Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Планирование и организация научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Учебное пособие
.pdf
11
5. Как давно известна проблема? Известна давно или возникает
периодически?
6. Проблема постоянно требует решения или в определенные пе-
риоды времени?
Гипотеза является высказыванием, выдвигаемым на основе ряда
наблюдений или фактов о состоянии структуры объекта или его поведении перед проведением исследований, требующим последующего
доказательства. Если гипотеза подтверждается результатами исследований, она превращается в факт, в противном случае является ложным
утверждением. Недоказанная и неопровергнутая гипотеза называется
открытой проблемой.
Гипотеза должна отвечать ряду требований:
– опираться на факты и не противоречить им;
– иметь возможность проверки опытным путем с помощью эксперимента или наблюдения (кроме непроверяемых гипотез);
– должна обладать объяснительной силой, из нее должно выводиться как можно больше фактов, подтверждающих ее;
– не противоречить существующим научным знаниям;
– должна быть кратко сформулирована в простой форме.
Теория является упорядоченной, обоснованной и логически
выстроенной системой знаний, позволяющей адекватно отражать действительность, анализировать факты, процессы и явления. Теория образуется в случае подтверждения гипотезы. Структурными элементами
теории являются: понятия, суждения, категории, научные положения,
законы, учения, идеи и др.
Понятие – это мысль, отражающая существенные и необходимые
признаки определенного множества предметов или явлений.
Категория – общее, фундаментальное научное понятие, отражающее наиболее общие свойства и связи явлений. К категориям в приборостроении можно отнести: точность, надежность, погрешность, элементную базу.
Научный термин – это слово или сочетание слов, обозначающее
понятие, применяемое в науке (например, юстировка, преобразователь,
датчик).
Совокупность понятий (терминов), которые используются в определенной области наук, образует ее понятийный аппарат.
12
Суждение – это мысль, в которой утверждается или отрицается
что-либо.
Аксиома (постулат) – исходное положение какой-либо теории,
принимаемое истинным без доказательства и используемое для получения других положений с помощью специальных методов. Например:
аксиома параллельности Евклида, аксиома полной индукции, аксиома
Колмогорова.
Закон – это объективная связь или взаимосвязь между явлениями
или процессами.
Закономерность – это совокупность действия двух или более законов.
Научное положение – это утверждение, сформулированная мысль.
Учение – совокупность теоретических положений (теорий) о какой-либо области явлений действительности, сочетающихся между собой.
Идея – новое интуитивное объяснение нового события или явления.
Концепция – это система теоретических взглядов, объединенных
научной идеей (научными идеями).
Эмпирический уровень включает в себя факты, эмпирические
обобщения и законы (зависимости). Под фактом понимается событие
или некоторый результат, относящиеся к объективной реальности,
сфере сознания или подсознания. Знания, полученные в результате
эксперимента или наблюдения, являются фактом. Система определенных научных фактов образует эмпирическое обобщение. С их помощью
можно анализировать полученные результаты. Эмпирические законы
позволяют установить регулярность явлений, определить характер
влияния и зависимости между явлениями. Эмпирические законы,
в отличие от теоретических, дают более поверхностное понимание явлений и зависимостей.
Рассмотренные уровни познания и организации знаний взаимосвязаны между собой. Во-первых, исходя из определений гипотезы
и теории, видно, что их основу составляет факт или совокупность фактов. Образование теории зависит от того, совершится ли подтверждение ее основ фактом или нет. Во-вторых, сам факт не может существовать без системы понятий и теоретической базы знаний. Достижение
истины, факта в результате эксперимента или наблюдения возможно
только при наличии теоретических предпосылок.
13
1.3. Методология научных исследований
Методология научных исследований представляет собой учение
о методах реализации научной деятельности. Это система принципов,
используемых при проведении исследований для получения новых
и расширения существующих знаний. Тогда под методом следует понимать совокупность подходов, приемов и операций, необходимых для
достижения конкретной цели исследования.
В зависимости от области применения методология может быть
отнесена к различным уровням:
– общая философская методология, включающая в себя общие
принципы познания;
– общая научная методология, включающая в себя общенаучные
концепции, которые распространяются на достаточно обширный круг
научных дисциплин (например, системный и кибернетический подходы);
– конкретизированная (частная) методология, которая распространяется на конкретную дисциплину;
– методология исследования может быть использована только
в рамках конкретного исследования.
В зависимости от уровня познания можно выделить методы следующих уровней: эмпирического, теоретического и метатеоретического
(рис. 1.5). Последний включает в себя два подуровня: общенаучное
знание и общенаучные методологические, логические и аксиологические принципы. Его можно представить в виде целого, образованного
из первых двух уровней.
Рис. 1.5. Методология уровней познания и организации знаний
14
Общелогические методы могут быть использованы на теоретикоэмпирическом уровне, в связи с чем они выделены в отдельную группу.
К ним относят: анализ, синтез, индукцию, дедукцию и аналогию.
Анализ подразумевает мысленное разделение (расчленение) изучаемого объекта на отдельные элементы с целью исследования каждого
из них в отдельности. Примером может служить анализ влияния теплопроводных свойств отдельного элемента платы или отдельной платы на
общую температуру в корпусе прибора. Анализ может быть произведен
на основе выявления структуры прибора, определяющей тип изделий,
из которых он состоит.
Методом, предусматривающим выполнение противоположных
действий, является синтез. Отдельные элементы мысленно соединяют
в единое целое для его исследования. Например, для получения объективных данных, собранных в результате проведения нескольких экспериментов (опытов), результаты должны рассматриваться (анализироваться) совместно, как единое целое. Анализ и синтез являются взаимосвязанными и противоположны друг другу.
Под индукцией понимают восхождение мысли от частного
к общему, от отдельных фактов или законов к общему положению,
закономерностям. Примером может служить оценка надежности элементной базы средней наработкой на отказ или оценка шероховатости
поверхности детали прибора параметром Ra – среднее арифметическое
отклонение профиля. Если знания получены при переходе от общего
к частному, говорят о дедукции. Метод противоположен индукции.
Например, если известно, что причиной погрешности измерения вольтметром является первичная погрешность, которая характерна для любого прибора, то все приборы будут иметь погрешность измерения.
Аналогия позволяет получать и расширять знания об объектах или
процессах за счет сравнения их с другими. При этом сходство в одних
свойствах может свидетельствовать о сходстве в других. Например, если известно, что статическая характеристика датчика Холла одной конструкции является линейной, то и для другого датчика отличной чувствительности, но построенного по тому же принципу, характеристика
будет также линейной. При этом причины погрешности измерения двумя
датчиками и способы ее снижения будут одинаковы (аналогичны).
15
Для теоретического уровня познания и организации знания присущи следующие методы: аксиоматический, исторический, формализация, абстрагирование, ранжирование, гипотетический, обобщение, метод системного анализа, идеализация.
Аксиоматический метод заключается в использовании аксиом
и выведенных ранее из них утверждений для получения новых знаний
на основе законов логики. С помощью этого метода осуществляется построение теории.
Исторический метод позволяет исследовать поведение объекта
или процесса, изменение внутренней структуры и взаимосвязей в течение длительного времени в хронологической последовательности.
Например, исследование влияния процесса микроминиатюризации интегральных микросхем на массогабаритные характеристики, стоимость
и энергопотребление приборов.
Весьма распространенным методом получения знаний является
формализация. Какие-либо процессы, доказательства, умозаключения
представляются в виде специальной символики или формул. Далее
с ними осуществляются определенные действия (операции), в результате
которых получаются новые формулы или сочетания символов, несущие
в себе новые знания. Таким образом можно доказывать истинность суждений или положений. Наиболее часто используют формализацию для
программирования и построения (разработки) алгоритмов и блок-схем.
Абстрагирование как метод предусматривает отвлечение (отбрасывание) неинтересующих (неважных) свойств, параметров и связей
объекта при исследовании его интересующих свойств и взаимосвязей.
Например, при исследовании теплового режима измерительного прибора не учитываются прочностные свойства материала элементов,
их цвет, но важными параметрами являются теплопроводность, форма,
шероховатость.
Ранжирование предусматривает разделение чего-либо по интересующему признаку или ряду признаков в соответствии со шкалой оценки. Например, можно осуществить ранжирование фактов по степени
их важности или факторов по степени влияния на течение процесса или
поведение объекта исследования.
16
Гипотетический метод подразумевает формулирование гипотезы,
достаточно полно описывающей наблюдаемые явления, изменение
состояния объекта, и предусматривает ее дальнейшую проверку. Разновидностью является гипотетико-дедуктивный метод, с помощью которого создают систему гипотез, из которых получают новые знания.
Он предусматривает следующую последовательность действий:
1. Формулируются гипотезы о закономерностях изучаемого объекта.
2. Производится отбор из всего множества наиболее вероятной,
правдоподобной гипотезы.
3. С помощью дедукции осуществляется получение новых поло-
жений, знаний.
4. Выполняется экспериментальная проверка полученных знаний.
Обобщение используют для рассмотрения конкретных свойств
объектов или его связей с целью исследования. При этом разделение по
какому-либо признаку, как в случае абстрагирования или ранжирования, может не производиться. Использование обобщения и абстрагиро-
вания позволило разработать ряд важных теорий в области математики.
Системный анализ представляет собой совокупность методов
и приемов, используемых для исследования объектов, представляющих
собой сложную систему. Применяется главным образом при решении
сложноформализуемых проблем.
Идеализация предусматривает представление исследуемого объекта в совершенной, идеализированной форме. Метод очень схож с абстрагированием, однако, в отличие от него, здесь происходит изменение исследуемого объекта, и в реальности его не существует. Широкое
распространение метод получил при моделировании объектов с помощью САПР. Например, при исследовании прочности детали из различных материалов ее формы и размеры приняты идеальными (без отклонений), шероховатость поверхности и микротвердость равномерны.
К методам эмпирического уровня относятся: счет, сравнение,
измерение, эксперимент, моделирование, наблюдение и описание.
Счет является количественным методом и позволяет определить
количественно свойства объекта.
17
Сравнение позволяет осуществлять сопоставление признаков или
свойств двух и более объектов, находить между ними общее и различия.
Измерение представляет собой совокупность действий, направленных на нахождение численных значений свойств объекта с помощью различных средств измерений. В основу измерения положен метод
сравнения. Различают прямые и косвенные измерения. В первом случае
измеряемая величина сопоставляется с мерой, а во втором используются зависимости для расчета искомой величины с помощью другой, полученной прямыми измерениями.
Эксперимент – это метод познания, используемый для проверки
гипотезы или теории или получения эмпирических знаний. Является
наиболее сложным и основополагающим методом эмпирического
уровня. Эксперимент предполагает использование таких методов, как
наблюдение, описание и измерение.
Моделирование подразумевает исследование объекта на основе
его модели. Объект может быть реальным или не существующим в действительности. С помощью моделирования можно выявлять связи между различными объектами, устанавливать влияние друг на друга.
Наблюдение заключается в восприятии конкретных свойств объекта с помощью органов чувств. Оно осуществляется непрерывно или
по заранее установленной методике, в результате чего получают первичную информацию, представляющую собой эмпирические утверждения.
С помощью описания производится фиксация свойств исследуемого объекта, установленных в результате измерения, эксперимента
или наблюдения. Описание может быть непосредственным и опосредованным. В первом случае восприятие и фиксация интересующих
свойств производятся самим исследователем, а во втором исследователь отмечает свойства, воспринятые другими исследователями.
Учитывая основополагающую роль эксперимента и моделирования на эмпирическом уровне, рассмотрим эти методы более подробно.
На рис. 1.6 представлены основные виды экспериментов с учетом
различных признаков. В зависимости от условий, в которых проводится
опыт, различают естественный и искусственный эксперименты.
Естественный подразумевает исследование объекта в условиях естественных для него, т. е. тех, в которых объект первоначально
18
Рис. 1.6. Классификация
экспериментов
существует. Для проведения искусственного эксперимента необходимо изменение естественных условий.
Эксперимент может проводиться
для различных целей. В случае отсутствия достаточных теоретических данных или ранжирования факторов проводят поисковый эксперимент. Он позволяет сформировать данные, достаточные
для формулирования первоначальной гипотезы, или проверить первоначально
выдвинутую. В случае необходимости
активного изменения структуры объекта,
соответствующего выдвинутой гипотезе,
и отслеживания формирования новых
связей между его элементами проводят
преобразующий эксперимент.
Проверка положений теории или
выбор одной из нескольких согласующихся гипотез осуществляется
на основе результатов решающего эксперимента.
Эксперимент может быть проведен в различных условиях. Лабо-
раторный эксперимент проводят в специализированных лабораториях,
с использованием не самого объекта, а его фрагмента или образца, его
имитирующего. Если используется реальный объект, и он находится
в естественных условиях, то говорят о натурном эксперименте.
В зависимости от сложности структуры исследуемого объекта,
количества его внешних и внутренних связей можно выделить простой
и сложный эксперименты.
Характер взаимодействия средств эксперимента с объектом
может быть различным. Можно оценивать влияние вещественных,
энергетических или информационных факторов на объект. Тогда
эксперимент соответственно будет вещественным, энергетическим,
информационным и т. д. Обычный эксперимент предусматривает
наличие субъекта – исследователя, который оказывает непосредственное воздействие на объект различными средствами – инстру-
19
ментами, приборами. Модельный же эксперимент предполагает воздействие на модель исследуемого объекта.
По типу моделей, применяемых в эксперименте, различают мыс-
ленный и материальный эксперименты. Основным различием между
ними является вид объекта исследования и структуры эксперимента в целом. Они могут быть реальными (материальными) или воображаемыми.
В зависимости от активности различают активный и пассивный
эксперименты. Пассивный эксперимент не предусматривает изменения
первоначально установленных условий эксперимента в процессе его
реализации, его целью является наблюдение и описание заранее выбранных свойств объекта. Активный эксперимент, напротив, предусматривает варьирование факторов, введение исследователем необходимых корректировок при проведении опытов. При этом исследуется
влияние изменений в соответствии с разработанной программой или
методикой.
В соответствии с количеством варьируемых факторов, оказываю-
щих влияние на результат опытов, различают однофакторный и многофакторный эксперименты. Для разработки планов многофакторных
экспериментов используют теорию планирования.
Приведенная классификация не является полной, так как область
использования эксперимента постоянно расширяется и появляются новые его разновидности.
Моделирование предусматривает наличие модели объекта исследования. Моделью является специально созданная система, которая
несет в себе основные свойства исследуемого объекта, интересующего
исследователя. Например, построение твердотельной модели в САПР
для ее дальнейшего исследования на прочность не подразумевает определения цвета, массы, теплофизических, аэродинамических или других
свойств. Основными свойствами при этом являются физикомеханические свойства материала, размеры и форма модели.
Многообразие объектов исследования, целей и задач моделирования
привело к образованию множества различных типов моделей (рис. 1.7).
В зависимости от интересующих исследователя свойств объекта
как системы различают функциональные и структурные модели.
20
Рис. 1.7. Классификация моделей
Функциональные модели разрабатывают и используют для изучения работы системы с учетом внутренних и внешних связей. Такие модели предусматривают работу с функциональными элементами
(например, блок-схемы определяют входные и выходные параметры и
промежуточный порядок действий). Также могут быть использованы
для отображения процессов, протекающих при функционировании объекта в условиях внешнего воздействия.
Структурные модели позволяют представить объект в виде, дающем представление об его элементах, их свойствах и связях между ними.
Также в качестве объекта может рассматриваться процесс, тогда исследуется его последовательность, состав стадий. Примерами могут служить кинематические модели механизмов, структурные модели автоматических систем.
Модели могут быть представлены в различной форме. В аналитических моделях используются математические выражения. Как прави-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]