- •Основы научных исследований
- •Рецензент в.В. Нестерович, канд. Техн. Наук, доцент
- •Содержание
- •Введение
- •Лекция 1. Вводная. Развитие науки и изобретательства
- •1.1 Основные положения
- •1.2 Подготовка и повышение квалификации научно-технических кадров
- •Лекция 2. Государственная система управления развитием науки и техники
- •2.1 Принципы программно-целевого управления развитием науки и техники
- •2.2 Организационные структуры для осуществления научных исследований и разработок
- •Лекция 3. Технические системы
- •3.1 Диалектика технических систем
- •3.1.1 Системный подход
- •3.1.2 Противоречия, выявляемые при решении технических задач
- •3.2 Жизнь технической системы
- •3.3 Законы развития технических систем
- •3.4 Уровни сложности технических задач
- •Лекция 4. Диалектика технического творчества. Этапы творческого процесса
- •4.1 Уровни творческой деятельности
- •4.2 Психологические особенности научно-технического творчества
- •4.3 Учет психологических факторов при решении творческих технических задач
- •4.4 Основные этапы рационального творческого процесса
- •4.4.1 Оценка целесообразности решения задачи
- •4.4.2 Анализ надсистемы, в которую входит рассматриваемая техническая система
- •4.4.3 Анализ технической системы и ее подсистем, выбор задачи
- •4.4.4Анализ технической задачи
- •4.4.5 Формулировка условий и анализ изобретательской задачи
- •4.4.6 Поиск идеи решения
- •4.4.7 Синтез нового технического решения
- •Лекция 5.Подготовка и проведение научно-технического исследования.
- •5.1 Основные понятия и классификация
- •5.2 Этапы научно-технического исследования
- •5.3 Информационный поиск и составление методики исследования
- •5.4 Научные документы и издания
- •5.4.1 Первичные документы и издания
- •5.4.2 Вторичные документы и издания
- •5.5 Документные классификации
- •5.6 Библиографическое описание источников, использованных в научном исследовании
- •5.7 Организация работы с научной литературой
- •Лекция 6. Предварительная разработка исследования
- •6.1 Общие сведения
- •6.2 Методы эмпирического уровня
- •6.3 Методы экспериментально-теоретического уровня
- •6.4 Методы теоретического уровня
- •6.5 Методы метатеоретического уровня
- •6.6 Гипотезы в научных исследованиях
- •6.7 Доказательства в научных исследованиях
- •6.8 Научная проблема и обоснование темы исследования
- •Лекция 7. Экспериментальые научные исследования
- •7.1 Классификация, типы и задачи эксперимента
- •7.2 Методика эксперимента
- •7.3 Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований
- •7.4 Рабочее место экспериментатора и его организация
- •7.5 Влияние психологических факторов на ход и качество эксперимента
- •7.6 Вычислительный эксперимент
- •7.7 Элементы теории планирования эксперимента
- •Лекция 8. Обработка данных эксперимента и обобщение результатов
- •8.1 Основы теории случайных ошибок и методов оценки случайных погрешностей в измерениях
- •8.1.1 Интервальная оценка с помощью доверительной вероятности
- •8.1.2 Определение минимального количества измерений
- •8.1.3 Проверка наличия грубых ошибок ряда
- •8.2 Методы графической обработки результатов измерений
- •8.3 Методы подбора эмпирических формул
- •8.4 Регрессионный анализ
- •Лекция 9. Оформление, защита и внедрение результатов науных исследований
- •9.1 Отчетные документы
- •9.2 Требования к представлению структурных элементов отчета
- •9.3 Представление результатов нти
- •9.4 Внедрение законченных разработок в промышленность
- •9.5 Эффективность научно-технических исследований
- •Лекция 10. Методы поиска новых технических решений
- •10.1 Основные определения и понятия технического творчества
- •10.2 Ассоциативные методы поиска технических решений
- •10.2.1 Метод фокальных объектов
- •10.2.2 Метод гирлянд случайностей и ассоциаций
- •10.3 Метод контрольных вопросов
- •Мозговой штурм
- •10.5 Синектика
- •Лекция 11. Систематические и другие методы поиска технических решений и активизации творчества
- •11.1 Систематические методы
- •11.1.1 Морфологический анализ
- •11.1.2 Алгоритм решения изобретательских задач
- •11.1.3 Стратегия решения изобретательской задачи по ариз
- •11.1.4 Обобщенный эвристический алгоритм
- •11.2 Другие методы
- •11.2.1Метод организующих понятий
- •11.2.2Метод «матриц открытия»
- •11.2.3Метод десятичных матриц поиска
- •11.2.4Метод оценки оптимальности
- •11.2.5Функционально-стоимостный анализ
- •Заключение
- •Список рекомендованных источников
7.5 Влияние психологических факторов на ход и качество эксперимента
В процессе проведения эксперимента измерения различных показателей не могут быть выполнены абсолютно точно, по следующим причинам:
сами приборы имеют определенную погрешность,
методов и средств измерений несовершенны,
недостаточно тщательно проведены опыты,
влияют различные неучтенные факторы в процессе опыта,
влияют субъективных особенностей экспериментатора.
Получение и обработка статистических данных требуют большого внимания и навыков. Основная задача измерений – осуществлять измерения с наименьшими погрешностями, использовать все возможные методы устранения систематических и случайных ошибок.
Погрешности измерений классифицируют на систематические и случайные. Систематические погрешности можно разделить на следующие группы: инструментальные погрешности, субъективные погрешности, погрешности метода.
Одним из эффективных методов устранения систематических ошибок является исключение их в процессе повторных измерений величин. Применяют также метод замещения, при котором в процессе измерений вместо исследуемого объекта устанавливают эталонированный, заранее измеренный с высокой точностью. Разность в измерениях позволяет найти погрешность измерительного средства.
Психологическими причинами погрешностей являются: различные психологические барьеры, вера в совершенство и универсальность старых представлений, инерционность мышления, боязнь нового.
7.6 Вычислительный эксперимент
Вычислительный эксперимент (ВЭ) основан на применении прикладной математики и электронно-вычислительных машин как технической базы при использовании математических моделей.
Основой вычислительного эксперимента является создание математической модели изучаемого объекта, которая формируется с помощью некоторой особой математической структуры, способной отражать свойства объекта, проявляемые им в различных экспериментальных условиях.
Однако эта математическая структура превращаются в модель лишь тогда, когда элементам структуры дается физическая интерпретация, когда устанавливается соотношение между параметрами математической структуры и экспериментально определенными свойствами объекта.
На основе математического моделирования и методов вычислительной математики созданы теория и практика ВЭ.
Технологический цикл ВЭразделяется на следующие этапы:
1. Для исследуемого объекта строится физическая модель.
2. Разрабатывается метод расчета сформулированной математической задачи.
3. Разрабатываются алгоритм и программа решения задачи на ЭВМ.
4. Проведение расчетов на ЭВМ.
5. Обработка результатов расчетов, их анализ и выводы.
Вычислительный эксперимент приобретает исключительное значение в тех случаях, когда натурные эксперименты и построение физической модели оказываются или невозможными, или чрезвычайно дорогими.
В науке и технике известно немало областей, в которых вычислительный эксперимент оказывается единственно возможным при исследовании сложных систем.
7.7 Элементы теории планирования эксперимента
Математическая теория эксперимента определяет условия оптимального проведения исследования, в том числе и при неполном знании физической сущности явления. Для этого используются математические методы при подготовке и проведении опытов, что позволяет:
исследовать и оптимизировать сложные системы и процессы,
обеспечивать высокую эффективность эксперимента
обеспечивать высокую точность определения исследуемых факторов.
обеспечивать эффективное управление экспериментом при неполном знании механизма явлений.
Эксперименты обычно ставятся небольшими сериями по заранее согласованному алгоритму. После каждой небольшой серии опытов производится обработка результатов наблюдений и принимается строго обоснованное решение о том, что делать дальше.
При использовании методов математического планирования эксперимента возможно решать различные вопросы, связанные с изучением сложных процессов и явлений; проводить эксперимент с целью адаптации технологического процесса к изменяющимся оптимальным условиям его протекания; обеспечивать таким образом высокую эффективность его осуществления и др.
Теория математического эксперимента содержит ряд концепций, которые обеспечивают успешную реализацию задач исследования. К ним относятся концепции рандомизации, последовательного эксперимента, математического моделирования.
Важное место в теории планирования эксперимента занимают вопросы оптимизации исследуемых процессов (рис.7.1), свойств многокомпонентных систем или других объектов. Как правило, нельзя найти такое сочетание значений влияющих факторов, при котором одновременно достигается экстремум всех функций отклика. Например, максимальный крутящий момент двигателя и минимальный расход топлива достигаются при различных режимах работы. Поэтому в большинстве случаев за критерий оптимальности выбирают лишь одну из переменных состояния – функцию отклика, характеризующую процесс, а остальные принимают приемлемыми для данного случая.
а) с целью математического описания исследуемого процесса, б) с целью оптимизации исследуемого процесса
Рисунок 7.1 – Структурная схема эксперимента:
Методы планирования эксперимента в настоящее время получили широкое распространение, чему способствует возможность широкого использования ЭВМ.
Контрольные вопросы
1) Что такое эксперимент? По каким признакам классифицируют?
2) Что нужно предусмотреть при разработке методик?
3) Какие методы измерений вы знаете?
4) По каким причинам не могут быть выполнены абсолютно точные измерения?
5) На какие этапы разделяют технологический цикл ВЭ?