Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания

    Различие  между орудиями эксперимента при  моделировании позволяет выделить мысленный и материальный эксперимент. Орудиями мысленного (умственного) эксперимента являются мысленные модели исследуемых объектов и явлений. Для обозначения мысленного эксперимента иногда пользуются терминами: идеализированный или воображаемый эксперимент. Так, Галилей в мысленном эксперименте пришел к выводу о существовании движения инерции, согласно которой движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие. Этот вывод мог быть получен только с помощью мысленного эксперимента. По этому поводу А. Эйнштейн говорил следующее: «Мы видели, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением…». Мысленный эксперимент используется не только учеными, но и писателями, художниками, педагогами, врачами. Мысленное экспериментирование ярко проявляется в мышлении шахматистов. Огромна роль мысленного эксперимента в техническом конструировании и изобретательстве. Материальный эксперимент имеет аналогичную структуру. Однако в 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. Сходство мысленного с реальным в значительной мере определяется тем, что всякий реальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на практике, сначала проводится человеком мысленно в процессе обдумывания и планирования. Поэтому мысленный эксперимент нередко вступает в роли идеального плана реального эксперимента, в известном смысле предваряя его.

    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; за работоспособностью определенной группы лиц; за показателями, изменяющимися с возрастом 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 измерения.

    Приведенная классификация экспериментальных исследований не может быть признана полной, поскольку с расширением научного знания расширяется и область применения экспериментального метода. Кроме того, в зависимости от задач эксперимента различные его типы могут объединятся, 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.); обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.

    Особое  значение имеет правильная разработка методик эксперимента. Методика —  это совокупность 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.

    Правильно разработанная методика экспериментального исследования предопределяет его ценность. Поэтому разработка, выбор, определение методики должно проводится особенно тщательно. Необходим о убедиться в том, что она соответствует современному уровню науки, условиям, в которых выполняется исследование. Целесообразно проверить возможность использования методик, применяемых в смежных проблемах и науках.

    Выбрав  методику эксперимента, исследователь  должен удостовериться в ее практической применимости, так как она может  оказаться неприемлемой или сложной  в силу специфических особенностей климата, помещения, лабораторного  оборудования, персонала, объекта исследований и т.д.

      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 измерения факторов; выбор шага изменения факторов, задавание интервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

    Применение  математической теории эксперимента позволяет уже при планировании определенным образом оптимизировать объем экспериментальных исследований и повысить их точность.

    Важным  этапом подготовки к эксперименту является определение его целей и задач. Количество задач для конкретного  эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3…4).

    Необходимо  также обосновать набор средств  измерений (приборов) другого оборудования, машин и аппаратов. В отдельных  случаях возникает потребность  в создании уникальных приборов, установок, стендов для разработки темы.

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

    При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и  измерения) повторные отсчеты на приборах, как правило, неодинаковы. Отклонения объясняются различными причинами — неоднородностью свойств изучаемого тела (материал, конструкция и т.д.), несовершенностью приборов и классов их точности, субъективными особенностями экспериментатора и др. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт, тем больше расхождения цифр, получаемых при измерениях, т.е. тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать их минимальное количество Под потребным минимальным количеством измерений понимают такое количество измерений, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Установление потребного минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств.

    Обработка и  анализ экспериментальных данных сводится к систематизации всех цифр, классификации. Результаты экспериментов  должны быть сведены в удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять и проанализировать результаты. Все переменные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПОГРЕШНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НИХ. ПРИБОР КАК ИДЕАЛЬНЫЙ  КАНАЛ СВЯЗИ МЕЖДУ  ИССЛЕДОВАТЕЛЕМ И  ОБЪЕКТОМ. ПРИНЦИП  СОВМЕСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ  ОДНОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ  НЕСКОЛЬКИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. НЕЗАВИСИМОСТЬ (ПЕРЕСТАНОВОЧНОСТЬ) И АДДИТИВНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК. ВЛИЯНИЕ ПРИБОРА НА ПРОЦЕСС РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. 

    Дмитрий Иванович Менделеев о значении измерений  для науки говорил: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». А английский физик В. Томсон (Кельвин) указал на то, что «каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».

    Измерение следует отличать от других приемов  количественной характеристики величин, применяемых в тех случаях, когда  нет однозначного соответствия между величиной и ее количественным выражением в определенных единицах. Так, визуальное определение скорости ветра по шкале Бофорта или твердости минералов по шкале Мооса следует считать не измерением, а оценкой.

    При исследовании приходится иметь дело с измерением физических величин. Под физической величиной понимается особенность, свойство, общее в качественном отношении многим физическим явлениям, объектам, физическим системам, их состояниям и т.п., но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта (Советский энцикл. словарь, 1987). Примерами физических величин служат масса, плотность, интервал времени, вязкость и др.).

    Под измерением физической величины понимают последовательность операций, выполняемых  опытным путем при помощи технических средств, специально предназначенных для этой цели, по нахождению с известной точностью значения физической величины, характеризующей исследуемый объект или явление. (Измерить физическую величину — это значит найти опытным путем значение физической величины, используя специальные технические средства).

    Измерение начинают с приведения технического средства измерения во взаимодействие с исследуемым объектом. В результате возникает измерительный сигнал на входе средства измерения. Оканчивают измерение при получении информации о физической величине в виде значения величины и оценки погрешности этого значения.

    Строго  говоря, законченное измерение включает несколько элементов: собственно физический объект (явление), свойство или состояние  которого характеризует измеряемая величина; единицу этой величины; технические средства измерений, проградуированные в этих единицах; метод измерения и, наконец, наблюдателя (регистрирующее устройство), воспринимающего результат измерений.

    Наличие субъекта (исследователя), производящего измерения, не всегда является обязательным. Он может и не принимать непосредственного участия в процессе измерения, если измерительная процедура включена в работу автоматической информационно-измерительной системы. Последняя строится на базе электронно-вычислительной техники. Причем с появлением сравнительно недорогих микропроцессорных вычислительных устройств в измерительной технике стало возможным создание «интеллектуальных» приборов, в которых обработка данных измерений производится одновременно с чисто измерительными операциями.

    Различают следующие виды измерений: прямые, косвенные,  совокупные и совместные.

    Прямым измерением называют измерение физической величины, при котором входной измерительный сигнал уже содержит информацию об измеряемой физической величине, например измерения температуры физического объекта термометром, давления газа в сосуде манометром, атмосферного давления барометром, массы тела взвешиванием на рычажных весах и т.д. (т.е. при прямых измерениях искомую величину устанавливают непосредственно из опыта).

    Косвенным измерением называют измерение физической величины, при котором искомое значение вычисляют с помощью известной зависимости между искомой величиной и величинами подвергаемыми прямым измерением. Например, вычисление значения электрической мощности постоянного тока по показаниям амперметра и вольтметра, определение удельного электрического сопротивления цилиндрического проводника прямыми измерениями длины, диаметра поперечного сечения и электрического сопротивления проводника (при косвенных измерениях искомую величину устанавливают функционально от других величин, определенных прямыми измерениями).