Основы научных исследований. Учебное пособие-2

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Учебное пособие

Казань

КГТУ

2008

1

УДК 674.001.5

Тимербаев, Н.Ф.

Основы научных исследований : учебное пособие / Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин. – Казань : Изд-во Казан. гос. тех-

нол. ун-та, 2008. – 82 с. ISBN 978-5-7882-0538-0

Рассматриваются методы планирования эксперимента и способы оценки неопределенностей в экспериментальной рабо- те. Особое внимание уделяется способам обработки экспери- ментальных данных с использованием ЭВМ.

Предназначено для студентов, обучающихся по специаль- ностям 250403.65 «Технология деревообработки» и 150405.65 «Машины и оборудование лесного комплекса», а также для ма- гистров, обучающихся по направлению 250300 «Технология и оборудование лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств».

Подготовлено на кафедре переработки древесных мате- риалов.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета.

Рецензенты: д-р. техн. наук, проф. В.А.Лашков д-р. техн. наук, проф. В.Н. Башкиров

2

Введение

Роль науки в современном обществе, несомненно, высо- ка. Поэтому методы научных исследований должны непрерыв- но совершенствоваться, а молодые специалисты, оканчивающие вуз, должны хорошо ориентироваться в потоке научной инфор- мации.

Внедрение научных достижений в производство позволя- ет повысить производительность труда, снизить себестоимость продукции, повысить ее качество, улучшить эксплуатационные характеристики. Сейчас как никогда наука проникает во все сферы материального производства, поэтому молодые специа- листы должны быть вооружены новейшими знаниями в области научных исследований.

В лесной и деревообрабатывающей промышленности ис- следования проводят с целью отыскания оптимальных режимов работы и параметров машин и механизмов при их проектирова- нии и модернизации. Многие технологические процессы в дере- вообработке довольно сложны и не всегда поддаются теоретиче- ской оптимизации. Поэтому очень часто они исследуются экс- периментально, при недостаточном знании механизма явления.

Современное производство требует от специалиста уме- ния самостоятельно ставить и решать новые задачи. Этого нель- зя достичь без овладения методами научных исследований. В результате изучения дисциплины «Основы научных исследова- ний» студент должен освоить методологию научных исследова- ний, изучить методику планирования и организации научно- исследовательских работ, способы обработки и анализа необхо- димой информации по теме научного исследования. Помимо этого студент должен уметь формулировать цель и задачи экс- перимента, планировать и проводить эксперимент, обрабатывать результаты измерений и оценивать их погрешности, а также формулировать выводы научного исследования.

3

Глава 1. НАУКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. КАЧЕСТВА ИССЛЕДОВАТЕЛЯ

На протяжении тысячелетий человечество возводило вели- чественное здание науки. Развитие человеческого общества – это создание прежде всего новых знаний. Для правильного по- нимания процесса развития науки большое значение имеет изу- чение истории науки, тенденций ее развития, ее связей с истори- ей общества. История науки воскрешает перед нами за- хватывающую картину проникновения человеческого гения в тайны мироздания, величайшие проявления человеческого ин- теллекта и примеры борьбы во имя истины.

Различают три этапа становления научных знаний. Пре- дыстория научной эры связана с неорганизованным накоплени- ем научных знаний, основанным на наблюдениях и размышле- ниях. Научный эксперимент как таковой восходит к опытам Га- лилея по замедлению свободного падения наклонной плоско- стью. С этого началась новая эра в науке – эра великих экспери- ментов, результаты которых должны быть воспроизводимы, а устанавливаемые законы должны базироваться только на на- дежно установленных фактах. Позже скажут, что наука спусти- лась с небес на землю по наклонной плоскости Галилея.

Второй этап датируется временем создания машин. Возни- кает собственно наука, и ее достижения начинают использовать- ся в производственных целях. Наука дифференцируется. Физи- ка, химия, математика, биология приобретают самостоятельное значение. Движущими силами развития науки являются соци- альный заказ и внутренняя логика. Наука вырабатывает, теоре- тически обобщает и систематизирует знания о действи- тельности, окружающем мире, открывает законы, исследует и объясняет процессы и явления. Однако она следует за произ- водством, получает наиболее интенсивное развитие тогда, когда возникает конкретная потребность производства.

4

Третий этап относится к XX веку. Наука оказывается впе- реди производства, играет определяющую роль. Она воздей- ствует на общество через новую технику, технологию, плани- рование и управление. Научно-техническую революцию харак- теризует качественное преобразование современных произво- дительных сил на основе постепенного превращения науки в непосредственную производительную силу. Наука пронизывает все элементы материального производств. Научные идеи реали- зуются на практике. Внедрение научных открытий и изо- бретений в настоящее время – это важнейший участок, позво- ляющий вывести все отрасли народного хозяйства на передовые рубежи.

1.1. Основные понятия

Науку характеризует следующая система определений:

1)наука есть система знаний о законах функционирования

иразвития объектов;

2)наука всегда фиксируется в максимально определенном (для каждого уровня) языке;

3)наука представляет собой знание, эмпирически прове- ряемое и подтверждаемое;

4)наука представляет собой систему возрастающих ис- пользующихся знаний;

5)наука обладает составом, в который входит: предмет (совокупность проблем и задач, решаемых наукой), теория и ги- потеза, метод, факт (описание эмпирического материала).

Науки подразделяют на общественные и естественные. Об- щественные науки изучают различные стороны и области жизни человеческого общества (история, политэкономия, языкознание

идр.). Естественные науки изучают различные стороны и облас- ти материальной действительности (химия, физика, биология и др). Из последних выделяются технические науки, которые на- правлены на решение конкретных технических проблем.

5

Среди других общих понятий, относящихся к научной дея- тельности, отметим «исследование» и «разработку». Исследова- ние представляет собой систематическое и углубленное изуче- ние, направленное на более полное познание изучаемого пред- мета, а разработка – использование этого знания, направленное на производство полезных материалов, способов, устройств или процессов. Другими словами, поскольку посредством ис- следовательской работы познаны определенные факты, прин- ципы, то они должны быть разработаны таким образом, чтобы приносить реальную пользу.

Между фундаментальными исследованиями и промышлен- ным производством лежит область взаимосвязанных друг с дру- гом стадий. В развернутом виде это можно выразить формулой движения научного труда:

ФИ – ПИ – Р – Пр – С – Ос (при этом следующей фазой должно быть Ос – ПП), где ФИ – фундаментальное исследование;

ПИ – прикладное исследование; Р – разработка; Пр – проектирование;

С – строительство нового объекта; Ос – освоение (пуско-наладочные работы); ПП – промышленное производство.

Признаками любой научной работы являются ее новизна и оригинальность, вероятностный характер и риск, доказатель- ность научных сведений. Она охватывает творческую деятель- ность, направленную на получение, систематизацию и перера- ботку новых, оригинальных, доказательных сведений и инфор- мации для воплощения полученных знаний в техническом, тех- нологическом или организационном применении. По мере при- ближения к стадии освоения необходимо все чаще пользоваться типовыми решениями, стандартами, шаблонами.

6

Единство и борьба противоположностей в науке, научная критика и свободная борьба мнений являются закономерностью и источником развития науки. Наука развивается, опираясь на ранее полученные знания. Движение ее происходит по спирали: от менее точных к более точным знаниям, от истин первого по- рядка к истинам второго порядка и т.д.

Результат познания фиксируется в научной теории, кото- рая построена из высказываний по принципу выводимости. Цель создаваемой теории заключается прежде всего в том, чтобы по- нять все уже известные факты. В этом проявляется решающая роль практики в развитии теоретического мышления и науки вообще. Затем от теории требуется делать определенные утвер- ждения, предсказания по получению новых результатов, допус- кающие проверку путем эксперимента или наблюдений. Как только теория выдерживает эту проверку, перед ней возникает очередная задача – сделать следующее предсказание, и откры- ваются все новые и новые способы проверки. Так развивается теория либо обнаруживается на какой-то стадии ее несостоя- тельность.

Теория должна фиксироваться в максимально определен- ном языке, содержать определенные положения и быть жесткой. Химическая или физическая теория является научной по- стольку, поскольку она может быть опровергнута. Если же в теории отсутствует определенность и она может быть приспо- соблена к любым новым фактам, то такая теория представляет собой всего лишь жалкую игру слов. Пробным камнем науки является вовсе не то, разумна ли теория или нет. Решающим об- стоятельством при этом является ответ на вопрос: работает тео- рия или не работает?

Таким образом, научная теория объясняет надежно уста- новленные факты, не противоречит другим работающим тео- риям, предсказывает возможность получения новых результа- тов, указывает путь развития по закону внутренней логики. Дос-

7

товерность теории выше достоверности отдельного опыта, она отсеивает ошибки, случайности, в результате чего изучаемое яв- ление предстает ясным, определенным.

1.2. Организационная структура науки

Общее руководство научно-технической деятельностью в стране осуществляет правительство РФ. Оно утверждает основ- ные направления развития науки и техники.

Межотраслевым органом управления является Государст- венный комитет по науке и технике, который обеспечивает про- ведение единой государственной политики в области научно- технического прогресса, разрабатывает предложения об основ- ных направлениях развития науки н техники в стране, научно- технические прогнозы по важнейшим проблемам, утверждает координационные планы по решению основных научно- технических проблем.

Академия наук РФ является общегосударственным цен- тром разработки научной политики в области естественных и общественных наук.

Непосредственно исследования и разработки ведутся в академических научных институтах, научно-исследовательских, конструкторских, проектно-конструкторских и технологических институтах, в высших учебных заведениях, на крупных про- мышленных предприятиях.

Целью деятельности научных учреждений является полу- чение новых научных результатов, создание экономичных, про- грессивных изделий и технологических процессов, их быстрей- шее освоение.

В области переработки древесины успешно ведут исследо- вания и разработки коллективы ВНИИ целлюлозно-бумажной промышленности (г. Санкт-Петербург), ВНИИ гидролиза расти- тельных материалов (г. Санкт-Петербург), Центрального на-

8

учно-исследовательского лесохимического института (г. Ниж- ний Новгород), ВНИИЛП (г. Казань), ВНИИМЛП (г. Казань).

Вузы нашей страны также вносят существенный вклад в теорию и практику переработки древесины, в совершенствова- ние технологических процессов и повышение качества продук- ции.

В научно-исследовательской работе вузов активно прини- мают участие аспиранты и студенты. Основная цель научно- исследовательской работы студентов (НИРС) состоит в форми- ровании творческой личности. НИРС способствует развитию у студентов творческих способностей, интенсификации учебного процесса, когда само участие в исследованиях превращается в способ обучения, повышению индивидуализации процесса обу- чения благодаря тесному контакту студентов с преподавателями и сотрудниками в рамках творческих групп, выработке навыков работы на установках и современных приборах. Около 10% вы- пускников ежегодно вовлекаются в сферу науки. По отдельным специальностям эта цифра значительно больше.

Для решения важных теоретических и практических про- блем в вузах созданы проблемные научно-исследовательские лаборатории, которые содержатся за счет государственного бюджета. Кроме того, имеются отраслевые лаборатории, фи- нансируемые той или иной отраслью. Наибольший объем ис- следовательских работ выполняется по хозяйственным дого- ворам, заключенным с предприятиями и научно- производственными объединениями.

Необходимо отметить, что задачи развития науки тесно связаны с задачей подготовки кадров для науки. Основной фор- мой подготовки является аспирантура. Для оценки своей квали- фикации соискатель ученой степени готовит и публично защи- щает диссертацию. Вопросы аттестации кадров высшей квали- фикации являются компетенцией Высшей аттестационной ко-. миссии РФ (ВАК РФ). К научным работникам относятся все ли-

9

ца, имеющие ученую степень или ученое звание, а также лица, занимающие должности научных сотрудников. В нашей стране две ученые степени – кандидат наук и доктор наук. Установле- ны следующие ученые звания: ассистент, младший и старший научный сотрудник, доцент, профессор, член-корреспондент и академик АН РТ и РФ.

1.3. Качества исследователя

Наука давно перестала быть уделом талантливых одино- чек. Решение актуальных задач, глобальных проблем под силу мощным коллективам, научным школам. Научная школа – твор- ческий коллектив, формирующийся при крупном ученом с це- лью коллективной разработки определенной научной идеи, свя- занный общностью принципов и методических приемов, обес- печивающий создание оригинального научного направления.

Однако в науке как и в любой другой творческой деятель- ности, большое значение имеет личность исследователя. Истин- ное признание в науке за чужой счет невозможно. Каждый, кто надеется на успех, должен помнить о том, что «в науке нет ши- рокой столбовой дороги, и только тот достигнет ее сияющих вершин, кто, не страшась усталости, карабкается по ее камени- стым тропам».

Очень важно выявить способности к научным исследова- ниям и качества, которые предопределяют возможность ус- пешной работы в науке. Настоящие ученые всегда стремились оставить после себя учеников.

Правильно подготовить специалиста к выполнению задач – значит сэкономить время на поиск новых путей решения про- блем, встающих перед обществом. Тем более что новое, непри- вычное более легко может воспринять только человек, не обре- мененный уже устоявшимися традициями, штампами. И, дей- ствительно, Бор, Ньютон, Эйнштейн, Галуа и многие другие ис-

10