2074
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства»
В.В. Лянденбурский, В.В. Коновалов, А.В. Баженов
ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических
комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
Пенза 2013
УДК 629.113.004 ББК 39.(я73)
Л97
Рецензенты: кафедра «Эксплуатация машинно-трак- торного парка» Пензенской государственной сельскохозяйственной академии (зав. кафедрой доктор технических наук, профессор К.З. Кухмазов); кандидат технических наук, доцент А.А. Грабовский (ПГУ)
Лянденбурский, В.В.
Л97 Основы научных исследований: учеб. пособие / В.В. Лянденбурский, В.В. Коновалов, А.В. Баженов. – Пенза: ПГУАС, 2013. – 396 с.
ISBN 978-5-9282-1001-4
Приведены известные положения планирования научных исследований и обработки полученных результатов. Представлены примеры статистической обработки данных и получения графического материала с использованием возможностей математического пакета компьютерной программы Mathcad. Изложены методика, даны примеры обработки результатов исследований и графического анализа данных модулями компьютерной программы Statistica. Приведен большой справочный материал.
Подготовлено на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» и предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».
.
ISBN 978-5-9282-1001-4 |
© Пензенский государственный университет |
|
архитектуры и строительства, 2013 |
||
|
||
|
© Лянденбурский В.В., Коновалов В.В., |
|
|
Баженов А.В., 2013 |
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Издание предназначено для освоения методики и вопросов организации планирования экспериментальной работы молодыми учеными, аспирантами, соискателями и студентами, а также для получения ими навыков обработки опытных данных математическими пакетами Mathcad
и Statistica.
Целью учебного пособия является обучение аспирантов и студентов навыкам планирования эксперимента, обработки опытных данных с использованием ЭВМ.
Пособие предлагает принципы основ научных исследований применительно к современным условиям развития автотранспортной отрасли. В нем показаны основные закономерности и перспективные направления развития научных исследований, закономерности распределения, принятия оперативных решений при планировании научных работ.
Отдельный подраздел пособия посвящен компьютерному обеспечению научных исследований.
Пособие систематизирует принципы обработки результатов однофакторных и многофакторных экспериментов применительно к современным условиям. Подробно рассмотрены отсеивающий эксперимент, планы обработки результатов исследований. Определены диаграммы значимости факторов, матрицы отсеивающих экспериментов.
Пособие состоит из пяти разделов и приложений, необходимых для выполнения экспериментов.
3
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с рабочей программой изучаемого курса или решаемыми задачами в процессе исследований студенты выполняют расчеты с учетом приведенных примеров обработки данных. При необходимости проводится редактирование известных вариантов расчета.
Развитие научно-технического процесса сказывается на совершенствовании высшего образования. Это предъявляет новые возросшие требования к знаниям студентов, их творческому развитию, умению находить наиболее рациональные конструктивные, технологические, организационные и экономические решения; специалист должен хорошо ориентироваться при отборе научной информации; ставить и решать различные принципиально новые вопросы.
Выполнение поставленных задач возможно в случае вооружения молодых специалистов новейшими знаниями в области научных исследований. Это обязывает высшую школу широко привлекать студентов к проведению научных исследований. Таким образом, научная подготовка студентов в вузах – одна из главнейших программ обучения.
Важным этапом обучения в высшей школе являются программы курса "Основы научных исследований", в которых рассматриваются методология и методы научных исследований, а также способы их организации.
Изучение предмета "Основы научных исследований" обязывает всех студентов освоить элементы методики научных исследований, что способствует развитию рационального творческого мышления; организации их оптимальной мыслительной деятельности. За период обучения студент должен выполнить те или иные научные исследования в различных формах учебного процесса под руководством одного руководителя.
Приведенные примеры при описании методики планирования эксперимента выполнены с помощью математического пакета Mathcad с принятыми в нем обозначениями. Однако стиль оформления максимально приближен к общепринятой форме представления расчетов. В связи с этим выполненные и распечатанные электронные версии расчетов могут непосредственно использоваться в тексте отчета или диссертации. Каждый расчет является самостоятельной программой (файлом) и может производить неоднократные вычисления при изменении исходных данных. Условные обозначения Mathcad приведены в прил.7.
При работе с Mathcad на большей части экрана расположена математическая область (для выполнения расчетов). При этом курсор синего цвета. Для создания текстовой области используется панель инструментов (Вставка – Текстовая область; Insert – Text Region). Курсор в данном
4
случае красного цвета и видно обрамление границ текстовой области. При стирании всех текстовых символов автоматически исчезает и сама текстовая область.
При выполнении расчетов в начале (открывая текстовый регион) указываются название и единицы измерения рассчитываемого показателя, двоеточие. На следующей строчке (математическая область) приводится расчетная формула с буквенными обозначениями исходных данных и расчетного показателя. Следует обратить внимание на используемый вид знака равенства (двоеточие, совмещенное со знаком «равно»). Он имеет логический смысл: «равно отсюда и далее». Применение другого знака дает на мониторе указание ошибки (выделение формулы красным цветом и отсутствие численного значения вычисляемого показателя). Знаки препинания в математической области нежелательны. В правой части страницы ставится результат расчета (буквенное обозначение рассчитываемого показателя и знак «равно». Цифровое значение проставляется автоматически).
При планировании эксперимента зашифрованные значения факторов изменяются, как правило, в интервале от «–1» до «+1». Имеются версии Mathcad, позволяющие обеспечить указанный интервал значений при построении графиков, ряд версий позволяет задавать их произвольно. Часть версий программы Mathcad принудительно задает интервал от «0» до «10», (как в представленных примерах Mathcad-2001 страдает данным недостатком).
Используемые термины, функциональные зависимости и методы анализа данных (регрессионный, дисперсионный и корреляционный) рассмотрены в первом разделе. Методика получения данных с применением модулей программы Statistica дана во втором разделе. Статистические функции программы Excel приведены в прил.7.
В результате изучения теоретического курса и выполнения исследований при проведении лабораторных работ студент должен не только освоить методологию и методику научных исследований, но и уметь отбирать и анализировать необходимую информацию, формулировать цель и задачи, разрабатывать теоретические предпосылки, планировать и проводить эксперимент, отрабатывать результаты измерений и оценивать погрешности и наблюдения, сопоставлять результаты эксперимента с теоретическими предпосылками и формулировать выводы научного исследования; составлять отчет, доклад или статью по результатам научного исследования.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», изучающих курс «Основы научных исследований» и выполняющих исследования в данной области.
5
1. НАУКА И НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
1.1. Понятие науки и классификация наук
Понятие науки
Понятие «наука» имеет несколько основных значений. Во-первых, под наукой понимается сфера человеческой деятельности, направленной на выработку и систематизацию новых знаний о природе, обществе, мышлении и познании окружающего мира. Во втором значении наука выступает как результат этой деятельности – это система полученных научных знаний. В-третьих, наука понимается как одна из форм общественного сознания: социальный институт. В последнем значении она представляет собой систему взаимосвязей между научными организациями и членами научного сообщества, а также включает системы научной информации, норм и ценностей науки и т.п.
Непосредственные цели науки – получение знаний об объективном и о субъективном мире, достижение объективной истины.
Задачи науки:
1)собор, описание, анализ, обобщение и объяснение фактов;
2)обнаружение законов природы, общества, мышления и познания;
3)систематизация полученных знаний;
4)объяснение сущности явлений и процессов;
5)прогнозирование событий, явлений и процессов;
6)установление направлений и форм практического использования полученных знаний.
Науку можно рассматривать как систему, состоящую из теории; методологии, методики и техники исследований; практики внедрения полученных результатов.
Если науку рассматривать с точки зрения взаимодействия субъекта и объекта познания, то она включает в себя следующие элементы:
1)объект (предмет) – то, что изучает конкретная наука, на что направлено научное познание;
2)субъект – конкретный исследователь, научный работник, специалист научной организации, организация;
3)научную деятельность субъектов, применяющих определенные приемы, операции, методы для постижения объективной истины и обнаружения законов действительности.
Характерные черты современной науки
Первая – связь с производством.
Наука стала непосредственной производительной силой. Около 30 % научных достижений служат производству. В то же время наука работает и на себя (фундаментальные исследования, поисковые работы и т.д.), хотя, 6
как показывает опыт, данное направление развивается недостаточно, особенно в области проблем автомобильного транспорта. Значительно большее внимание в области технической эксплуатации должно уделяться прогностическим и поисковым работам.
Вторая – массовость современной науки.
Наряду с увеличением численности научных учреждений и сотрудников существенно возрастают капитальные вложения в науку, особенно в передовых западных странах. Несмотря на трудности в этом отношении, связанные с переходным периодом к рыночной экономике в жизни России, в бюджетах страны, принимаемых в последнее время, наблюдается устойчивая тенденция увеличения вложений в фундаментальные исследования, имеющие государственное значение.
Третья – дробление, специализация, взаимодействие и взаимопроникновение наук.
Это означает, что на базе фундаментальных наук – философии, математики, экономики, физики, химии и т.д. – образуются специальные научные дисциплины (биофизика, биохимия, теория автомобиля, техническая эксплуатация автомобилей, транспортная логистика и т.д.), которые создаются как на основе смежных наук, так и далеких друг от друга научных дисциплин.
Четвертая – системный подход к изучению объектов исследования. Это означает, что исследуемый объект рассматривается как некоторое
сложное целое, состоящее из отдельных систем, подсистем и элементов. В зависимости от цели и задач исследования наблюдатель может изучать свойства объекта как единого целого, так и его составных частей. Причем в целом объект может обладать такими свойствами, которые не присущи в отдельности ни одной из его составляющих.
Пятая– резкоеускорениетемповнаучно-техническогопрогресса(НТП). Это предъявляет большие требования к науке, поскольку она представляет собой первую фазу НТП и фактически формирует основы для развития процесса в целом. В условиях НТП основные направления научных исследований сводят к определению момента перехода на новые качественные этапы развития, а также определению конкретных форм и
методов, позволяющих перейти на эти новые этапы развития.
Шестая – перевод научной деятельности на хозрасчет и самоокупаемость и в ряде случаев непосредственное участие в процессах производ- ственно-коммерческой деятельности.
Это означает создание в стране такой ситуации, когда научная деятельность в сферах, не связанных непосредственно с интересами государства, должна оправдывать себя в финансовом отношении, становится прибыльной и рентабельной. В условиях рыночной экономики это является мощным стимулом ускоренного внедрения достижений науки в общественное
7
производство путем создания и широкого распространения новой техники и новых технологий (например, персональный компьютер, синтезирующий достижения многих наук, был создан и продолжает развиваться с нарастающей интенсивностью прежде всего для удовлетворения требований рынка – усложнения компьютерных игр).
Седьмая – наличие различных источников финансирования:
•бюджетное финансирование (правительственные, межотраслевые, отраслевые и т.д. Федеральные научно-технические программы, региональный бюджет, бюджет местного самоуправления и т.д.);
•внебюджетное финансирование (целевые средства специальных фондов);
•частное инвестирование юридических лиц на основе льготных налогов, ценообразования, аренды;
•частное инвестирование физическими лицами (личные сбережения, льготные займы и т.п.);
•зарубежное инвестирование (целевые займы мирового банка, Европейского банка реконструкции и развития и др.);
•международная помощь и научно-техническое сотрудничество (помощь ЮНЕСКО в области транспорта, международное научно-техни- ческое сотрудничество, помощь и безвозмездный обмен результатами научных исследований в рамках сотрудничества городов-столиц и др.).
Согласно принятым в последние периоды постановлениям, продукция научной организации является товаром. Для эффективной деятельности научной организации утверждаются следующие экономические нормативы:
•плата за основные производственные фонды (ОПФ), трудовые, природные ресурсы;
•отчисления от расчетной прибыли (доход) в государственный бюджет;
•отчисления от расчетной прибыли, а также от амортизации, предназначенной на полное восстановление основных фондов, в централизованный фонд развития производства, науки и техники и резервы министерства;
•образование фонда научно-технического и социального развития;
•образование фонда материального поощрения и общего фонда заработной платы для научных организаций, применяющих форму хозяйственного расчета, основанную на нормативном распределении прибыли;
•образование фонда валютных отчислений. Государственные бюджетные ассигнования для фундаментальных исследований, которые не могут давать экономической отдачи в ближайшее время или являются необходимой частью духовного и социального развития общества, выделяются исходя из важности конкретной научно-исследовательской темы.
8
Классификация наук
Наибольшую известность получила классификация наук, данная Ф. Энгельсом в «Диалектике природы». Исходя из развития движущейся материи от низшего к высшему, он выделил механику, физику, химию, биологию, социальные науки. На этом же принципе субординации форм движения материи основана классификация наук Б.М. Кедрова. Он различал шесть основных форм движения материи: субатомно-физическую, химическую, молекулярно-физическую, геологическую, биологическую и социальную.
Внастоящее время в зависимости от сферы, предмета и метода познания различают науки:
1) о природе – естественные;
2) об обществе – гуманитарные и социальные; 3) о мышлении и познании – логика, гносеология, эпистемология и др.
ВКлассификаторе направлений и специальностей высшего профессионального образования с перечнем магистерских программ (специализаций), разработанных научно-методическими советами – отделениями УМО по направлениям образования, выделены:
1) естественные науки и математика (механика, физика, химия, биология, почвоведение, география, гидрометеорология, геология, экология и др.); 2) гуманитарные и социально-экономические науки (культурология, теология, филология, философия, лингвистика, журналистика, книговедение, история, политология, психология, социальная работа, социология, регионоведение, менеджмент, экономика, искусство, физическая культура, коммерция, агроэкономика, статистика, искусство, юриспруденция и др.); 3) технические науки (строительство, полиграфия, телекоммуникации, металлургия, горное дело, электроника и микроэлектроника, геодезия,
радиотехника, архитектура и др.); 4) сельскохозяйственные науки (агрономия, зоотехника, ветеринария,
агроинженерия, лесное дело, рыболовство и др.).
Обратим внимание на то, что в этом Классификаторе технические и сельскохозяйственные науки выделены в отдельные группы, а математика не отнесена к естественным наукам.
Некоторые ученые не считают философию наукой (только наукой) либо ставят ее в один ряд с естественными, техническими и общественными науками. Это объясняется тем, что она рассматривается ими как мировоззрение, знание о мире в целом, методология познания либо как наука всех наук. Философия, по их мнению, не направлена на собирание, анализ и обобщение фактов, обнаружение законов движения действительности, она лишь пользуется достижениями конкретных наук. Оставив в стороне спор о соотношении философии и науки, отметим, что философия все же является наукой, обладающей своими предметом и методами исследования всеобщих законов и характеристик всего бесконечного в пространстве и времени объективного материального мира.
9
ВНоменклатуре специальностей научных работников, утвержденной Министерством науки и технологий РФ 25 января 2000 г., указаны следующие отрасли науки: физико-математические, химические, биологические, геолого-минералогические, технические, сельскохозяйственные, исторические, экономические, философские, филологические, географические, юридические, педагогические, медицинские, фармацевтические, ветеринарные, искусствоведение, архитектура, психологические, социологические, политические, культурология и науки о земле. Каждая из названных групп наук может быть подвергнута дальнейшему членению.
Существуют и другие классификации наук. Например, в зависимости от связи с практикой науки делят на фундаментальные (теоретические), которые выясняют основные законы объективного и субъективного мира и прямо не ориентированы на практику, и прикладные, которые направлены на решение технических, производственных, социально-технических проблем.
Оригинальную классификацию наук предложил Л.Г. Джахая. Разделив науки о природе, обществе и познании на теоретические и прикладные, он внутри этой классификации выделил философию, основные науки и отпочковавшиеся от них частные науки. Например, к основным теоретическим наукам об обществе он отнес историю, политэкономию, правоведение, этику, искусствоведение, языкознание. Эти науки имеют более дробное деление, например, история делится на этнографию, археологию и всемирную историю. Государствоведению как основной прикладной науке корреспондируют политика, управленческое дело, судопроизводство, криминалистика, военное дело, архивное дело. Кроме того, он дал классификацию так называемых «стыковых» наук:
промежуточные науки, возникшие на границе двух соседствующих наук (например, математическая логика, физическая химия);
комплексные науки, которые образовались путем соединения принципов и методов двух отдаленных друг от друга наук (например, геофизика, экономическая география);
скрещенные науки, которые образовались путем скрещивания ряда теоретических наук (например, океанология, кибернетика, науковедение).
Встатистических сборниках обычно выделяют следующие секторы науки: академический, отраслевой, вузовский и заводской.
1.1.1. Научное исследование
Формой существования и развития науки является научное исследование. В ст. 2 Федерального закона РФ от 23 августа 1996 г. «О науке и государственной научно-технической политике» дано следующее определение: научная (научно-исследовательская) деятельность – это деятельность, направленная на получение и применение новых знаний. Научное исследование – это деятельность, направленная на всестороннее изучение
10