Кузьмин С.И. Методы научных исследований в технических задачах

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Ангарская государственная техническая академия

Кафедра "Промышленного и гражданского строиетльства"

С.И. Кузьмин

Методы научных исследований

в технических задачах

Учебное пособие

для студентов технических специальностей

Ангарск 2010 г

С.И. Кузьмин Методы научных исследований в техниче-

ских задачах. Учебное пособие для студентов технических

специальностей. Ангарск, 2010 г – 247 с.

В учебном пособии рассмотрены общенаучные методы

проведения исследовательских работ. Изложены основные

положения теории вероятности и математической статисти-

ки. Из приемов, применяемых в технике, выделены методы

системного анализа, подобия, математического и физическо-

го моделирования многофакторных объектов. Статистиче-

ские методы моделирования технических систем проиллюст-

рированы примерами. Изложены основы теории решения

изобретательских задач и

методика проведения патентных

исследований. Организация научно-исследовательской рабо-

ты излагается в соответствие с действующими стандартами.

Приведены требования и рекомендации по оформлению от-

четов по научно-исследовательским работам.

Содержание

Введение ............................................................................................

1. Системный подход и системный анализ в научных

исследованиях………………………………………………………...

1.1 Методы научных исследований.....................................................

1.2. Методы эмпирического исследования.........................................

1.3. Принципы системного подхода.....................................................

1.4 .Система. Модель системы.............................................................

2. Характеристики случайных величин..........................................

2.1. Основные понятия..........................................................................

2.2. Свойства математического ожидания и дисперсии....................

2.3. Виды распределения случайной величины..................................

2.3.1. Равномерное

распределение.......................................................

2.3.2. Боминальное распределение (Бернулли)...................................

2.3.3. Нормальное распределение случайных величин......................

2.3.4. Распределение

(хи - квадрат)................................................

2.3.5. Распределение Стьюдента (

- распределение)........................

2.3.6. Распределение Фишера...............................................................

3. Определение параметров функции распределения..................

3.1. Генеральная совокупность и случайная выборка........................

3.2. Оценки математического ожидания и дисперсии.......................

3.3. Определение дисперсии по текущим измерениям......................

3.4. Доверительные интервалы и доверительная вероятность..........

3.5. Проверка статистических гипотез.................................................

3.6. Оценка математического ожидания нормально

распределенной случайной величины..........................................

3.7. Сравнение двух дисперсий............................................................

4. Метрологические проблемы анализа и моделирования

в технических задачах.......................................................................

5. Статистический анализ параметров системы...........................

5.1. Дисперсионный анализ..................................................................

5.2. Корреляционный и регрессивный анализ....................................

5.3. Регрессия.........................................................................................

5.4. Метод наименьших квадратов.......................................................

6. Методы планирования экспериментов……………...................

6.1. Общие положения………………...............................………........

6.2. Формализация построения статистической……………………

функциональной модели...............................................................

6.3 Характеристика планов многофакторных исследований............

6.3.1. Полный факторный эксперимент (ПФЭ)..................................

6.3.2. Дробный факторный эксперимент (ДФЭ).................................

6.4. Планы второго порядка..................................................................

6.4.1. Трехуровневый полный факторный эксперимент....................

6.4.2. План Бокса

..............................................................................

6.4.3. Несимметричные планы типа М

⋅М

...................................

6.4.4. Анализ полиномиальных моделей и особенности проведе-

ния экспериментов.................................................................................

7. Метод подобия и моделирования в технических задачах........

7.1. Теория размерности физических величин....................................

7.2. Подобие и моделирование физических процессов......................

7.3.Особенности моделирования стохастических систем.................

8. Изобретательская деятельность и патентоведение……..........

8.1. Основные термины и определения...............................................

8.2 Патентная документаци..................................................................

8.3 Методы анализа технических решений и создания ……………

изобретений……………………………………………………….......

8.3.1. Закономерности существования и развития технических

систем....................................................................................................

8.3.2. Теория решения изобретательских задач.................................

8.3.2. Противоречия в технических системах....................................

8.3.3. Решение изобретательских задач на уровне физического

противоречия.......................................................................................

8.3.4. Метод решения изобретательских задач.................................

9. Организация выполнения научно-исследовательской

работы…………………………………………………………………

9.1. Порядок разработки согласования и утверждения техническо-

го задания НИР......................................................................................

9.2. Порядок выполнения научно-исследовательской работы.........

9.3. Рассмотрение и приемка законченной научно-

исследовательской работы..................................................................

9.4. Отчет о научно-исследовательской работе..................................

9.5. Правила оформления отчета..........................................................

Литература ……………………………………………………………

105

115

122

123

124

131

139

142

151

166

181

182

187

194

198

201

207

212

223

225

228

231

232

236

243

Введение

Современный этап существования и развития общества

протекает в условиях возрастающего дефицита энергоноси-

телей и природных ресурсов. В то же время повышение

уровня жизни населения требует все более интенсивного уве-

личения производства всех видов энергии, продуктов пита-

ния, предметов потребления. И предотвратить глобальную

катастрофу из-за истощения природных ресурсов может

только

создание принципиально новых технологий получе-

ния материальных ценностей.

Разработка новых технологических подходов во всех ви-

дах человеческой деятельности возможно только через глу-

бокое познание законов объективного мира, которое осуще-

ствляется по средствам научных исследований. А внедрение

научных достижений при решении практических задач - важ-

нейший фактор обеспечения жизненно-необходимого уровня

энерго -

и ресурсо- потребления (включая воздух, воду, про-

дукты питания) и перехода к экологически безопасным тех-

нологиям.

Разнообразие технических проблем и задач, которые тре-

буют своего решения на уровне «научного исследования»

вызывает необходимость в привлечении к этому виду дея-

тельности всё большего числа инженерно-технических ра-

ботников. И представляется важным и необходимым

выра-

ботка единых и обоснованных методологических подходов к

проведению научных исследований.

Методология научных исследований основывается на за-

конах диалектики и теории познания и проявляется в соот-

ветствующих методах – общих правилах и приемах, следова-

ние которым позволяет получить объективные результаты и

снизить риск ошибочных и непроизводительных действий.

Методы научных исследований развивались

вместе с фи-

лософскими воззрениями на устройство мира. И иногда оши-

бочные выводы и теории являлись следствием ошибочного

метода. Так, например, основной «метод» античности – умо-

заключение - послужил обоснованием теории геоцентриче-

ского устройства мира. Или этот же метод, к тому же осно-

ванный на здравом смысле о том, что все, в конце концов,

должно чем-то оканчиваться привел к возникновению теории

строения вещества

с конечным элементом (неделимой час-

тичкой) - атомом. Ошибочность таких умозрительных выво-

дов была доказана только с развитием новых методов, в том

числе и экспериментального изучения явлений. Поэтому

очень важно, что бы используемые методы обладали свойст-

вами истинной «научности», то есть доказательностью и не-

зависимостью от предположения и желания автора или

поль-

зователя метода.

При проведении научных исследований очень важно вы-

брать метод, наиболее эффективный для решения данной за-

дачи. При этом зачастую играет роль не только уверенность в

достижении поставленной цели именно при помощи выбран-

ного метода, но и затраты ресурсов и времени на этот про-

цесс. Так известен случай с

изобретателем Т.А. Эдисоном,

когда он предложил «чистому» математику определить объ-

ем электрической лампочки. Используя математические ме-

тоды, ученый решил задачу в течение нескольких часов и ко-

гда принес результат «боссу», тот, показал, как решается эта

же задача всего за несколько секунд простым опытом. (Все-

таки, наверное, стоит отметить, что

математическое решение

более универсальное, так как применимо к лампочкам по-

добной формы не зависимо от размеров, в то время как опыт-

ным путем приходится определять объём для каждого нового

размера).

Общенаучный метод в научных исследованиях рассмат-

ривается как некая стратегическая категория, определяющая

основные принципы проведения работ. В тоже время реали-

зация метода и решение конкретных задач производится на

основе «частных» методов и методик. Последние определяют

условия (оборудование, приборы, состояние объекта и.т.п.),

полный набор и последовательность выполнения операций,

которые необходимы в данном исследовании. Иногда мето-

дики приходится разрабатывать (на основе общего методоло-

гического подхода к исследованиям) самим исполнителям, а

иногда

самим методом и классом решаемой задачи предпи-

сывается обязательное использование стандартных методик

(например, исследование физико-механических характери-

стик строительных материалов).

Учитывая, что в технических областях знаний преобла-

дают экспериментальные исследования, в настоящем посо-

бии предлагаются проверенные и формализованные реко-

мендации получения и обработки информации, проведения

лабораторных и промышленных экспериментов, методы

ма-

тематического и физического моделирования технологиче-

ских процессов.

Естественно, что изложенный в пособии материал далеко

не исчерпывает всего многообразия, как методологических

подходов, так и методов. И автор считает своим долгом пре-

дупредить читателя (и надеется, пользователя) о том, что не-

которые интересные вопросы не нашли подробного освеще-

ния. В частности,

поиск решения технических задач, метода-

ми организации научного процесса изложен только в объеме,

необходимом для соблюдения формальных требований стан-

дарта. Однако следует иметь в виду, что методы, основанные

на организационных и психологических принципах способны

давать высокопродуктивные результаты. Здесь следует, ко-

нечно, отметить метод, который первым предложил и успеш-

но реализовал Т

.А. Эдисон, заключающейся в создании спе-

циализированного учреждения – научно-исследовательской

лаборатории (позже института), которая занимается исклю-

чительно научными проблемами. И такое, казалось бы, оче-

видное, на современный взгляд мероприятие, объединившее

в единый коллектив специалистов различного профиля, обес-

печило их эффективную работу. Другой пример организаци-

онного метода в научных исследованиях - «метод мозгового

штурма», когда собирают в одну группу и специалистов в

различных областях деятельности и вообще неспециалистов,

решение проблемы основывается на позитивном обсужде-

нии любого предложения от любого участника группы без

критики и заведомой предубежденности.

Для решения научных проблем может использоваться и

психологические методы. Бывает достаточно просто внушить

работнику уверенность в безусловной выполнимости постав-

ленной задачи, и она решается успешно. Психологические

методы не исключают и прямого давления

на исполнителя.

Так всего за одну ночь (по непроверенным данным) был при-

думан миноискатель. Во время финской компании Красная

Армия несла неоправданно большие потери в наступатель-

ных операциях на минных заграждениях противника. Тогда

И. Сталин пригласил в Кремль группу известных инженеров

и ученых и поставил задачу создания прибора для обнаруже-

ния

мин. В случае невыполнения ученым грозила суровое на-

козание. И сознавая безвыходность положения, ими было

найдено и реализовано остроумное предложение об исполь-

зовании эффекта электромагнитной индукции.

Основное внимание в предлагаемом пособии уделяется

составлению математических моделей технических систем.

Собственно в итоге научного исследования, любая система

должна иметь математическое описание. Однако важно

по-

лучить решение с минимальными затратами времени и ре-

сурсов. И с этих позиций представляется перспективным

изучение методики рационального планирования экспери-

ментов – как универсального метода.

В пособии практически не рассматриваются методы ана-

логового и имитационного моделирования. Не умаляя важно-

сти и интересности этих моделей, все же представляется, что

по универсальности они уступают методу математического

моделирования или вернее, являются вспомогательными

приемами, обеспечивающими получения результатов, необ-

ходимых для составления математической модели.

Содержание настоящего пособия сформировано под

влиянием личного

опыта автора по изложению данного курса

студентам строительных специальностей. Общение с контин-

гентом средней физико-математической подготовки и к тому

же ориентированным, в основном на чисто технические дис-

циплины определило необходимость изложения некоторых

вопросов, не имеющих прямого отношения к методам науч-

ной работы, но способствующих более осознанному изуче-

нию теории

без обращения к другим, специальным источни-

кам. Так во 2-й и 3-й главах излагаются некоторые сведения

по математической статистике. Не претендуя на системати-

ческое изложение данных вопросов, тем не менее, опыт авто-

ра показывает, что целесообразно и полезно вспомнить неко-

торые положения (и даже термины и определения) теории

вероятности и математической

статистики. Это просто об-

легчает восприятие и изучение последующего материала.

Опыт научно-исследовательской работы автора так же в

основном связан со строительством. Поэтому примеры, при-

водимые в пособии, относятся к строительным дисциплинам.

Однако их очевидное содержание позволяет освоить суть то-

го или иного методического приема вне зависимости от «от-

раслевой

принадлежности» читателя. По этой причине автор

надеется, что предлагаемое пособие окажется полезным тех-

ническим работникам различных специальностей.

1. Системный подход и системный анализ в научных

исследованиях

1.1 Методы научных исследований

Научное исследование - это всегда выявление законо-

мерностей в причинно-следственных связях объективного

мира.

Познание закономерности осуществляется на основе ме-

тода научного исследования. Под методом понимается спо-

соб достижения цели [1]. Метод представляется некой про-

граммой построения и применения теории. В научной прак-

тике под методом обычно понимается совокупность принци-

пов и последовательность

некоторых операций (практическо-

го и теоретического воплощения), обеспечивающих установ-

ление закономерностей в изучаемом явлении.

Обоснованный метод исследований сам, как правило, яв-

ляется продуктом научного поиска. Его основные качества –

это объективность, универсальность и продуктивность.

Объективность метода проявляется в научной обосно-

ванности, позволяющей устанавливать истинные закономер-

ности и свойства явлений. Метод исследований

сам должен

предотвращать научную работу от заблуждений, спекуляций

и неправдоподобных выводов. Ложность или лженаучность

результатов и теорий как раз и проявляется в отсутствии со-

ответствующих методов, на которых базируется научная дея-

тельность.

Универсальность научного метода обеспечивается его

применимостью к различным задачам. И чем разнообразнее

виды задач, которые решаются методом (физические, техни

ческие, социальные, биологические и т.д.), тем он универ-

сальнее. Конечно не все методы, успешно применяющиеся в

научных исследованиях, носят черты широкой универсаль-

ности. К таким можно отнести только общенаучные методы,

основывающиеся на теории познания, ориентирующиеся на