Тема 7 Наука як об’єкт комп’ютеризації Питання для обговорення та самостійного вивчення

1. Як класифікуються наукові дослідження за цільовим призначенням?

2. Які напрями застосування ІКТ в наукових дослідженнях?

3. Які ІКТ використовуються у теоретичних дослідженнях?

4. Які ІКТ використовуються у експериментальних дослідженнях?

Література: [7, с. 125–170], [10, с.211–246].

Відомо, що наука – це сфера діяльності, спрямована на отримання нових знань у ході наукових досліджень (НД).

Метою НД є вивчення певних властивостей об’єкту (процесу, явища) і на цій основі розробка теорії або отримання необхідних для практики узагальнених висновків.

За цільовим призначенням НД поділяються на фундаментальні, прикладні і розробки.

Фундаментальні наукові дослідження (ФНД) пов’язані з вивченням нових явищ і законів природи, зі створенням нових принципів досліджень (фізика, математика, біологія, хімія і так далі).

Прикладні дослідження (ПНД) – це пошук способів використання законів природи і наукових знань, отриманих у ФНД, в практичній діяльності людини.

Розробки – це процес створення нової техніки, систем, матеріалів і технологій, що включає підготовку документів для впровадження в практику результатів ПНД.

Реалізація цілей НД виконується на основі методів. Метод наукового дослідження – це спосіб досягнення мети, програма побудови і застосування теорії. Методи наукових досліджень ділять на такі групи: емпіричні, експериментальні та теоретичні. Особливу групу складають методи науково-технічної творчості (НТТ).

Емпіричні дослідження виконуються з метою накопичення системної інформації про процес. При цьому використовуються такі методи: спостереження, реєстрація, вимір, анкетування, тест, експертний аналіз.

Експериментальний рівень НД – це вивчення властивостей об’єкту за певною програмою.

Теоретичні дослідження проводяться з метою розробки нових методів вирішення науково-технічних завдань, узагальнення і пояснення експериментальних даних, виявлення і формалізація закономірностей.

На двох останніх рівнях використовуються методи моделювання, аналізу і синтезу, логічної побудови (припущення, висновки), аналогії, ідеалізації.

У НТТ використовуються як зазаначені загальнонаукові методи, так і евристичні прийоми ефективного рішення творчих завдань, що сприяють швидкому пошуку рішення, різноманітні оригінальні знахідки.

Керуючись завданнями НД і порядком їх реалізації, можна визначити такі основні напрями раціонального застосування КТ в наукових дослідженнях:

• Збір, зберігання, пошук і вивід науково-технічної інформації (НТІ).

• Підготовка програм НД, підбір устаткування і експериментальних пристроїв.

• Математичні розрахунки.

• Вирішення інтелектуально-логічних завдань.

• Моделювання об’єктів і процесів.

• Управління експериментальними приладами.

• Реєстрація і введення в ЕОМ експериментальних даних.

• Обробка одновимірних і багатовимірних (зображення) сигналів.

• Узагальнення і оцінка результатів НД.

• Оформлення і представлення підсумків НД.

• Управління науково-дослідними роботами (НДР).

Найефективніше ці завдання реалізуються у рамках автоматизованих систем наукових досліджень (АСНД).

Види НТІ та її обробка. При системному підході НД розпочинаються зі збору і попередньої обробки НТІ з теми дослідження. Ця інформація може включати відомості про досягнення в досліджуваній галузі, оригінальні ідеї, відкриті ефекти, наукові розробки, технічні рішення тощо.

Метою цього етапу є отримання відповідей на такі запитання: Які автори або наукові групи займаються аналогічною темою? Які відомі рішення з досліджуваної теми? Якими відомими методами і засобами вирішуються досліджувані проблеми? Які недоліки відомих рішень і якими способами їх намагаються подолати?

Поглиблене вивчення інформації з предмету дослідження дозволяє виключити ризик непотрібних витрат часу на вже розв’язану проблему, детально вивчити коло питань з досліджуваної теми і знайти наукове-технічне рішення високого рівня.

Основним джерелом інформації У НД є наукові документи, які за способом представлення можуть бути текстовими, графічними, аудіовізуальними і машино-відтворюваними.

Наукові документи підрозділяються на первинні і вторинні, опубліковані і неопубліковані.

Первинні документи – це книги, брошури, періодичні видання (журнали, праці), науково-технічні документи (стандарти, методичні вказівки). Важливе значення тут має також патентна документація, якою вважають видання, які містять відомості про відкриття, винаходи тощо.

До неопублікованих первинних документів відносять: наукові звіти, дисертації, депоновані рукописи тощо.

Вторинні документи містять коротку узагальнену інформацію щодо одного або декількох первинних документів: довідники, реферативні видання, бібліографічні покажчики тощо.

Збір і обробка НТІ може виконуватись такими способами: анкетування, співбесіда, експертне опитування тощо, але основою є робота з науково-технічними документами, яка включає пошук, ознайомлення, опрацювання документів і їх систематизацію.

Комп’ютерна підтримка теоретичних досліджень. ТО (технології обрахунків) широко застосовують у реалізації завдань ТД. Найбільш часто ТО використовують в проведенні математичних розрахунків. Програмне забезпечення для цього напряму умовно поділяють на такі категорії:

• Бібліотеки програм для чисельного аналізу, які також поділяють на бібліотеки загального призначення (пакети SSP, NAG) і вузько спеціалізовані пакети, орієнтовані на рішення певного класу завдань (Micro Way-матриці, перетворення Фур’є).

• Спеціалізовані системи для математичних розрахунків і графічного переставлення результатів (Phaser – дифиренційні рівняння, Statgraf – статистичний аналіз, Eureca, Statistica).

• Діалогові системи математичних обчислень з декларативними мовами, що дозволяють формулювати завдання природним чином (MathCad, Matlab, Mathematica).

• Електронні таблиці (ЕТ), які дозволяють виконувати різноманітні операції з даними, представленими в табличній формі (Supercalc, Quattro Pro, Lotus 1-2-3, MS Office Excеl).

У реалізації евристичних методів раціональне застосування ТО пов’язане із використанням методів морфологічного аналізу (таблиць), асоціативних методів (метод каталогу, метод кластерів випадковостей і асоціацій), за допомогою яких генерується велика кількість варіантів вирішення задачі, а потім проводиться їх оцінка і вибір найбільш раціонального.

Теоретичні дослідження технічних проблем в деяких випадках доцільно проводити із використанням автоматизованих систем вирішення винахідницьких завдань – АСВВЗ, яка охоплює усі етапи технічної творчості – від аналізу технічних систем до пошуку варіантів рішень.

Найбільш складною є комп’ютеризація логіко-лінгвістичних методів НД. Вирішення проблеми у цьому напрямі забезпечується засобами із елементами штучного інтелекту. Це системи автоматизованого перекладу (COKPAT, PROMT, Stylus, Trados, Pragma, Proling), розрахунково-логічні системи, системи підтримки прийняття рішення (СППР) і різні експертні системи.

Інтелектуальні ситеми дають можливість вирішувати завдання щодо опису процесу за допомогою непроцедурної мови без алгоритму. При цьому система сама формує математичну модель дослідження і визначає необхідні програмні модулі для її реалізації (ПРИЗ, СПОРА, МАВР).

Експертні системи – це програмні комплекси, що використовують знання в предметній сфері і здатні на їх основі за допомогою логічних правил формулювати висновки про стан системи, на основі аналізу моделі представлення закономірностей її функціонування. ЕС зазвичай включає: підсистему взаємодії із БЗ (із підсистемою накопичення знань), обчислювальний блок, підсистему пояснення. Ці системи є найбільш ефективними для аналізу процесів і явищ, які складно представити математичною моделлю.

Комп’ютерні технології в науковому експерименті. Основними завданнями експериментального дослідження можуть бути:

• цілеспрямоване спостереження за функціонуванням об’єкту для поглибленого вивчення його властивостей;

• перевірка достовірності робочих гіпотез для розробки на цій основі теорії явищ;

• встановлення залежності різних чинників, які характеризують явище, для подальшого використання знайдених залежностей в проектуванні або управлінні досліджуваними об’єктами.

ЕД включають етапи підготовки експерименту, проведення досліджень і обробки результатів.

На підготовчому етапі визначаються цілі і завдання ЕД, розробляються методика і програма його виконання. Цей етап включає також підбір необхідного устаткування і засобів вимірювання.

У розробці програми ЕД прагнуть досягти меншого об’єму і працезатрат, спрощення експерименту без втрати точності і достовірності результатів. У зв’язку із цим цей етап ЕД вимагає визначення мінімального числа дослідів (замірів), що найбільш ефективно охоплюють сферу можливої взаємодії певних чинників та забезпечують отримання їх вірогідної залежності.

На підготовчому етапі здійснення експерименту інформаційні та Інтернет-технології можуть бути ефективно застосовані за такими напрямами:

• для пошуку довідкової, наукової, навчально-методичної літератури;

• для пошуку інформації щодо тестів, методик, технологій;

• для пошуку наочно-демонстраційних матеріалів;

• для підготовки друкованих матеріалів, документації, наочно-демонстраційного матеріалів, бланків анкет, протоколів;

• для створення відео-кліпів, анімацій, звукового супроводу, інших мультимедіа-матеріалів, що можуть бути використані в ході експерименту.

На дослідницькому етапі за допомогою комп’ютера може здійснюватись збір, обробка та представлення даних.

З метою збору та представлення даних можуть застосовуватися комп’ютерні тестові технології. В останні два десятиріччя відбувся фактично перехід від бланкових до електронних технологій тестування, анкетування. Це дає можливість спростити процедури збору, аналізу, зберігання даних, запровадити нові методики тестування, а також здійснювати аналіз більш масштабних вибірок (на рівні регіону, країни), проводити моніторингові дослідження. Якщо навіть збір даних проводився і без застосування комп’ютера, доцільно перевести потім дані у комп’ютерну форму з метою подальшої статистичної обробки.

На етапі обробки даних відповідне програмне забезпечення дає можливість візуалізувати закономірності даних, застосовувати засоби програмування. Для обробки даних можуть бути розроблені вузько-спеціалізовані комп’ютерні програми, наприклад, для сортування, класифікації, упорядкування масивів даних. Можливе застосування апарату СУБД (систем управління базами даних), тобто готового програмного продукту, що містить засоби обробки та представлення даних. Зрештою, можна використовувати спеціалізоване «он-лайн» програмне забезпечення для обробки експериментальних даних, наприклад, на сторінці «Software for Psychologists and Psychology students» сайту PsychWeb.

На основі результатів обробки даних можуть бути виявлені деякі закономірності, які можна представити за допомогою графіків, таблиць, діаграм. Це – так званий первинний аналіз даних. Для візуалізації закономірностей можна користуватися засобами офісного програмного забезпечення (WORD, EXCEL), комп’ютерних презентацій (POWER POINT), а також «он-лайн» спеціалізованим програмним забезпеченням для візуалізації даних.

Інший різновид технології організації експерименту пов’язаний із застосуванням Інтернету. Опитування можуть проводитись серед представників певної дискусійної групи, близької до тематики проблеми дослідження, або серед користувачів спеціальних мереж, що об’єднують спільноту, яка цікавиться даною проблематикою. Існують сервіси відповідних груп або мереж, що надають засоби для заповнення анкет та надсилання їх адміністратору в електронному вигляді.

Інтернет-експерименти є досить популярними останнім часом. Є сайти лабораторій та організацій, що займаються віртуальним проведенням експериментів, сайти, де подано отримані результати в різноманітних галузях. Є також сайти, що надають засоби для проведення Інтернет-експериментів для дослідників, наприклад, сайт Web Experimental Psychology Lab та ін.

На етапі статистичного аналізу й інтерпретації результатів експерименту за допомогою пакетів прикладних програм здійснюється статистична обробка даних дослідження, їх аналіз й інтерпретація, встановлення валідності та надійності висновків.

Після отримання результатів тестування може виникнути потреба в обґрунтуванні валідності інструментарію експерименту та надійності отриманих висновків, зокрема у тому випадку, якщо для цілей експерименту було розроблено новий тест або методику, або використано тест, валідність якого ще не перевірялася. У цьому випадку можна провести процедуру валідації, для здійснення якої також існує статистичний інструментарій.

Окремої уваги заслуговують питання встановлення валідності та надійності Інтернет-експериментів. Визначення валідності створює певні труднощі щодо того, як забезпечити випадковість відбору опитуваних, щодо репрезентативності вибірки відносно всієї популяції, проблема отримання достовірної інформації про учасників та про хід здійснення експерименту, відсіювання учасників у ході експерименту тощо.

На етапі впровадження результатів експерименту також можуть бути ефективно застосовані комп’ютерні технології. У результаті дослідження може бути розроблено дистанційний навчальний курс, електронний підручник або комп’ютерний засіб навчання. Створення сайтів експерименту, проведення форумів щодо питань експерименту дає можливість стеження за процесом упровадження його результатів, управління функціями об’єкта експерименту, встановлення зворотного зв’язку, поширення інформації щодо результатів впровадження та подальших досліджень.

У цілому, використання комп’ютера для представлення й обробки даних уможливлює більшу коректність, валідність, достовірність дослідження.