книги / Основы научных исследований
..pdfЭтот вывод мог быть получен только с помощью мысленного эксперимента. По этому поводу А. Эйнш тейн говорил следующее: «Мы видели, что закон инер ции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением. Этот эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных эксперимен
тов».
Мысленный эксперимент, заменяя собой реальный, расширяет границы познания, ибо обеспечивает получе ние такой информации, которую иными средствами до быть невозможно. Мысленный эксперимент позволяет преодолеть неизбежную ограниченность реального опы та путем абстрагирования от действия нежелательных, затемняющих причин, полное устранение которых в ре альном эксперименте практически недостижимо.
Мысленный эксперимент является существенным мо ментом всякой творческой деятельности. А. Эйнштейн в автобиографических воспоминаниях в связи с разра
боткой специальной теории |
относительности |
писал: |
«В этом году в Аарау у меня |
возник вопрос: |
если бы |
можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то мы имели бы перед собой не зависящее от времени волновое поле. Но все-таки это кажется невоз можным! Это было первым детским мысленным экспе риментом, который относится к специальной теории от носительности. Открытие не является делом логическо го мышления, даже если конечный продукт связан с логической формой».
Мысленный эксперимент используется не только уче ными, но и писателями, художниками, педагогами, вра чами; Мысленное экспериментирование ярко проявляеется в мышлении шахматистов. Огромна роль мыслен ного эксперимента в техническом конструировании и изобретательстве. Результаты мысленного эксперимен та находят отражение в формулах, чертежах, графиках, набросках, эскизных проектах и т. п.
П а с с и в н ы й |
э к с п е р и м е н т предусматривает из |
мерение только |
выбранных показателей (параметров, |
переменных) в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирова ние. Примерами пассивного эксперимента является на блюдение: за интенсивностью, составом, скоростями дви жения транспортных потоков; за числом заболеваний
25J
вообще или какой-либо определенной болезнью; за ра ботоспособностью определенной группы лиц; за показа телями, изменяющимися с возрастом; за числом дорож но-транспортных происшествий и т. п.
Пассивный эксперимент, по существу, является на блюдением, которое сопровождается инструменталь ным измерением выбранных показателей состояния
объекта исследования. |
с выбором |
А к т и в н ы й э к с п е р и м е н т связан |
|
специальных входных сигналов (факторов) |
и контроли |
рует вход и выход исследуемой системы. |
|
О д н о ф а к т о р н ы й э к с п е р и м е н т предполагает: выделение нужных факторов; стабилизацию мешающих факторов; поочередное варьирование интересующих ис следователя факторов.
Стратегия м н о г о ф а к т о р н о г о э к с п е р и м е н - т а состоит в том, что варьируются все переменные сра зу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.
Т е х н о л о г и ч е с к и й э к с п е р и м е н т направлен на изучение элементов технологического процесса (про дукции, оборудования, деятельности работников и т.п.) или процесса в целом.
С о ц и о м е т р и ч е с к и й э к с п е р и м е н т исполь зуется для измерения существующих межличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего изменения.
Как уже отмечалось, приведенная классификация эк спериментальных исследований не может быть призна на полной, поскольку с расширением научного знания расширяется и область применения экспериментально го метода. Кроме того, в зависимости от задач экспери мента различные его типы могут объединяться, обра зуя комплексный или комбинированный эксперимент.
Для проведения эксперимента любого типа необхо димо: разработать гипотезу, подлежащую проверке; со здать программы экспериментальных работ; определить способы и приемы вмешательства в объект исследова ния; обеспечить условия для осуществления процедуры экспериментальных работ; разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов эксперимента; под готовить средства эксперимента (приборы, установки, модели и т. п.); обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.
Особое значение имеет правильная разработка мего-
252
дик эксперимента. |
М е т о д и к а — это |
совокупность |
мыслительных и |
физических операций, |
размещенных |
в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования. При разработке
методик |
проведения эксперимента |
необходимо |
преду |
|
сматривать: проведение |
предварительного целенаправ |
|||
ленного наблюдения над изучаемым |
объектом |
или яв |
||
лением с целью определения исходных данных |
(гипотез, |
|||
выбора |
варьирующих |
факторов); |
создание |
условий, |
в которых возможно |
экспериментирование |
(подбор |
объектов для экспериментального воздействия, устране ние влияния случайных факторов); определение преде лов измерений; систематическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фак тов; проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами; создание повторяющихся ситуаций, изменение характе ра условий и перекрестные воздействия, создание ус ложненных ситуаций с целью подтверждения или опро вержения ранее полученных данных; переход от эмпи рического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного факти ческого материала.
Правильно разработанная методика эксперимен тального исследования предопределяет его ценность. Поэтому разработка, выбор, определение методики должно проводиться особенно тщательно. При опреде лении методики необходимо использовать не только лич ный опыт, но и опыт товарищей и других коллективов. Необходимо убедиться в том, что она соответствует со временному уровню науки, условиям, в которых выпол няется исследование. Целесообразно проверить возмож ность использования методик, применяемых в смежных проблемах и науках.
Выбрав методику эксперимента, исследователь дол жен удостовериться в ее практической применимости. Это необходимо сделать даже в том случае, если мето дика давно апробирована практикой других лаборато рий, 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 пла н (программа), который включает: цель и задачи экспе римента; выбор варьирующих факторов; обоснование
253
объема эксперимента, числа опытов; порядок реали зации опытов, определение последовательности изме нения факторов; выбор шага изменения факторов, за дание интервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование средств измерений; описание проведения эксперимента; обоснование способов обра ботки и анализа результатов эксперимента.
Применение математической теории эксперимента позволяет уже при планировании определенным обра зом оптимизировать объем экспериментальных исследо ваний и повысить их точность.
Важным этапом подготовки к эксперименту являет ся 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 ха рактеристики, влияющие на исследуемый процесс, про анализировать расчетные (теоретические) схемы про цесса. На основе этого анализа все факторы классифи
цируются |
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 важнос ти характеристики является ее роль в исследуемом про цессе. 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 ма ло— 1...3. Если же переменных величин много, целесо образен принцип многофакторного анализа, рассматри ваемый ниже.
Необходимо также обосновать набор с р е д с т в из
м е р е н и й (приборов) другого оборудования, |
машин |
|
и аппаратов. В связи с этим экспериментатор |
должен |
|
быть хорошо знаком |
с выпускаемой в стране |
измери |
тельной аппаратурой |
(при помощи ежегодно издающих |
ся каталогов, по которым можно заказать выпускаемые отечественным приборостроением те или иные средства
254
измерений). Естественно, что в первую очередь следует использовать стандартные, серийно выпускаемые маши ны и приборы, работа на которых регламентируется ин струкциями, ГОСТами и другими официальными доку ментами.
В отдельных случаях возникает потребность в созда нии уникальных приборов, установок, стендов, машин для разработки темы. При этом разработка и конструи рование приборов и других средств должны быть тща тельно обоснованы теоретическими расчетами и прак тическими соображениями о возможности изготовления оборудования. При создании новых приборов желатель но использовать готовые узлы выпускаемых приборов или реконструировать существующие приборы. Ответст венный момент— установление точности измерений и по грешностей *.
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 от счеты на приборах, как правило, неодинаковы. Откло нения объясняются различными причинами — неодно родностью свойств изучаемого тела (материал, конст рукция и т. д.), несовершенностью приборов и классов их точности, субъективными особенностями эксперимен татора и др. Чем больше случайных факторов, влияю щих на опыт, тем больше расхождения цифр, получае мых при измерениях, т.е. тем больше отклонения от дельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать их минимальное количество. Под потребным ми нимальным количеством измерений понимают такое ко личество измерений, которое в данном опыте обеспечи вает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Установ ление потребного минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает полу чение наиболее объективных результатов при минималь ных затратах времени и средств.
В методике подробно разрабатывается процесс про ведения эксперимента, составляется последовательность
1 См.: Тюрин Н . И . Введение в метрологию. М., 1973.
255
(очередность) проведения операций измерений и наблю дений, детально описывается каждая операция в от дельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента, обосновываются методы контроля каче ства операций, обеспечивающие при минимальном (ра нее установленном) количестве измерений высокую на дежность и заданную точность. Разрабатываются фор мы журналов для записи результатов наблюдений и измерений.
Важным разделом методики является выбор методов
обработки и анализа экспериментальных данных. |
О б- |
р а б о т к а д а н н ы х сводится к систематизации |
всех |
цифр, классификации, анализу. Результаты эксперимен тов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, формулы, номограммы, по зволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять по лученное и проанализировать результаты. Все перемен ные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин.
Особое внимание в методике должно быть уделено математическим методам обработки и анализу опыт ных данных, например, установлению эмпирических за висимостей, аппроксимации связей между варьирующи ми характеристиками, установлению критериев и дове рительных интервалов и др. Диапазон чувствительности (нечувствительности) критериев должен быть стабили зирован (эксплицирован).
Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям: требование эффективнос ти оценок, т. е. минимальность дисперсии отклонения от носительно неизвестного параметра; требование состоя тельности оценок,т. е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению; требование несмещенности оценок—отсутствие систематических ошибок в процессе вычисления парамет ров. Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требо ваний.
После разработки и утверждения методики устанав ливается объем и трудоемкость экспериментальных ис следований, которые зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измере ний (чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента). В зави симости от предварительной теоретической подготовки
256
возможны три случая проведения эксперимента: 1) если теоретически получена аналитическая зависимость, ко торая однозначно определяет исследуемый процесс (на пример, у = 3е~2х), то объем эксперимента для подтвер ждения данной зависимости оказывается минимальным, поскольку функция однозначно определяется экспери ментальными данными; 2) если теоретическим путем
установлен лишь характер зависимости |
(например, у = |
|||
=aehx), |
т. е. задано семейство кривых, |
то |
эксперимен |
|
тальным |
путем необходимо определить |
как |
а, так и |
k |
и, следовательно, объем эксперимента |
возрастает; |
3) |
если теоретически не удалось получить каких-либо за висимостей и разработаны лишь предположения о каче ственных закономерностях процесса, то целесообразен поисковый эксперимент, при котором объем эксперимен тальных работ резко возрастает. В таких случаях уме стно применять метод математического планирования эксперимента.
На объем и трудоемкость проведения эксперимен тальных работ существенно влияет вид эксперимента. Например, полевые эксперименты, как правило,-*всегда имеют большую трудоемкость, что следует учитывать при планировании.
После установления объема экспериментальных ра бот составляется перечень необходимых средств измерен ний, объем материалов, список исполнителей, календар ный план и смета расходов.
План-программу рассматривает научный руководи
тель, обсуждают в |
научном коллективе |
и утверждают |
|
в установленном порядке. |
эксперимента |
||
При |
разработке |
плана-программы |
|
всегда |
необходимо |
стремиться к его упрощению, на |
глядности без потери точности и достоверности. Это до стигается предварительным анализом и сопоставлением результатов измерений одного и того же параметра различными техническими средствами, а также мето дов обработки полученных результатов. В условиях ин тенсификации проведения научных исследований важ нейшее место в процессе подготовки эксперимента должно отводиться его автоматизации (АСНИ) с вво дом экспериментальных данных непосредственно в ЭВМ, с .расчетом результирующих показателей, с автоматиче ским управлением хода эксперимента (последователь ности и повторимости замеров, определение средних значений, построение и т.д.).
257
9.2. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований
Важное место в экспериментальных исследованиях1 за нимают измерения. Согласно ГОСТ 16263—70, измере ние — это нахождение физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Суть измерения составляет сравнение измеряемой вели чины с известной, величиной, принятой за единицу (эта лон).
Теорией и практикой измерения занимается метроло гия — наука об измерениях, методах и средствах обеспе чения их единства и способах достижения требуемой точ ности. К основным проблемам метрологии относятся: общая теория измерений; единицы физических величин (величины, которым по определению присвоено числовое значение, равное единице) и их системы (совокупность основных и производных единиц, образованная в соот ветствии с некоторыми принципами, например, Между народная система единиц — СИ); методы и средства из мерений (к методам относят совокупность приемов использования принципов и технических средств, приме няемых при измерениях и имеющих нормирование метро логических свойств); методы определения точности из мерений; основы обеспечения единства измерений, при которых результаты измерения выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью, что возможно при единообразии средств измерения (средства измерения должны быть проградуи рованы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам).
Важнейшие значения в метрологии отводятся этало нам и образцовым средствам измерений. К э т а л о н а м относятся средства измерений (или комплекс средств из мерений), обеспечивающих воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим средствам измерения. Эталоны выполнены по особой спецификации. Эталонная база СССР содержит более 120 государственных эталонов, в том числе, например,
1 См.: ГОСТ 16263—70. Метрология. Термины и определения; ГОСТ 8.009—84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений; ГОСТ 1.25—76. ГСС. Метрологическое обеспече ние. Основные положения; ГОСТ 8.002—86. ГСИ. Государственный надзор и ведомственный контроль за средствами измерений. Основ ные положения.
258
единицы длины, массы и др. Образцовые средства изме рений служат для проверки по ним рабочих (техничес ких) средств измерения, постоянно используемых непо средственно в исследованиях.
Передача размеров единиц от эталонов или образцо вых средств измерений рабочим средствам осуществля ется государственными и ведомственными метрологиче скими органами, составляющими метрологическую служ бу СССР (ГОСТ 16263—70), их деятельность обеспечи вает единство измерений и единообразие средств измере ний в стране.
М е т р о л о г и ч е с к а я с л у ж б а С С С Р связана со всей системой стандартизации в стране, поскольку метрология сама является по существу стандартизацией измерений и одной из основ стандартизации, так как обеспечивает достоверность, сопоставимость показате лей качества, закладываемых в стандарты, дает методы определения и контроля таких показателей.
Эти предпосылки определяют то большое внимание, которое уделяется развитию метрологической службы во всех ее аспектах. Метрологическая служба СССР пред ставляет собой разветвленную сеть научных и контроль но-испытательных организаций, способных выполнять значительные работы как в научно-теоретическом, так и в прикладных аспектах точных измерений. В настоя щее время всю работу по стандартизации и метрологии в стране возглавляет Государственный комитет стандар тов Совета Министров СССР (Госстандарт СССР), зада чами которого являются совершенствование системы стандартизации и метрологии, расширение масштабов использования стандартизации и метрологии как эффек тивного средства повышения технического уровня и ка чества продукции всех отраслей народного хозяйства, укрепление и развитие государственной метрологической службы, стандартизация методов, средств измерений и др.
Основоположником метрологии как науки в нашей стране был великий русский ученый Д. И. Менделеев, создавший в 1893 г. Главную Палату мер и весов, кото рой проведена, в частности, большая работа по внедре нию -метрической системы в СССР (1918—1927).
Созданный на базе Главной палаты Всесоюзный на учно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) является высшим научным метрологическим учреждением нашей страны. Затем бы
259
ли созданы крупнейшие метрологические центры нашей страны — Всесоюзный научно-исследовательский инсти тут физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС). Кроме указанных метрологических институтов в настоящее вре мя работают научно-исследовательские метрологические институты в Харькове, Новосибирске, филиалы ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Свердловске и Тбилиси и филиа лы ВНИИФТРИ в Казани, Иркутске, Хабаровске и Львове. Во всех союзных республиках организованы рес публиканские лаборатории надзора за стандартами и из мерительной техникой, а в крупнейших научных и про мышленных центрах — Москве, Ленинграде, Киеве, Харь кове, Донецке, Днепропетровске и других—центры стан дартизации и метрологии. В целом по стране существует свыше 400 государственных лабораторий надзора за стандартами и измерительной техникой и их отделений.
Важным звеном метрологической службы, организуе мой как в министерствах и других ведомствах в целом, так и на отдельных, подчиненных им предприятиях, в научно-исследовательских институтах, вузах, является ведомственная метрологическая служба — важная со ставная часть метрологической службы страны, предна значенная для проведения повседневной систематической работы в данном ведомстве или на данном предприятии по обеспечению общегосударственного единства измере ний. Из этого вытекает неразрывная связь ведомствен ной метрологической службы с государственной, которая в этом вопросе является ведущей, решающей и контро лирующей.
Функциями органов ведомственной службы являются надзор за состоянием всех средств измерений, находя щихся в применении, хранящихся в местах выдачи и на складах; правильным применением измерительных и ис пытательных устройств; всеми средствами поверки, кото рые в большинстве случаев находятся в непосредствен ном ведении органов ведомственной метрологической службы, а также разработка методов поверки средств измерений с максимальным приближением условий по верки к условиям эксплуатации, контроль за соблюдени ем стандартов на методы измерений и разработка этих стандартов. Эти же службы осуществляют метрологиче ский контроль операций по испытанию готовой продук ции и совершёнствованию методов контроля и испытаний