Поняття та види наукового експерименту

Однією з найважливіших складових наукових досліджень є експеримент. Термін "експеримент" походить від лат. ехреrітеtит — спроба, дослід і вживається для позначення низки споріднених понять: дослід, цілеспрямоване спостереження, відтворення об'єкта дослідження, організація особливих умов його існування, перевірка передбачень. Отже, поняття "експеримент" означає проведення у визначених умовах серії дослідів для спостереження за станом об'єкта дослідження, які дозволяють стежити за його змінами і відтворювати їх кожний раз під час повторення дослідів.

Основною метою експериментів є визначення властивостей об'єктів дослідження та перевірка справедливості гіпотез і на цій основі широке вивчення теми наукового дослідження.

Схематично область експерименту може бути представлена у вигляді кібернетичної системи "чорної скриньки", запропонованої Н. Вінером.

Величини, що діють на об'єкт дослідження і здатні змінити його стан, називають факторами. Фактори бувають змінними, сталими і некерованими. Змінним фактором (x_i, і=1, п) називають контрольовану (вимірювану) змінну величину, що набуває на певний проміжок часу сталого значення. Сталим називають фактор, який не змінює свого значення протягом усього експерименту. Тобто, сталі фактори фіксуються на визначених рівнях, і вживаються заходи для того, щоб ці рівні практично залишались незмінними.

На об'єкт дослідження впливає низка факторів, які важко або взагалі неможливо врахувати. Такі фактори називають некерованими, або збуреннями
(w_i, і=1, т). Дію цих факторів на об'єкт дослідження ще називають рівнем шуму. Наявність шуму під час експерименту знижує його точність, надійність та ускладнює аналіз отриманих результатів.

Зміна стану об'єкта дослідження, яка спричинена впливом змінних факторів, називається вихідним параметром (у_i, і=1, к). Таким чином, експериментом можна назвати сукупність дослідів, скерованих на вивчення залежності вихідного параметра від факторів, що діють на об'єкт. Частину експерименту, виконану при певному значенні одного або декількох факторів, називають дослідом.

Залежно від числа факторів, що діють на об'єкт дослідження, експеримент буває однофакторним або багатофакторним, а залежно від методу його проведення — активним або пасивним.

Однофакторнимназивають експеримент, під час якого визначається вплив на об'єкт дослідження тільки одного змінного фактора. Саме класична методика експериментальних досліджень базується на серії однофакторних експериментів.

Спочатку вивчається залежність у₂від х₂при сталих значеннях х₁ , і=1, п та ін. При цьому отримують ряд емпіричних залежностей:

y₁=f(х₁) при х₂, х₃, ..., х_п =const;

y₂=f(x₂) при х₁, х₃, ..., х_п =const;

y_k=f(x_n) при х₁, х₂, ..., х_п =const;

Кожний фактор (х_1, і = 2, п) змінюють ступенево на декількох (бажано не менше п'яти) рівнях.

Багатофакторнимназивають експеримент, під час якого на об'єкт дослідження одночасно діють декілька змінних факторів. Метод багатофакторного експерименту дає змогу отримати математичну модель процесу у вигляді рівняння, за яким оцінюють вплив на об'єкт дослідження як окремих факторів, так і їх взаємодію. Планування та оброблення отриманих результатів здійснюється за допомогою формалізованих методів, які будуть розглянуті в наступних розділах.

Активнимназивають експеримент, під час виконання якого дослідник може, за своїм бажанням, змінити рівень факторів і активно втручатись у процес дослідження. Прикладом активного експерименту може бути дослідження впливу на силу різання соломи подрібнюючим апаратом соломосилосорізки від її вологості, кількості ножів, кута їх встановлення та інших факторів. У цих умовах дослідник може планувати як однофакторний, так і багатофакторний експеримент.

Пасивнимназивають експеримент, яким неможливо керувати. Умови проведення такого експерименту змінюються без участі дослідника. Прикладом пасивного експерименту може бути дослідження якості змішування сипучих кормів у виробничих умовах. Протягом потрібного часу дослідник реєструє зміни режимів змішування (час змішування, коєфіцієнт завантаження корисного об’єму змішувача та ін.) і визначає їх вплив на якість суміші. Постановка такого експерименту є простою, але точність результатів набагато нижча порівняно з активним експериментом. Рекомендації, розроблені на основі пасивного експерименту, мають значення тільки для умов його проведення.

Окрім вищенаведених видів, експерименти можна класифікувати ще за такими ознаками:

- за способом формування умов — лабораторні, виробничі;

- за метою дослідження — констатуючі, контролюючі, пошукові, вирішальні;

- за характером взаємодії засобів дослідження з об'єктом дослідження — натуральні або змодельовані;

-за типом моделей, які досліджуються в експерименті, — реальні або віртуальні (у думках та на ЕОМ).

Наведена класифікація експериментальних досліджень не може бути визнана повною, оскільки з поглибленням наукових знань розширюється і сфера застосування експериментальних методів. Крім того, залежно від наукових задач, різні типи експериментів можуть об'єднуватись, утворюючи комплексний або комбінований експеримент.

Існує два види задач, які вирішує основний експеримент: інтерполяційні та оптиміваційні. Розв'язання інтерполяційних задач полягає у виявленні кількісних залежностей між різними факторами з метою математичного опису процесу. Розв'язання оптимізаційних задач полягає у пошуку оптимальних умов перебігу процесу. Область експерименту при цьому складається з об'єкта дослідження, вхідних факторів і вихідних параметрів, які у дослідженнях оптимізаційного характеру називають параметрами оптимізації. До кожної зі складових області дослідження висуваються певні вимоги, які необхідно задовольнити під час підготовки експерименту. До об'єкта дослідження ставляться такі вимоги:

- результати дослідів повинні відтворюватися; відхилення значень результатів дослідів, які здійснюються в однакових умовах через певний проміжок часу, не повинні перевищувати величини, визначеної методами математичної статистики;

- об'єкт дослідження має бути керованим, тобто повинна бути забезпечена можливість у кожному досліді обирати потрібні рівні факторів під час проведення активного експерименту.

Параметр оцінки — це результат досліду у відповідних умовах, або реакція об'єкту дослідження на дію факторів. До вихідних параметрів висуваються такі вимоги:

- параметр оцінки повинен оцінюватись кількісно; множина значень, яких може набувати параметр оцінки, називається областю визначення;

- параметр оцінки повинен виражатись одним числом, без додаткових
дій, вказівок;

- заданому набору факторів повинно відповідати тільки одне значення параметра; якщо під час повторення досліду в тих самих умовах величини параметра значно відрізняються (досліди не відтворюються), це означає, що не врахований якийсь важливий фактор або задане значення фактора змінюється у процесі дослідів (ця вимога не виключає того, що аналогічному значенню параметра оцінки можуть відповідати різні набори факторів);

- якщо параметром обрано декілька функціонально зв'язаних величин, перевагу доцільно надати тій, яку можна визначити з найбільшою точністю;

- параметр має бути універсальним для всебічної оцінки процесу; властивості універсальності мають комплексні параметри; технічні параметри в багатьох випадках є недостатньо універсальними;

- параметр бажано мати простим, який легко обчислюється і має фізичний зміст.

Після того як обрано об'єкт дослідження і визначено вихідні параметри, необхідно розглянути всі існуючі фактори. Кожний фактор має свою область визначення. Задати фактор – означає надати йому назву та область визначення. До факторів висуваються такі вимоги:

- для проведення активного експерименту фактори повинні бути керованими, тобто підпорядковуватись досліднику;

- у методиці необхідно визначити операційність факторів, тобто зазначити, як встановлюються рівні їх величини, чим регулюються, вимірюються і фіксуються; потрібно чітко знати розмірність усіх факторів і вихідного параметра;

- при визначенні величини фактора повинна забезпечуватися висока точність і відрізнятись на декілька порядків від інтервалу зміни його рівня.

До сукупності факторів, що діють на об'єкт дослідження, ставляться додаткові вимоги, а саме:

- фактори не повинні корелювати між собою, тобто при зміні одного фактора інший не повинен змінюватися; у випадку наявності кореляції в якості фактора можна приймати відношення двох факторів, логарифм їх відношення тощо;

- фактори повинні бути сумісними, тобто наявність одного з них не повинна виключати іншого.

Після обрання об'єкта дослідження, параметра і факторів, а також визначення виду експерименту переходять до складання плану його виконання.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|	Етапи підготовки наукового експерименту

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.