Планирование эксперементов

Содержание

Введение

1.  Классификация, виды и задачи экспериментов

2.  Стратегия и тактика экспериментов

3.  Основы планирования экспериментов, выбор факторов

4.  Методы и способы измерений, погрешности измерений

5.  Использование вычислительной техники в научных исследованиях

Резюме

Список литературы

 

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. Основной целью эксперимента является выявление свойств исследуемых  объектов, проверка справедливости гипотез  и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

В данной работе будут рассмотрены  основные понятия науки планирования эксперимента: задачи, виды, цели, стратегия, тактика, методика экспериментов; определение  и виды факторов, их выбор и требования к ним, а также методы, способы  и средства измерений.

 

1.  ЗАДАЧИ И ВИДЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Наука – сфера исследовательской  деятельности, направленная на получение  новых знаний о природе, обществе и мышлении. В настоящее время  развитие науки связано с разделением  и кооперацией научного труда, созданием  научных учреждений, экспериментального и лабораторного оборудования[4, с. 6].

Эксперимент в ходе развития науки выступал мощным средством  исследования явлений природы и  технических объектов. Но лишь сравнительно недавно он стал предметом исследования. Пристальное внимание ученых и инженеров  к тому, как лучше и эффективней  проводить эксперимент, возникло не случайно, а является следствием достигнутого уровня и масштаба экспериментальных  работ на современном этапе развития науки и техники. Этот этап с рассматриваемой  точки зрения характеризуется ростом общего числа проводимых экспериментальных  работ; увеличением количества специалистов, занимающихся экспериментальной деятельностью; существенным усложнением объектов исследования и используемого экспериментального оборудования; тенденцией к удлинению  среднего времени экспериментирования  и удорожанию исследований; начавшаяся процессом внедрения средств  и систем автоматизации эксперимента.

Известно, что новая наука  может возникнуть, если существует объективная необходимость ее появления  и имеется предмет новой науки, представляющий общенаучный интерес. Сказанное в полной мере относится  и к теории планирования эксперимента. Предмет исследования этого научного направления– эксперимент. Однако особенности  планирования, постановки эксперимента рассматриваются и в физике, и  в химии, и в прикладных науках. Для того, чтобы эксперимент стал предметом исследования отдельного научного направления, необходимо, чтобы  он характеризовался некоторыми чертами, общими для любого эксперимента независимо от того, в какой конкретной области  знаний эксперимент проводится. Такими общими чертами эксперимента является необходимость:

1) контролировать любой  эксперимент, т.е. исключать влияние  внешних переменных, не принятых  исследователем по тем или  иным причинам к рассмотрению;

2) определять точность  измерительных приборов и получаемых  данных;

3) уменьшать до разумных  пределов число переменных в  эксперименте;

4) составлять план проведения  эксперимента, наилучший с той  или иной точки зрения;

5) проверять правильность  полученных результатов и их  точность;

6) выбирать способ обработки  экспериментальных данных и форму  представления результатов;

7) анализировать полученные  результаты и давать их интерпретацию  в терминах той области, где  эксперимент проводится[3, с. 5-6].

Как и в любом сформировавшемся научном направлении, в теории планирования эксперимента выработалась определенная система основополагающих понятий  и терминов. Приведем наиболее важные из них.

Объект исследования есть носитель некоторых неизвестных  и подлежащих изучению свойств и  качеств.

Планирование эксперимента – это процедура выбора числа  и условий проведения опытов, необходимых  и достаточных для решения  поставленной задачи с требуемой  точностью[2, с. 14].

Принципы, положенные в основу теории планирования эксперимента, направлены на повышение эффективности экспериментирования, т.е.

- стремление к минимизации  общего числа опытов;

- одновременное варьирование  всеми переменными, определяющими  процесс, по специальным правилам  – алгоритмам;

- использование математического  аппарата, формализующего многие  действия экспериментатора;

- выбор четкой стратегии,  позволяющей принимать обоснованное  решение после каждой серии  экспериментов.

Задачи, для решения которых  может использоваться планирование эксперимента, чрезвычайно разнообразны.

Поиск оптимальных условий, построение интерполяционных формул, выбор существенных факторов, оценка и уточнение констант теоретических  моделей, выбор наиболее приемлемых из некоторого множества гипотез  о механизме явлений, исследование диаграмм – свойство – вот примеры  задач, при решении которых применяется  планирование эксперимента. Можно сказать, что там, где имеет место эксперимент, есть и наука о его проведении – планирование эксперимента[2, с. 15].

Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых  объектов, проверка справедливости гипотез  и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Постановка и организация  эксперимента определяют его назначение. Эксперименты, которые проводятся в  различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными и  т.д.

Они различаются:

По способу формирования условий:

-  естественные;

-  искусственные.

По целям исследования:

-  преобразующие;

-  констатирующие;

-  контролирующие;

-  поисковые;

-  решающие.

По организации проведения:

-  лабораторные;

-  натурные;

-  полевые;

-  производственные и т.д.

По структуре изучаемых  объектов и явлений:

-  простые;

-  сложные.

По характеру внешних  воздействий на объект исследования:

-  вещественные;

-  энергетические;

-  информационные.

По характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования:

-  обычный;

-  модельный.

По типу моделей, исследуемых  в эксперименте:

-  материальный;

-  мысленный.

По контролируемым величинам:

-  пассивный;

-  активный

По числу варьируемых  факторов:

-  однофакторный;

-  многофакторный.

По характеру изучаемых  объектов или явлений:

-  технологические;

-  социометрические.

Конечно, для классификации  могут быть использованы и другие признаки[4, с. 245].

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; определить способы и приемы вмешательства  в объект исследования; обеспечить условия для осуществления процедуры  экспериментальных работ; разработать  пути и приемы фиксирования хода и  результатов эксперимента (приборы, установки, модели и т.п.); обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим  персоналом[4, с. 252].

2.  СТРАТЕГИЯ И ТАКТИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Особое значение для проведения эксперимента имеет правильно разработанная  методика 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 предварительного целенаправленного 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.

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 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 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.

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.

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[4, с. 256].

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 сопоставлять полученное и проанализировать результаты. Все  переменные должны быть оценены в  единой системе единиц физических величин.

Результаты экспериментов  должны отвечать трем статистическим требованиям:

1) требование эффективности  оценок, т.е. минимальность дисперсии  отклонения относительно неизвестного  параметра;

2) требование состоятельности  оценок, т.е. при увеличении числа  наблюдений оценка параметра  должна стремиться к его истинному  значению;

3) требование несмещенности  оценок – отсутствие систематических  ошибок в процессе вычисления  параметров.

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

При разработке плана-программы  эксперимента всегда необходимо стремиться к его упрощению, наглядности  без потери точности и достоверности. Это достигается предварительным  анализом и сопоставлением результатов  измерений одного и того же параметра  различными техническими средствами, а также методов обработки  полученных результатов. В условиях интенсификации проведения научных  исследований важнейшее место в  процессе подготовки эксперимента должно отводиться его автоматизации (АСНИ) с вводом экспериментальных данных непосредственно с ЭВМ, с расчетом результирующих показателей, с автоматическим управлением хода эксперимента (последовательности и повторимости замеров, определение  средних значений, построение и т.д.)[4, с. 257].

3. ОСНОВЫ ПЛАНИРОВАНИЯ  ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ВЫБОР ФАКТОРОВ

Для подробного изучения объекта  исследования необходима его подробная  модель. Подходящей моделью является «черный ящик», введенный в кибернетике  с целью изучения сложности. Его  построение основано на принципе: оптимальное управление возможно при неполной информации. Ясная формулировка этого факта является важнейшим достижением кибернетики.

 

 

Рисунок 1. – Схема черного  ящика: x₁, x₂ …, x_n - входы; y₁,y₂ …,y_m – выходы.

Схема черного ящика приведена  на рис. 1. Объекту исследования соответствует  прямоугольник. Выходы, обозначаемые стрелками, выходящими из объекта, соответствуют  параметрам оптимизации. Стрелки, входящие в объект, - входы – соответствуют  возможным способам воздействия  на объект. В терминологии планирования эксперимента входы называются факторами[1, с. 29].