их основных параметров, определяющих техническую характеристику машин. Такого рода эксперименты приближаются к реальным условиям эксплуатации машин, однако не полностью воспроизводятих.

Производственные (эксплуатационные) эксперименты проводят путем инструментальных наблюдений без вмешательства в реально протекающие процессы, без измененияих условий. Такие эксперименты служат для оценки эксплуатационных свойств изучаемых объектов. Производственные эксперименты наиболее длительны и трудоемки.

Методика эксперимента – это совокупность положений, определяющих постановку и последовательность выполнения исследований.

Она включает в себя следующие основные этапы: формулировку целей и задач, выбор объекта исследований и условий постановки опытов, разработку программы экспериментов и последовательности их проведения, выбор необходимого оборудования и измерительных средств с учетом требуемой точности получения результатов, постановку опытов, обработку и анализ полученных данных.

Один из наиболее важных этапов – выбор целей и задач эксперимента.

Основанием этому служат выводы по результатам анализа состояния вопроса по теме исследования, предположения об изучаемых закономерностях исследуемого процесса или явления, результаты теоретических разработок.

Помимо целей и задач методика эксперимента содержит выбор объекта исследования, условий постановки опытов, числа варьируемых факторов, обоснование принятых средств измерений и используемого оборудования, программы эксперимента, описание последовательности проведе­ния опытов, обработки и анализа результатов. В соответствии с целями эксперимента объект исследования может изучаться на моделях либо на натурных установках и машинах, в искусственно созданиях или реальных средах, что и определяет условия постановки опытов.

Варьируемые факторы выбирают исходя из анализа степени влияния тех или иных параметров на исследуемый процесс.

В соответствии с условиями опытов, выбранными факторами, характером изучаемого процесса, явления подбирают оборудование, измерительные средства.

Под оборудованием понимают различного рода установки, стенды, приспособления для монтажа измерительных средств. При выборе средств измерений весьма важный вопрос – их точность.

Чем выше точность принятых средств измерений, тем меньше число опытов и ниже трудоемкость исследования.

Программой эксперимента устанавливается число опытов, их повторность. При небольшом числе факторов (не более двух-трех) возможна постановка классического эксперимента. В этом случае последовательно изучают процесс в зависимости от какого-либо одного фактора при постоянных остальных.

Затем осуществляют постановку опытов при другом переменном факторе и т.д. Число опытов в этом случае определяется количеством варьируемых факторов, числом уровней, на которых устанавливаются значения каждого фактора, и повторностью опытов.

Повторность опытов – минимальное количество измерений при данных значениях факторов, определяемое заданной точностью и надежностью результатов измерений.

При большом числе варьируемых факторов программу эксперимента целесообразно устанавливать в соответствии с теорией математического планирования эксперимента,что существенно сокращает трудоемкость исследования.

В методике проведения эксперимента необходимо описать характер и последовательность операций, осуществляемых при постановке опытов, способы контроля условий эксперимента. Здесь же разрабатываются формы регистрации и учета информации, полученной в результате эксперимента.

Методика эксперимента содержит описание используемых методов обработки и анализа опытных данных, сопоставление их с результатами теоретических разработок.

Предыдущая3456789101112131415161718Следующая

Дата добавления: 2015-05-30; просмотров: 1881; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/3-65148.html

Scicenter1
Добавить комментарий