Практичне заняття № 5

Методи планування, проведення експериментів та статистичної оцінки результатів

Мета практичного заняття – підготувати план-програму експериментальних досліджень за темою МДР, перелік статистичних методів оцінки їх результатів, приладів і спеціального обладнання.

План практичного заняття:

5.1 Планування та проведення експериментів.

5.2 Статистична оцінка результатів експериментів.

5.3 Статистичні методи оптимального планування експериментів.

5.4 Форма звітності з практичного заняття № 5.

5.1 Планування та проведення експериментів

Проведення експерименту базується на знаннях про об’єкт дослідження, які дають змогу структурно визначити ті чи інші фактори, передбачають висунення і доведення гіпотез дослідження, контроль за ходом процедур, забезпечення його чистоти і можливості повторень. Все це є реально можливим за умови розуміння суті методу, його особливостей, додержання необхідних умов і вимог до отримання достовірної інформації про досліджувані процеси та явища.

Залежно від теми НД обсяг експерименту може бути різним. Інколи для підтвердження робочої гіпотези достатньо лабораторного експерименту. Але буває і так, що необхідно проводити серію експериментальних досліджень: пошукових, лабораторних, виробничих та ін. Для проведення будь-якого експерименту необхідно розробити методологію, тобто загальну структуру (проект) експерименту, постановку і послідовність експериментальних досліджень.

Методика експерименту включає такі основні етапи:

– розробка плану-програми експерименту;

– оцінку виміру і вибір засобів для проведення експерименту;

– проведення експерименту;

– обробку і аналіз експериментальних даних.

За даними статистики більше ніж 2/3 від наукових працівників зайняті експериментальною роботою.

Переваги експериментального вивчення об’єкта порівняно з іншими методами, наприклад, спостереження, полягають у тому, що:

– під час експерименту є можливість вивчати явище «у чистому вигляді», усунувши побічні фактори, які приховують основний процес;

– в експериментальних умовах можна досліджувати властивості об’єктів;

– існує можливість повторюваності експерименту, тобто проведення випробувань стільки разів, скільки в цьому є необхідність.

Розробляючи експеримент, необхідно особливу увагу приділити концепції НД, котра має обґрунтувати масштаби його проведення, мету, методичне та інформаційне забезпечення та очікуваний результат. Усе це визначає якість проведення експерименту.

Лабораторний експеримент проводиться в лабораторних умовах із застосуванням спеціального обладнання, має довготривалу дію що дозволяє створити штучні умови для багаторазового підтвердження отриманих результатів.

На підготовчому етапі проведення експерименту розробляється програма, створюються умови, за яких можливе експериментування, визначаються експериментальні залежні і незалежні змінні фактори, можливості змін, визначаються види експериментальних об’єктів дослідження і об’єктів, що контролюються, складається план експериментальних робіт, готуються засоби контролю, регулювання, реєстрації змінних факторів, засоби обробки й аналізу інформації.

Експеримент є одним з найважливіших елементів практики і тому виступає як основа формування гіпотез і теорії, і разом з тим – критерій істинності теоретичних знань.

Проведення експерименту є досить трудомістким процесом, що вимагає терпіння, витримки, цілеспрямованості. Велике значення у проведенні експерименту має порядність виконавців. Тут недопустима халатність, бо це може вплинути на чистоту експерименту. Під час проведення експерименту ведення журналу є обов’язковим. У журналі записується тема дослідження, прізвище виконавця, час, місце проведення експерименту, характеристика навколишнього середовища, дані про об’єкт, засоби виміру, результати спостереження, а також і інші дані, які можуть бути потрібними для оцінки результатів досліду.

Аналіз даних експерименту – це творча частина досліджень. Інколи за цифрами важко чітко уявити фізичну суть процесу. Тому варто дуже ретельно порівняти факти, причини, що обумовили хід того чи іншого процесу і встановити адекватність гіпотези та експерименту.

Під час обробки результатів вимірів і спостережень широко використовують графічні методи, за допомогою яких наочно можна побачити результати, виявити загальний характер функціональної залежності змінних величин, які вивчаються; встановити наявність максимуму або мінімуму функції. Для дослідження закономірностей між процесами (явищами), які залежать від багатьох, інколи невідомих чинників, застосовують кореляційний аналіз.

Особливу увагу в методиці слід приділити математичним методам обробки та аналізу дослідних даних – встановленню емпіричних залежностей, встановленню критеріїв та інтервалів.

5.2 Статистична оцінка результатів експериментів

Статистичні дослідження потрібні на всіх етапах експерименту, починаючи від його планування.

Основний статистичний опис результатів експериментів включає в себе визначення вимірювання та його точності, систематичну та випадкову похибку, співпадання та відтворення вимірювання, грубих помилок та промахів.

Числові характеристики випадкових розподілень включають визначення центру розподілення, випадкового або статистичного розподілення, математичного очікування та ін. Опис результатів експериментів передбачає визначення медіани, дисперсії, стандартного або середньоквадратичного відхилення, коефіцієнту варіації, відносного вибіркового стандартного відхилення, довірних меж. Слід також володіти правилами та методами коректної статистичної обробки результатів кількісних вимірювань з використанням методу найменших квадратів, кореляційного аналізу, дисперсійного аналізу, методу випадкового балансу та запису результатів вимірювань.

5.3 Статистичні методи оптимального планування експериментів

Рішення більшості проблем в хімії і хімічній технології пов’язане з проведенням складних і вартісних експериментів. Звідси зрозумілим є значення методів оптимального планування експерименту, що дозволяють в ряді випадків суттєво скоротити витрати часу і ресурсів на виконання дослідних робіт.

Довгий час план виконання експерименту цілком визначався особистим досвідом та інтуїцією дослідника. Перші спроби застосувати математичні методи для оптимального планування експерименту були зроблені англійським математиком Р. Фішером на початку 20-х років ХХ сторіччя. Особливо швидкими темпами теорія планування експерименту стала розвиватися після 1951 року в зв’язку з появою робіт Д. Бокса і К. Уілсона.

Методи оптимального планування експерименту дозволяють використовувати математичний апарат не лише на стадії обробки результатів вимірювання, як було раніше, але й при підготовці та проведенні дослідів. Діяльність дослідників, що застосовують ці методи, стає більш логічно впорядкованою.

В сучасній математичній теорії оптимального планування експерименту існують два основних розділи:

– планування експерименту для вивчення механізму складних процесів і властивостей багатокомпонентних систем;

– планування експерименту для оптимізації технологічних процесів і властивостей багатокомпонентних систем.

З допомогою математичних методів оптимального планування експерименту стає можливим отримання математичної моделі (функції відгуку) процесу навіть при відсутності відомостей про його механізм. Цінність математичного описання полягає в тому, що воно:

– по-перше, дає інформацію про вплив факторів;

– по-друге, дозволяє кількісно визначити значення функції відгуку при заданих умовах ведення процесу;

– по-третє, може бути основою для оптимізації.

Математичні моделі, що отримують з допомогою методів планування експерименту, прийнято називати експериментально-статистичними.

Найбільш широке використання знайшли такі методи оптимального планування експерименту як повний факторний експеримент, дробний факторний експеримент, метод крутого сходження, симплексний метод, ортогональне центральне композиційне планування, ротатабельне планування та ін.

5.4 Форма звітності з практичного заняття № 5

Підготувати детальний план експериментальних досліджень за темою МДР, перелік статистичних методів оцінки їх результатів, приладів і спеціального обладнання.