Классификация типы и задачи эксперимента кратко

Обновлено: 30.06.2024

Классификация, типы и задачи эксперимента. Постановка и организация эксперимента. Основные эксперименты в пищевой промышленности. Искусственный эксперимент. Преобразующий (созидающий) эксперимент. Констатирующий эксперимент. Контролирующий эксперимент. Поисковый эксперимент. Решающий эксперимент. Лабораторный эксперимент. Натурный эксперимент. Вещественный эксперимент. Пассивный эксперимент. Активный эксперимент. Одно- и многофакторные эксперименты. Разработка методик эксперимента. Постановка цели и задач. Выбор варьирующих факторов. Выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Математические методы обработки и анализ опытных данных.

Классификация, типы и задачи экспериментальных исследований

Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. Само слово эксперимент происходит от лат. experimentutn — проба, опыт.

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.

Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными и т. п.

Эксперименты различаются:

1. по способу формирования условий - естественные и искусственные;

2. по целям исследования - преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие;

3. по организации проведения - лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.;

4. по структуре изучаемых объектов и явлений - простые, сложные;

5. по характеру внешних воздействий на объект исследования - вещественные, энергетические, информационные;

6. по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования - обычный и модельный;

7. по типу моделей, исследуемых в эксперименте – материальный и мысленный;

8. по контролируемым величинам - пассивный и активный;

9. по числу варьируемых факторов – однофакторный и многофакторный;

10. по ожидаемым результатам – качественный и количественный;

11. по характеру изучаемых объектов или явлений - технологические, социометрические и т. п.

Конечно, для классификации могут быть использованы и другие признаки.

Обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.

Ответственный момент — установление точности измерений и погрешностей.

Тема 5 Экспериментальные исследования

Классификация, типы и задачи экспериментальных исследований

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.

Эксперименты различаются:

1. по способу формирования условий - естественные и искусственные;

2. по целям исследования - преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие;

3. по организации проведения - лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.;

4. по структуре изучаемых объектов и явлений - простые, сложные;

5. по характеру внешних воздействий на объект исследования - вещественные, энергетические, информационные;

7. по типу моделей, исследуемых в эксперименте – материальный и мысленный;

8. по контролируемым величинам - пассивный и активный;

9. по числу варьируемых факторов – однофакторный и многофакторный;

10. по ожидаемым результатам – качественный и количественный;

11. по характеру изучаемых объектов или явлений - технологические, социометрические и т. п.

Конечно, для классификации могут быть использованы и другие признаки.

Тема 5 Экспериментальные исследования

Классификация, типы и задачи экспериментальных исследований

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.

Эксперименты различаются:

1. по способу формирования условий - естественные и искусственные;

2. по целям исследования - преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие;

3. по организации проведения - лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.;

4. по структуре изучаемых объектов и явлений - простые, сложные;

5. по характеру внешних воздействий на объект исследования - вещественные, энергетические, информационные;

7. по типу моделей, исследуемых в эксперименте – материальный и мысленный;

8. по контролируемым величинам - пассивный и активный;

9. по числу варьируемых факторов – однофакторный и многофакторный;

10. по ожидаемым результатам – качественный и количественный;

11. по характеру изучаемых объектов или явлений - технологические, социометрические и т. п.

Конечно, для классификации могут быть использованы и другие признаки.

Обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.

Ответственный момент — установление точности измерений и погрешностей.

Тема 5 Экспериментальные исследования

Классификация, типы и задачи экспериментальных исследований

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.

Эксперименты различаются:

1. по способу формирования условий - естественные и искусственные;

2. по целям исследования - преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие;

3. по организации проведения - лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.;

4. по структуре изучаемых объектов и явлений - простые, сложные;

5. по характеру внешних воздействий на объект исследования - вещественные, энергетические, информационные;

7. по типу моделей, исследуемых в эксперименте – материальный и мысленный;

8. по контролируемым величинам - пассивный и активный;

9. по числу варьируемых факторов – однофакторный и многофакторный;

10. по ожидаемым результатам – качественный и количественный;

11. по характеру изучаемых объектов или явлений - технологические, социометрические и т. п.

Конечно, для классификации могут быть использованы и другие признаки.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт.

Само слово эксперимент происходит от лат. experimentum - проба, опыт.

Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Особое значение имеет правильная разработка методик эксперимента.

Методика - это совокупное и. мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.

При разработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать:

- проведение предварительного целенаправленного наблюдения над изучаемым объектом или явлением с целью определения исходных данных (гипотез, выбора варьирующих факторов);

- создание условий, в которых возможно экспериментирование (подбор объектов для экспериментального воздействия, устранение влияния случайных факторов);

- определение пределов измерений; систематическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фактов;

- проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами;

- создание повторяющихся ситуаций, изменение характера условий и перекрестные воздействия, создание усложненных ситуаций с целью подтверждения или опровержения ранее полученных данных;

- переход от эмпирического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного фактического материала.

Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который включает:

- цель и задачи эксперимента;

- выбор варьирующих факторов;

- обоснование объема эксперимента, числа опытов;

- порядок реализации 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.

Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям:

- требование эффективности оценок, т.е. минимальность дисперсии отклонения относительно неизвестного параметра;

- требование состоятельности оценок, т.е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению;

- требование несмещенности оценок - отсутствие систематических ошибок в процессе вычисления параметров.

Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требований.

2. Элементы теории планирования эксперимента

Математическая теория эксперимента определяет условия оптимального проведения исследования, в том числе и при неполном знании физической сущности явления. Для этого используются математические методы при подготовке и проведении опытов, что позволяет исследовать и оптимизировать сложные системы и процессы, обеспечивать высокую эффективность эксперимента и точность определения исследуемых факторов.

Эксперименты обычно ставятся небольшими сериями по заранее согласованному алгоритму. После каждой небольшой серии опытов производится обработка результатов наблюдений и принимается строго обоснованное решение о том, что делать дальше.

При использовании методов математического планирования эксперимента возможно:

- решать различные вопросы, связанные с изучением сложных процессов и явлений;

- проводить эксперимент с целью адаптации технологического процесса к изменяющимся оптимальным условиям его протекания и обеспечивать таким образом высокую эффективность его осуществления и др.

Теория математического эксперимента содержит ряд концепций, которые обеспечивают успешную реализацию задач исследования:

- концепция последовательного эксперимента;

- концепция математического моделирования;

- концепция оптимального использования факторного пространства и ряд других.

Принцип рандомизации заключаетсяв том, что в план эксперимента вводят элемент случайности. Для этого план эксперимента составляется таким образом, чтобы те систематические факторы, которые трудно поддаются контролю, учитывались статистически и затем исключались в исследованиях как систематические ошибки.

При последовательном проведении эксперимент выполняется не одновременно, а поэтапно, с тем, чтобы результаты каждого этапа анализировать и принимать решение о целесообразности проведения дальнейших исследований (рис.2.1). В результате эксперимента получают уравнение регрессии, которое часто называют моделью процесса.

Для конкретных случаев математическая модель создается исходя из целевой направленности процесса и задач исследования, с учетом требуемой точности решения и достоверности исходных данных.

Важное место в теории планирования эксперимента занимают вопросы оптимизации исследуемых процессов, свойств многокомпонентных систем или других объектов.

Как правило, нельзя найти такое сочетание значений влияющих факторов, при котором одновременно достигается экстремум всех функций отклика. Поэтому в большинстве случаев за критерий оптимальности выбирают лишь одну из переменных состояния функцию отклика, характеризующую процесс, а остальные принимают приемлемыми для данного случая.

Методы планирования эксперимента в настоящее время быстро развиваются, чему способствует возможность широкого использования ЭВМ.

Вычислительным экспериментом называется методология и технология исследований, основанные на применении прикладной математики и электронно-вычислительных машин как технической базы при использовании математических моделей.

Таким образом, вычислительный эксперимент основывается на создании математических моделей изучаемых объектов, которые формируются с помощью некоторой особой математической структуры, способной отражать свойства объекта, проявляемые им в различных экспериментальных условиях.

Однако эти математические структуры превращаются в модели лишь тогда, когда элементам структуры дается физическая интерпретация, когда устанавливается соотношение между параметрами математической структуры и экспериментально определенными свойствами объекта, когда характеристики элементов модели и самой модели в целом находят соответствие свойствам объекта.

Таким образом, математические структуры вместе с описанием соответствия экспериментально обнаруженным свойствам объекта и являются моделью изучаемого объекта, отражая в математической, символической (знаковой) форме объективно существующие в природе зависимости, связи и законы.

Каждый вычислительный эксперимент основывается как на математической модели, так и на приемах вычислительной математики. Современная вычислительная математика состоит из многих разделов развивающихся вместе с развитием электронно-вычислительной техники.

На основе математического моделирования и методов вычислительной математики создались теория и практика вычислительного эксперимента, технологический цикл которого принято разделять на следующие этапы.

1. Для исследуемого объекта строится модель, обычно сначала физическая, фиксирующая разделение всех действующих и рассматриваемом явлении факторов на главные и второстепенные, которые на данном этапе исследования отбрасываются.

2. Разрабатывается метод расчета сформулированной математической задачи. Эта задача представляется в виде совокупности алгебраических формул, по которым должны вестись вычисления и условия, показывающие последовательность применения этих формул; набор этих формул и условий носит название вычислительного алгоритма.

Вычислительный эксперимент имеет многовариантный характер, так как решения поставленных задач часто зависят от многочисленных входных параметров.

В связи с этим при организации вычислительного эксперимента можно использовать эффективные численные методы.

3. Разрабатываются алгоритм и программа решения задачи на ЭВМ. Программирование решений определяется теперь не только искусством и опытом исполнителя, а перерастает в самостоятельную науку со своими принципиальными подходами.

5. Обработка результатов расчетов, их анализ и выводы. На этом этапе могут возникнуть необходимость уточнения математической модели (усложнения или, наоборот, упрощения), предложения по созданию упрощенных инженерных способов решения и формул, дающих возможности получить необходимую информацию более простым способом.

Вычислительный эксперимент приобретает исключительное значение в тех случаях, когда натурные эксперименты и построение физической модели оказываются невозможными.

В науке и технике известно немало областей, в которых вычислительный эксперимент оказывается единственно возможным при исследовании сложных систем.

Классификация, типы и задачи эксперимента

Само слово эксперимент происходит от лат. experimentum - проба, опыт.

Эксперимент – это научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.

Основная цель эксперимента – выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Классификация эксперимента осуществляется по следующим признакам:

– по отрасли науки (химическими, биологический, физический, психологический, социальный);

– по способу формирования условий (естественный и искусственный);

– по целям исследования (преобразующий, констатирующий, контролирующий, поисковый, решающий);

– по организации проведения (лабораторный, натурный, полевой, производственный);

– по структуре изучаемых объектов и явлений (простой, сложный);

– по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественный, энергетический, информационный);

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

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

– по контролируемым величинам (пассивный и активный);

– по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный);

– по характеру изучаемых объектов или явлений (технологический, социометрический).

Для классификации могут быть использованы и другие признаки. Кроме того, в зависимости от задач эксперимента различные его типы могут объединяться, образуя комплексный или комбинированный эксперимент.

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 осуществления процедуры экспериментальных работ;

– разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов эксперимента;

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

Само слово эксперимент происходит от лат. experimentum - проба, опыт.

Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.

Они различаются:

- по способу формирования условий (естественных и искусственных);

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

- по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.);

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

- по контролируемым величинам (пассивный и активный);

- по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный);

- по характеру изучаемых объектов или явлений (технологические, социометрические) и т.п.

Для классификации могут быть использованы и другие признаки.

Естественный эксперимент предполагает проведение опытов в естественных условиях существования объекта исследования (чаще всего используется в биологических, социальных, педагогических и психологических науках).

Искусственный эксперимент предполагает формирование искусственных условий (широко применяется в естественных и технических науках).

Преобразующий (созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связен и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами. Исследователь в соответствии со вскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно создает условия, которые должны способствовать формированию новых свойств и качеств объекта.

Констатирующий эксперимент используется для проверки определенных предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется 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 проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых.

Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Это согласие приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной.

Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и противоречат другой.

Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т.д.

Чаще всего в лабораторном эксперименте изучается не сам объект, а его образец. Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научную информацию с минимальными затратами времени и ресурсов. Однако такой эксперимент не всегда полностью моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента.

Натурный эксперимент проводится в естественных условиях и на реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем. Практически во всех случаях основная научная проблема натурного эксперимента - обеспечить достаточное соответствие (адекватность) условий эксперимента реальной ситуации, в которой будет работать впоследствии создаваемый объект.

Центральными задачами натурного эксперимента являются:

изучение характеристик воздействия среды на испытуемый объект;

идентификация статистических и динамических параметров объекта;

оценка эффективности функционирования объекта и проверка его на соответствие заданным требованиям.

Эксперименты могут быть открытыми и закрытыми, они широко распространены в психологии, социологии, педагогике. В открытом эксперименте его задачи открыто объясняются испытуемым, в закрытом - в целях получения объективных данных эти задачи скрываются от испытуемого.

Простой эксперимент используется для изучения объектов, не имеющих разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих простейшие функции.

В сложном эксперименте изучаются явления или объекты с разветвленной структурой (можно выделить иерархические уровни) и большим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции. Высокая степень связности элементов приводит к тому, что изменение состояния какого-либо элемента или связи влечет за собой изменение состояния многих других элементов системы. В сложных объектах исследования возможно наличие нескольких разных структур, нескольких разных целей.

Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определенной (различной по форме и содержанию) информации на объект исследования (чаще всего информационный эксперимент используется в биологии, психологии, социологии, кибернетике и т.п.). С помощью этого эксперимента изучается изменение состояния объекта исследования под влиянием сообщаемой ему информации.

Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние различных добавок на качество стали и т.п.

Энергетический эксперимент используется для изучения воздействия различных видов энергии (электромагнитной, механической, тепловой и т.д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко распространен в естественных науках.

Обычный (или классический) эксперимент включает экспериментатора как познающего субъекта; объект или предмет экспериментального исследования и средства (инструменты, приборы, экспериментальные установки), при помощи которых осуществляется эксперимент.

В обычном эксперименте экспериментальные средства непосредственно взаимодействуют с объектом исследования. Они являются посредниками между экспериментатором и объектом исследования.

Модельный эксперимент в отличие от обычного имеет дело с моделью исследуемого объекта. Модель входит в состав экспериментальной установки, замещая не только объект исследования, но часто и условия, в которых изучается некоторый объект,

Модельный эксперимент при расширении возможностей экспериментального исследования одновременно имеет и ряд недостатков, связанных с тем, что различие между моделью и реальным объектом может стать источником ошибок и, кроме того, экстраполяция результатов изучения поведения модели на моделируемый объект требует дополнительных затрат времени и теоретического обоснования правомочности такой экстраполяции.

Различие между орудиями эксперимента при моделировании позволяет выделить мысленный и материальный эксперимент.

Орудиями мысленного (умствённого) эксперимента являются мысленные модели исследуемых объектов или явлений (чувственные образы, образно-знаковые модели, знаковые модели). Для обозначения мысленного эксперимента иногда пользуются терминами: идеализированный или воображаемый эксперимент.

Мысленный эксперимент является одной из форм умственной деятельности познающего субъекта, в процессе которой воспроизводится в воображении структура реального эксперимента.

Структура мысленного эксперимента включает: построение мысленной модели объекта исследования, идеализированных условий эксперимента и воздействий на объект; сознательное и планомерное изменение, комбинирование условий эксперимента и воздействий на объект; сознательное и точное применение на всех стадиях эксперимента объективных законов науки, благодаря чему исключается абсолютный произвол. В результате такого эксперимента формируются выводы.

Материальный эксперимент имеет аналогичную структуру. Однако в материальном эксперименте используются материальные, а не идеальные объекты исследования. Основное отличие материального эксперимента от мысленного в том, что реальный эксперимент представляет собой форму объективной материальной связи сознания с внешним миром, между тем как мысленный эксперимент является специфической формой теоретической деятельности субъекта.

Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранных показателей (параметров, переменных) в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирование.

Примерами пассивного эксперимента является наблюдение:

- за интенсивностью, составом, скоростями движения транспортных потоков;

- за числом заболеваний вообще или какой-либо определенной болезнью;

- за работоспособностью определенной группы лиц;

- за показателями, изменяющимися с возрастом;

- за числом дорожно-транспортных происшествий и т.п.

Пассивный эксперимент, по существу, является наблюдением, которое сопровождается инструментальным измерением выбранных показателей состояния объекта исследования.

Активный эксперимент связан с выбором специальных входных сигналов (факторов) и контролирует вход и выход исследуемой системы.

Однофакторный эксперимент предполагает:

- выделение нужных факторов;

- стабилизацию мешающих факторов;

- поочередное варьирование интересующих исследователя факторов.

Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том, что варьируются все переменные сразу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.

Технологический эксперимент направлен на изучение элементов технологического процесса (продукции, оборудования, деятельности работников и т.п.) или процесса в целом.

Социометрический эксперимент используется для измерения существующих межличностных, социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего изменения.

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 осуществления процедуры экспериментальных работ;

- разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов эксперимента;

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

- обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.

Особое значение имеет правильная разработка методик эксперимента.

Методика - это совокупное и. мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.

При разработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать:

- проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами;

Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который включает:

- цель и задачи эксперимента;

- выбор варьирующих факторов;

- обоснование объема эксперимента, числа опытов;

- порядок реализации 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.

Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям:

- требование несмещенности оценок - отсутствие систематических ошибок в процессе вычисления параметров.

Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требований.

Читайте также: