Что такое натурный эксперимент
Лабораторный и натурный эксперименты, обычные и модельные
Эксперимент в исследовательской деятельности – опыт, наблюдение, проверка предсказания.
Основная цель эксперимента – выявление свойств исследуемых объектов, процессов, явлений, проверка правильности выдвинутых гипотез, проверка адекватности теории реальным условиям протекания процесса взаимодействия элементов технической системы.
Лабораторный эксперимент – эксперимент, проводимый в лабораторных условиях с привлечением специальных моделирующих установок, стендов, оборудования. При этом изучают, как правило, не сам объект, а его образец. Оценивают влияние одних характеристик при варьировании других при минимальных затратах времени и ресурсов. Как правило, результаты лабораторного эксперимента необходимо уточнить натурным экспериментом с учетом специфики реального производства.
Натурный эксперимент – эксперимент, который проводится в производственных условиях на действующем технологическом оборудовании. Он может дать более объективную оценку состояния дел (протекания процесса).
Обычный эксперимент – классический эксперимент с тремя составляющими (экспериментатор, объект исследования, средства эксперимента – инструменты, приборы, экспериментальная установка).
Модельный эксперимент – эксперимент, проводимый не с реальным объектом, а с его моделью (материальной или виртуальной компьютерной копией объекта). Проведение модельного эксперимента актуально, например, в области автомобиле-, судо- и самолетостроения. Например, «КРАШ-ТЕСТ» автомобиля (вместо реального человека-водителя в автомобиле находится его манекен, исследуется влияние последствий аварийной ситуации на состояние водителя и автомобиля по данным специальных регистрирующих и диагностирующих приборов).
По характеру получения экспериментальных данных, методика планирования эксперимента подразделяется на пассивный и активный эксперименты.
Пассивный эксперимент (ПЭ) предусматривает измерение только выбранных показателей (параметров, переменных) в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирование. Информация об исследуемом объекте накапливается путем пассивного наблюдения, то есть информацию получают в условиях обычного функционирования объекта. В ПЭ исследователь не может вмешиваться в процесс ведения эксперимента.
ПЭ служит для уточнения и формализации гипотезы, построения теории:
ü конструирование шкал, методов, техники измерения, сбор данных для проверки заранее сформулированных гипотез;
ü анализ применения шкал, методов, техники измерения, определение возможных направлений исследования собранной информации, эмпирическое описание поведения объекта
Создание или формализация теории (модели).
ПЭ имеет следующие недостатки:
ü диапазон изменений факторов незначителен и не превышает значений, ограничиваемых инструкцией;
ü влияние возмущающих параметров может оказаться более существенным, чем изменение контролируемых факторов.
Недостатки снижают надежность результатов. Но, несмотря на них, ПЭ широко применяется для глубокого анализа результатов работы процессов и аппаратов. Примером пассивного эксперимента может быть анализ работы схемы, которая не имеет входов, только выходы, и повлиять на ее работу невозможно.
Активный эксперимент (АЭ) проводится с применением искусственного воздействия на объект по специальной программе. При АЭ изменение параметров проводится в более широких пределах, нежели при выполнении ПЭ. По специальной программе выполняется однофакторный эксперимент (поочередное варьирование интересующих факторов) – например, варьирование одного фактора при стабилизации других (метод Гаусса-Зайделя); многофакторный (варьируются все переменные и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов) – одновременное изменение нескольких факторов (градиентные методы и т.д.). Более надежные результаты получаются при обработке данных АЭ. Активный эксперимент позволяет получить более точную информацию о процессе.
АЭ предполагает возможность воздействия на ход процесса и выбора уровней факторов. При планировании АЭ решается задача выбора факторов, влияющих на объект и определение числа проводимых опытов. Увеличение числа факторов приводит к возрастанию числа опытов, а уменьшение – к увеличении погрешности опыта. Фактор задан в том случае, если указала область определения – значения, которые принимает данный фактор. При активном эксперименте факторы должны быть управляемы, независимы и должна быть указана точность измерения факторов в выбранном диапазоне.
Фактически, эксперимент всегда представляет собой нечто среднее, сочетающее в себе черты и свойства активного и пассивного экспериментов.
Социометрический эксперимент (исследование социально-психологических отношений). Он используется для изучения взаимоотношений между людьми, положения, которое занимает человек в той или иной группе (заводской бригаде, школьном классе, группе детского сада). При изучении группы каждый отвечает на ряд вопросов, касающихся выбора партнеров для совместной работы, отдыха, занятий.
По результатам можно определить наиболее и наименее популярного человека в группе, бригаде и т.д.
Классификация экспериментов
Эксперименты классифицируются:
1) По способу формирования условий: естественные, искусственные;
2) По целям исследования: преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые;
3) По организации проведения: лабораторные, натурные;
4) По характеру внешних воздействий на объект: вещественные, энергетические, информационные;
5) По характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования: обычный, модельный;
6) По типу моделей исследуемых в эксперименте: материальный, мысленный;
7) По контролируемым величинам: пассивный, активный;
8) По числу варьируемых факторов: однофакторный, многофакторный.
Естественный эксперимент чаще применяется в социальных, педагогических, биологических (реже технических, физико-математических, медицинских) исследованиях. Его сущность состоит в изучении явления (объекта) на реальном образе (реальной ситуации) в естественных условиях его функционирования. Примером естественного эксперимента может служить изучение поведения животных в заповеднике.
Преобразующий эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования с целью формирования новых свойств, качеств объекта и связей между его компонентами.
Констатирующий эксперимент проводится с целью проверки предположений, связей, полученных в ходе теоретического исследования..
Контролирующий эксперимент проводится с целью изучения (контроля) влияния на объект внешних воздействий.
Поисковый эксперимент проводится чаще всего в случаях, когда теоретических знаний в области исследования недостаточно, либо они отсутствуют вообще. Поисковый эксперимент имеет целью проведение начальной фазы исследования, на базе которой будет впоследствии формироваться научная гипотеза и продолжены теоретические исследования. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых.
Примером поискового эксперимента может служить народная медицина: люди издавна изучали воздействие трав и других естественных средств вначале на животных, а затем на себе. Запоминая положительные эффекты и отвергая отрицательные (либо фиксируя их негативность), люди создали систему знаний о болезнях и лекарствах, которая до сих пор объясняется и осмысливается медицинской наукой.
Лабораторный эксперимент осуществляется в случаях, когда изучение объекта непосредственно в естественной среде его существования либо невозможно, либо затруднено по тем или иным соображениям (например, материальным). Он проводится на специально созданных установках, моделях, либо с использованием типовых, серийно выпускаемых приборов. Условия эксперимента заранее оговариваются с целью максимального приближения их к реальным условиям деятельности исследуемого объекта.
Натурный эксперимент проводится на реальном объекте в естественных условиях его существования в течение длительного времени.
Если лабораторный эксперимент дает предварительную информацию по исследуемому объекту (явлению, процессу), натурный эксперимент, за счет реальных условий, уточняет и расширяет ее, повышает (либо опровергает) достоверность заключений, полученных в лаборатории.
Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние легирующих добавок на качество стали.
Энергетический эксперимент используется для изучения воздействия различных видов энергии (электромагнитной, механической, тепловой и т.д.) на объект исследования.
Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определенной (различной по форме и содержанию) информации. Используется в психологии, социологии и т.д.
Обычный эксперимент предполагает непосредственное изучение объекта исследования.
Большее распространение получило исследование математических моделей с использованием ЭВМ. Оно позволило:
— повысить точность исследования проблем, по которым другие виды экспериментов либо невозможны, либо весьма затруднены по ресурсным, временным или иным причинам;
— путем анализа множества возможных вариантов поведения изучаемого объекта получить целостное представление о его свойствах, характере изменений функционирования.
Материальный эксперимент предполагает изучение материального объекта.
Мысленный эксперимент представляет собой вид познавательной деятельности, в которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении. Человек в уме оперирует пространственными образами, мысленно ставит тот или иной объект в различные положения и мысленно подбирает такие «экспериментальные» ситуации, в которых, как и в обычном опыте, должны появиться более важные или почему-либо интересные особенности данного объекта.
Как правило, мысленный эксперимент проводится в рамках некоторой модели (теории) для проверки её непротиворечивости.
На примере рассмотрим правомочность предположения, что тяжелые тела падают быстрее легких. Пусть имеется два тела: тяжелое и легкое. Если считать, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких, то тогда тяжелое тело должно падать с большей скоростью. Теперь представим, что тяжелое и легкое тела были соединены перемычкой и образовали новый, ещё более тяжёлый предмет. Он тяжелее, и следовательно должен падать быстрее, чем тяжелое тело. Но одновременно он должен падать медленнее, чем тяжелое тело, так как легкое тело должно тормозить движение тяжёлого. Обнаруживается противоречие, из которого можно сделать вывод о неправомочности данного предположения.
Ценность мысленного эксперимента, во-первых, состоит в том, что он позволяет исследовать ситуации, неосуществимые практически. Во-вторых, он позволяет в ряде случаев осуществлять познание и проверку истинности знаний, не прибегая к материальному экспериментированию.
Пассивный эксперимент предполагает контроль (изучение) поведения объекта по заранее обоснованным показателям без вмешательства исследователя в функционирование объекта. Примером пассивного эксперимента является ежедневный учет интенсивности автомобильного движения, пассажиропотоков на транспорте.
Активный эксперимент, наоборот, ориентирован на управление со стороны исследователя функционированием объекта исследования в нужном ему направлении.
Однофакторный эксперимент предполагает изучение объекта при поочередном варьирование одного фактора и стабилизации других.
Многнофакторный эксперимент предполагает изучение объекта при варьировании всеми переменными одновременно. Влияние каждого фактора оценивается по результатам всей совокупности опытов проеденных в ходе эксперимента.
Планирование эксперимента
План эксперимента должен содержать:
1) Цель и задачи эксперимента.
Цель определяет конечный результат эксперимента. Например, проверить адекватность математической модели. Задачи определяют частные цели, с помощью которых будет достигнута конечная цель;
2) Варьирующие факторы.
На основе анализа расчетных схем процесса выделяют основные и второстепенные факторы, влияющие на исследуемый процесс. Эксперимент сводится к нахождению зависимостей между основными факторами. При невозможности выявить основные и второстепенные факторы проводят поисковый опыт;
3) Обоснование объема эксперимента, количества опытов (рассмотрено в следующей главе);
4) Выбор шага изменения факторов, задание шага между будущими материальными точками;
6) Методику проведения эксперимента.
Методика проведения эксперимента – это совокупность мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.
В ней излагаются: последовательность действий исследователя, правила осуществления каждого этапа, использование приборов и оборудования, порядок измерения фиксации результатов и методы их обработки
При разработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать:
— проведение предварительного, целенаправленного наблюдения над изучаемым объектом или явлением с целью выбора варьирующих факторов;
— устранение влияния случайных факторов;
— определение пределов измерений.
7) Обоснование методов обработки экспериментальных данных.
Классификация, типы, задачи эксперимента
Эксперимент – это научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями.
Основной целью эксперимента является 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. По отраслям науки различают: химические, биологические, физические, социальные эксперименты и др.
По ряду признаков эксперименты классифицируются на следующие типы:
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;
4. по структуре изучаемых объектов и явлений: простые и сложные;
5. по характеру внешних воздействий на объект исследований: 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 характеру изучаемых объектов или явлений: технологический и социометрический.
Данная классификация не является полной и постоянно расширяется.
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. Применяется в естественных и технических науках.
Преобразующий эксперимент – включает активное изменение структуры и функций объекта в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами.
Констатирующий эксперимент – используется для проверки определенных предположений.
Контролирующий эксперимент – предполагает контроль над результатами внешних воздействий на объект с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта.
Поисковый эксперимент – проводится в случае затруднения классификации факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных данных.
Решающий эксперимент – ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями, что приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной.
Лабораторный эксперимент – проводится в лабораторных условиях с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т.д. Чаще всего изучается образец объекта. Позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научную информацию с минимальными затратами времени и ресурсов. Недостаток – 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. Используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем. В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются на полевые и производственные.
Открытые и закрытые – распространены в социологии, психологии, педагогике. В открытых экспериментах – условия опыта открыто объясняются испытуемым, в закрытых – условия опыта скрываются от испытуемых.
Простой эксперимент – используется для изучения объектов, не имеющих разветвленной структуры, с небольшим количеством элементов, выполняющих простые функции.
Сложный эксперимент – изучает явления или объекты, имеющие разветвленную структуру и большое количество элементов, выполняющих сложную функцию.
Информационный эксперимент – изучает изменение состояние объекта исследования под влиянием сообщаемой ему информации. Проводится в биологии, психологии, социологии.
Вещественный эксперимент – предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта.
Энергетический эксперимент – используется для изучения воздействия различных видов энергии на объект. Применяется в естественных науках.
Обычный эксперимент – включает экспериментатора, объект исследования и средство измерения.
Модельный эксперимент – включает модельные объекты.
Мысленный и материальный эксперименты – в мысленном предметом исследования являются мысленные модели, а в материальном – реальные модели.
Пассивный эксперимент – предусматривает измерение только выбранных показателей в результате наблюдения без вмешательства в его функционирование.
Активный эксперимент – связан с выбором специальных входных сигналов (факторов) и контролирует вход и выход исследуемой системы.
Однофакторный эксперимент – предполагает выделение нужных факторов, стабилизацию мешающих и поочередное варьирование (изменение) интересующих факторов.
Многофакторный эксперимент – предполагает варьирование нескольких факторов и изучение поведения объекта.
Технологический эксперимент – направлен на изучение элементов технологического процесса – продукции, оборудования и т.д.
Социометрический эксперимент – используется для измерения существующих межличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего изменения (анкетирование деятельности преподавателей среди групп студентов).
Планирование эксперимента
Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), которая включает: цель и задачи эксперимента, выбор варьируемых факторов, обоснование объема эксперимента, числа опытов, порядок реализации опытов, 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.
Применение математических методов позволяет при планировании эксперимента оптимизировать объем экспериментальных исследований и повысить их точность.
При выборе варьируемых факторов необходимо установить основные и второстепенные характеристики, которые влияют на процесс, и проанализировать расчетные схемы процесса. На основе этого анализа все факторы классифицируются и составляются в ряд по убывающей важности для данного эксперимента.
При выборе средств измерений необходимо в первую очередь использовать стандартные приборы, методики определения, которые регламентируются инструкциями, ГОСТами и другими официальными нормативными документами.
Мусаев А. Библия для адъюнктов и соискателей. Как подготовить и защитить кандидатскую диссертацию: методическое пособие
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТ!
