Тема: Планування експериментальних досліджень

Мета: Підготовити студента до організації експериментального дослідження.

Завдання:

1. Вивчити класифікацію експериментів.

2. Виявити властивості досліджуваного об’єкта.

3. Обрати форму організації проведення експерименту (обґрунтувати вибір).

4. Підготовити програму експериментальних робіт.

Загальні положення.

Як правило, будь-яке наукове дослідження включає експериментальну частину, що є одним із способів отримання нових наукових знань. У даному разі експеримент розглядається як складова частина дослідження в цілому.

Головною метою експерименту може бути виявлення властивостей досліджуваних об'єктів, перевірки слушності гіпотез, проблеми, тощо.

Основою експерименту є науково поставлений дослід, у якому явища вивчають за допомогою доцільно обраних або штучно створених умов, що забезпечують перебіг тих процесів, спостереження за якими необхідне для встановлення закономірних зв'язків між явищами. Поняття "експеримент" означає дію, спрямовану на створення умов для вивчення певного явища. У це поняття вкладають наукову постановку дослідів і спостереження досліджуваного явища у спеціально визначених умовах, які дають можливість спостерігати за ним і відтворювати його кожного разу при повторенні цих умов.

Постановка та організація експерименту визначається його призначенням. За спрямуванням експерименти є дуже різноманітними, кожний має специфічні особливості. Насамперед розрізняють експерименти суто фізичні, біологічні, хімічні тощо. Конкретніше класифікують за такими ознаками:

За способом формування умов — природні і штучні. Природний експеримент передбачає проведення дослідів у звичних для досліджуваного об'єкта умовах існування (здебільшого знаходить застосування у біологічних дослідженнях). Штучний експеримент передбачає створення штучних умов для його проведення (застосовується у природничих і технічних напрямках).

За метою дослідження — перетворюючі, констатуючі, контролюючі, пошукові.

Перетворюючий (або творчий) експеримент включає активну зміну структури і функцій об'єкта дослідження відповідно до висунутої гіпотези, формування нових зв’язків і відношень між компонентами об'єкта або між досліджуваним об'єктом та іншими об'єктами. Дослідник, виходячи з виявлених тенденцій розвитку об'єкта дослідження, цілеспрямовано створює умови, котрі мають сприяти формуванню нових властивостей і якостей об'єкта. Констатуючий експеримент застосовують для перевірки певних припущень. Під час такого експерименту констатують наявність певних зв'язків між характером впливу на об'єкт дослідження і досягнутим результатом, встановлюють наявність певних фактів.

Контролюючий експеримент полягає у контролі за результатами зовнішнього впливу на об'єкт дослідження з урахуванням його стану, характеру впливу і очікуваного ефекту.

Пошуковий експеримент проводять у тому разі, коли важко розділити фактори, що впливають на досліджуване явище, через відсутність достатніх попередніх (апріорних) даних. За результатами пошукового експерименту встановлюють значущість факторів, вибірково відкидають ті, які мають незначний вплив.

За організацією проведення —лабораторні, натурні, польові, виробничі тощо.

Лабораторний експеримент проводять у лабораторних умовах із застосуванням типових приладів, спеціальних моделюючих пристроїв, стендів тощо. Найчастіше в лабораторном експерименті вивчають не сам об'єкт, а його зразок. Такий експеримент дає можливість докладно і з потрібною повторністю вивчити вплив одних характеристик, водночас варіюючи інші, отримати переконливу наукову інформацію з мінімальними витратами часу і ресурсів. Але він не завжди повністю моделює реальний хід досліджуваного процесу і тому виникає потреба у натурному експерименті.

Натурний експеримент проводять у звичайних (природних) умовах і на реальних об'єктах. Цей вид експерименту часто застосовують у процесі натурних випробувань технічних об'єктів. Залежно від місця проведення випробувань натурні експерименти можуть бути виробничими, польовими, полігонними, напівнатурними тощо. Головна наукова проблема натурного експерименту — забезпечити достатню відповідність (адекватність) умов його проведення реальній ситуації, в якій буде працювати досліджуваний об'єкт.

За числом факторів, що варіюються, — одно- і багатофакторні. Під фактором розуміють змінний параметр об'єкта дослідження, який може впливати на результати експерименту. Для кожного фактору в експерименті може бути декілька фіксованих значень відносно початку відліку, які називають рівнями фактора.

Однофакторний експеримент передбачає виділення потрібних для дослідження факторів і вивчення кожного з них окремо.

Багатофакторний експеримент спрямовують на одночасне вивчення всіх виділених для дослідження факторів у їх взаємодії.

Підготовка до експериментального дослідження передбачає:

• розробку гіпотези, що підлягатиме експериментальній перевірці;

• підготовку програми експериментальних робіт;

• визначення способів і методів впливу на об'єкт дослідження;

• забезпечення умов для здійснення експериментальних робіт;

• розробку методів фіксування проміжних і кінцевих результатів експерименту;

• підготовку експериментальних засобів (приладів, устаткування, моделей тощо);

• визначення і підготовку учасників експериментального дослідження.

До початку експерименту складають план (програму) його проведення, в якому формулюють мету і завдання експерименту; визначають об'єкт, що підлягає експериментальній перевірці; обґрунтовують обсяг експерименту, кількість дослідів, послідовність їх реалізації; визначають фактори впливу на об'єкт дослідження і те, в якій послідовності вони будуть змінюватись у процесі експерименту; обґрунтовують засоби вимірювань; визначають способи обробки та аналізу експериментальних матеріалів.

Проводиться експеримент на базі попередньо розробленої методики експерименту. Методика експерименту — це сукупність розумових і реальних операцій, здійснюваних у певній послідовності, відповідно до якої досягається мета дослідження. Розробка методики експерименту передбачає:

• необхідність проведення попереднього цілеспрямованого спостереження за об'єктом дослідження чи явищем для визначення вихідних даних (гіпотези, факторів, що мають вивчатись);

• створення умов, у яких можливе здійснення експерименту (добір об'єктів для експериментального впливу, усунення впливу випадкових факторів);

• визначення меж вимірювань, які будуть здійснюватись у процесі спостереження за факторами, що впливають на об'єкт дослідження;

• забезпечення можливості систематичного спостереження за процесом розвитку досліджуваного явища і точного опису одержваних фактів;

• можливість проведення систематичної реєстрації вимірювань і оцінки фактів різними засобами і способами;

• можливість створення повторних або ускладнених ситуацій для підтвердження чи заперечення раніше одержаних даних;

• можливість переходу від емпіричного вивчення до логічних узагальнень, аналізу і теоретичної обробки одержаних фактичних матеріалів.

У методиці докладно розкривають процес експерименту, визначають послідовність, проведення потрібних вимірювань і спостережень, описують кожну експериментальну дію з урахуванням обраних для проведення експерименту засобів, обґрунтовують методи контролю якості експериментальних дій, які при мінімальній (попередньо встановленій) кількості вимірювань мають забезпечувати високу надійність і задану точність. Розробляють форми протоколів (або таблиць) для фіксації результатів спостережень і вимірювань.

Традиційна методика експериментальних досліджень полягає у стабілізації незалежних факторів і почерговій зміні кожного з них в певних межах (n значень). В цьому разі для отримання певної залежності потрібно виконати N дослідів. Такий метод називають пасивним експериментом, оскільки дослідник тільки фіксує фактори, які впливають на об'єкт, і не може цілеспрямовано їх задавати. Окрім того, при такому підході навіть при відносно невеликій кількості факторів необхідно виконати досить велику кількість дослідів (так, при n = 3 і N = 5 слід виконати 5•3 = 45 дослідів, а при триразовій повторності їх кількість досягне 135).

Проведення такої великої кількості дослідів практично неможливе і тому дослідники змушені штучно обмежувати кількість дослідів шляхом визначення найсуттєвіших факторів, а також зменшення кількості дослідів при фіксації окремих факторів тощо. В цих випадках отримана емпірична залежність досить грубо відображає реальне явище. Тому при великій кількості факторів пасивний експеримент доцільно проводити лише для з'ясування сутності явища.

Для подолання вказаних недоліків пасивного експерименту створено математичну теорію планування експериментів. Згідно з нею, експеримент проводять за певним планом, що представляє собою сукупність даних, які визначають число дослідів, умови і порядок їх реалізації, а планування експерименту — це вибір такого плану, який задовольняє задані вимоги з мінімуму кількості дослідів, мінімуму похибки досліду, пошуку екстремуму функції при неповній інформації щодо явищ. При плануванні експериментів широко застосовують статистичні методи відбору малозначущих факторів. Всі фактори в експерименті, за цією теорією, змінюються одночасно, але за певною, заздалегідь складеною і математично обґрунтованою схемою. Таке планування усуває суб'єктивізм у постановці дослідів, обробці та аналізі отриманих результатів, а також створює можливість отримання коректних даних при використанні різних методик вимірювання. Особливо ефективними методи планування експериментів є в тому разі, коли на об'єкт дослідження діють кілька факторів і важко виділити вплив кожного з них.

Математичні методи планування експериментів відносять до методів системного аналізу, вони дозволяють використовувати математичні методи на всіх етапах — перед постановкою дослідів, під час їх проведення, обробки результатів та аналізу отриманих залежностей. Все це робить експеримент активним.

Математична теорія планування експериментів має два основні напрямки. Перший – виявлення закономірностей певного явища і встановлення характерних для нього кількісних співвідношень; другий –вивчення і визначення умов, що забезпечують деякі оптимальні властивості системи відповідно до обраного критерію оптимальності.

Математична теорія планування експериментів базується на основних положеннях математичної статистики і кібернетики.

Важливим розділом методики є вибір методів обробки і аналізу експериментальних даних. Обробка даних полягає у систематизації всіх кількісних показників (здебільшого цифрових матеріалів), їх класифікації та подальшому аналізі.

Залежно від теми наукового дослідження обсяг експерименту може бути різним. У найпростішому випадку для того, щоб підтвердити гіпотезу дослідження, достатньо лабораторного експерименту. Але може виникнути потреба в проведенні цілої серії експериментальних досліджень: попередніх (пошукових), лабораторних, на дослідних зразках в реальних умовах функціонування (у природних умовах) тощо.

Контрольні питання:

1. Назвіть форми експериментів за їх спрямуванням.

2. Охарактеризуйте та наведіть приклади перетворюючих, констатуючих, контролюючих, пошукових експериментів.

3. Укажіть переваги та недоліки лабораторних, натурних, польових, виробничих експериментів.

4. Що таке методи та методики експерименту?

5. Які процедури передбачає підготовка до експериментального дослідження?

Список рекомендованої літератури:

• Білявський Г.О., Фурдуй Р.С. Практикум з загальної екології. – К.: Либідь, 1997. – 158 с.

• Філіпченко А.С. Основи наукових досліджень. Конспект лекцій: Посібник. – К.: Академвидав, 2004. – 208 с.

• Фещенко В.П. Методологія наукових досліджень. Навчальний посібник. – Житомир: видавництво „Друк”, 2006. – 224 с.

• Методика упорядкування водоохоронних зон річок України.// під керівництвом А.В.Яцика. – К.: Оріони, 2004. – 128 с.

• Ґрунтознавство з основами геології. Навч.посіб./ О.Ф.Гнатенко, М.В.Капштик, Л.Р.Петренко, С.В.Вітвицький. К.: Оранта. – 2005. – 648с.

• Смит Дж. Модели в экологии. – Москва: „Мир”, 1976.