Введение. 
Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий

Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является 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.

В данной работе будут рассмотрены основные понятия науки планирования эксперимента:

• — задачи, виды, цели, стратегия, тактика, методика экспериментов;
• — определение и виды факторов, их выбор и требования к ним, а также методы, способы и средства измерений.

Классификация, виды и задачи экспериментов

Наука — сфера исследовательской деятельности, направленная на получение новых знаний о природе, обществе и мышлении. В настоящее время развитие науки связано с разделением и кооперацией научного труда, созданием научных учреждений, экспериментального и лабораторного оборудования.

Эксперимент в ходе развития науки выступал мощным средством исследования явлений природы и технических объектов. Но лишь сравнительно недавно он стал предметом исследования. Пристальное внимание ученых и инженеров к тому, как лучше и эффективней проводить эксперимент, возникло не случайно, а является следствием достигнутого уровня и масштаба экспериментальных работ на современном этапе развития науки и техники. Этот этап с рассматриваемой точки зрения характеризуется:

• — ростом общего числа проводимых экспериментальных работ;
• — увеличением количества специалистов, занимающихся экспериментальной деятельностью;
• — существенным усложнением объектов исследования и используемого экспериментального оборудования;
• — тенденцией к удлинению среднего времени экспериментирования и удорожанию исследований;
• — начавшаяся процессом внедрения средств и систем автоматизации эксперимента.

Известно, что новая наука может возникнуть, если существует объективная необходимость ее появления и имеется предмет новой науки, представляющий общенаучный интерес. Сказанное в полной мере относится и к теории планирования эксперимента. Предмет исследования этого научного направления — эксперимент.

Однако особенности планирования, постановки эксперимента рассматриваются и в физике, и в химии, и в прикладных науках. Для того, чтобы эксперимент стал предметом исследования отдельного научного направления, необходимо, чтобы он характеризовался некоторыми чертами, общими для любого эксперимента независимо от того, в какой конкретной области знаний эксперимент проводится. Такими общими чертами эксперимента является необходимость:

• 1) контролировать любой эксперимент, т. е., исключать влияние внешних переменных, не принятых исследователем по тем или иным причинам к рассмотрению;
• 2) определять точность измерительных приборов и получаемых данных;
• 3) уменьшать до разумных пределов число переменных в эксперименте;
• 4) составлять план проведения эксперимента, наилучший с той или иной точки зрения;
• 5) проверять правильность полученных результатов и их точность;
• 6) выбирать способ обработки экспериментальных данных и форму представления результатов;
• 7) анализировать полученные результаты и давать их интерпретацию в терминах той области, где эксперимент проводится.

Как и в любом сформировавшемся научном направлении, в теории планирования эксперимента выработалась определенная система основополагающих понятий и терминов. Приведем наиболее важные из них.

Объект исследования есть носитель некоторых неизвестных и подлежащих изучению свойств и качеств.

Планирование эксперимента — это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью.

Принципы, положенные в основу теории планирования эксперимента, направлены на повышение эффективности экспериментирования, т. е.:

• — стремление к минимизации общего числа опытов;
• — одновременное варьирование всеми переменными, определяющими процесс, по специальным правилам — алгоритмам;
• — использование математического аппарата, формализующего многие действия экспериментатора;
• — выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованное решение после каждой серии экспериментов.

Задачи, для решения которых может использоваться планирование эксперимента, чрезвычайно разнообразны.

Поиск оптимальных условий, построение интерполяционных формул, выбор существенных факторов, оценка и уточнение констант теоретических моделей, выбор наиболее приемлемых из некоторого множества гипотез о механизме явлений, исследование диаграмм — свойство — вот примеры задач, при решении которых применяется планирование эксперимента. Можно сказать, что там, где имеет место эксперимент, есть и наука о его проведении — планирование эксперимента.

Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Постановка и организация эксперимента определяют его назначение.

Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными и т. д.

Они различаются:

По способу формирования условий:

• — естественные;
• — искусственные.

По целям исследования:

• — преобразующие;
• — констатирующие;
• — контролирующие;
• — поисковые;
• — решающие.

По организации проведения:

• — лабораторные;
• — натурные;
• — полевые;
• — производственные и т. д.

По структуре изучаемых объектов и явлений:

• — простые;
• — сложные.

По характеру внешних воздействий на объект исследования:

• — вещественные;
• — энергетические;
• — информационные.

По характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования:

• — обычный;
• — модельный.

По типу моделей, исследуемых в эксперименте:

• — материальный;
• — мысленный.

По контролируемым величинам:

• — пассивный;
• — активный.

По числу варьируемых факторов:

• — однофакторный;
• — многофакторный.

По характеру изучаемых объектов или явлений:

• — технологические;
• — социометрические.

Конечно, для классификации могут быть использованы и другие признаки.

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;
• — определить способы и приемы вмешательства в объект исследования;
• — обеспечить условия для осуществления процедуры экспериментальных работ;
• — разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов эксперимента (приборы, установки, модели и т. п.);
• — обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом.