книги / Основы научных исследований

Этот вывод мог быть получен только с помощью мысленного эксперимента. По этому поводу А. Эйнш­ тейн говорил следующее: «Мы видели, что закон инер­ ции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением. Этот эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных эксперимен­

тов».

Мысленный эксперимент, заменяя собой реальный, расширяет границы познания, ибо обеспечивает получе­ ние такой информации, которую иными средствами до­ быть невозможно. Мысленный эксперимент позволяет преодолеть неизбежную ограниченность реального опы­ та путем абстрагирования от действия нежелательных, затемняющих причин, полное устранение которых в ре­ альном эксперименте практически недостижимо.

Мысленный эксперимент является существенным мо­ ментом всякой творческой деятельности. А. Эйнштейн в автобиографических воспоминаниях в связи с разра­

можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то мы имели бы перед собой не зависящее от времени волновое поле. Но все-таки это кажется невоз­ можным! Это было первым детским мысленным экспе­ риментом, который относится к специальной теории от­ носительности. Открытие не является делом логическо­ го мышления, даже если конечный продукт связан с логической формой».

Мысленный эксперимент используется не только уче­ ными, но и писателями, художниками, педагогами, вра­ чами; Мысленное экспериментирование ярко проявляеется в мышлении шахматистов. Огромна роль мыслен­ ного эксперимента в техническом конструировании и изобретательстве. Результаты мысленного эксперимен­ та находят отражение в формулах, чертежах, графиках, набросках, эскизных проектах и т. п.

переменных) в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирова­ ние. Примерами пассивного эксперимента является на­ блюдение: за интенсивностью, составом, скоростями дви­ жения транспортных потоков; за числом заболеваний

25J

вообще или какой-либо определенной болезнью; за ра­ ботоспособностью определенной группы лиц; за показа­ телями, изменяющимися с возрастом; за числом дорож­ но-транспортных происшествий и т. п.

Пассивный эксперимент, по существу, является на­ блюдением, которое сопровождается инструменталь­ ным измерением выбранных показателей состояния

О д н о ф а к т о р н ы й э к с п е р и м е н т предполагает: выделение нужных факторов; стабилизацию мешающих факторов; поочередное варьирование интересующих ис­ следователя факторов.

Стратегия м н о г о ф а к т о р н о г о э к с п е р и м е н - т а состоит в том, что варьируются все переменные сра­ зу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.

Т е х н о л о г и ч е с к и й э к с п е р и м е н т направлен на изучение элементов технологического процесса (про­ дукции, оборудования, деятельности работников и т.п.) или процесса в целом.

С о ц и о м е т р и ч е с к и й э к с п е р и м е н т исполь­ зуется для измерения существующих межличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего изменения.

Как уже отмечалось, приведенная классификация эк­ спериментальных исследований не может быть призна­ на полной, поскольку с расширением научного знания расширяется и область применения экспериментально­ го метода. Кроме того, в зависимости от задач экспери­ мента различные его типы могут объединяться, обра­ зуя комплексный или комбинированный эксперимент.

Для проведения эксперимента любого типа необхо­ димо: разработать гипотезу, подлежащую проверке; со­ здать программы экспериментальных работ; определить способы и приемы вмешательства в объект исследова­ ния; обеспечить условия для осуществления процедуры экспериментальных работ; разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов эксперимента; под готовить средства эксперимента (приборы, установки, модели и т. п.); обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.

Особое значение имеет правильная разработка мего-

252

в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования. При разработке

объектов для экспериментального воздействия, устране­ ние влияния случайных факторов); определение преде­ лов измерений; систематическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фак­ тов; проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами; создание повторяющихся ситуаций, изменение характе­ ра условий и перекрестные воздействия, создание ус­ ложненных ситуаций с целью подтверждения или опро­ вержения ранее полученных данных; переход от эмпи­ рического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного факти­ ческого материала.

Правильно разработанная методика эксперимен­ тального исследования предопределяет его ценность. Поэтому разработка, выбор, определение методики должно проводиться особенно тщательно. При опреде­ лении методики необходимо использовать не только лич­ ный опыт, но и опыт товарищей и других коллективов. Необходимо убедиться в том, что она соответствует со­ временному уровню науки, условиям, в которых выпол­ няется исследование. Целесообразно проверить возмож­ ность использования методик, применяемых в смежных проблемах и науках.

Выбрав методику эксперимента, исследователь дол­ жен удостовериться в ее практической применимости. Это необходимо сделать даже в том случае, если мето­ дика давно апробирована практикой других лаборато­ рий, так как она может оказаться неприемлемой или сложной в силу специфических особенностей климата, помещения, лабораторного оборудования, персонала, объекта исследований и т. п.

Перед каждым экспериментом составляется его пла н (программа), который включает: цель и задачи экспе­ римента; выбор варьирующих факторов; обоснование

253

объема эксперимента, числа опытов; порядок реали­ зации опытов, определение последовательности изме­ нения факторов; выбор шага изменения факторов, за­ дание интервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование средств измерений; описание проведения эксперимента; обоснование способов обра­ ботки и анализа результатов эксперимента.

Применение математической теории эксперимента позволяет уже при планировании определенным обра­ зом оптимизировать объем экспериментальных исследо­ ваний и повысить их точность.

Важным этапом подготовки к эксперименту являет­ ся определение его целей и задач. Количество задач для конкретного эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3...4, максимально 8...10).

Перед экспериментом надо выбрать варьируемые факторы, т. е. установить основные и второстепенные ха­ рактеристики, влияющие на исследуемый процесс, про­ анализировать расчетные (теоретические) схемы про­ цесса. На основе этого анализа все факторы классифи­

важную роль в эффективности эксперимента, поскольку эксперимент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами. Иногда бывает трудно сразу выявить роль основных и второстепенных факторов. В таких случаях необходимо выполнять небольшой по объему предварительный поисковый опыт.

Основным принципом установления степени важнос­ ти характеристики является ее роль в исследуемом про­ цессе. Для этого процесс изучается в зависимости от какой-то одной переменной при остальных постоянных. Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя лишь в тех случаях, когда таких характеристик ма­ ло— 1...3. Если же переменных величин много, целесо­ образен принцип многофакторного анализа, рассматри­ ваемый ниже.

Необходимо также обосновать набор с р е д с т в из ­

ся каталогов, по которым можно заказать выпускаемые отечественным приборостроением те или иные средства

254

измерений). Естественно, что в первую очередь следует использовать стандартные, серийно выпускаемые маши­ ны и приборы, работа на которых регламентируется ин­ струкциями, ГОСТами и другими официальными доку­ ментами.

В отдельных случаях возникает потребность в созда­ нии уникальных приборов, установок, стендов, машин для разработки темы. При этом разработка и конструи­ рование приборов и других средств должны быть тща­ тельно обоснованы теоретическими расчетами и прак­ тическими соображениями о возможности изготовления оборудования. При создании новых приборов желатель­ но использовать готовые узлы выпускаемых приборов или реконструировать существующие приборы. Ответст­ венный момент— установление точности измерений и по­ грешностей *.

Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки — метрологии, изучающей средства и методы измерений.

При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измерения) повторные от­ счеты на приборах, как правило, неодинаковы. Откло­ нения объясняются различными причинами — неодно­ родностью свойств изучаемого тела (материал, конст­ рукция и т. д.), несовершенностью приборов и классов их точности, субъективными особенностями эксперимен­ татора и др. Чем больше случайных факторов, влияю­ щих на опыт, тем больше расхождения цифр, получае­ мых при измерениях, т.е. тем больше отклонения от­ дельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать их минимальное количество. Под потребным ми­ нимальным количеством измерений понимают такое ко­ личество измерений, которое в данном опыте обеспечи­ вает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Установ­ ление потребного минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает полу­ чение наиболее объективных результатов при минималь­ ных затратах времени и средств.

В методике подробно разрабатывается процесс про­ ведения эксперимента, составляется последовательность

1 См.: Тюрин Н . И . Введение в метрологию. М., 1973.

255

(очередность) проведения операций измерений и наблю­ дений, детально описывается каждая операция в от­ дельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента, обосновываются методы контроля каче­ ства операций, обеспечивающие при минимальном (ра­ нее установленном) количестве измерений высокую на­ дежность и заданную точность. Разрабатываются фор­ мы журналов для записи результатов наблюдений и измерений.

Важным разделом методики является выбор методов

цифр, классификации, анализу. Результаты эксперимен­ тов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, формулы, номограммы, по­ зволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять по­ лученное и проанализировать результаты. Все перемен­ ные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин.

Особое внимание в методике должно быть уделено математическим методам обработки и анализу опыт­ ных данных, например, установлению эмпирических за­ висимостей, аппроксимации связей между варьирующи­ ми характеристиками, установлению критериев и дове­ рительных интервалов и др. Диапазон чувствительности (нечувствительности) критериев должен быть стабили­ зирован (эксплицирован).

Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям: требование эффективнос­ ти оценок, т. е. минимальность дисперсии отклонения от­ носительно неизвестного параметра; требование состоя­ тельности оценок,т. е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению; требование несмещенности оценок—отсутствие систематических ошибок в процессе вычисления парамет­ ров. Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требо­ ваний.

После разработки и утверждения методики устанав­ ливается объем и трудоемкость экспериментальных ис­ следований, которые зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измере­ ний (чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента). В зави­ симости от предварительной теоретической подготовки

256

возможны три случая проведения эксперимента: 1) если теоретически получена аналитическая зависимость, ко­ торая однозначно определяет исследуемый процесс (на­ пример, у = 3е~2х), то объем эксперимента для подтвер­ ждения данной зависимости оказывается минимальным, поскольку функция однозначно определяется экспери­ ментальными данными; 2) если теоретическим путем

если теоретически не удалось получить каких-либо за­ висимостей и разработаны лишь предположения о каче­ ственных закономерностях процесса, то целесообразен поисковый эксперимент, при котором объем эксперимен­ тальных работ резко возрастает. В таких случаях уме­ стно применять метод математического планирования эксперимента.

На объем и трудоемкость проведения эксперимен­ тальных работ существенно влияет вид эксперимента. Например, полевые эксперименты, как правило,-*всегда имеют большую трудоемкость, что следует учитывать при планировании.

После установления объема экспериментальных ра­ бот составляется перечень необходимых средств измерен ний, объем материалов, список исполнителей, календар­ ный план и смета расходов.

План-программу рассматривает научный руководи­

глядности без потери точности и достоверности. Это до­ стигается предварительным анализом и сопоставлением результатов измерений одного и того же параметра различными техническими средствами, а также мето­ дов обработки полученных результатов. В условиях ин­ тенсификации проведения научных исследований важ­ нейшее место в процессе подготовки эксперимента должно отводиться его автоматизации (АСНИ) с вво­ дом экспериментальных данных непосредственно в ЭВМ, с .расчетом результирующих показателей, с автоматиче­ ским управлением хода эксперимента (последователь­ ности и повторимости замеров, определение средних значений, построение и т.д.).

257

9.2. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований

Важное место в экспериментальных исследованиях1 за­ нимают измерения. Согласно ГОСТ 16263—70, измере­ ние — это нахождение физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Суть измерения составляет сравнение измеряемой вели­ чины с известной, величиной, принятой за единицу (эта­ лон).

Теорией и практикой измерения занимается метроло­ гия — наука об измерениях, методах и средствах обеспе­ чения их единства и способах достижения требуемой точ­ ности. К основным проблемам метрологии относятся: общая теория измерений; единицы физических величин (величины, которым по определению присвоено числовое значение, равное единице) и их системы (совокупность основных и производных единиц, образованная в соот­ ветствии с некоторыми принципами, например, Между­ народная система единиц — СИ); методы и средства из­ мерений (к методам относят совокупность приемов использования принципов и технических средств, приме­ няемых при измерениях и имеющих нормирование метро­ логических свойств); методы определения точности из­ мерений; основы обеспечения единства измерений, при которых результаты измерения выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью, что возможно при единообразии средств измерения (средства измерения должны быть проградуи­ рованы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам).

Важнейшие значения в метрологии отводятся этало­ нам и образцовым средствам измерений. К э т а л о н а м относятся средства измерений (или комплекс средств из­ мерений), обеспечивающих воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим средствам измерения. Эталоны выполнены по особой спецификации. Эталонная база СССР содержит более 120 государственных эталонов, в том числе, например,

1 См.: ГОСТ 16263—70. Метрология. Термины и определения; ГОСТ 8.009—84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений; ГОСТ 1.25—76. ГСС. Метрологическое обеспече­ ние. Основные положения; ГОСТ 8.002—86. ГСИ. Государственный надзор и ведомственный контроль за средствами измерений. Основ­ ные положения.

258

единицы длины, массы и др. Образцовые средства изме­ рений служат для проверки по ним рабочих (техничес­ ких) средств измерения, постоянно используемых непо­ средственно в исследованиях.

Передача размеров единиц от эталонов или образцо­ вых средств измерений рабочим средствам осуществля­ ется государственными и ведомственными метрологиче­ скими органами, составляющими метрологическую служ­ бу СССР (ГОСТ 16263—70), их деятельность обеспечи­ вает единство измерений и единообразие средств измере­ ний в стране.

М е т р о л о г и ч е с к а я с л у ж б а С С С Р связана со всей системой стандартизации в стране, поскольку метрология сама является по существу стандартизацией измерений и одной из основ стандартизации, так как обеспечивает достоверность, сопоставимость показате­ лей качества, закладываемых в стандарты, дает методы определения и контроля таких показателей.

Эти предпосылки определяют то большое внимание, которое уделяется развитию метрологической службы во всех ее аспектах. Метрологическая служба СССР пред­ ставляет собой разветвленную сеть научных и контроль­ но-испытательных организаций, способных выполнять значительные работы как в научно-теоретическом, так и в прикладных аспектах точных измерений. В настоя­ щее время всю работу по стандартизации и метрологии в стране возглавляет Государственный комитет стандар­ тов Совета Министров СССР (Госстандарт СССР), зада­ чами которого являются совершенствование системы стандартизации и метрологии, расширение масштабов использования стандартизации и метрологии как эффек­ тивного средства повышения технического уровня и ка­ чества продукции всех отраслей народного хозяйства, укрепление и развитие государственной метрологической службы, стандартизация методов, средств измерений и др.

Основоположником метрологии как науки в нашей стране был великий русский ученый Д. И. Менделеев, создавший в 1893 г. Главную Палату мер и весов, кото­ рой проведена, в частности, большая работа по внедре­ нию -метрической системы в СССР (1918—1927).

Созданный на базе Главной палаты Всесоюзный на­ учно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) является высшим научным метрологическим учреждением нашей страны. Затем бы­

259