Тема: Основы экспериментальных исследований

Методология экспериментальных исследований

Экспериментальное исследование — это один из основных способов получения новых научных знаний.
План-программа эксперимента-это основа методологии экспериментальных исследований.
План-программа включает:
• наименование темы исследования и содержание рабочей
гипотезы;
• методику эксперимента и перечень материалов, приборов,
установок и т.п., необходимых для его выполнения;
• список исполнителей и календарные планы их работы;
• смету на выполнение эксперимента.
Методика эксперимента — это совокупность методов, приемов целесообразного проведения экспериментальных исследований. В общем случае она включает:
• цель и задачи эксперимента;
• выбор факторов и уровней их изменения;
• обоснование средств и необходимого количества измерений;

• описание содержания и порядка проведения эксперимента;
• обоснование способов обработки и анализа результатов
эксперимента.
Цель и задачи эксперимента определяются на основе анализа рабочей гипотезы и соответствующих теоретических разработок. Задачи должны быть четкими, а их количество — небольшим: для простого эксперимента — 3... 4, а для комплексного эксперимента - 8 ...10 задач
Выбор факторов, влияющих на исследуемый процесс или объект, осуществляется на основе анализа теоретических разработок в соответствии с принятой рабочей гипотезой. Все факторы сначала ранжируются по степени важности для данного эксперимента, а затем из них выделяются основные и вспомогательные. При небольшом количестве факторов (до 3-х) степень их важности определяется по однофакторному эксперименту (один фактор изменяется при постоянных остальных). Если же количество факторов большое, то применяется многофакторный анализ.
Средства измерений выбираются исходя из цели и задач эксперимента, характера измеряемых параметров и требуемой точности. Как правило, используются стандартные, серийно выпускаемые средства измерения (отечественные или зарубежные). В отдельных случаях создаются уникальные измерительные приборы и аппаратура.
Содержание и порядок проведения эксперимента — это центральная часть методики. В ней подробно проектируется процесс проведения эксперимента:
• составляется последовательность проведения операций наблюдения и измерения;
• подробно описывается каждая операция в отдельности с учетом выбранных средств проведения эксперимента;
• описываются применяемые методы контроля качества операций;
• разрабатывается журнал для записи результатов наблюдений и измерений.

Важным разделом методики является обоснование способов обработки и анализа экспериментальных данных. Результаты экспериментов должны быть сведены к наглядной форме представления (таблицы, графики, номограммы и т.п.), чтобы их можно было сравнивать и анализировать. Особое внимание уделяется математическим методам обработки — установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между факторами и выходными параметрами, установлению критериев и доверительных интервалов и др.
После разработки методики эксперимента определяются объем и трудоемкость экспериментального исследования. Они зависят от глубины теоретических разработок и характеристик принятых средств измерения (точность, надежность, быстродействие и т.д.). Чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем и трудоемкость эксперимента.
Естественно, объем, и трудоемкость существенно зависят от вида эксперимента. Полевые испытания, как правило, имеют большую трудоемкость.
Экспериментальные работы проводятся в соответствии с утвержденным планом-программой и методикой эксперимента. Приступая к эксперименту, окончательно уточняют методику и последовательность проведения испытаний.
В процессе проведения экспериментальных исследований необходимо соблюдать ряд основных правил:
• экспериментатор должен добросовестно фиксировать все характеристики исследуемого процесса или параметры объекта,не допуская субъективного влияния на результаты измерений;
• недопустима небрежность экспериментатора, которая часто приводит к большим искажениям и ошибкам и, как следствие, к повтору экспериментов;
• экспериментатор должен обязательно вести журнал на блюдений и измерений, заполняя его аккуратно и без каких-либо исправлений;
• в процессе эксперимента исполнитель должен непрерывно следить за работой средств измерений и правильностью их пока заний, устойчивостью работы установок, оборудования, стендов
и т.д., характеристиками окружающей среды, и не допускать посторонних лиц в рабочую зону;
• экспериментатор должен систематически проводить рабочую поверку средств измерений, контролируя их точность;
• одновременно с производством измерений исполнитель должен проводить предварительную обработку результатов и их анализ. Это позволяет контролировать исследуемый процесс;
• корректировать эксперимент, улучшать методику и повышать эффективность эксперимента;
• экспериментатор должен соблюдать требования инструкций по технике безопасности, промсанитарии и пожаной профилактике.
Все вышеизложенные правила особенно тщательно нужно соблюдать при выполнении производственных экспериментов
Следовательно. Одним из основных способов получения научных данных является экспериментальное исследование. Эксперименты подразделяются на естественные и искусственные лабораторные и производственные. Основой методологии любых экспериментальных исследований являются план-программа методика и правила проведения эксперимента.

ЛЕКЦИЯ №24

Тема: Предварительная оценка результатов эксперимента.

План:

1. Ошибки эксперимента, их типы.
2. Статистическая оценка ошибок.
3. Методы исключения ошибок.

Ошибки эксперимента, их типы.

При обработке экспериментальных данных одной из важнейших задач является оценка погрешности измерения, являющейся результатом ошибок эксперимента. Различают следующие виды ошибок.
Грубые ошибки - возникают из-за нарушений основных условий измерений (неверные показания приборов, сбой процесса и т.п.) или вследствие невнимательности исследователя, производящего замеры.
Систематические ошибки - вызываются воздействием неучтенных факторов, проявляющимся одинаково при многократном повторении одних и тех же измерений. Различают систематические ошибки известного происхождения и известной величины (поправки), известного происхождения, но неизвестной величины, неизвестного происхождения.
Случайные ошибки- следствие воздействий, которые неодинаковы при каждом измерений и не могут быть учтены в отдельности. Такие ошибки возникают в результате суммарного воздействия многих факторов, не поддающихся учету.

Методы исключения ошибок.

Существуют различные методы снижения влияния перечисленных выше ошибок на конечный результат экспериментальных исследований. Рассмотрим некоторые из них.
Исключение грубых ошибок эксперимента осуществляется путём отбора подозрительных результатов измерений и проверки их на соответствие заданному доверительному интервалу.
Рандомизация является одним из способов исключения влияния на результаты эксперимента систематических ошибок, изменение которых происходит во времени, например, изменение влажности в течение проведения измерений, или же прогрев в процессе измерений экспериментальной установки и т.п. Принцип рандомизации основан на задании случайной последовательности опытов при различных уровнях варьирования факторами, в результате чего такие систематические ошибки переходят в разряд случайных.
Определение необходимого числа измерений позволяет нейтрализовать возможные случайные ошибки при заданной доверительной вероятности.
Увеличение числа повторностей опыта ведет к уменьшению случайной ошибки, а следовательно, и к повышению достоверности полученных результатов эксперимента.

ЛЕКЦИЯ №25