Экспериментальные исследования. 
Научные исследования

Классификация, типы и задачи эксперимента

Наука экспериментальный исследование познание Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. Само слово эксперимент происходит от латинского «experimentum» — проба, опыт. В исследовательской работе термин «эксперимент» обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряжённых понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, проверка предсказания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, которые позволяют следить за ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Основной частью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Постановка и организация эксперимента определяется его назначением. Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными и т. п. Основные эксперименты, которые проводят в пищевой промышленности это — физико-химические, биохимические и микробиологические.

Эксперименты различаются по способу формирования условий (естественных и искусственных); по целям исследования (контролирующие, поисковые, преобразующие, констатирующие, решающие); по организации проведения (лабораторные, натуральные, производственные и т. п.); по структуре изучаемых объектов и явлений (простые и сложные); по характеру взаимодействия средств экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный); по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный) и др.

Из числа названных признаков наиболее часто применяется в технических науках, в частности в пищевой промышленности, — искусственный эксперимент, который предполагает формирование искусственных условий. Преобразующий (созидающий) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами. При этом исследователь в соответствии со вскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно создаёт условия, которые должны способствовать формированию новых свойств и качеств объекта. Констатирующий эксперимент используется для проверки определённых предположений. При этом констатируется наличие определённой связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется наличие определённых факторов. Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий на объект исследования с учётом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта. Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствии отсутствия достаточных предварительных данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, отсеиваются незначительные факторы. Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий, в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Решающий эксперимент даёт такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и противоречат другим. Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т. д. Чаще всего в лабораторном эксперименте изучается не сам объект, а его образец. Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научную информацию с минимальными затратами времени и ресурсов. Однако такой эксперимент не всегда полностью моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента. Натурный эксперимент проводится в естественных условиях и на реальных объектах. В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяют на производственные, полевые, полигонные и т. п. Натурный эксперимент всегда требует тщательного продумывания и планирования, рационального подбора методов исследования.

Эксперименты могут быть простыми и сложными. Простой используется для изучения объектов, не имеющих разветвлённой структуры с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих простейшие функции. В сложном эксперименте изучаются явления или объекты с разветвлённой структурой и большим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции. Высокая степень связности элементов приводит к тому, что изменение состояния какого-либо элемента или связи влечёт за собой изменение состояния многих других элементов системы. Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние различных добавок на качество продуктов питания. Пассивный эксперимент предполагает измерение только выбранных показателей в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирование. Примерами пассивного эксперимента является наблюдение: за числом заболеваний вообще или определённой болезнью, за работоспособностью отдельной группы людей и др. 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; поочерёдное варьирование интересующих исследователя факторов. Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том, что варьируются все переменные сразу и каждый эффект оценивается в данной серии эксперимента. Технологический эксперимент направлен на изучение элементов технологического процесса (продукции, оборудования, деятельности работников и т. п.) или процесса в целом.

Приведённая классификация экспериментальных исследований не может быть признана полной, поскольку с расширением научного знания, расширяется и область применения экспериментального метода.

Для проведения эксперимента необходимо: разработать гипотезу, подлежащую проверке; создать программы экспериментальных работ; определить способы и приёмы вмешательства в объект исследования; обеспечить условия для осуществления процедуры экспериментальных работ; подготовить средства эксперимента (приборы, установки); обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом. Особое значение имеет правильная разработка методик эксперимента. Методика — это совокупность мысленных и физических операций, размещённых в определённой последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования. Правильно разработанная методика экспериментального исследования предопределяет его ценность. Поэтому разработка, выбор, определение методики должно проводится особенно тщательно.

Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который включает: цель и задачи эксперимента; выбор варьирующих факторов; обоснование эксперимента, числа опытов, порядок реализации опытов, определение последовательности изменения факторов, описание проведения эксперимента; обоснование объема эксперимента, числа опытов; порядок реализации опытов, обоснование средств измерений; описание проведения эксперимента, обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Важнейшим этапом подготовки к эксперименту является определение его целей и задач. Количество задач для конкретного эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3…4, максимально 8…10). перед экспериментом необходимо выбрать варьирующие факторы, т. е. установить основные и второстепенные характеристики, влияющие на исследуемый процесс, проанализировать теоретические схемы процесса. Необходимо также обосновать набор средств измерений (приборов). При экспериментальном исследовании одного и того же процесса повторные отсчёты на приборах, как правило, неодинаковы. Отклонения объясняются различными причинами — неоднородностью свойств изучаемого объекта, несовершенствованием приборов и классов их точности, особенностями экспериментатора и др. 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.

Важным разделом методики является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, формулы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять полученное и проанализировать результаты. Все переменные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин.

Особое значение в методике должно быть уделено математическим методам обработки и анализу опытных данных. Например — установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, установлению критериев и доверительных интервалов и др. результаты экспериментов должны отвечать трём статистическим требованиям — минимальности дисперсии отклонения относительно неизвестного параметра; требование состоятельности оценок, т. е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремится к его истинному значению; отсутствию систематических ошибок в процессе вычисления параметров.

После разработки и утверждения методики устанавливается объем и трудоемкость экспериментальных исследований, которые зависят от глубины теоретических разработок. После установления объема экспериментальных работ составляется перечень необходимых средств измерений, объёма материалов, список исполнителей, календарный план. План-программу рассматривает научный руководитель, обсуждают в научном коллективе и утверждают в установленном порядке.