Основы научно-исследовательской..._Крючкова_ВВ_2018_212 с.. Учебное пособие для бакалавров направлений подготовки
 Скачать 1.26 Mb.
|
- наименование темы исследования, - рабочую гипотезу, - методику эксперимента, - перечень необходимых материалов, приборов, установок, - список исполнителей эксперимента, - календарный план работ и - смету на выполнение эксперимента. В ряде случаев включают работы по конструированию и изготовлению при- боров, аппаратов, приспособлений, методическое их обследование, а также про- граммы опытных работ на предприятиях. 50 Основа плана-программы - методика эксперимента (см. выше). Один из наиболее важных этапов составления плана-программы - определение цели и задач эксперимента. Четко обоснованные задачи - это весомый вклад в их решение. Количество задач должно быть небольшим. Для конкретного (не комплексного) эксперимента оптимальным количеством является 3-4 за- дачи. В большом, комплексном эксперименте их может быть 8-10. Необходимо правильно выбрать варьирующие факторы, т. е. установить ос- новные и второстепенные характеристики, влияющие на исследуемый процесс. Вначале анализируют расчетные (теоретические) схемы процесса. На основе этого классифицируют все факторы и составляют из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд. Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку экспе- римент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами. В тех случаях, когда трудно сразу выявить роль основных и второстепенных факторов, выполняют небольшой по объему поисковый эксперимент. Основным принципом установления степени важности характеристики является ее роль в исследуемом процессе. Для этого изучают процесс в зависимо- сти от какой-то одной переменной при остальных постоянных. Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя лишь в тех случаях, когда перемен- ных характеристик мало – 1-3. Если же переменных величин много, целесооб- разно применить принцип многофакторного анализа. Обоснование средств измерений - это выбор необходимых для наблюде- ний и измерений приборов, оборудования, машин, аппаратов и пр. Средства измерения могут быть выбраны стандартные или в случае отсутствия тако- вых - изготовлены самостоятельно. Очень ответственной частью является установление точности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки - метрологии. В методике подробно проектируют процесс проведения эксперимента : 1. Составляется последовательность (очередность) проведения опера- ций измерений и наблюдений. 2. Тщательно описывается каждая операция в отдельности с учетом вы- бранных средств для проведения эксперимента. 3. Особое внимание уделяется методам контроля качества операций, обеспечивающих при минимальном количестве измерений высокую надеж- ность и заданную точность. 4. Разрабатываются формы журналов для записи результатов наблюде- ний и измерений. 51 Важным разделом методики является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи - таблицы, графики, формулы, номограммы, поз- воляющие быстро и доброкачественно сопоставлять полученные результаты. Особое внимание в методике должно быть уделено математическим мето- дам обработки и анализу опытных данных— установлению эмпирических зави- симостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, уста- новлению критериев и доверительных интервалов и др. После установления методики находят объем и трудоемкость эксперимен- тальных исследований, которые зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измерений. Чем четче сформулирована тео- ретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента. Возможны три случая проведения эксперимента. - теоретически получена аналитическая зависимость, которая однозначно определяет исследуемый процесс. Например, у = 6е5х. В этом случае объем эксперимента для подтверждения данной зависимости минимален, поскольку функция однозначно определяется экспериментальными данными. Второй случай - теоретическим путем установлен лишь характер зависимо- сти. Например, у = ае*х. В этом случае задано семейство кривых. Экспериментальным путем необ- ходимо определить, а и е. При это объем эксперимента возрастает. Третий случай - теоретически не удалось получить каких-либо зависимо- стей. Разработаны лишь предположения о качественных закономерностях про- цесса. Во многих случаях целесообразен поисковый эксперимент. Объем экспери- ментальных работ резко возрастает. Здесь уместен метод математического плани- рования эксперимента. На объем и трудоемкость существенно влияет вид эксперимента. Поле- вые эксперименты, как правило, имеют большую трудоемкость. После установ- ления объема экспериментальных работ составляют перечень необходимых средств измерений, объем материалов, список исполнителей, календарный план и смету расходов. План-программу рассматривает научный руководи- тель, обсуждают в научном коллективе и утверждают в установленном по- рядке. Проведение эксперимента является важнейшим и наиболее трудоемким эта- пом. 52 Экспериментальные исследования необходимо проводить в соответ- ствии с утвержденным планом-программой и особенно методикой экспери- мента. Приступая к эксперименту, окончательно уточняют методику его прове- дения, последовательность испытаний. При сложном эксперименте часто возникают случаи, когда ожидаемый ре- зультат получают позже, чем предусматривается планом. Поэтому научный ра- ботник должен проявить терпение, выдержку, настойчивость и довести экс- перимент до получения результатов. Особое значение имеет добросовестность при проведении эксперименталь- ных работ; недопустима небрежность, что приводит к большим искажениям, ошибкам. Нарушения этих требований - к повторным экспериментам, что продлевает исследования. Обязательным требованием проведения эксперимента является ведение журнала. Форма журнала может быть произвольной, но должна наилучшим обра- зом соответствовать исследуемому процессу с максимальной фиксацией всех фак- торов. В журнале отмечают тему НИР и тему эксперимента, фамилию исполни- теля, время и место проведения эксперимента, характеристику окружающей среды, данные об объекте эксперимента и средствах измерения, результаты наблюдений, а также другие данные для оценки получаемых результатов. Журнал нужно заполнять аккуратно, без каких-либо исправлений. При по- лучении в одном статистическом ряду результатов, резко отличающихся от сосед- них измерений, исполнитель должен записать все данные без искажений и указать обстоятельства, сопутствующие указанному измерению. Это позволит установить причины искажений и квалифицировать измерения как соответствующие реаль- ному ходу процесса или как грубый промах. Одновременно с измерениями исполнитель должен проводить предвари- тельную обработку результатов и их анализ. Здесь особо должны проявляться его творческие способности. Такой анализ позволяет контролировать исследуемый процесс, корректировать эксперимент, улучшать методику и повышать эффектив- ность эксперимента. Важны при этом консультации с коллегами по работе и особенно с научным руководителем. В процессе эксперимента необходимо соблюдать требования ин- струкций по промсанитарии, технике безопасности, пожарной профилактике. Ис- полнитель должен уметь организовать рабочее место, руководствуясь принци- пами НОТ. Вначале результаты измерений сводят в таблицы по варьирующим ха- рактеристикам для различных изучаемых вопросов. Очень тщательно уточняют сомнительные цифры. Устанавливают точность обработки опытных данных. 53 3. Анализ экспериментальных данных Особое место отведено анализу эксперимента - завершающей части, на основе которой делают вывод о подтверждении гипотезы научного исследо- вания. Анализ эксперимента - это творческая часть исследования. Иногда за цифрами трудно четко представить физическую сущность процесса. Поэтому тре- буется особо тщательное сопоставление фактов, причин, обусловливающих ход того или иного процесса и установление адекватности гипотезы и эксперимента. При обработке результатов измерений и наблюдений широко используют методы графического изображения. Графическое изображение дает наиболее наглядное представление о результатах экспериментов, позволяет лучше понять физическую сущность исследуемого процесса, выявить общий характер функци- ональной зависимости изучаемых переменных величин, установить наличие мак- симума или минимума функции. Для графического изображения результатов измерений (наблюдений), как правило, применяют систему прямоугольных координат. Прежде чем строить график, необходимо знать ход (течение) исследуемого явления. Качественные за- кономерности и форма графика экспериментатору ориентировочно известны из теоретических исследований. Точки на графике необходимо соединять плановой линией так, чтобы они по возможности ближе проходили ко всем экспериментальным точкам. Если со- единить точки прямыми отрезками, то получим ломаную кривую. Она характери- зует изменение функции по данным эксперимента. Обычно функции имеют плав- ный характер. Поэтому при графическом изображении результатов измерений следует проводить между точками плавные кривые. Резкое искривление графика объясняется погрешностями измерений. При графическом изображении результатов экспериментов большую роль играет выбор системы координат или координатной сетки. Координатные сетки бывают равномерными и неравномерными. У рав- номерных координатных сеток ординаты и абсциссы имеют равномерную шкалу. Например, в системе прямоугольных координат длина откладываемых единичных отрезков на обеих осях одинаковая. Из неравномерных координатных сеток наиболее распространены по- лулогарифмические, логарифмические, вероятностные. Полулогарифмическая сетка имеет равномерную ординату и логариф- мическую абсциссу. 54 Логарифмическая координатная сетка имеет обе оси логарифмиче- ские; вероятностная - ординату, обычно равномерную, и абсциссу— вероят- ностную шкалу. Назначение неравномерных сеток разное. Чаще их применяют для более наглядного изображения функций. Так, многие криволинейные функции спрям- ляют на логарифмических сетках. Вероятностная сетка применяется в различных случаях: при обработке измерений для оценки их точности, при определении расчетных характери- стик. Большое значение имеет выбор масштаба графика, что связано с разме- рами чертежа и соответственно с точностью снимаемых, с него значений величин. Известно, что чем крупнее масштаб, тем выше точность снимаемых значений. Од- нако, как правило, графики не превышают размеров20x15 см, что является удоб- ным при составлении отчетов. Масштаб по координатным осям обычно применяют разный. От его выбора зависит формаграфика — он может быть плоским (узким) или вытянутым (ши- роким) вдоль оси. Расчетные графики, имеющие максимум (минимум) функции или какой- либо сложный вид, особо тщательно необходимо вычерчивать в зонах изгиба. На таких участках количество точек для вычерчивания графика должно быть значи- тельно больше, чем на главных участках. В некоторых случаях строят номограммы, существенно облегчающие применение для систематических расчетов сложных теоретических или эмпири- ческих формул в определенных выражениях. В результате сложные математические выражения можно решать срав- нительно просто графическими методами. Построение номограмм— трудоем- кая операция. Однако, будучи раз построенной, номограмма может быть исполь- зована для нахождения любой из переменных, входящих в номограммированные уравнения. Применение ЭВМ существенно снижает трудоемкость номограм- мирования. Существует несколько методов построения номограмм. Для этого при- меняют равномерные или неравномерные координатные сетки. В системе прямо- угольных координат функции в большинстве случаев на номограммах имеют кри- волинейную форму. Это увеличивает трудоемкость, поскольку требуется большое количество точек для нанесения одной кривой. В логарифмических координат- ных сетках функции имеют прямоугольную форму и составление номограмм упрощается. В процессе экспериментальных измерений получают статистический ряд измерений двух величин объединяемых функций: 55 У = / (X). (1) Каждому значению функции уг, ..., уп соответствует определенное значение аргумента хг, х2, ..., хп. На основе экспериментальных данных можно подобрать алгебраические выражения, которые называют эмпирическими формулами. Такие формулы подбирают лишь в пределах измеренных значений аргумента л:1- хп. Эмпириче- ские формулы имеют тем большую ценность, чем больше они соответствуют результатам эксперимента. Необходимость в подборе эмпирических формул возникает во многих слу- чаях. Так, если аналитическое выражение (3) сложное, требует громоздких вычис- лений, составления программ для ЭВМ, то часто эффективнее пользоваться упро- щенной приближенной эмпирической формулой. Опыт показывает, что эмпи- рические формулы бывают незаменимы для анализа измеренных величин. К эмпирическим формулам предъявляют два основных требования - по возможно- сти они должны быть наиболее простыми и точно соответствовать эксперимен- тальным данным в пределах изменения аргумента. Таким образом, эмпирические формулы являются приближенными вы- ражениями аналитических. Замену точных аналитических выражений при- ближенными, более простыми, называют аппроксимацией, а функции— ап- проксимирующими. Процесс подбора эмпирических формул состоит из двух этапов. На пер- вом этапе данные измерений наносят на сетку прямоугольных координат, со- единяют экспериментальные точки плавной кривой и выбирают ориентиро- вочно вид формулы. На втором этапе вычисляют параметры формул, кото- рые наилучшим образом соответствовали бы принятой формуле. Подбор эмпирических формул необходимо начинать с самых простых вы- ражений. Кривые, построенные по экспериментальным точкам, выравнивают известными в статистике методами. Например, методом выравнивания, кото- рый заключается в том, что кривую, построенную по экспериментальным точкам, представляют линейной функцией. Для нахождения параметров заданных уравнений часто применяют метод средних и метод наименьших квадратов. Для исследования закономерностей между явлениями (процессами), которые зависят от многих, иногда неизвестных факторов, применяют кор- реляционный анализ. В процессе проведения эксперимента возникает потребность проверить соответствие экспериментальных данных теоретическим предпосылкам, т.е. проверить гипотезу исследования. Проверка экспериментальных данных на 56 адекватность необходима также во всех случаях на стадии анализа теоретико-экс- периментальных исследований. Методы оценки адекватности основаны на ис- пользовании доверительных интервалов, позволяющих с заданной доверитель- ной вероятностью определять искомые значения оцениваемого параметра. Суть такой проверки состоит в сопоставлении полученной или предполагаемой теоретической функции у = / (х) с результатами измерений. В практике адекватности применяют различные критерии согласия: Фишера, Пирсона, Романовского. 57 ЛЕКЦИЯ 4. ВНЕДРЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. Внедрение научных исследований 2. Эффективность научных исследований 1. Внедрение научных исследований Внедрение завершенных научных исследований в производство–заключи- тельный этап НИР. Внедрение - это передача производству научной продукции (отчеты, ин- струкции, временные указания, технические условия, технический проект и т. д.) в удобной для реализации форме, обеспечивающей технико-экономический эффект. НИР превращается в продукт лишь с момента ее потребления производ- ством. Заказчиками на выполнение НИР могут быть технические управления министерств, тресты, управления, предприятия, НИИ и т. д. Подрядчик - научно-исследовательская организация, выполняющая НИР в соответствии с подрядным двусторонним договором, обязан сформу- лировать предложение для внедрения. Последнее в зависимости от условий договора должно содержать техниче- ские условия, техническое задание, проектную документацию, временную ин- струкцию, указание и т. д. Процесс внедрения состоит из двух этапов: - опытно-производственного внедрения - серийного внедрения (внедрение достижений науки, новой техники, новой технологии). Как бы тщательно ни проводились НИР в научно-исследовательских орга- низациях, все же они не могут всесторонне учесть различные, часто случайные факторы, действующие в условиях производства. Поэтому научная разработка на первом этапе внедрения требует опытной проверки в производственных условиях. Предложение о законченных НИР рассматривают на научно-технических советах, а в случаях особо ценных предложений - на коллегиях министерства, и направляют на производство для практического применения. После опытно-производственного испытания новые материалы, конструк- ции, технологии, рекомендации, методики внедряют в серийное производство как |