Эссе: Систематизация и анализ данных натурного эксперимента с помощью информационно-экспертных систем

Эксперимент (в переводе с латинского языка – 'проба', 'опыт') является важнейшей составной частью научных исследований. Он означает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления. Основной целью эксперимента является выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Эксперименты проводятся в различных отраслях науки и являются химическими, биологическими, физическими, педагогическими, психологическими, социальными и другими.

Эксперименты различаются:

– по способу формирования условий эксперимента (естественные и искусственные);

– по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие);

– по продолжительности эксперимента (быстротекущие и длительные);

– по организации проведения эксперимента (лабораторные, натурные, полевые, производственные, стендовые и т. д.);

– по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);

– по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные);

– по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный);

– по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный);

– по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный);

– по контролируемым причинам (пассивный и активный);

– по характеру изучаемых объектов или явлений (технологический, социологический, маркетинговый); и т. п.

Дадим краткую характеристику названным примерам экспериментов.

Естественный эксперимент проводят в естественных условиях существования объекта исследования (чаще всего используется в биологических, социальных, педагогических и психологических науках, например тесты).

Искусственныйэксперимент предполагает формирование искусственных условий, наиболее полно раскрывающих природу изучаемого явления, применяются внешние воздействия на объект с целью фиксации его отклика на постороннее вмешательство (широко применяется в естественных и технических науках, например, определение прочности стали после термообработки).

Преобразующий(созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами. Экспериментатор в соответствии с известными тенденциями развития объекта преднамеренно создает условия, которые должны способствовать улучшению свойств и качеств объекта.

Констатирующийэксперимент используется для проверки определенных предположений, он фиксирует наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и предполагаемым результатом, устанавливает наличие определенных фактов.

Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий на объект исследования (с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта).

Поисковый эксперимент используется для установления значимости факторов и отсеивания незначимых. По результатам поискового эксперимента устанавливают значимость факторов и отсеивают малозначимые.

Решающийэксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются с некоторыми известными фактами. Это согласие приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать истинной. Решающий эксперимент должен дать такие результаты, которые подтверждают одну из гипотез и противоречат другой.

Лабораторный эксперимент осуществляется в лабораторных условиях с применением серийных и специально сконструированных приборов, измерительных и моделирующих установок, испытательных стендов, оборудования и т. п. Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторяемостью и воспроизводимостью изучить влияние одних факторов при варьировании других, получить добротную научную информацию с минимальными затратами материальных, финансовых и временных ресурсов. Чаше всего в лабораторном эксперименте изучается не сам объект, а его образен, поэтому полученные выводы и рекомендации не всегда полностью отвечают реальному ходу изучаемого процесса и возникает потребность в проведении натурного эксперимента.

Натурныйэксперимент организуют в естественных условиях и с реальными объектами. Его часто используют для натурных испытаний вновь разработанных технических систем. Основными задачами натурного эксперимента являются: исследование характера воздействия окружающей среды на испытуемый объект; определение статических и динамических параметров объекта в ходе эксперимента; оценка эффективности функционирования объекта и выявление его соответствия заданным требованиям. В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются на производственные, полевые, полигонные, полунатурные и т. п.

Вещественный эксперимент организуют для выявления различных вещественных воздействий на состояние и свойства объекта исследования. Например, оценивают влияние легирующих добавок на качество стали, устанавливают зависимость химического состава нефти на парафиноотложение в процессе ее транспортировки.

Открытые и закрытые эксперименты распространены в психологии, социологии, педагогике. В открытом эксперименте его задачи открыто объясняются испытуемым. В закрытом эксперименте задачи скрываются от испытуемого в целях получения объективных данных, он не догадывается об эксперименте и работа протекает внешне в естественных условиях, в результате испытуемый ведет себя как обычно, без излишнего самоконтроля.

Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определенной информации на объект исследования (в биологии, психологии, кибернетике, социологии и т. п.), т. е. изучение изменения состояния объекта исследования под влиянием сообщаемой ему информации (человека, животного, робота и т. д.). Чаще всего информационный эксперимент используют в социологии, психологии, биологии, кибернетике.

Энергетический эксперимент используется для изучения различных видов энергии (электромагнитной, механической, радиационной, тепловой и т. д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко распространен в естественных, технических и биологических науках. Например, организованное определенным образом электромагнитное воздействие на сталь может изменить ее физико-химические характеристики: прочность, пластичность, коррозионную стойкость и т. д.

Обычный (или классический) эксперимент включает экспериментатора, объект исследования и средства (инструменты, приборы, экспериментальные установки), при помощи которых осуществляется эксперимент (средства являются посредником между экспериментатором и объектом исследования).

Модельныйэксперимент имеет дело с моделью исследуемого объекта. Модель может входить в состав экспериментальной установки и замещает не только объект исследования, но часто и условия, в которых изучается объект. Модельный эксперимент можно, в свою очередь, разделить на мысленный и материальный в зависимости от используемых орудий эксперимента.

Мысленныйэксперимент (воображаемый, идеализированный) основан на мысленных моделях объектов или явлений (знаковые модели, образно-знаковые модели, чувственные образы). При этом в воображении исследователя воспроизводится структура реального эксперимента. Для обозначения мысленного эксперимента иногда используют понятия 'идеализированный' или 'воображаемый' эксперимент.

Структура мысленного эксперимента включает:

– построение мысленной модели объекта исследования, воображаемых условий эксперимента и воздействий на объект;

– сознательное и планомерное изменение, комбинирование условий эксперимента и воздействий на объект;

– сознательное и точное применение объективных законов науки на всех стадиях эксперимента (благодаря чему исключается абсолютный произвол).

В результате эксперимента формируются выводы. Всякий реальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на практике, сначала проводится человеком мысленно в процессе обдумывания и планирования. Мысленный эксперимент применяется и в тех случаях, когда проведение реальных опытов невозможно. Это расширяет границы познания. Мысленный эксперимент используется не только учеными, но и писателями, художниками, педагогами, врачами, шахматистами, спортсменами. Огромная роль мысленного эксперимента в конструировании, изобретательстве. Результаты мысленного эксперимента находят отражение в формулах, чертежах, графиках, эскизных проектах, набросках и т. п., а в конечном итоге – в новых научно-технических устройствах и технологиях.

Основное отличие материального эксперимента от мысленного в том, что он представляет собой форму объективной материальной связи сознания с внешним миром, между тем как мысленный эксперимент является специфической формой теоретической деятельности субъекта. Структура материального эксперимента аналогична описанной выше структуре мысленного, однако в этом случае используются материальные, а не воображаемые объекты исследования. Сходство реального эксперимента с мысленным в значительной мере определяется тем, что всякий материальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным ни практике, сначала проходит стадию мысленного обдумывания и планирования.

Однофакторный эксперимент организуют следующим образом: выделяют некоторые параметры, оказывающие решающее действие на изучаемый объект; остальные факторы оставляют неизменными; поочередно изменяют интересующие исследователя параметры ификсируют поведение системы; в итоге устанавливают зависимость выходных характеристик системы от каждого из выбранных параметров.

Многофакторныйэксперимент состоит в том, что варьируются все переменные одновременно, а эффект каждого фактора в суммарном воздействии выявляют математической обработкой результатов серии специально спланированных опытов (матрица планирования).

Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранных показателей в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирование (например: число заболевших на курсе, работоспособность определенной группы лиц, число дорожно-транспортных происшествий, количество нулей за контрольную неделю в группах, наблюдения за погодой). Пассивный эксперимент, по существу, является наблюдением, которое сопровождается инструментальным измерением выбранных показателей состояния объекта исследования.

Активный эксперимент связан с выбором условий осуществления испытаний, активизации интересующих исследователя факторов и нивелирования второстепенных, побочных. Исследователь целенаправленно воздействует на систему и контролирует ее отклик, проникая в сутьпротекающих процессов, т. е. является активным участником эксперимента.

Технологическийэксперимент направлен на изучение элементов технологического процесса (качества продукции, производительности и эксплуатации оборудования, деятельности работников и т. д.) или процесса в целом.

Социологическийэксперимент проводят для изучения существующих межличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего изменения, отношения респондентов к тем или иным политикам, проводимым мероприятиям, товарам и т. д.

Для проведения эксперимента любого типа необходимо:

– разработать гипотезу, подлежащую проверке;

– создать программы экспериментальных работ;

– определить способы и приемы вмешательства в объект исследования;

– обеспечить условия для проведения эксперимента;

– разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов работ;

– подготовить средства эксперимента (приборы, установки, модели т. п.);

– обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.

Важным является правильная разработка методики эксперимента. Методика – это совокупность мыслительных и физических операций, выполняемых в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.

Перед каждым экспериментом составляется его план, который включает:

– цель и задачи эксперимента;

– выбор варьируемых факторов;

– обоснование объема эксперимента, числа опытов;

– порядок проведения опытов, определение последовательности изменения факторов;

– выбор шага изменения факторов (задание интервалов между будущими экспериментальными точками);

– обоснование средств измерений;

– описание проведения эксперимента;

– обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Все этапы эксперимента важны. Правильно разработанная методика экспериментального исследования предопределяет его ценность, поэтому выбор и отработка методики должны проводиться особенно тщательно. Особую ценность представляют методики комплексного исследования, позволяющие рассмотреть объект в нескольких аспектах и перепроверить получаемые данные. Умение четко организовать эксперимент ценится в научной среде ничуть не меньше, чем способность к теоретическому анализу.

Остановимся на некоторых этапах эксперимента применительно к исследованиям в области сварки.

Задачи, решаемые при экспериментальных исследованиях процессов сварки, можно разделить на три группы:

– определение сущности физико-химических явлений при сварке;

– выявление количественной связи конечного параметра процесса с исходными;

– оптимизация процесса.

Задачи первой группы решаются экспериментально тогда, когда после анализа литературных данных и математического описания явлений в объекте оказывается возможным предположить несколько различных механизмов протекания процесса, описываемых различными математическими выражениями и называемых гипотезами. Экспериментальные исследования проводятся с целью определения, какая из гипотез является верной.

При решении задач второй группы определяется влияние входных параметров процесса или объекта на выходные и сущность явлений, протекающих в этом процессе или объекте. Задачи этого типа возникают, например, при разработке инженерных методик расчета параметров режима сварки, прочностных расчетов сварных конструкций, способов управления и регулирования сварочными процессами.

Задачи по оптимизации процесса решают для определения оптимального соотношения между входными параметрами процесса, обеспечивающего максимальное или минимальное значение выходного параметра. К таким задачам относятся: определение условий наилучшей стабильности горения дуги; значений параметров режима сварки, обеспечивающих наибольшую прочность сварного соединения; характеристик сварочного оборудования, при использовании которого минимален брак и т. п. Этот тип задач полностью включает в себя соответствующую задачу второй группы (так как оптимальное соотношение между исходными параметрами процесса может быть определено только после установления количественной связи между выходными и входными параметрами процесса).

При выборе варьируемых факторов важно установить основные и второстепенные характеристики, влияющие на процесс, и составить из них убывающий по важности для эксперимента ряд. Правильность выбора основных и второстепенных факторов имеет большое значение для успешного проведения эксперимента, поскольку его итогом и должна быть зависимость между этими факторами и результирующей функцией. Если трудно априори выявить роль основных и второстепенных факторов, необходимо выполнить небольшой по объему поисковый опыт. Если основных важных факторов от одного до трех, эксперимент проводят, поочередно варьируя одним из них. Если же переменных величин много, целесообразно провести многофакторный эксперимент.

При экспериментальном исследовании одного и того же процесса повторные отсчеты на приборах неодинаковы. Это происходит из-за неоднородности свойств изучаемого тела, несовершенности приборов, их точности, субъективных особенностей экспериментатора и других. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт, тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Для получения объективных результатов требуются повторные измерения. Количество повторных измерений должно быть минимальным, но должно удовлетворять заданной степени точности. Установление потребного минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств.

В методике подробно разрабатываются все этапы осуществления эксперимента, указывается последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений с учетом выбранных средств проведения эксперимента, обосновываются методы контроля соблюдения технологии операций, обеспечивающие при минимальном (ранее установленном) количестве измерений высокую надежность и заданную точность. Разрабатываются формы ведения журнала для записи результатов наблюдений и измерений, а также условий проведения опытов.

Завершающим этапом экспериментальной работы является обработка и анализ полученных данных. Обработка результатов не сводится только к систематизации полученных значений, их классификации, оценке погрешностей, но и предполагает их анализ по существу. Для этого полученные данные представляют в удобочитаемом (наглядном) виде – строят таблицы, графики, диаграммы, номограммы, позволяющие быстро и качественно сопоставить и проанализировать результаты. Все физические величины должны быть приведены в единой системе единиц.

После предварительного анализа приступают к математическим методам обработки опытных данных, например устанавливают эмпирические зависимости функции отклика и изменяемых факторов, оценивают степень такой аппроксимации, определяют критерии подобия и доверительные интервалы. Диапазон чувствительности (нечувствительности) критериев должен быть стабилизирован. На основе всестороннего анализа могут уточняться предложенные ранее модели, и принимается решение о проведении новой серии опытов для более полного раскрытия закономерностей изучаемых процессов.