Гусев / Методы научных исследований

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Ангарская государственная техническая академия Кафедра "Промышленного и гражданского строиетльства"

С.И. Кузьмин

Методы научных исследований в технических задачах

Учебное пособие для студентов технических специальностей

Ангарск 2010 г

С.И. Кузьмин Методы научных исследований в технических задачах. Учебное пособие для студентов технических специальностей. Ангарск, 2010 г – 247 с.

В учебном пособии рассмотрены общенаучные методы проведения исследовательских работ. Изложены основные положения теории вероятности и математической статистики. Из приемов, применяемых в технике, выделены методы системного анализа, подобия, математического и физического моделирования многофакторных объектов. Статистические методы моделирования технических систем проиллюстрированы примерами. Изложены основы теории решения изобретательских задач и методика проведения патентных исследований. Организация научно-исследовательской работы излагается в соответствие с действующими стандартами. Приведены требования и рекомендации по оформлению отчетов по научно-исследовательским работам.

©Ангарская государственная техническая академия

©Кафедра Промышленного и гражданского строительства

2

Содержание
Введение ............................................................................................	5
1. Системный подход и системный анализ в научных
исследованиях………………………………………………………...	10
1.1 Методы научных исследований.....................................................	11
1.2. Методы эмпирического исследования.........................................	14
1.3. Принципы системного подхода.....................................................	16
1.4 .Система. Модель системы.............................................................	20
2. Характеристики случайных величин..........................................	24
2.1. Основные понятия..........................................................................	24
2.2. Свойства математического ожидания и дисперсии....................	32
2.3. Виды распределения случайной величины..................................	33
2.3.1. Равномерное распределение.......................................................	34
2.3.2. Боминальное распределение (Бернулли)...................................	35
2.3.3. Нормальное распределение случайных величин......................	36
2.3.4. Распределение χ2 (хи - квадрат)................................................	40
2.3.5. Распределение Стьюдента ( t - распределение)........................	41
2.3.6. Распределение Фишера...............................................................	42
3. Определение параметров функции распределения..................	43
3.1. Генеральная совокупность и случайная выборка........................	43
3.2. Оценки математического ожидания и дисперсии.......................	45
3.3. Определение дисперсии по текущим измерениям......................	46
3.4. Доверительные интервалы и доверительная вероятность..........	47
3.5. Проверка статистических гипотез.................................................	50
3.6. Оценка математического ожидания нормально
распределенной случайной величины..........................................	51
3.7. Сравнение двух дисперсий............................................................	52
4. Метрологические проблемы анализа и моделирования
в технических задачах.......................................................................	54
5. Статистический анализ параметров системы...........................	67
5.1. Дисперсионный анализ..................................................................	67
5.2. Корреляционный и регрессивный анализ....................................	70
5.3. Регрессия.........................................................................................	71
5.4. Метод наименьших квадратов.......................................................	73
6. Методы планирования экспериментов……………...................	87
6.1. Общие положения………………...............................………........	87

3

6.2.Формализация построения статистической……………………

функциональной модели...............................................................

6.3 Характеристика планов многофакторных исследований............

6.3.1.Полный факторный эксперимент (ПФЭ)..................................

6.3.2.Дробный факторный эксперимент (ДФЭ).................................

6.4. Планы второго порядка..................................................................

6.4.1.Трехуровневый полный факторный эксперимент....................

6.4.2.План БоксаBk ..............................................................................

6.4.3.Несимметричные планы типа М1 М2 М3...................................

6.4.4.Анализ полиномиальных моделей и особенности проведе-

ния экспериментов.................................................................................

7. Метод подобия и моделирования в технических задачах........

7.1.Теория размерности физических величин....................................

7.2.Подобие и моделирование физических процессов......................

7.3.Особенности моделирования стохастических систем.................

8. Изобретательская деятельность и патентоведение……..........

8.1.Основные термины и определения...............................................

8.2Патентная документаци..................................................................

8.3Методы анализа технических решений и создания ……………

изобретений……………………………………………………….......

8.3.1.Закономерности существования и развития технических систем....................................................................................................

8.3.2.Теория решения изобретательских задач.................................

8.3.2.Противоречия в технических системах....................................

8.3.3.Решение изобретательских задач на уровне физического противоречия.......................................................................................

8.3.4.Метод решения изобретательских задач.................................

9. Организация выполнения научно-исследовательской работы…………………………………………………………………

9.1.Порядок разработки согласования и утверждения техническо-

го задания НИР......................................................................................

9.2.Порядок выполнения научно-исследовательской работы.........

9.3.Рассмотрение и приемка законченной научно-

исследовательской работы..................................................................

9.4.Отчет о научно-исследовательской работе..................................

9.5.Правила оформления отчета..........................................................

Литература ……………………………………………………………

94

105

105

115

122

123

124

131

139

142

142

151

166

181

182

187

194

194

198

201

207

212

223

225

228

231

232

236

243

4

Введение

Современный этап существования и развития общества протекает в условиях возрастающего дефицита энергоносителей и природных ресурсов. В то же время повышение уровня жизни населения требует все более интенсивного увеличения производства всех видов энергии, продуктов питания, предметов потребления. И предотвратить глобальную катастрофу из-за истощения природных ресурсов может только создание принципиально новых технологий получения материальных ценностей.

Разработка новых технологических подходов во всех видах человеческой деятельности возможно только через глубокое познание законов объективного мира, которое осуществляется по средствам научных исследований. А внедрение научных достижений при решении практических задач - важнейший фактор обеспечения жизненно-необходимого уровня энерго - и ресурсопотребления (включая воздух, воду, продукты питания) и перехода к экологически безопасным технологиям.

Разнообразие технических проблем и задач, которые требуют своего решения на уровне «научного исследования» вызывает необходимость в привлечении к этому виду деятельности всё большего числа инженерно-технических работников. И представляется важным и необходимым выработка единых и обоснованных методологических подходов к проведению научных исследований.

Методология научных исследований основывается на законах диалектики и теории познания и проявляется в соответствующих методах – общих правилах и приемах, следование которым позволяет получить объективные результаты и снизить риск ошибочных и непроизводительных действий.

Методы научных исследований развивались вместе с философскими воззрениями на устройство мира. И иногда оши-

5

бочные выводы и теории являлись следствием ошибочного метода. Так, например, основной «метод» античности – умозаключение - послужил обоснованием теории геоцентрического устройства мира. Или этот же метод, к тому же основанный на здравом смысле о том, что все, в конце концов, должно чем-то оканчиваться привел к возникновению теории строения вещества с конечным элементом (неделимой частичкой) - атомом. Ошибочность таких умозрительных выводов была доказана только с развитием новых методов, в том числе и экспериментального изучения явлений. Поэтому очень важно, что бы используемые методы обладали свойствами истинной «научности», то есть доказательностью и независимостью от предположения и желания автора или пользователя метода.

При проведении научных исследований очень важно выбрать метод, наиболее эффективный для решения данной задачи. При этом зачастую играет роль не только уверенность в достижении поставленной цели именно при помощи выбранного метода, но и затраты ресурсов и времени на этот процесс. Так известен случай с изобретателем Т.А. Эдисоном, когда он предложил «чистому» математику определить объем электрической лампочки. Используя математические методы, ученый решил задачу в течение нескольких часов и когда принес результат «боссу», тот, показал, как решается эта же задача всего за несколько секунд простым опытом. (Всетаки, наверное, стоит отметить, что математическое решение более универсальное, так как применимо к лампочкам подобной формы не зависимо от размеров, в то время как опытным путем приходится определять объём для каждого нового размера).

Общенаучный метод в научных исследованиях рассматривается как некая стратегическая категория, определяющая основные принципы проведения работ. В тоже время реали-

6

зация метода и решение конкретных задач производится на основе «частных» методов и методик. Последние определяют условия (оборудование, приборы, состояние объекта и.т.п.), полный набор и последовательность выполнения операций, которые необходимы в данном исследовании. Иногда методики приходится разрабатывать (на основе общего методологического подхода к исследованиям) самим исполнителям, а иногда самим методом и классом решаемой задачи предписывается обязательное использование стандартных методик (например, исследование физико-механических характеристик строительных материалов).

Учитывая, что в технических областях знаний преобладают экспериментальные исследования, в настоящем пособии предлагаются проверенные и формализованные рекомендации получения и обработки информации, проведения лабораторных и промышленных экспериментов, методы математического и физического моделирования технологических процессов.

Естественно, что изложенный в пособии материал далеко не исчерпывает всего многообразия, как методологических подходов, так и методов. И автор считает своим долгом предупредить читателя (и надеется, пользователя) о том, что некоторые интересные вопросы не нашли подробного освещения. В частности, поиск решения технических задач, методами организации научного процесса изложен только в объеме, необходимом для соблюдения формальных требований стандарта. Однако следует иметь в виду, что методы, основанные на организационных и психологических принципах способны давать высокопродуктивные результаты. Здесь следует, конечно, отметить метод, который первым предложил и успешно реализовал Т.А. Эдисон, заключающейся в создании специализированного учреждения – научно-исследовательской лаборатории (позже института), которая занимается исклю-

7

чительно научными проблемами. И такое, казалось бы, очевидное, на современный взгляд мероприятие, объединившее в единый коллектив специалистов различного профиля, обеспечило их эффективную работу. Другой пример организационного метода в научных исследованиях - «метод мозгового штурма», когда собирают в одну группу и специалистов в различных областях деятельности и вообще неспециалистов,

ирешение проблемы основывается на позитивном обсуждении любого предложения от любого участника группы без критики и заведомой предубежденности.

Для решения научных проблем может использоваться и психологические методы. Бывает достаточно просто внушить работнику уверенность в безусловной выполнимости поставленной задачи, и она решается успешно. Психологические методы не исключают и прямого давления на исполнителя. Так всего за одну ночь (по непроверенным данным) был придуман миноискатель. Во время финской компании Красная Армия несла неоправданно большие потери в наступательных операциях на минных заграждениях противника. Тогда И. Сталин пригласил в Кремль группу известных инженеров

иученых и поставил задачу создания прибора для обнаружения мин. В случае невыполнения ученым грозила суровое накозание. И сознавая безвыходность положения, ими было найдено и реализовано остроумное предложение об использовании эффекта электромагнитной индукции.

Основное внимание в предлагаемом пособии уделяется составлению математических моделей технических систем. Собственно в итоге научного исследования, любая система должна иметь математическое описание. Однако важно получить решение с минимальными затратами времени и ресурсов. И с этих позиций представляется перспективным изучение методики рационального планирования экспериментов – как универсального метода.

8

В пособии практически не рассматриваются методы аналогового и имитационного моделирования. Не умаляя важности и интересности этих моделей, все же представляется, что по универсальности они уступают методу математического моделирования или вернее, являются вспомогательными приемами, обеспечивающими получения результатов, необходимых для составления математической модели.

Содержание настоящего пособия сформировано под влиянием личного опыта автора по изложению данного курса студентам строительных специальностей. Общение с контингентом средней физико-математической подготовки и к тому же ориентированным, в основном на чисто технические дисциплины определило необходимость изложения некоторых вопросов, не имеющих прямого отношения к методам научной работы, но способствующих более осознанному изучению теории без обращения к другим, специальным источникам. Так во 2-й и 3-й главах излагаются некоторые сведения по математической статистике. Не претендуя на систематическое изложение данных вопросов, тем не менее, опыт автора показывает, что целесообразно и полезно вспомнить некоторые положения (и даже термины и определения) теории вероятности и математической статистики. Это просто облегчает восприятие и изучение последующего материала.

Опыт научно-исследовательской работы автора так же в основном связан со строительством. Поэтому примеры, приводимые в пособии, относятся к строительным дисциплинам. Однако их очевидное содержание позволяет освоить суть того или иного методического приема вне зависимости от «отраслевой принадлежности» читателя. По этой причине автор надеется, что предлагаемое пособие окажется полезным техническим работникам различных специальностей.

9

1. Системный подход и системный анализ в научных исследованиях

1.1 Методы научных исследований

Научное исследование - это всегда выявление закономерностей в причинно-следственных связях объективного мира.

Познание закономерности осуществляется на основе метода научного исследования. Под методом понимается способ достижения цели [1]. Метод представляется некой программой построения и применения теории. В научной практике под методом обычно понимается совокупность принципов и последовательность некоторых операций (практического и теоретического воплощения), обеспечивающих установление закономерностей в изучаемом явлении.

Обоснованный метод исследований сам, как правило, является продуктом научного поиска. Его основные качества – это объективность, универсальность и продуктивность.

Объективность метода проявляется в научной обоснованности, позволяющей устанавливать истинные закономерности и свойства явлений. Метод исследований сам должен предотвращать научную работу от заблуждений, спекуляций и неправдоподобных выводов. Ложность или лженаучность результатов и теорий как раз и проявляется в отсутствии соответствующих методов, на которых базируется научная деятельность.

Универсальность научного метода обеспечивается его применимостью к различным задачам. И чем разнообразнее виды задач, которые решаются методом (физические, технические, социальные, биологические и т.д.), тем он универсальнее. Конечно не все методы, успешно применяющиеся в научных исследованиях, носят черты широкой универсальности. К таким можно отнести только общенаучные методы, основывающиеся на теории познания, ориентирующиеся на

10