Кузьмин С.И. Методы научных исследований в технических задачах

Подождите немного. Документ загружается.

обоснование методологических и идеологических подходов

к изучению и объяснению явлений объективного мира. С

другой стороны многообразие научных проблем способству-

ет разработке и использованию частных методов, примени-

мых к решению узкого круга задач. Необходимым и безус-

ловным ограничением здесь выступает только требование

научного обоснования метода (его объективность).

Продуктивность метода заключается в предоставлении

такого алгоритма действий, который ведет к постановке и

решению задачи. Конечно, это решение может подразумевать

разное воплощение и не всегда устраивающее исследователя,

но метод должен четко устанавливать требования, выполне-

ние которых обязательно и только в этом случае гарантирует

получение объективного и достоверного результата.

Классификация методов научного познания основана как

на

принципах разделения подходов и уровней познания, так и

на способах реализации процесса исследования.

Выделяя два принципиальных подхода к философскому

осмыслению познания объективного мира, соответственно

признаются и два всеобщих научных метода: метафизиче-

ский и диалектический. Хотя надо отметить, что такое разде-

ление уже имеет скорее исторический смысл, чем практиче-

ский, так как

в настоящее время диалектика является безого-

ворочным принципом осмысления действительности.

Следующий классификационный признак основан на вы-

делении теоретического и эмпирического уровней познания

и, соответственно, методов исследований. Эти методы отно-

сятся к так называемым, общенаучным, так как обладают

свойством универсальности и могут применяться во всех об-

ластях научной деятельности.

Теоретический метод

исследования основан главным об-

разом на изучении явления через фундаментальные законы

природы – сохранения массы вещества и энергии, сохране-

нии количества движения и импульса и т.п.

Эмпирический метод базируется на экспериментальном

изучении явления.

Получаемые при эмпирических исследованиях результа-

ты правомерно распространять только на те явления и объек-

ты, которые аналогичны или подобны изучаемому объекту по

основным характеристикам. Это влечет за собой необходи

мость проведения специальных научных работ даже при изу-

чении одного и того же процесса, но протекающего в различ-

ных условиях.

Тем не менее, необходимо отметить, что в технических

областях знаний, при исследовании сложных объектов с мно-

гочисленными связями и побочными эффектами, теоретиче-

ские методы позволяют определить только физическую при-

роду

того или иного явления, а предсказать поведение объек-

та при различных состояниях его частей или при том или

ином внешнем воздействии, удается только на основе экспе-

риментальных исследований.

К основным общенаучным методам так же можно отне-

сти и способы реализации мысленного или практического

приема исследования: анализ; индукцию и дедукцию; обоб-

щение

; моделирование; идеализацию; формализацию; абст-

рагирование; эксперимент; системный анализ [2]. Эти подхо-

ды используются (в совокупности или отдельно) при реше-

нии любой исследовательской задачи.

Анализ – метод исследования, основанный на расчлене-

нии объекта (системы) на составные части, и выявления роли

каждой из них в отдельности и в совокупности;

Индукция – умозаключение о свойстве множества

по не-

которым формам отдельного элемента. Дедукция – умозак-

лючение о свойствах отдельного элемента на основании зна-

ния общих свойств множества. Индукция и дедукция, взаи-

мообразные методы, основанные на приёмах формальной ло-

гики.

Обобщение – формулирование общего понятия, как но-

сителя определяющих черт объекта. Обобщение использует-

ся при формулировании теории, законов природы и поведе-

ния исследуемого объекта;

Моделирование – метод исследования основанный на

изучении поведения не реального объекта, а его модели (фи-

зической, математической, аналоговой и.т.

п.);

Идеализация – мысленное конструирование объектов,

которые реально не осуществимы (идеальный газ и т.п.), но

обладающие ярко выраженными свойствами, определяющи-

ми суть объекта, без наложения на них некоторых черт при-

сущих существующим объектам;

Формализация – представление объекта в форме каких-

либо символов, знаков или формального искусственного язы-

ка (математики, химии). Формализация, как

и идеализация,

помогают отделить сущность явления от второстепенных

черт.

Абстрагирование – один из способов упрощения реаль-

ного объекта путем рассмотрения только наиболее сущест-

венных и главным образом интересующих исследователя

сторон;

Эксперимент и наблюдение – практическая фиксация

поведения объекта исследования при четко установленных

условиях его состояния. Эти условия могут организовываться

искусственно (экспериментально) или

фиксироваться как

данные (наблюдение).

Системный анализ – обобщенный метод исследований,

основанный на одновременном учете всех элементов и свя-

зей, образующих систему и направленный как на изучение

поведения самой системы, так и отыскания её наилучшего

(по заданным условиям) состояния.

Методы, используемые только в пределах какой-либо

одной науки, называются частнонаучными. Частнонаучные

методы так же обладают признаком универсальности, но на

область их применения накладывают ограничения специфика

и «физика» проблемы. Общенаучная универсальность подхо-

да в этом случае конкретизируется набором конкретных про-

цедур, что обеспечивает более эффективное и продуктивное

решение определенного класса задач

1.2. Методы эмпирического исследования

Существенной чертой научной проблемы является её по-

следовательное возобновление. Как бы глубоко не решалась

задача на каком-либо временном отрезке, через какой-то

промежуток времени возникает необходимость в ее новом

более глубоком или дополнительном изучении. Приемлемое

решение научной проблемы определяется не только уровнем

состояния общественного сознания, но

и главным образом

востребованностью результатов решения для создания более

совершенных технических устройств.

В большинстве технических задач временной ресурс для

достижения практических результатов исследования весьма

ограничен, и зачастую нет необходимости ждать объяснения

всех причинно-следственных связей и их природы для того,

что бы обеспечить внедрение новых достижений в практику.

Потребность в

решении, направленном на совершенствова-

ние производственного процесса, требует более быстрого

удовлетворения, чем это необходимо для нахождения полно-

го его обоснования, включающего объяснение явлений на

основе познания внутреннего механизма. Такой подход к

решению технических задач базируется на эмпирическом

знании об объекте, которое отражается в его внешних связях

и проявлениях, доступных живому созерцанию

Выделяют два основных метода (способа достижения це-

ли) эмпирического исследования: наблюдение и эксперимент

[1].

Наблюдение – целенаправленное восприятие объекта без

активного вмешательства в его поведение. Исследователь

вынужден пассивно ждать естественного проявления необхо-

димых эффектов в поведении объекта. Это значительно уд-

линяет ожидаемое время сбора информации. Что бы наблю-

дение было плодотворным, оно

должно быть:

Преднамеренным – то есть вестись для решения чётко

поставленной задачи.

Целенаправленным и активным – фиксировать только

интересующие черты объекта, причём включать активный

розыск этих черт.

Планомерным и систематическим – вестись по плану,

учитывающему задачи исследования и возможность воспри-

ятия объекта в разнообразных условиях.

Однако наблюдение как опыт не может преодолеть своей

ограниченности, вытекающей из пассивности наблюдателя

по отношению к объекту исследования. Опыт не должен сво-

диться к простому наблюдению, он должен всякий раз, когда

возможно, вмешиваться в реальность, изменяя условия воз-

никновения явлений и фиксируя ответ объекта. Это достига-

ется экспериментом.

Под экспериментом понимается вид деятельности,

предпринимаемой в целях научного познания, открытия

объ-

ективных закономерностей и состоящей в воздействии на

изучаемый объект посредством специальных инструментов и

приборов. Благодаря этому удаётся:

- ускорить, изолировать явление от влияния побочных, несу-

щественных и затемняющих его сущность явлений и изучать

его в чистом виде;

- многократно воспроизводить ход процесса в строго фикси-

рованных условиях;

- планомерно изменять (варьировать) и комбинировать раз-

личные условия в целях получения искомого результата.

Наиболее сложной проблемой остаётся формулировка

цели эксперимента, как вопроса природе. Обычно вопрос

формулируется на основе прежних знаний на языке матема-

тики, используя абстрактно-символическую форму записи.

Методологически эксперимент различают:

- по классу объекта (с живой

и неживой природой, и со-

циальными явлениями).

- по масштабности – лабораторный эксперимент (нату-

ральный, модельный, мысленный) и полевой (в условиях

производства и социальных групп).

- по цели – фундаментальный эксперимент, в котором ве-

дущую роль играет познание и прикладной – в основе кото-

рого лежит необходимость достижения определённых произ-

водственных или социальных целей.

Объективность

эмпирического метода исследования в

значительной степени зависит от индивидуального подхода к

постановке и реализации самой задачи. И при использовании

этого метода необходимо особенно тщательно согласовывать

стратегию работ с общенаучными методами, основным из

которых и важнейшим при экспериментальных исследовани-

ях является системный подход.

Системный подход принадлежит к наиболее общим ме-

тодам

научной деятельности. Его основные положения при-

менимы как к фундаментальным, так и прикладным работам,

проводимым как на теоретическом, так и на эксперимен-

тальном уровнях.

1.3. Принципы системного подхода

Принципы системного подхода определяются из общего

понятия – «система». Во многих случаях слово «система»

применяется как синоним собирательного понятия, совокуп-

ность. Однако в последнее время понятию «система» прида-

ют более глубокий смысл, нежели простая совокупность ре-

альных или абстрактных объектов. С научных позиций сис-

тема определяется как совокупность (комбинация, набор)

взаимосвязанных элементов или частей, образующих единое

целое, направленное на достижение единой цели.

При изучении любой

системы прежде всего необходимо

выяснить важнейшие её характеристики: -функцию; -цель;

-структуру.

Под функцией понимают те действия системы, которые

выражаются в изменении её возможных состояний.

Целью – называют определённое состояние системы, ха-

рактеризуемое соответствующим значением количественных

или качественных показателей – «выходов».

Структура – определяется расположением и взаимосвя-

зями элементов системы при выполнении ею своих

функций.

Обычно функция зависит от величины и сложности системы.

Величина – характеризуется числом элементов и связей

между ними.

Сложность системы - выражается многообразием и не-

однородностью свойств элементов и разным качеством свя-

зей.

Системный подход представляет собой совокупность ме-

тодологических принципов и положений, позволяющих рас-

сматривать систему как единое целое с согласованием

дея-

тельности всех её элементов. Он предполагает изучение каж-

дого элемента системы в его связи и во взаимодействии с

другими элементами.

Системный принцип (подход) это признание того, что

любая система, состоит из частей, каждая из которых облада-

ет своими собственными целями. Поэтому, общую цель мож-

но достигнуть, только рассматривая комплекс

элементов и

связей как единую систему, стремясь для этого выявить, по-

нять и оценить взаимодействие всех её элементов.

Системный анализ – комплекс специальных процедур,

приёмов, методов, позволяющих реализовать системный

подход при исследовании и решении практических задач в

различных областях деятельности человека. По своему ха-

рактеру системный анализ является научным процессом (ме-

тодологией). Он предполагает

выполнение следующих ос-

новных этапов [1]:

1. Формирование проблемы;

2. Формирование целей;

3. Исследование и генерирование альтернатив, которые

ведут к достижению цели системы;

4. Взаимное сравнение альтернатив и выбор оптимально-

го способа достижения цели.

Формулирование проблемы – на этом этапе необходимо

сформулировать научную проблему в виде четкой формали-

зованной задачи. В качестве научной проблемы

в техниче-

ских задачах обычно принимается некоторое «противоречие»

препятствующее достижению желаемого технического, эко-

номического, экологического или иного положительного ре-

зультата.

Формирование целей. Под целями понимается желаемые

значения выходов системы. Любая система состоит из от-

дельных элементов и подсистем со своими целями. Обычно

общая цель не выводима из совокупности локальных целей.

Поэтому необходимо так формулировать цели подсистем, что

бы они способствовали достижению общей цели. Для этого

используют метод «дерева целей» – граф, вершины которого

соответствуют целям, а рёбра – связям между целями. «Дере-

во целей» – иерархическая структура. Вершина верхнего

уровня – общая цель, а остальные вершины - локальные цели.

При составлении схемы «дерева целей» необходимо выпол

нить два условия: полноты и непротиворечивости.

Полнота –должно обеспечиваться разностороннее рас-

смотрение общей цели, и проявляться ее связь с локальными.

Непротиворечивость - отсутствие циклов.

Генерирование альтернатив (гипотез) - это поиск путей

достижения целей. На этом этапе полезно применять различ-

ные методы и приемы, в том числе анализ, индукцию и де-

дукция, абстрагирование.

При выработке альтернатив бывает

полезным метод «мозгового штурма».

В основе приема «мозгового штурма» заложено четкое

разделение процессов генерирования гипотезы и ее обсужде-

ние. Как правило, при одновременном выдвижении и обсуж-

дении любой новой или необычной идеи находится множест-

во аргументов, в том числе и научных, которые подвергают

сомнению ее реальность, полезность

и осуществимость, даже

не вникнув в то новое и необычное, что может нести в себе

это предложение. Американец А. Осборн предложил вести

генерирование идей в условиях, когда критика гипотез вооб-

ще запрещена. Все высказанные гипотезы обсуждаются и

оцениваются специалистами не входящими в «штурмовой»

коллектив, а отсутствие авторства у гипотезы не

несет на се-

бе печать давления «авторитетного мнения». И как оказалось,

наиболее продуктивными идеями являются именно абсурд-

ные на первый взгляд предложения, которые если и не сами

или не в чистом виде реализовываются на практике, но под-

сказывают технически необычное решение нестандартных

задач.

Выбор оптимального способа достижения цели. Необ-

ходимо оценить

каждую альтернативу и выбрать лучшую.

Процесс поиска наилучшего решения называется оптимиза-

цией. Оценка альтернатив осуществляется с помощью целе-

вой функции (критерия). В качестве целевой функции могут

выступать математические, физические или экономические

показатели. В том числе не связанные непосредственно с вы-

ходами системы, а определяющими стратегию реализации

исследования (например количество опытов, их сложность

или затраты на эксперименты).

1.4 .Система. Модель системы

Система определяется совокупностью системных объек-

тов, их свойствами и отношением между ними. Функцией та-

кой системы является цель, к получению которой стремится

исследователь.

Поведение системы оценивается по величине её выходов

, образующих поле поведения системы в пределах

maxmin

yyy

≤≤

. Границы поля поведения

),(

maxmin

опреде-

ляются пределами объективного существования данного вы-

хода или его значениями, устанавливаемыми задачами иссле-

дования.

Целенаправленное изменение поля поведения системы,

равно как и поддержание его стационарным, осуществляется

за счёт управления уровнями входов

(или факторов), об-

разующих факторное пространство в пределах:

maxmin iii

XXX

≤

Число факторов влияющих на выходы

системы может

быть весьма велико, но, как правило, управление ведётся по

ограниченному числу факторов

−

. Остальные

)( KN −

не-

управляемых факторов образуют группу случайно изменяю-

щихся

При изучении конкретной системы всегда приходится

абстрагироваться от ряда происходящих в ней явлений. Такая

абстракция позволяет выделить и анализировать наиболее

важные для данного исследования характеристики системы

из того множества, которыми она обладает. При этом стано-