что относится к элементам эксперимента
Структура эксперимента и его элементы. Этапы проведения эксперимента
Эксперимент есть непосредственное материальное воздействие на реальный объект или окружающие его условия, производимое с целью познания этого объекта.
В эксперименте можно выделить следующие элементы: 1) цель эксперимента; 2) объект экспериментирования; 3) условия, в которых находится или помещается объект; 4) средства эксперимента; 5) материальное воздействие на объект. Каждый из этих элементов может быть положен в основу классификации экспериментов. Например, эксперименты можно разделять на физические, химические, биологические и т.д. в зависимости от различия объектов экспериментирования. Одна из наиболее простых классификаций основывается на различиях в целях эксперимента.
Первый этап – выбор эмпирической интерпретации теоретических величин – очень важен при подготовке эксперимента. Только после этого наши теоретические построения и расчеты приобретают эмпирический смысл, а сам эксперимент становится принципиально возможным. В эксперименте Лебедева световое давление эмпирически было представлено как закручивание подвеса, а интенсивность света – как тепловое расширение в термоэлементе. Закручивание подвеса и тепловое расширение можно было наблюдать и измерять непосредственно.
Второй этап в проведении эксперимента – выбор условий и используемых приборов – определяется эмпирической интерпретацией теоретических величин. Если мы хотим, чтобы световое давление было представлено как закручивание подвеса, то мы должны обеспечить создание таких условий, чтобы это закручивание не могло быть вызвано никакими другими факторами. В эксперименте Лебедева трудность состояла в том, что силы светового давления очень малы, и их действие легко перекрывалось рядом других факторов. Среди них наиболее существенными были конвекционные токи воздуха и радиометрические силы. Когда подвес был окружен воздухом, движение воздушных потоков могло закручивать его. Чтобы устранить или хотя бы ослабить действие этого фактора, Лебедев поместил подвес в стеклянный баллон, из которого воздух можно было откачать. Радиометрический эффект заключается в том, что освещенная сторона пластинки нагревается сильнее неосвещенной стороны, и противоположные стороны испытывают неодинаковое давление газа, что может также вызвать закручивание подвеса. Чтобы избежать этого, крылышки приходилось делать как можно более тонкими. Трудности, связанные с исключением всех побочных эффектов, были в данном случае столь велики, что на их преодоление у Лебедева ушло более трех лет.
После того, как выбраны условия эксперимента и исключено влияние всех побочных факторов, наступает третий этап: воздействие на объект, наблюдение его поведения и измерение контролируемых величин. Этот этап можно назвать решающим в проведении эксперимента. Именно для него проводится вся подготовительная работа, и именно на этом этапе мы получаем ответ на вопрос теории, обращенный к природе. В эксперименте Лебедева ответ был положительным, а в эксперименте Майкельсона, например, природа ответила: «Нет!», хотя уверенность в существовании эфира была ничуть не меньшей, чем уверенность в существовании светового давления.
Последний, четвертый, этап в проведении эксперимента заключается в обработке полученных данных, их теоретическом осмыслении и включении в науку. Закручивание подвеса, наблюдавшееся в эксперименте, истолковывается как вызванное световым давлением. Отсюда делается вывод, что давление света действительно существует, и утверждение об этом включается в теорию как получившее экспериментальное обоснование.
Рассмотрение структуры и этапов проведения эксперимента позволяет дать обоснованный ответ на вопрос о соотношении теории и эксперимента. Эксперимент, как легко заметить из сказанного выше, отнюдь не противопоставлен теории и не выступает как нечто, находящееся целиком вне теории. Эксперимент неотделим от теории, ибо существенно зависит от нее. Как человеческий глаз для того, чтобы служить органом зрения, должен соединяться с мозгом в единую функциональную систему, так и эксперимент, для того чтобы служить средством получения знания, должен соединяться в единую систему с теорией. Роль теории в создании эксперимента особенно ярко проявляется в существовании такой формы познания, как мысленный эксперимент, т.е. мысленное представление операций с мысленно представимыми объектами. Вообще всякий эксперимент при его обдумывании и планировании выступает вначале как мысленный эксперимент. Но если обычный (материальный) эксперимент обязательно включает в себя материальную деятельность с реальными вещами и процессами, что заставляет нас при планировании эксперимента рассчитывать на реальные приборы, реальные окружающие условия и конкретную эмпирическую интерпретацию теоретических понятий, то мысленный эксперимент отличается тем, что один из этапов его проведения – реальное воздействие на реальный объект – отсутствует. Это позволяет нам включать в эксперимент идеализированные объекты, идеальные приборы и идеальные условия. Такого рода эксперимент целиком находится внутри теории, и его отличие от обычного теоретического рассуждения заключается лишь в том, что он опирается на наглядные образы и представления.
24. Сфера и границы применения эмпирических методов познания.
Основные компоненты эксперимента
Типология экспериментов
Поскольку в сфере жизнедеятельности социума существует большое разнообразие ситуаций и, естественно, целей их преобразования, то вполне понятным становится разнообразие видов экспериментов, применяемых здесь. Характеристика каждого вида содержит в себе условия, при которых его можно использовать в научных и практических целях, а также предел тех задач, которые с его помощью можно решать.
Ведущим, широко применяемым видом эксперимента, является такой его вид, как естественный эксперимент. Это значит проводимый в естественных, реально ложившихся условиях. Нередко такую преобразовательную деятельность называют опытно-экспериментальной, что яв яется правомочным. Лабораторный эксперимент студентами проводится редко, разве что при исследовании очень узких физиологических и психологических проблем.
Кроме этих видов существуют другие эксперименты, не составляющие пары. Это так называемый «ложный» эксперимент (плацебо), когда экспериментируемым внушают его проведение, на самом деле ничего не меняя в условиях их жизнедеятельности. Фактически он проводится на манипулировании сознанием людей. Эксперимент «с новичком», когда в действующую группу детей вводится новичок, первичное восприятие которым новых условий становится предметом изучения и средством оценки состояния группы.
Любому специалисту и исследователю надо владеть таким видом, как мысленный эксперимент. Этот эксперимент в мыслях может проводиться почти по любому виду. Исследователь гипотетически представляет всю технологию экспериментирования и получаемые результаты. Такой эксперимент особенно нужен в ситуациях риска, в масштабных экспериментах, в ситуациях неопределенности. Необходим он в квазиэкспериментах. Мысленное экспериментирование позволяет предвидеть, прогнозировать все неожиданности, просчеты, возможные трудности будущего реального экспериментирования.
Рис. 12. Способ балансировки с применением контрольной группа
Рис. 13. Способ балансировки с выделением эффекта внешней переменной
Разумеется, при этом нельзя выделить специфическое влияние каждой внешней переменной и особенности такого влияния независимой переменной из-за эффекта взаимодействия переменных.
План контроля за внешней переменной для двух условий представлен на рис. 14.
Рис. 14. План контроля за внешней переменной для двух условий
Итак, техника контрбалансировки заключается в том, что каждый испытуемый получает более одного варианта воздействия (АВ или ВА) и эффект последовательности целенаправленно распределяется на все экспериментальные условия.
Еще одним способом контроля внешних переменных является рандомизация.Рандомизацией называется процедура отбора, которая гарантирует каждому члену популяции равную возможность стать участником эксперимента. Каждому представителю выборки присваивается порядковый номер, а выбор испытуемых в экспериментальную и контрольную группы проводится с помощью таблицы «случайных» чисел. Рандомизация является способом, позволяющим исключить влияние индивидуальных особенностей испытуемых на результат эксперимента.
Рандомизация применяется в двух случаях:
1) когда известно, как управлять внешними переменными в экспериментальной ситуации, однако у нас нет возможности использовать одну из предшествующих техник контроля;
2) когда мы предполагаем оперировать какой-либо внешней переменной в экспериментальной ситуации, однако не можем ее специфицировать и применить другие техники.
Если предположить, что значение дополнительной переменной (переменных) подчиняется вероятностным законам (например, описывается нормальным распределением), то в состав экспериментальной и контрольных групп войдет выборка, которая имеет те же уровни дополнительных переменных, что и генеральная совокупность.
По мнению многих специалистов, уравнивание групп посредством процедуры рандомизации является единственно надежным способом элиминации влияния внешних (дополнительных) переменных на зависимую. Д. Кэмпбелл определяет рандомизацию как универсальный способ уравнивания групп перед экспериментальным воздействием. Другие способы, например метод попарного сравнения, характеризуются им как малонадежные и ведущие к невалидным выводам.
Основные компоненты эксперимента
Состав эксперимента: а) объект и предмет исследования как зависимая переменная; б) методы и средства преобразования «предмета в объекте» как независимые переменные; в) технология использования независимых переменных; г) диагностика и методы диагностики результатов влияния независимых переменных на зависимые переменные.
Методы и средства преобразования объекта и предмета экспериментирования, их развития и совершенствования называются независимыми переменными. Независимые, то есть вполне самостоятельные от тех качеств и свойств, которые развиваются в эксперименте. Независимая переменная не придумывается вольно, а выводится из гипотезы всего исследования, ибо весь эксперимент и служит ее практическому доказательству. Именно в гипотезе указывается, какие пути и способы выбрал студент для достижения цели. Независимые переменные и есть то новое (новация, инновация), что вносит студент в теорию и практику.
Алгоритм экспериментирования примерно таков. Перед началом эксперимента студент-экспериментатор замеряет с помощью диагностических методов состояние зависимых переменных, затем вводит независимые переменные, под влиянием которых происходят изменения состояния зависимых переменных. Эти изменения опять замеряются и затем сопоставляются с начальными данными. Зависимые и независимые переменные в практической деятельности приходят во взаимодействие. Качество взаимодействия зависит от технологии использования (ввода) независимых переменных. Результат взаимодействия зависимых и независимых переменных оценивается с помощью специальных аналитических методов.
Типология экспериментов
Поскольку в сфере жизнедеятельности социума существует большое разнообразие ситуаций и, естественно, целей их преобразования, то вполне понятным становится разнообразие видов экспериментов, применяемых здесь. Характеристика каждого вида содержит в себе условия, при которых его можно использовать в научных и практических целях, а также предел тех задач, которые с его помощью можно решать.
Ведущим, широко применяемым видом эксперимента, является такой его вид, как естественный эксперимент. Это значит проводимый в естественных, реально ложившихся условиях. Нередко такую преобразовательную деятельность называют опытно-экспериментальной, что яв яется правомочным. Лабораторный эксперимент студентами проводится редко, разве что при исследовании очень узких физиологических и психологических проблем.
Кроме этих видов существуют другие эксперименты, не составляющие пары. Это так называемый «ложный» эксперимент (плацебо), когда экспериментируемым внушают его проведение, на самом деле ничего не меняя в условиях их жизнедеятельности. Фактически он проводится на манипулировании сознанием людей. Эксперимент «с новичком», когда в действующую группу детей вводится новичок, первичное восприятие которым новых условий становится предметом изучения и средством оценки состояния группы.
Любому специалисту и исследователю надо владеть таким видом, как мысленный эксперимент. Этот эксперимент в мыслях может проводиться почти по любому виду. Исследователь гипотетически представляет всю технологию экспериментирования и получаемые результаты. Такой эксперимент особенно нужен в ситуациях риска, в масштабных экспериментах, в ситуациях неопределенности. Необходим он в квазиэкспериментах. Мысленное экспериментирование позволяет предвидеть, прогнозировать все неожиданности, просчеты, возможные трудности будущего реального экспериментирования.
Организация и математическое планирование эксперимента. Учебное пособие
В учебном пособии кратко представлены основные теоретические данные, которые позволят правильно спланировать эксперимент, провести его и обработать полученные результаты. В каждом разделе присутствуют подробные примеры использования алгоритмов обработки экспериментальных данных. Учебное пособие снабжено заданиями на самостоятельную проработку, вопросами для самоконтроля и всеми необходимыми справочными материалами.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Организация и математическое планирование эксперимента. Учебное пособие предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
1. Основы экспериментальных исследований
§1. Понятие эксперимента
Эксперимент наряду с наблюдением, измерением и описанием относится к эмпирическим методам познания, что подразумевает практическое изучение реально существующих и доступных объектов исследования или их моделей. Большинство практических научных исследований реализуется в виде эксперимента. Именно разработка теоретических основ экспериментальных исследований дала тот толчок развитию науки и техники, результат которого мы и наблюдаем сейчас.
Эксперимент — это последовательность действий, направленных на получение информации об объекте исследования путем контролируемых воздействий на него в воспроизводимых условиях.
Объектом исследования (ОИ) обычно выступает технологический процесс, о котором требуется получить необходимую информацию. Наиболее часто это экспериментальная информация о реакции объекта исследования на изменение внешнего воздействия. В этом случае эксперимент проводится для улучшения (или оптимизации) показателей работы технологического агрегата с целью повышения производительности и/или качества производимой продукции, уменьшения себестоимости и т. д.
Предмет исследования является определенной частью объекта исследования, это могут быть его отдельные свойства, особенности и т. д.
Воздействия на объект производится в виде опытов.
Опыт — это воспроизведение исследуемого процесса в лабораторных или промышленных условиях с регистрацией его результатов.
Последовательность действий при проведении эксперимента включает в себя следующие шаги:
— выбор объекта исследования, установление целей, определение факторов, влияющих на объект, а также откликов, которые будут контролироваться, составление плана проведения эксперимента;
— проведение всех предусмотренных планом опытов и регистрация результатов;
— выбор необходимой методики обработки экспериментальных данных, и их анализ с получением всей необходимой информации;
— подготовка и реализация нового экспериментального исследования, если это необходимо.
§2. Факторы, отклики и требования к ним
В ходе любого эксперимента стоит задача установить наличие и вид статистической связи между факторами и откликом.
Фактором называют входную величину, которая воздействует на ОИ, т.е. управляет его поведением и вызывает определенную реакцию на ее изменение. Фактор принимает в некоторый момент определенное значение, которое называют его уровнем.
Обычно фактор обозначают латинской буквой Х, если их несколько то к букве добавляют номер фактора Х1, X2, X3… Xn,
К факторам предъявляют следующие требования:
— факторы должны быть управляемыми, т.е. исследователь в любой момент должен иметь возможность установить необходимый уровень фактора из плана эксперимента.
— факторы должны быть независимы друг от друга, т.е. уровень одного фактора не должен быть зависим от того на каком уровне находится другой фактор. Например, при исследовании процессов деформации брать в виде факторов одновременно температуру и сопротивление деформации, поскольку последнее зависит от первой. Поэтому необходимо использовать только один из них. Если это будет температура, то вторым фактором можно добавить, например, еще и скорость деформации.
— факторы должны быть совместимыми, т.е. комбинации их уровней возможно реализовать на практике (позволяет оборудование и технологический процесс) и они должны быть безопасными (сочетания факторов не должны приводить например к аварии, взрыву).
Факторы делятся на такие группы:
— контролируемые и управляемые — это факторы, уровень которых можно и измерить, и установить в любой момент времени на нужное значение (напряжение, расход газа и т.д.).
— контролируемые, но неуправляемые факторы — это факторы, величину которых можно измерить, но установить конкретный уровень невозможно (температура окружающей среды, влажность);
— неконтролируемые и неуправляемые — это факторы, уровни которых невозможно измерить или даже предугадать наличие самих факторов (износ механизмов, усталость металла, стресс у оператора механизма).
Отклик (еще можно встретить термины: параметр, реакция) — выходная величина на значение которой влияют факторы. Отклик обозначают латинской буквой Y.
Функция отклика — это уравнение, которое характеризует математическую связь между откликом и факторами
Таким образом в результате обработки экспериментальных данных на выходе необходимо получить подобную функцию отклика: y=f (x1, x2,… xn)
§3. Виды экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования можно разделить на виды по нескольким признакам (рисунок 1.1).
По характеру получаемых результатов различают качественный и количественный эксперимент.
В результате качественного эксперимента устанавливается только сам факт наличия и направление влияния факторов на отклик, но количественные результаты исследования не приводятся и математическую модель не получают. Например, можно просто установить, что повышение скорости разливки на машине непрерывного литья заготовок приводит появлению дефекта «ромбичность», но не оценивать степень этого влияния.
Рисунок 1.1 — Виды экспериментов
Количественный эксперимент подразумевает получение математической модели связи между факторами и откликом или хотя бы количественную ее характеристику. Например, можно установить математическую зависимость между количеством металлолома в завалке дуговой электросталеплавильной печи и удельным расходом электроэнергии на плавку.
По степени контроля за процессом эксперимент делится на активный и пассивный.
Если исследователь выполняет только роль наблюдателя, то эксперимент называется пассивным. Так как отсутствует возможность (или необходимость) в управлении уровнями факторов, и выполняется только измерение их величины. Также о пассивном эксперименте можно говорить, если выполняется статистическая обработка уже имеющихся данных за какой-либо период.
Активный эксперимент производится путем прямого вмешательства исследователя в изучаемый процесс, т.е. управление уровнями факторов, которое должно выполняться по разработанному плану эксперимента.
По условиям проведения различают промышленный, лабораторный, натурный, полевой эксперименты и т. д.
По характеру взаимодействия с объектом исследования различают материальный, вычислительный и мыслительный эксперименты.
Материальный эксперимент предусматривает работу исследователя непосредственно с натурным объектом исследователя или с его физической или аналоговой моделью.
Вычислительный эксперимент предполагает работу не с самим объектом исследования, а с его математической (чаше всего компьютерной) моделью. В настоящее время для вычислительных экспериментов в технике наиболее часто используется метод конечных элементов.
Эксперимент
Эксперимент — это метод научного познания, при помощи которого исследуются явления реально-предметной действительности в определённых (заданных), воспроизводимых условиях путём их контролируемого изменения. Экспериментальное исследование относится к эмпирическим научным методам и представляет собой разновидность опыта, имеющего целенаправленно познавательный, методический характер. Эксперимент занимает ведущее место среди методов научного познания (см. Методы научного познания) и часто выполняет функцию критерия истинности научного знания в целом.
В отличие от такого метода научно-практического познания как наблюдение (которое непосредственно связано с методом эксперимента), эксперимент осуществляется на основе теории (см. Теория), определяющей постановку задач исследования и интерпретацию его результатов. В эксперименте исследователь активно вмешивается в протекание изучаемого процесса с целью получить о нём определённые знания. Исследуемое явление наблюдается здесь в специально создаваемых и контролируемых условиях, что позволяет воспроизводить ход явления при повторении сходных условий. Создав искусственную систему, далее становится возможно осознанно (а иногда и неосознанно, случайно) влиять на неё путём перегруппировки её элементов, их элиминирования или замены другими элементами. Наблюдая при этом за изменяющимися следствиями, возможно раскрыть определённую причинную взаимосвязь между элементами и тем самым выявить новые свойства и закономерности изучаемых явлений. В ходе эксперимента исследователь не только контролирует и воспроизводит условия, в которых изучается объект, но и часто искусственно изменяет эти условия, варьирует их. В этом заключается одно из важных преимуществ эксперимента по сравнению с наблюдением. Изменяя условия взаимодействия, исследователь получает большие возможности для обнаружения скрытых свойств и связей объекта. Обычно контроль и изменение условий осуществляется за счёт использования приборных устройств, которые являются орудием воздействия наблюдателя на объект.
Основные логико-практические элементы экспериментальной процедуры следующие:
Эксперимент как метод исследования возник в естествознании Нового времени (У. Гилберт, Г. Галилей). Впервые он получил философское осмысление в трудах Ф. Бэкона, разработавшего и первую классификацию экспериментов. До этого формы языка и рационально-предметной деятельности были одинаковыми и для вненаучной практики, и для науки, различаясь лишь по целевому использованию (это различение терминологически фиксируется противопоставлением практического эмпирическому), а специфика научного познания усматривалась в психологических аспектах деятельности учёного. Лишь после триумфа механистической картины мира (И. Ньютон), давшей естествознанию принципиально новую систему предметных средств — теорию в современном смысле этого понятия, — рационально-предметная деятельность в науке начинает опираться на теоретические средства — продукт своего собственного развития. Развитие экспериментальной деятельности в науке сопровождалось в теории познания борьбой рационализма и эмпиризма, по-разному понимавших соотношение эмпирического и теоретического знания. Преодоление односторонности этих направлений, развитие теоретической базы естествознания и смена господства механики сосуществованием различных теорий привели к тому, что не только средства, но и объекты эмпирического исследования начали выступать не в качестве непосредственно, эмпирически данных, а в качестве опосредованных развитием теории. Иными словами, объект включается теперь в эмпирическую деятельность в результате предшествующего развития теоретического знания и выступает в этой деятельности теоретически не познанным, фиксируемым эмпирическим языком для получения в дальнейшем теоретического результата.
Современная наука (см. Наука) использует разнообразные виды эксперимента. Особенно велика его роль в естественных науках. В сфере фундаментальных исследований простейший тип эксперимента — качественный эксперимент, имеющий целью установить наличие или отсутствие предполагаемого научной теорией явления (см. Качество). Более сложен измерительный эксперимент, выявляющий количественную определённость какого-либо свойства объекта (см. Количество, Измерение). Нередко главной задачей эксперимента служит проверка гипотез научной теории (см. Гипотеза), имеющих принципиальное значение (так называемый решающий эксперимент). Ещё один тип эксперимента, находящий широкое применение в фундаментальных исследованиях — так называемый мысленный эксперимент (см. Эксперимент мысленный). Он относится к области теоретического знания и представляет собой систему мысленных, практически не осуществимых процедур, проводимых над идеальными объектами. Будучи теоретическими моделями реальных ситуаций, мысленные эксперименты проводятся в целях выяснения согласованности основных принципов теории. В области прикладных исследований применяются все указанные виды эксперимента. Их задача — проверка конкретных теоретических моделей. Для прикладных наук специфичен модельный эксперимент, который ставится на материальных моделях, воспроизводящих существ, черты исследуемой природной ситуации или технического устройства. Он тесно связан с производственным экспериментом. Для обработки результатов указанных экспериментов применяются методы математической статистики, специальная отрасль которой исследует принципы анализа и планирования эксперимента.
В XX веке с развитием научного знания о социальных явлениях в связи с потребностями общественной практики, в частности в связи с потребностями совершенствования организации и управления обществом, всё большее значение начинают приобретать и социальные эксперименты. Социальный эксперимент, будучи методом исследования, вместе с тем выполняет функцию оптимизации социальных систем (см. Общество). Он одновременно принадлежит и к сфере науки и к сфере социального управления, помогая проектировать и внедрять в жизнь новые социальные формы. Объект социального эксперимента, в роли которого выступает определённая группа или общность людей, является одним из участников эксперимента, с интересами которого необходимо считаться, а сам исследователь оказывается включённым в изучаемую им ситуацию. Содержание и процедуры социальных экспериментов обусловлены правовыми и моральными нормами общества.
Основные характеристики экспериментальной стратегии, определяющей место и смысл разных (частных) видов эксперимента (исследовательский, проверочный, демонстрационный, качественный, решающий, модельный, мысленный), могут быть сведены к следующим: