Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания

    Обычный (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 воздействуют 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.

    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 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.); 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 проводиться особенно тщательно. Необходимо 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. 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).