Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра охраны труда и окружающей среды

 

 

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 Конспект лекций

для студентов - бакалавров специальности 5В073100  

– Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды

 

 

 

Алматы 2011 г.

СОСТАВИТЕЛИ: старший преподаватель А.А. Абикенова Основы научных исследований. Конспект лекций для студентов - бакалавров специальности 5В073100– Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды. - Алматы: АУЭС, 2011 -  64 с.

 

В конспекте лекций «Основы научных исследований»  для студентов-бакалавров специальности 5В073100–Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды приведено краткое изложение учебного материала.

Ил. 4, библиогр. - 18 назв.

 

Рецензент: д-р. техн. наук, проф. Жараспаев М.Т.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г.

 

                

  НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

Содержание

 

Лекция 1. Введение. Основные положения

4

Лекция  2.  Организация научно – исследовательской работы

6

Лекция 3.  Проблема, как объективная необходимость нового знания

10

Лекция 4.  Выбор направления научного исследования и этапы научно исследовательской работы

14

Лекция 5.  Информационный поиск

16

Лекция  6.  Теоретические исследования

23

Лекция 7. Современные методы генерирования идей при решении научно-технических задач.

29

Лекция  8.  Оценка экономической эффективности темы

33

Лекция  9. Моделирование, как средство отражения свойств материальных объектов. Использование математических методов в исследованиях. Виды моделей

36

Лекция  10. Моделирования в научном и техническом творчестве по БЖД. Экспериментальные исследования по БЖД

42

Лекция  11. Обработка результатов экспериментальных исследований

47

Лекция  12.  Организация работы в научном коллективе

58

Список литературы

64

  

Лекция 1.  Введение. Основные положения

 

В современных условиях бурного развития научно-технического прогресса, интенсивного увеличения объема научной и научно-технической информации, быстрой сменяемости и обновления знаний особое значение приобретает подготовка в высшей школе высококвалифицированных специалистов, имеющих высокую общенаучную и профессиональную подготовку, способных к самостоятельной творческой работе, к внедрению в производственный процесс новейших и прогрессивных результатов.

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. Являясь следствием об­щественного разделения труда, наука возникает вслед за отделением умственного труда от физического и превра­щением познавательной деятельности в специфический род занятий особой группы людей. Появление крупного машинного производства создает условия превращения науки в активный фактор самого производства. В усло­виях научно-технической революции происходит корен­ная перестройка науки, уже не просто следующей за развитием техники, а обгоняющей ее, становящейся веду­щей силой прогресса материального производства. Оказывая стимулирующее воздействие на общественное производство, наука пронизывает все факторы общест­венной жизни. Необходимость научного подхода в мате­риальном производстве, в экономике и в политике, в сфе­ре управления и в системе образования заставляет нау­ку развиваться более быстрыми темпами, чем любую другую отрасль деятельности.

В конце ХХ века полученные знания устаревают гораздо быстрее, чем в его начале. Если раньше полученных знаний специалисту хватало на 10-15 лет, то теперь этот срок сократился в 3 - 5 раз. Это значит, что приходится всю жизнь учиться и переучиваться, заниматься самообразованием. В современных условиях необходимо уметь самостоятельно пополнять свои знания, быстро ориентироваться в стремительном потоке научно-технической информации.

Часто науку определяют как сферу исследовательской деятельности, направленную на производство новых знаний. Однако любое производство возникает тогда, когда в нем имеется потребность. Чем же обусловлено историческое происхождение науки? Происхождение науки связано с запросами материальной практической жизни людей, постоянного накопления и обособления знаний о различных сторонах действительности.

Причиной прогресса науки в ХУ-ХУШ веке явилось развитие производительных сил и возникновение капиталистического способа производства. С этим периодом истории человечества мы связываем открытие Коперником гелиоцентрической системы мира, возникновение механики Ньютона и Галилея, рождение дифференциального и интегрального исчисления (Лейбниц, Ньютон) и др.

Следующий период развития науки связан с промышленным переворотом в конце ХVШ века, обусловленным применением рабочих машин и парового двигателя. К выдающимся открытиям того времени относят: появление законов сохранения вещества (Ломоносов, Лавуазье) и сохранения и превращения энергии (Джоуль, Гельмгольц), а также разработка Менделеевым периодической системы элементов, создание неэвклидовой геометрии Лобачевского, открытие электромагнетизма (Фарадей, Максвелл, Герц) и др.

XIX век отмечен открытием сложного строения атома, выделением электрона как его составной части, зарождением квантовой теории (Столетов, Планк и др.).

В XX веке происходит дифференциация и интеграция наук. Возникают теория относительности, кибернетика, квантовая механика, физическая химия и другие науки. Мир охватывает технологическая революция.

В настоящее время развитие производства невозможно без научного подхода. Повышается роль инженерного труда. Настало время, когда эффективность производства определяется не количеством затраченного труда, а общим уровнем научного решения конкретных производственных задач, внедрением достижений науки в практику.

Современное общество во всех его элементах и во всех видах его деятельности пронизано влиянием науки и техники. В наши дни наука становится во все большей мере производительной силой общества. Все формы фи­зического и умственного труда: медицина, транспорт, связь, быт современного человека — испытывают на себе глубокое преобразующее действие научно-технического прогресса.

Классификация наук — это раскрытие их вза­имной связи на основании определенных принципов и вы­ражение этих связей в виде логически обоснованного расположения или ряда. Классификация наук раскрывает взаимосвязь естественных, технических, общественных наук и философии. В основе этой классификации лежат специфические особенности изучаемых различными науками объектов материального мира.

Основные современные тенденции развития классификации наук заключаются в переходе от дифференциации наук к их интеграции. Здесь весьма существенна тенденция перехода от коор­динации наук к их субординации и от одноаспектности наук в рассмотрении комплексности. Далее развитие классификации наук намечает переход от функциональ­ности к субстратности. С самого начала своего возник­новения, т.е. с XVI...XVII вв., науки выделялись и продолжают выделяться до сих пор не по объекту (т. е. не по субстрату, или  носителю движения), а по формам движения (т.е. по функции, или спецификации движения) или же по отдельным сторонам изучаемого предмета.

Технические науки есть специфическая систе­ма знания о целенаправленном преобразовании природ­ных тел и процессов в технические объекты, о методах конструктивно-технической деятельности, а также о спо­собах функционирования технических объектов в систе­ме общественного производства.

Изучая ряд связанных между собой движений, современная классификация отвечает внутренним свойствам, присущим объектам определенной последовательности. Свое организационное проявление классификация наук получает в построении систем научно-исследовательских институтов, структуре высших учебных заведений, библиотек и т. д.        

Здесь двояко выступает закон отрицания. В одном смысле имеется возврат к исходному однозначному соотношению: один объект (предмет) — одна наука; но    возврат   совершается   на   иной,   более высокой об­нове. В другом смысле отрицание отрицания проявляет­ся в том, что началом всего научного знания было воз­никновение в античности единой недифференцированной науки   под  эгидой   философии   (натурфилософии).    На высшей ступени развития должен будет проявиться как бы возврат к единой науке, но, разумеется, в более глу­боком и содержательном ее понимании.

Действенным инструментом управления развития науки является также финансирование и материальное обеспечение научных исследований. Финансы и матери­альные ресурсы предназначаются в первую очередь для наиболее важных и перспективных направлений научно-технического прогресса. Все большее распространение получает принцип финансирования не отдельных науч­но-исследовательских подразделений, а крупных науч­ных программ. Программно-целевой подход к научной деятельности оптимизирует внутренние тенденции науч­ного познания и управление им, расширяет возможности планирования науки, увязывая ее внутренние стимулы с организационными вопросами совершенствования структуры научных коллективов.

 

Лекция  2.  Организация научно – исследовательской работы

 

Понятие научного знания

Знание — идеальное воспроизведение в языковой форме обобщенных представлений о закономерных связях объективного мира.

Функциями знания являются обобщение разрозненных представлений о закономерностях природы общества и мышления; хранение в обобщенных представлениях всего того, что может быть передано в качестве устойчивой основы практических действий.

Различают следующие функции науки: описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет ее изучения на основе открываемых ею законов.

Обобщая эти функции, можно сказать, что науке свойственны познавательная и практическая деятельность. В первом случае о науке можно говорить как об информационной системе, осуществляющей систематизацию ранее накопленных знаний, которая служит основой для дальнейшего познания объективной действительности, во втором случае, о системе реализации познанных закономерностей в практике.
      Современную науку характеризуют: система научных знаний, научная деятельность и научные учреждения.

Система научных знаний запечатлена в научных понятиях, гипотезах, законах, эмпирических научных фактах, теориях и идеях, дающих возможность предвидеть события. Признаками научных знаний является:

- всеобщность, т.е. принадлежность всему человечеству;

- проверенность научных фактов, т.е. возможность проверки каждого факта и следствия из известных законов или теорий;

- воспроизводимость явлений, т.е.  возможность повторения открытого явления другим ученым (что подтверждает существование определенного закона природы);

- устойчивость системы знаний, т.е. такая глубина проработки гипотезы, которая предотвращает быстрое старение знаний.

Научная деятельность, направленная на получение, освоение, переработку и систематизацию научных знаний характеризуется:

- новизной и оригинальностью, т.е. нечто уже объективно известное не может являться научным результатом;

- уникальностью и неповторимостью, т.е. каждый результат – единственный в своем роде и не нуждается в повторении, кроме случая проверки своей правильности;

- вероятностным характером и риском, т.е. невозможностью точно предугадать, будет ли получен предполагаемый результат;

- доказательностью, т.е. убедительностью результатов научной работы и их воспроизводимостью.

Знание является продуктом общественной деятельности людей, направленной на преобразование действительности. Процесс движения человеческой мысли от незнания к знанию называют познанием, в основе которого лежит отражение объективной действительно­сти в сознании человека в процессе его общественной производственной и научной, деятельности, именуемой практикой. Потребности практики выступают основ­ной и движущей силой развития познания, его целью. Человек познает законы природы, чтобы овладеть сила­ми природы и поставить их себе на службу; он познает законы общества, чтобы в соответствии с ними воздей­ствовать на ход исторических событий.

Познание вырастает из практики, но затем само направляется на практическое овладение действительно­стью. От практики к теории и от теории к практике, от действия к мысли и от мысли к действительности — такова общая закономерность отношений человека в окружающей действительности. Практика является началом, исходным пунктом и одновременно естественным завершением всякого процесса познания. Следует отметить, что завершение познания всегда относительно, так как в процессе познания, как правило, возникают новые проблемы и новые задачи, которые были подготовлены и поставлены предшествующим развитием научной мысли. Решая эти задачи и проблемы, наука должна опережать практику и таким образом сознательно направлять ее развитие.

Важными понятиями в теории познания являются индукция — умозаключение от фактов к некоторой гипотезе (общему утверждению) и дедукция — умозаключение, в котором вывод о некотором элементе множества делается на основании знания общих свойств всего множества. Таким образом, дедукция и индукция — взаимообратные методы познания, широко использующие частные методы формальной логики. Эти методы единственного сходства (предполагается, что единственное сходное обстоятельство является причиной рассматриваемого явления); единственного различия (предполагается, что единственное различие обстоятельств является причиной явления); сопутствующих изменений (изменение одного явления приводит к изменению другого, так как оба эти явления находятся в причинной связи); остатков (если известно, что некоторые из совокупности определенных обстоятельств являются причиной части явлений, то остаток этого явления вызывается остальными обстоятельствами).

Методы теоретического уровня: абстрагирование, иде­ализация, формализация, анализ и синтез, индукция и дедукция, аксиоматика, обобщение и т.д. На теоретическом уровне производятся логическое исследование собранных фактов, выработка понятий, суждений, делаются умозаключения. В процессе этой работы соотносятся ран­ние научные представления с возникающими новыми. На теоретическом уровне научное мышление освобождается от эмпирической описательности, создает теоретические обобщения. Таким образом, новое теоретическое содер­жание знаний надстраивается над эмпирическими зна­ниями.

На теоретическом уровне познания широко использу­ются логические методы сходства, различия, сопутствую­щих изменений, разрабатываются новые системы знаний, решаются задачи дальнейшего согласования теоретиче­ски разработанных систем с накопленным новым экспе­риментальным материалом.

При изучении сложных, взаимосвязанных друг с дру­гом проблем используется системный анализ, полу­чивший широкое применение в различных сферах науч­ной деятельности человека, и в частности в логике, мате­матике, общей теории систем, в результате чего сформировались такие науки, как металогика и метама­тематика. Металогика исследует системы положений и понятий формальной логики, разрабатывает вопросы теории доказательств, определимости понятий, истины в формализованных языках.

В основе системного анализа лежит понятие системы, под которой понимается множество объектов (компонен­тов), обладающих заранее определенными свойствами с фиксированными между ними отношениями. На базе этого понятия производится учет связей, используются количественные сравнения всех альтернатив для того, чтобы сознательно выбрать наилучшее решение, оцениваемое каким-либо критерием, например, измеримостью, эффективностью, надежностью и т. п.

Так как системный анализ носит общий, междис­циплинарный характер, т. е. касается образования раз­вития, функционирования, синтеза любых систем, то не­которые буржуазные идеологи считают, что системный анализ заменяет философию, является новой всеобщей методологией науки. Такое восприятие системного ана­лиза неверно, так как сводит функцию философского зна­ния лишь к методологии научного исследования. Во всех науках существуют философские основания, использу­ются философские категории, но это не повод принятия основания теории за саму теорию. Системный анализ, с одной стороны, позволяет применять ряд общефилософ­ских положений к решению частных задач, а с другой — обогащает саму философию развитием конкретных наук. Чем дальше развивается системный анализ, тем совершеннее развивается его язык, тем он дальше удаляется от своей первоначальной философской основы. Таким образом, отождествление системного анализа с диалектическим методом, с философией неправомерно и может привести, к мировоззренческим и методологическим ошибкам.

Системный анализ используется для исследования таких сложных систем, как экономика отдельной отрас­ли, промышленного предприятия, объединения, при планировании и организации технологии комплексных строительных процессов, выполняемых несколькими строительными организациями, и др.      

Системный анализ складывается из основных четырех этапов: первый заключается в постановке задачи – определяют объект, цели и задачи исследования, а также критерии для изучения и управления объектом. Неправильная или неполная постановка целей может свести на нет результаты всего последующего анализа. Во время второго этапа очерчиваются границы изучаемой системы и определяется ее структура: объекты и процессы, имеющие отношение к поставленной цели, разбиваются на собственно изучаемую систему и внешнюю среду. При этом различают замкнутые и открытые системы. При ис­следовании замкнутых систем влиянием внешней среды на их поведение пренебрегают. Затем выделяют отдельные составные части системы — ее элементы, устанавли­вают взаимодействие между ними и внешней средой. Именно так строится, например, такая фундаментальная наука, как термодинамика. 

 

Лекция 3.  Проблема, как объективная необходимость нового знания

 

Человечеством накоплено огромное количество информации, которая служит основой технического прогресса. Однако часто бывает, что ответа на поставленный производством вопрос или ряд вопросов может и не быть по объективным причинам. Они кроются в отсутствии человеческих знаний, необходимых для решения тех или иных задач. В этом случае возникает проблема.

Возникновение проблем и их решение - естественный процесс поступательного развития производительных сил. Он связан с необходимостью постоянного получения новых знаний, требующихся для решения конкретных вопросов материального производства.

 Таким образом, проблема - это форма выражения необходимого развития научного познания. Она является отражением объективного противоречия между знанием и незнанием.

  Проблемы возникают не сами по себе, а как следствие практики, как результат насущной необходимости и обусловливаются определенными условиями развития техники и уровня знаний.

 В качестве примера можно назвать проблему надежности машин. Так, в отечественной промышленности в сферу ремонта в конце восьмидесятых годов было отвлечено около восьми миллионов человек. При этом численность ремонтников растет темпами, опережающими рост основного производственного персонала (в 2,2 раза против общего роста численности рабочих в 1,6 раза). На ремонт оборудования направлены огромные материальные ресурсы. Ныне, затраты средств на техническое обслуживание и ремонт превосходят первоначальную стоимость машин и аппаратов в 8-10 раз. Возможным решением этой проблемы было бы повышение надежности оборудования или создание безремонтных машин (т.е. таких машин, которые свой ресурс отрабатывают без единой поломки), что возможно за счет внедрений уже широко известных конструктивных решений: автоматической компенсации износа, резервирования износостойкости, применения износостойких материалов и т.п.

Проблема надежности машин обусловлена проблемой высокого износа их деталей вследствие трения в кинематических парах механизмов. Известно, что в машиностроении потери из-за износа деталей, образующегося в результате повышенного трения равны почти 10% национального дохода. Поэтому в большинстве промышленно развитых стран проблема повышения износостойкости деталей машин стала государственной задачей. Основой для ее решения может служить качественное повышения уровня знаний, в частности, в такой области науки, как трибология (от греческого слова "трибо" - трение). В свою очередь она опирается на фундаментальные достижения механики, физики, химии, материаловедения и многих других дисциплин.

Таким образом, решение поставленной жизнью задачи (именно так переводится с греческого слово "проблема") требует, в конечном итоге, нового образа мышления, основанного на интеллектуальном подходе и системном анализе явлений.

Не исключено и такое положение, когда проблема объективно существует, но об этом неизвестно ученым. Например, до открытия болезнетворных бактерий объективно существовала проблема борьбы с инфекционными заболеваниями. Однако она не была известна и не могла быть известна медикам.

Альберт Энштейн говорил: "Наука должна начинаться с фактов и заканчиваться ими, вне зависимости от того, какие теоретические структуры строятся между началом и концом".

Всякое неизвестное начинается с известного, и в процессе исследования неизвестное переходит  свою противоположность. В этом суть  процесса познания.

Изучая те или иные объекты, в результате взаимодействия с ними, мы, прежде всего, собираем информацию, анализ и синтез которой дает нам необходимое знание. Вместе с тем в каждом вопросе или проблеме существует всегда противоречивое отношение двух видов знаний - знание сущности и знание о незнании.

В знании сущности, обычно, ищут ответ на два вопроса:
- что общего у исследуемого объекта с другими, уже известными исследователю объектами?
- чем отличается исследуемый объект от других, уже изученных объектов?

Соотношение этих двух частей знания сущности исследуемого объекта характеризует собой степень проблемности исследования. Математически это понятие может быть представлено следующим соотношением:

 

К = х/(х + а),

(1)

 

где К - так называемый, коэффициент проблемности; х - неизвестное об объекте; а - известное об объекте.

Если К=0, то следует понимать, что проблема отсутствует, а решение поставленной задачи может осуществляться инженерными методами, т.е. в этом случае используется найденная ранее теория.

Если О < К < 1 - это показывает на существование проблемы.

Вряд ли возможна крайность, чтобы К = 1, т.к. трудно представить себе объект, о котором ничего не было бы известно. (Это противоречит сказанному выше о том, что проблема начинается с практики). Поэтому, крайне важно на первом этапе исследования выделить и систематизировать все известное и неизвестное об изучаемом объекте.

Проблемы в буквальном смысле окружают нас. Одни из них лежат, как говорят, на поверхности, а другие не видимы, их надо искать. Проблемы, как правило, не разделены удобным образом - на технические, экономические, экологические, социальные. В реальной жизни все переплетено и представляет некоторую "мешанину". В ней надо разобраться и суметь выделить проблему в соответствии с профилем собственной подготовки.

Постановка проблемы предполагает организацию исследования, конечной целью которого явилась бы разработка новой закономерности, необходимой для построения инженерных методик решения производственных задач. Способность постановки проблемы является самой яркой характеристикой творческого мышления.

Но наличие проблемы не является достаточным основанием для постановки научных исследований, т.к. не каждая проблема является истинной. Можно выделить следующие критерии для оценки истинности проблемы:

- невозможность дальнейшего развития практики без решения данной проблемы;
- невозможность получения практикой результатов поставленной проблемы;
- получение после решения проблемы результатов, имеющих большую
практическую значимость.

Таким образом, главным и основным критерием ценности проблемы является практика.

Практика определяет цель научного исследования, а выбор цели в значительной степени зависит от отношения к проблеме.

К сожалению, в реальной жизни отношение к проблеме неоднозначное. Ее могут признать, согласиться с ее существованием и оставить проблему в покое, что чаще всего делается, или ликвидировать источник возникновения проблемы. В другом случае проблему решают частично или коренным образом.

Возьмем, к примеру, проблему качества выпускаемых легкой промышленностью изделий. Эта проблема и техническая, и экономическая, и социальная. Раньше от этой проблемы отмахивались (оставив ее в покое), затем частичным решением этой проблемы избрали государственную приемку. Но можно ли решить проблему "отлавливая" качество на выходе? По существу это разбраковка, к тому же достаточно часто без использования объективных методов контроля. В то же время хорошо известно, что качество начинается на этапе создания нового изделия, надежность которого гарантируется при поиске схемных и конструкторских решений в период проектирования, отработки, изготовления экспериментальных образцов, доводки опытной партии изделий и отладки технологии. И чем успешнее идет реализации ошибочно выбранной цели, тем больше будет материальный урон, нанесенный практике.

Изучение проблемы приводит к ее развертыванию, т.е. возникновению и формированию дополнительных вопросов. Их решение в итоге дает ответ на центральный вопрос проблемы.

В вопросах проявляются различные аспекты проблемы, которые можно представлять как более мелкие научные задачи, относящиеся к конкретной области научного исследования. При этом они могут в некоторых случаях рассматриваться как отдельные темы исследований, а иногда и как самостоятельные проблемы.

Для примера рассмотрим вопросы, входящие в проблему диагностирования агрегатов легкой промышленности. Эта проблема появилась из более крупной научно-технической проблемы эксплуатационной надежности машин, о которой говорилось выше. Одним из аспектов этой фундаментальной проблемы является подпроблема технического обслуживания оборудования, в состав которой входит вопрос о контроле технического состояния машин и агрегатов.

Почему вопрос о контроле технического состояния перерос в целую проблему диагностирования? Потому, что возникло противоречие между потребностью быстрого, точного и, главное, не требующего разборки агрегата или его частей определения технического состояния и объема необходимого восстановительного ремонта или регулировки и наличием методов и средств контроля.

В условиях быстрого роста парка оборудования предприятий легкой промышленности и резкого увеличения его ремонтосложности выяснение причин неисправности путем полной или частичной разборки агрегата или его узлов дорого, малопроизводительно, требует высокой квалификации обслуживающего персонала, а, в отдельных случаях, и невозможно.

Следовательно, требуется разработка методов и средств безразборной диагностики по косвенным симптомам, что рождает ряд вопросов. Так обнаруживается наше незнание, как этих симптомов, так и характерных особенностей работы агрегатов и их узлов при ухудшенном техническом состоянии. Возникает ряд аспектов проблемы диагностирования и не только технического, но организационного и экономического характера, например, минимизации операций и приборного оснащения диагностирования, место диагностики в системе плановопредупредительного ремонта оборудования и др.

Из приведенного примера видно, как одна проблема перерастает в другую и как эти проблемы "обрастают" новыми вопросами, как множатся аспекты основной проблемы, в чем в значительной мере и заключается ее развертывание.

И, конечно, чтобы исследователю "не изобретать велосипед" и точно знать, что уже сделано и на каком уровне следует осуществить информационный поиск по теме исследования. 

 

Лекция 4.  Выбор направления научного исследования и этапы научно исследовательской работы

 

Цель научного исследования — всестороннее, достовер­ное изучение объекта, процесса или явления; их струк­туры, связей и отношений на основе разработанных в на­уке принципов и методов познания, а также получение и внедрение в производство (практику) полезных для человека результатов.

Любое научное исследование имеет свой объект и предмет. Объектом научного исследования являет­ся материальная или идеальная система. Предмет — это структура системы, закономерности взаимодействия элементов внутри системы и вне ее, закономерности раз­вития, различные свойства, качества и т.д.

По видам связи с общественным производством на­учные исследования подразделяются на работы, направ­ленные на создание новых технологических процессов, машин, конструкций, повышение эффективности произ­водства, улучшение условий труда, развитие личности человека и т.п.

По целевому назначению выделяют три вида науч­ных исследований: фундаментальные, прикладные и раз­работки.

Фундаментальные исследования на­правлены на открытие и изучение новых явлений и за­конов природы, на создание новых принципов исследо­вания. Их целью является расширение научного знания общества, установление того, что может быть использо­вано в практической деятельности человека. Такие ис­следования ведутся на границе известного и неизвест­ного, обладают наибольшей степенью неопределенности.

Прикладные   исследования   направлены   на нахождение способов использования законов природе для создания новых и совершенствования существующих средств и способов человеческой деятельности. Цель — установление того; как можно использовать научные знания, полученные в результате фундаментальных исследований, в практической деятельности человека.

Поисковые исследования   направлены   на установление факторов,   влияющих на объект,   отыскание   пути создания новых технологий и техники на основе способов, предложенных в результате фундаментальных исследований. В результате научно-исследовательских ра­бот создаются   новые   технологии,   опытные  установки, приборы и т. п. Целью опытно-конструкторских работ яв­ляется подбор конструктивных характеристик,   опреде­ляющих логическую  основу  конструкции. В результате фундаментальных и прикладных   исследований   форми­руется новая научная и научно-техническая информация. Целенаправленный процесс   преобразования   такой   информации в форму, пригодную для освоения в промышленности, обычно называется разработкой. Она направлена на    создание новой техники, материалов, технологии или  совершенствование     существующих. Конечной целью разработки является подготовка мате­риалов прикладных исследований к внедрению.

В зависимости от источника   финансирования   научные исследования делят на госбюджетные, хоздоговорные и нефинансируемые. Госбюджетные научные исследова­ния финансируются из средств государственного бюд­жета. Хоздоговорные исследования финансируются организациями заказчикам на основе хозяйственных договоров. Такие организации могут быть как производственные, так и научно-исследовательские.

Нефинансируемые исследования выполняются по до­говорам о сотрудничестве.

Каждую научно-исследовательскую работу можно отнести к определенному направлению. Под научным направлением понимается наука или комплекс на­ук, в области которых ведутся исследования. В связи с этим различают: техническое, биологическое, социаль­ное, физико-техническое, историческое и т. п. направле­ния с возможной последующей детализацией. К техни­ческому направлению можно отнести исследования в об­ласти технической термодинамики; к биологическому на­правлению — исследования в области биохимии или ген­ной инженерии и т. д.

Таким образом, основой научного направления явля­ется специальная наука или ряд специальных наук, вхо­дящих в ту или иную научную отрасль, а также специ­альные методы исследования и технические устройства (например, газотурбостроение и т.д.).

Под научными вопросами обычно понимаются мелкие научные задачи, относящиеся к конкретной те­ме научного исследования.

Выбор направления, проблемы, темы научного ис­следования и постановка научных вопросов является чрезвычайно ответственной задачей. Направление исследования ча­сто предопределяется спецификой научного учреждения, отраслью науки, в которых работает исследователь. Поэтому выбор научного направления для каждого от­дельного исследователя часто сводится к выбору отрас­ли науки, в которой он желает работать. Конкретиза­ция же направления исследования является результа­том изучения состояния производственных запросов, общественных потребностей и состояния исследований в том или ином направлении на данном отрезке време­ни.

При выборе научного направления большое значение организация труда. Можно сформулировать правила, выполнение которых характеризует хорошо организованную работу:

1)      не работать без плана;

2)      перед работой рассчитать силы и время;

3)      заранее подготовить все необходимое для выполнения работы: материалы и инструменты (антивирусные программы, чистые дискеты, системная дискета, компьютер, сканер, модем, и т.д.), чтобы разгрузить рабочий процесс от забот и суеты, отвлекающих внимание;

4)      сложную работу делать перед простой, трудную перед легкой, творческую перед механической и стандартной, неприятную перед привлекательной;

5)      не закончив одного дела, не начинать без необходимости другого;

6)      постоянно контролировать свою работу и вовремя вносить нужные исправления;

7)      занимаясь любым вопросом, видеть не только промежуточную, но и конечную цель.

Большое значение для производительности исследовательского труда имеет правильная организация времени, отводимого для работы и отдыха.

Организация времени предполагает прежде всего соблюдение правильного режима рабочего и свободного времени: - в течение рабочего дня (с утра целесообразно выполнять наиболее трудную работу, периодически делать перерывы для отдыха); в течение недели (еженедельные дни отдыха); в течение года - активный отдых во время каникул (зимних и летних).

Используются различные формы активного отдыха в рабочее и нерабочее время; рационально чередуются разнохарактерные работы - трудные и легкие, творческие и стандартные, сопряженные с движением или выполняемые в неподвижном состоянии, связанные с напряжением зрения или дающие глазам отдых. Переход от одного типа работы к другому следует делать плавным, и ему должна предшествовать "психологическая настройка". Соблюдение режима работы предотвращает утомление и обеспечивает высокую эффективность труда.

Обстановка, в которой приходится заниматься, безусловно влияет на работоспособность исследователя и производительность его труда. Благоприятные и комфортные условия способствуют успешной работе. К ним относятся хорошая освещенность помещения, тишина, чистый воздух, нормальная температура. Созданию оптимальных условий для высокопроизводительного труда способствует продуманная организация рабочего места. Стоит позаботиться о том, чтобы на письменном столе не было ничего лишнего, каждая книга имела свое постоянное место на полке, стеллаже или в шкафу. Словари, справочники, папки с газетными вырезками, картотеки, должны всегда находиться под рукой (в компьютере - на жестком или лазерном диске).

Однако определяющее, главное значение имеют все же увлеченность исследователя и глубина его погружения в проблему, состояние сосредоточенности, при котором дискомфорт и внешние помехи уже не имеют значения.

 

Лекция 5.  Информационный поиск

 

Цель поиска - всесторонний анализ информации по теме исследования, освещение состояния вопроса, уточнение при необходимости темы, обоснование цели и задач научного исследования.

Человек в состоянии воспринимать устную информацию определенными дозами (квантами). Длительность первой дозы составляет 10-15 минут. После этого наступает легкое торможение - мозгу нужен отдых на одну-две минуты. Это первый "кризис внимания". Во время "кризиса внимания" Вы полностью отключаетесь от ведущего и перестаете воспринимать все, что он говорит. Длительность восприятия второй дозы информации примерно такая же или чуть меньше (есть индивидуальные различия). Потом наступает второй "кризис внимания", требующий передышки. Третий и последний "кризис внимания" наступает после второго через 8-10 минут, после чего наступает глубокое торможение (сон).

Записи конспектов изучаемых книг или статей надо делать только на одной стороне листа и лучше всего - на листах, вынимающихся из тетради. Это даст возможность дополнять написанное из других источников, комбинировать листки в зависимости от вновь возникшей задачи, и т. д.

Развитие человеческого общества, науки и техники неразрывно связано с накоплением информации и передачей ее от одного поколения другому. Ф.Энгельс сформулировал одну из основных особенностей развития науки - ее преемственность: "Наука движется вперед пропорционально массе знаний, унаследованной ею от предшествующего поколения".

В конце ХХ века полученные знания устаревают гораздо быстрее, чем в его начале. Если раньше полученных знаний специалисту хватало на 10-15 лет, то теперь этот срок сократился в 3 - 5 раз. Это значит, что приходится всю жизнь учиться и переучиваться, заниматься самообразованием. В современных условиях необходимо уметь самостоятельно пополнять свои знания, быстро ориентироваться в стремительном потоке научной информации. Чтобы этот поток Вас не поглотил, научитесь пользоваться библиотечными информационно-поисковыми системами - каталогами и библиографией, электронной информацией в удаленных сетях.

Научная информация сохраняется и передается с помощью опубликованных и неопубликованных источников, которые условно разделяются на ПЕРВИЧНЫЕ - книги, статьи, патенты, диссертации и т.д., и ВТОРИЧНЫЕ, содержащие сведения о первичных источниках - библиографические указатели, каталоги, картотеки и т.п.

Среди первичных источников информации ведущее место принадлежит журнальным статьям, наиболее оперативно и кратко сообщающим о результатах научных исследований. Число выходящих в свет журналов с каждым годом увеличивается в еще больших размерах, чем количество книг. В 1800 г. насчитывалось около 100 научных журналов. Спустя 150 лет их количество увеличилось в 1000 раз. В настоящее время в мире издается около 100 тысяч журналов. Не следует, что нельзя ограничиваться просмотром только специализированных журналов и изданий.

Непрерывный рост числа научно-технических публикаций значительно повышает долю рабочего времени, затрачиваемого специалистами на поиск нужной информации. Неслучайно ученые считают, что около половины всех проводимых исследований являются повторением уже сделанного, но забытого, ненайденного в литературе.

Умение быстро найти литературу по нужному вопросу, правильно оформить список использованных источников к докладу, статье, курсовому и дипломному проекту, диссертации необходимо не только научному работнику, но и студенту ВУЗа. Это умение, иными словами, элементарная библиографическая грамотность приобретает с каждым годом все большее значение.

Термин "библиография" возник в Древней Греции и означал "писание книг". Состоит он из двух греческих слов: "библион" (книга) и "графос" (пишу). До изобретения книгопечатания книги переписывались от руки. Переписчиков книг и назвали библиографами. В настоящее время термин "библиография" означает область научно-практической деятельности по накоплению, подготовке и доведению до потребителей библиографической информации.

Приступая к работе над темой, прежде всего выясните, в какой степени она разработана, в каких публикациях отражена. Для этого надо определить:

1)   Какие публикации нужны: обзоры, монографии, статьи, патенты, неопубликованные материалы, и т.д.

2)   Язык публикаций. Только ли на русском языке необходимо просматривать литературу или также на иностранных, на каких именно.

3)   Хронологические рамки публикаций. За какие годы необходимо просмотреть литературу.

4)   Каталоги, картотеки (их разделы).и библиографические источники для просмотра.

5)   Какие источники профессиональной информации можно использовать в Интернете.

Поиск включает два этапа: отыскание необходимой информации и проработку источников.

Поиск источника информации целесообразно начинать с монографий. (Монография - это научный труд, углубленно разрабатывающий одну тему или узкий круг вопросов). Этим достигаются две цели: во-первых, ознакомление с современной точной зрения на исследуемую проблему, подходом к ней и методикой исследований и, во-вторых, знакомство с основной литературой, т.к. в монографиях, как правило, имеется достаточно полный библиографический указатель.

Дальнейшая последовательность подбора литературных источников может быть следующей:

- ознакомление с литературой, указанной в библиографии;

- просмотр реферативных журналов по соответствующему разделу науки и техники и информационных изданий (экспресс-информация, обзорная информация, информлистки, сборники НИИ информации т.п.);

- изучение специализированных журналов ("Известия вузов. Технология легкой промышленности", "Промышленность Казахстана", "Швейная промышленность" и др.);

- изучение трудов институтов, тезисов докладов конференций, авторефератов диссертаций.

Вся найденная информация должна быть занесена на карточки или в специальную тетрадь. При этом важно сразу правильно записывать библиографическое описание источника.

Этап проработки источников информации состоит из двух подэтапов: ознакомления и чтения.

Ознакомление осуществляется путем просмотра всего материала и фиксации общего содержания работы с акцентированием внимания на разделах имеющих отношение к исследованию.

Чтение - это более детальное знакомство с теми разделами, в которых содержится интересующий материал с фиксацией общего содержания и изучение той части, которая имеет непосредственное отношение к предмету исследования.

Если Вам удалось достаточно ясно увидеть эти картины мысленным взором, Вам не составит труда запомнить весь перечень ключевых слов, а по ним и подмеченные идеи.

Каждый научный работник должен владеть искусством запоминания.

Существуют различные способы запоминания.

Механический — основан на многократном повторении и заучивании прочитанного. При таком запоминании ("зазубривании") отсутствует логическая связь между отдельными элементами. Этот способ наименее эффективен, он применим для ограниченных случаев — запоминание дат, формул, цитат, иностранных слов и др.

Установлено, что тренировка памяти многочисленными повторениями малоэффективна. Память должна базироваться не на формальном восприятии, а на активной мыслительной деятельности прорабатываемой информации. Запомнить — значит мыслить. Это основа эффективности памяти, повышение производительности умственного труда.

Логически-смысловой способ основан на запоминании логических связей между отдельными элементами. При чтении необходимо понять не отдельные элементы, а весь текст в целом, его смысл, направленность, значение. Часто достаточно быстро прочесть текст один раз, чтобы его запомнить. Однако при этом особое внимание необходимо уделять логическим связям. Логически-смысловой способ запоминания во много раз эффективнее механического.

Произвольный способ запоминания основан на применении различных мнемонических приемов. Наиболее распространен выборочный мнемонический прием. Перед проработкой информации задаются целью — запомнить лишь конкретный материал (в зависимости от прорабатываемой цели), например, технологическую последовательность диагностирования рулевого управления автомобиля и т. д. Такая направленность, установка упрощает запоминание

Иным мнемоническим приемом является временная направленность, т. е. потребная продолжительность запоминания. Так, студент силой воли заставляет себя запомнить больше материала на короткий срок с целью сдать экзамен. Обычно такой материал хранится в памяти короткий срок. Научный работник заставляет себя надолго запомнить материал, который хранится в памяти весь период разработки темы.

Этот метод основан на формуле: какая направленность (установка), такое и запоминание. Он эффективен лишь при использовании логико-смыслового приема.

Непроизвольный способ основан на случайном запоминании (без намерения, установки) отдельных фрагментов текста, обусловленном возникшими эмоциями в процессе чтения.

Мы запоминаем полно и надолго не только тогда, когда этого хотим, но и тогда, когда нет такого желания, что случается при активном, творческом чтении.

Текст хранится в памяти определенное время. Постепенно он начинает забываться. Вначале после восприятия информации процесс забывания происходит наиболее быстро, со временем темп его замедляется. Так, в среднем через один день теряется около 23—25% заученного, через пять дней — около 35% и через десять дней — 40%.

Повторение — один из эффективных способов запоминаний. Повторение бывает пассивным (перечитывается несколько раз) и активным (перечитывается с пересказом). Второй способ более эффективный, в нем сочетается заучивание и самоконтроль. Иногда полезно совмещать активное повторение с пассивным.

Чтобы лучше запомнить, нужно правильно выбрать время для повторения. Учитывая характер, каждый источник должен быть тщательно проработан. Поэтому очень важно уметь работать над книгой. Чтение, проработка информации — нелегкое дело.

Первым условием эффективной проработки документов является установка, т. е. цель чтения, направленность. Она активизирует мышление, повышает память, помогает понять читаемое, делает восприятие более точным. Этот психологический фактор требует от работника заранее создать определенное настроение для осмысливания читаемого, настроить себя "на определенную волну".

Проработка научно-технической информации требует творческого подхода, для чего необходимо вдохновение. Оно повышает эффективность проработки информации. Но даже если нет вдохновения, нужно усилием воли заставить себя работать над книгой творчески.

Внимание, сосредоточенность над текстом во многом определяют качество проработки информации.

В процессе чтения действуют различные раздражители — музыка, шум, разговоры, собственные мысли и пр. Они независимо от воли человека действуют на центральную нервную систему, ухудшают условия мышления. При определенном уровне шума наше внимание отвлекается, быстрее наступает утомление и качество усвоения информации существенно ухудшается.

Поэтому, чтобы повысить работоспособность умственного труда, различные помехи следует устранить. Некоторые читатели полагают, что шум, музыка им не мешают. Это не совсем так. Если помехи и не замечаются сознанием, то их фиксирует нервная система. Особо заметна роль помех при проработке сложной НТИ.

Вместе с тем, как показывают психологические опыты, работа в полной изоляции от внешней среды также не оптимальна. В качестве помех в таких случаях являются собственные мысли, отвлечения. Без напряжения мысли и воображения эффективность проработки информации снижается.

Самостоятельность труда — важный фактор работы над информацией. Каждая страница должна быть неторопливо проанализирована, обдумана применительно к поставленной цели. Только вдумчивый, самостоятельный анализ прочитанного позволит убедиться в своих суждениях, закрепить мысль, понятие, представление.

Очень важным фактором при проработке литературы является настойчивость и систематичность. Часто, особенно при чтении сложного нового текста четко осмыслить его с первого раза невозможно. Приходится читать и перечитывать, добиваясь полного понимания изложенного.

Последовательное, систематическое чтение улучшает усвоение прорабатываемого материала. Отвлечение срывает, расстраивает логически настроенную мысль, приводит к утомлению.

Систематическое усидчивое чтение по плану, с обдумыванием и анализом прочитанного намного производительнее бессистемного чтения.

Производительность проработки информации существенно зависит от умственной работоспособности. Последняя — от умения правильно распределить свою работу во времени, умело использовать физиологические перерывы. После 1—2 часов работы рекомендуется делать перерывы на 5—7 минут, физические упражнения, обтирание тела и лица водой или усиленное глубокое дыхание. Все это стимулирует центральную нервную систему и повышает работоспособность. Иногда при чтении полезно отключиться на 2 —3 минуты.

Прорабатывая текст, необходимо добиваться, чтобы каждое место было понятно. В отдельных случаях, материал лучше повторить в день чтения или же на следующий день, а затем повторять только периодически и лишь то, что представляет наибольший интерес. Небольшой по объему текст лучше повторить полностью. Большие тексты вначале осваивают в целом, затем повторяют особо трудные фрагменты.

Неотъемлемым требованием проработки НТИ является запись прочитанного. Она позволяет лучше его понять и усвоить; удлинить процесс восприятия информации, следовательно, лучше запомнить; восстановить в памяти забытое; развить мышление, проанализировать текст; отобрать наиболее важные фрагменты информации для разрабатываемой темы.

Однако запись требует дополнительного времени. Часто ее выполняют неправильно. Так, очень краткая запись объединяет проработанную информацию. Наоборот, излишняя подробность в записи означает не только трату времени, но и неумение понять и отразить главное. Иногда при записи основное подменяется второстепенным или искажается смысл текста. Поэтому очень важно уметь правильно записать проработанный текст.

Прорабатывая научно-техническую информацию, обычно делают выписки, аннотации и конспекты.

При составлении письменного текста необходимо иметь в виду, что у каждого читателя существует определенный промежуток времени ("критический период запоминания"), в который должна укладываться любая содержащаяся в сообщении доза информации. Этот период, называемый "временным объемом памяти", имеет длительность от 4 до 10 секунд и распадается на промежутки от 0,1 до 0,5 секунды [16]. Таким образом, в печатном письменном тексте выражение каждой идеи, каждая фраза должны укладываться в такого рода промежуток времени. Этим требованием объясняется тот эмпирически наблюдаемый факт, что, чем быстрее человек читает, тем длиннее могут быть фразы доступного ему текста.

Для того, чтобы быть понятным, рассуждение должно иметь такую длину, чтобы все его компоненты умещались в отрезке, прочитываемом за 4-8 секунд. В противном случае читатель будет вынужден возвращаться назад, то есть совершать излишнее усилие и затрачивать излишнее время.

При самостоятельной работе с книгой первостепенное значение имеют записи. Полноценные записи отражают не только содержание прочитанного, но и результаты мыслительной деятельности читателя.

Ведение записей превращает чтение в активный процесс. У человека создается свой, индивидуальный фонд подсобных материалов (текстовых файлов) для последующего быстрого повторения прочитанного, мобилизации накопленных мыслей. Особенно важны и полезны записи тогда, когда в них выражаются мысли, возникшие у читателя при самостоятельной работе над текстом.

Основные формы записей - план (простой и развернутый), выписки, тезисы, аннотация, конспект, реферат.

Наиболее краткой формой является план. Это перечень вопросов, рассматриваемых в книге, статье. План обычно раскрывает логику автора, способствует лучшей ориентации в содержании произведения. Кстати, слово "план" - от латинского "планета", "планктон", то есть "блуждающий" (мыслями).

Составление планов изучаемых монографий и статей приучает к четкому, логическому мышлению, помогает выработать умение сжато и последовательно излагать суть вопроса.

Прорабатывая  научно-техническую информацию, применяют выписки, аннотации, конспекты.

Полученный таким образом материал критически анализируется. Может быть принят следующий план анализа:

- определение достигнутого уровня знаний в исследуемом направлении;
- выяснение оригинальных идей и интересных мнений в этой области;
- выявление недостатков предыдущих исследований;
- установка возможных путей дальнейших исследований.

На основании результатов проработки информации делают выводы, в которых подводят итог критического анализа. В выводах должны быть освещены следующие вопросы: актуальность и новизна темы; последние достижения в области теоретических и экспериментальных исследований по теме; важнейшие и наиболее актуальные теоретические и экспериментальные задачи, а также производственные рекомендации, подлежащие разработке в данный момент; техническая целесообразность и экономическая эффективность этих разработок.

На основе указанных выводов уточняют или формируют цель и конкретные задачи научного исследования.

При проведении информационного поиска и затем при составлении отчета по НИР составляется перечень литературных, патентных и иных источников, который помещают в раздел Отчета под названием "Перечень использованных источников". 

Следующий этап научного исследования после изучения и анализа литературных к других источников - разработка рабочей гипотезы.

  

 Лекция  6.  Теоретические исследования

 

Задачи и методы теоретического исследования

Целью теоретических исследований является выделение в процессе синтеза знаний существенных связей между исследуемым объектом и окружающей средой, объясне­ние и обобщение результатов эмпирического исследования, выявление общих закономерностей и их формали­зация.

Теоретическое исследование завершается формирова­нием теории, необязательно связанной с построением ее математического аппарата. Теория проходит в своем развитии различные стадии от качественного объясне­ния и количественного измерения процессов до их фор­мализации и в зависимости от стадии может быть пред­ставлена как в виде качественных правил, так и в виде математических уравнений (соотношений).

Задачами теоретического исследования являются: обобщение результатов исследования, нахождение об­щих закономерностей путем обработки и интерпретации опытных данных; расширение результатов исследования на ряд подобных объектов без повторения всего объема исследований; изучение объекта, недоступного для непосредственного исследования; повышение надежности экспериментального исследования объекта (обоснования параметров и условий наблюдения, точности измерений).

При проведении теоретических исследований, осно­ванных на общенаучных методах анализа и синтеза, ши­роко используются расчленение и объединение элементов исследуемой системы (объекта, явления).

Метод расчленения предложен французским философом и естествоиспытателем Р. Декартом. В своей работе «Правила для руководства ума» он пишет: «Освободите вопрос от всех излишних представлений и сведите его к простейшим элементам». В процессе рас­членения выделяются существенные и несущественные параметры, основные элементы и связи между ними. Следует однако отметить, что каждый объект можно расчленить разными способами, и это существенно влия­ет на проведение теоретических исследований, так как в зависимости от способа расчленения, процесс изучения объекта может упроститься или при неправильном рас­членении, наоборот, усложниться. После расчленения объекта изучается вид взаимосвязи элементов и осуще­ствляется моделирование этих элементов. Наконец, эле­менты объединяются в сложную модель объекта.

На всех этапах построения модели объекта произво­дится его упрощение, и вводятся определенные допуще­ния. Последние должны быть осознанными и обоснован­ными. Неверные допущения могут приводить к серьезным ошибкам при формулировании теоретических выводов.

При построении моделей объекта исследования долж­ны использоваться наиболее общие принципы и законо­мерности. Это позволяет учесть все допущения, приня­тые при получении формализованных теорий, и точно определять область их применения.

Теоретические исследования включают: анализ физической сущности процессов, явлений; формулирование гипотезы исследования; построение (разработка) физической модели; проведение математического исследования; анализ теоретических решений; формулирование выводов. Если не удается выполнить математическое исследование, то формулируется рабочая гипотеза в словесной форме с привлечением графиков, таблиц и т. д.

В переводе с греческого слово "гипотеза" означает основание, предположение. В современном понимании гипотеза - это научно-обоснованное предположение либо о факте, находящемся за пределами непосредственного наблюдения, либо о закономерной связи, закономерном порядке явлений.

Примером гипотезы о факте могут служить гипотезы о происхождении Тунгусского метеорита. Так, факт грандиозного взрыва, происшедшего в 1908 году в бассейне реки Подкаменная Тунгусска в Восточной Сибири и опустошившего тайгу на площади около 200 км2, объясняют по-разному. Выдвигались гипотезы, что Тунгусский метеорит представляет собой: ядро небольшой кометы, взорвавшееся при вторжении в плотные слои атмосферы; "черную дыру" - космический объект, сконцентрировавший в малом объеме чудовищно большие гравитационные силы и, как бы, "проткнувший" нашу планету; потерпевший аварию звездолет пришельцев или летающая тарелка и др. Разгадка этого факта продолжается, поэтому выдвинутые гипотезы можно назвать рабочими, т.к. в них выражено предполагаемое объяснение закономерности явления на определенном этапе исследования.

Примером гипотез о закономерном порядке могут быть гипотезы о микро- и макромире. Выдвинутая в начале XX века научная гипотеза о бесконечности материи нашла подтверждение в открытии элементарных и субэлементарных частиц, что позволило судить о единстве в строении материи, т.к. в основе этого единства лежит материальность всех элементарных частиц.

Отличие гипотезы от множества возможных объяснений явления заключается в том, что гипотеза является наиболее вероятным из них. Вместе с тем можно привести множество примеров, когда сама гипотеза кажется невероятной. Такую неожиданную, парадоксальную гипотезу выдвигает сегодня советский физик-теоретик академик Моисей Марков. Он считает, что вся наша Вселенная с недосягаемыми галактиками, с миллиардами звезд и планет, с ее холодом непостижимой для человека бесконечности - все это, возможно, лишь крохотная частица макромира размерами меньше атома водорода.

Необходимость возникновения гипотезы обусловлена, как писал Ф.Энгельс, самим прогрессом науки - открытием новых данных, которые исключают прежние объяснения ранее известных фактов, относящихся к тому же самому кругу явлений.

Как было сказано, не все объяснения являются гипотезами. Случайные и не самые вероятные из объяснений называются догадками. Догадки не имеют никаких преимуществ перед какими-либо другими объяснениями. Они столь же вероятны, т.к. ничем не подтверждаются. Вместе с тем, если объяснение фактов, явлений или закономерностей вовсе необоснованны и невероятны, то это домыслы.

С догадками можно мириться при том условии, что они не могут быть основой для логических предположений в изучении явлений, а должны указывать лишь на пути новых, более достоверных поисков. Вместе с тем, домыслы совершенно недопустимы в научном процессе как отвлекающие внимание от решения поставленной задачи и уводящие исследование в сторону, на неправильные пути, в ошибочном направлении.

Гипотезы совершенно необходимы в научном исследовании, т.к. без гипотез невозможно предвидеть события или создавать новые теории. Всякая гипотеза должна опираться на сумму реальных и логических доказательств, включать в себя критику всех возможных догадок и перечень фактов, которые она объясняет. Чем больше гипотеза подтверждается фактами логических построений, тем она достовернее. Подтверждением этого может быть следующий пример.

В начале нашего века ученые считали, что месторождения нефти на земном шаре образовались там, где сотни миллионов лет на зад происходили грандиозные геологические катастрофы, и внезапно гибло все живое. Подтверждение этой гипотезы видели в большом сходстве химического состава живых организмов и ископаемой нефти. Однако поискам новых нефтяных месторождений эта гипотеза помочь не могла - никто не мог угадать, где именно такие катастрофы случались.

Другую гипотезу предложил тогда ученый-геолог И.М.Губкин. Залежи нефти, по его убеждению, образовались там, где непрерывно, многие миллионы лет кряду, продолжался процесс гибели простейших растительных и животных организмов. Вероятно, этот процесс длится и в наше время. Происходит это в густонасыщенных растительными и животными организмами областях морей и океанов. Опускаясь на дно и погружаясь в ил, их останки разлагаются без доступа кислорода и под воздействием особых бактерий постепенно превращаются в нефть. Искать новые месторождения нефти следует там, где проходили береговые линии древних морей и океанов.

Гипотеза ученого подтвердилась. С ее помощью были найдены нефтяные залежи сначала между Уральскими горами и Волгой, а затем и в Сибири. А исследование данных отложений Каспийского моря с помощью современного радиоуглеродного метода показали, что вещества, из которых может образоваться нефть, накапливаются и в наши дни.

Гипотеза представляет собой результат борьбы двух противоречивых начал, двух противоположных особенностей человеческого мышления: инерции и интуиции.

Инерция мышления стремится сохранить существующие представления о внешнем мире, существующие теории приспособить их для решения возникающих новых задач. Она является залогом разрушения научных спекуляций, барьером против проникновения ложных представлений в мировоззрение и обеспечение добросовестности исследований. Но инерционность мышления не может явиться основой для необъективности в оценке нового.

Интуиция - ощущение нового в явлении без достаточных для того строгих логических построений и оснований, достаточного количества наблюдений и фактов.

Примером открытий, построенных на интуиции, служат умозаключения, полученные две тысячи пятьсот лет тому назад Пифагором и его учениками. Пифагор верил: чтобы познать суть, меру и связь явления надо пробудить в себе интуицию - волшебное и необъяснимое свойство, которое помогает человеку проникнуть мысленно взором в загадочный механизм, управляющий Вселенной. В то время, когда все считали Землю плоской, и это мнение казалось незыблемо покоящимся на личном опыте каждого, пифагорийцы, исходя из мысли, что все в природе должно быть совершенно, придали Земле в своем воображении наиболее совершенную геометрическую форму - шарообразную. Нe располагая надежными опытными данными, не опираясь ни на какие достижения теории - это были младенческие времена человечества, - они пытались лишь силой интуиции построить то, что сегодня можно назвать математической моделью Вселенной.

В то же время безоговорочное доверие своей логической интуиции может повредить достижению истины. Простой пример рассуждения: "Если бы Земля вращалась, реки, текущие по меридиану, подмывали бы один из своих берегов; не эти реки не подмывают свои берега, значит, она не вращается". Такая схема интуитивных рассуждений приводит к абсурду.

В процессе исследования не исключено появление невероятных гипотез, что нельзя считать недопустимым или вредным явлениям. В конечном счете, они являются показателем творческого процесса, большой степени проблемности решаемых задач и указателем путей, по которым в дальнейшем не следует идти.

К.А.Тимирязев говорил: "Неверная (ошибочная) гипотеза полезна, т.к. сужает круг возможных решений задачи."

Гипотеза по своему содержанию должна соответствовать ряду требований:

- она не должна противоречить общепризнанным понятиям;

- в гипотезе должны быть учтены ранее существовавшие закономерности, но она не должна им следовать, т.к. в противном случае гипотеза будет безосновательна и не даст ничего нового;

- гипотеза должа объяснять все факты, для которых она построена;

- она должна быть принципиально проверяемой на практике, в опыте или эксперименте;

- из нескольких конкурирующих равноценных гипотез следует выбирать более простую;

- формулировка гипотезы должна быть непротиворечива по своей сути.

Четко и достаточно полно разработанная гипотеза существенно облегчает дальнейшую работу, т.к. позволяет заложить в методики теоретических и экспериментальных исследований вполне конкретные параметры, характеризующие изучаемое явление или объект, которые надлежит измерить. Кроме того, правильно осуществленная аналитическая разработка гипотезы, т.е. ее математическое выражение, поможет более полно и правильно наметить основные черты и детали последующего эксперимента. Однако появлению гипотезы всегда предшествует выработка идей решения научно-технической задачи.

В технических науках необходимо стремиться к применению математической формализации выдвинутых гипотез и выводов.       

В процессе теоретических исследований приходится непрерывно ставить и решать разнообразные по типам и сложности задачи в форме противоречий теоретических моделей, требующих разрешения.

В логико-психологическом  аспекте задача — это несогласованные   или   противоречивые    информационные   процессы (системы), соотношение между которыми  вызывает   потребность в их  преобразовании.  В  процессе решения задачи   противоречия   между  указанными ин­формационными процессами или системами устраняются. Структурно любая задача включает условия и требо­вания (см. рисунок 1).

Процесс проведения теоретических исследований состоит обычно из нескольких стадий. Оперативная стадия включает проверку возможности устранения технического противоречия, оценку возможных измене­ний в среде, окружающей объект, анализ возможности переноса, решения задачи из других отраслей знания (ответить на вопрос: «Как решаются в других отраслях знаний задачи, подобные данной?»), применение «обрат­ного» решения (ответить на вопрос: «Как решаются за­дачи, обратные данной, и нельзя ли использовать эти решения, взяв их со знаком минус?») или использования «прообразов» природы (ответить на вопрос: «Как реша­ются в природе более или менее сходные задачи?»).

 

Рисунок 1 –  Структурные компоненты решения задачи

 

Вто­рая стадия исследования является синтетической, в процессе которой определяется влияние изменения одной части объекта на построение других его частей, оп­ределяются необходимые изменения других объектов, работающих совместно с данным, оценивается возмож­ность применения измененного объекта по новому, и най­денной технической идеи при решении других задач.

Аналитическая стадия включает определе­ние идеального конечного результата (ответить на вопрос: «Что желательно получить в самом идеальном случае?»), выявляются помехи, мешающие получению идеального результата, и их причины, определяются усло­вия, обеспечивающие получение идеального результата с целью найти, при каких условиях исчезнет «помеха».

Постановка задачи является наиболее трудной ча­стью ее решения. Умение увидеть скрытое основное от­ношение задачи в самом начале решения, а следователь­но, умение поставить задачу, выделить ее из огромной массы окружающих, привходящих обстоятельств и, на­конец, добраться до ее завуалированной сущности — залог успеха в достижении поставленной цели. Чем бы­стрее задача ставится, тем быстрее она приходит в со­стояние предрешения. Все это указывает на то, что четкая формулировка основного отношения задачи — важнейший этап ее решения. Следует при этом иметь в виду, что преобразование в начале расплывчатой фор­мулировки задачи в четкую, определенную (переформу­лировка) часто облегчает решение задач.

Решение теоретических задач должно носить творче­ский характер. Творческие решения часто не укладыва­ются в заранее намеченные планы. Иногда оригинальные решения появляются «внезапно», после, казалось бы, длительных и бесплодных попыток. Часто удачные реше­ния возникают у специалистов смежных областей зна­ния, на которых не давит груз известных решений. Твор­ческие решения представляют по существу разрыв привыч­ных представлений и взгляд на явления с другой точки зрения. Следует особо подчеркнуть, что собственные творческие мысли (оригинальные решения) возникают тем чаще, чем больше сил, труда, времени затрачивает­ся на постоянное обдумывание путей решения теорети­ческой задачи, чем глубже научный работник увлечен исследовательской работой.

 

 

Лекция 7. Современные методы генерирования идей при решении научно-технических задач.

 

Выработка идей при решении изобретательских задач - один из древнейших видов человеческой деятельности. Поразительно, что основной метод генерирования идей сохранил свою суть до наших дней - это метод проб и ошибок. Суть его заключается в последовательном выдвижении и рассмотрении всевозможных идей решения задачи. Такая традиционная технология изобретательства отличается низкой эффективностью. Пришедшая научно-техническая революция вызвала необходимость в его интенсификации и выработке методов активизации перебора вариантов. Классификация используемых методов генерирования идей показана на рисунке 2.

Морфологическое описание объекта дает представление о его строении и позволяет охватить все мыслимые варианты решения задачи.

В основу расчленения (декомпозиции) проблемы при ее морфологическом описании (анализе структуры объекта) могут быть положены три подхода: объективный, функциональный и смешанный.

При объективном подходе осуществляется выделение из проблемы подпроблем, каждая из которых может рассматриваться как самостоятельная проблема соответствующего уровня иерархии. При этом каждая подпроблема может быть описана информационно и функционально.

Объективный подход к декомпозиции проблемы рекомендуется в тех случаях, когда задача имеет количественно сложную структуру при небольшой сложности и разнообразии составляющих ее подзадач. В этом случае выделяют группы сходных по свойствам подзадач и анализируют наиболее типичную подзадачу каждой группы, благодаря чему существенно снижается размерность описания проблемы.

Функциональный подход, в основе которого положен функциональный признак, рекомендуется применять в том случае, когда число подзадач невелико, но их функциональное описание является весьма сложным. В этом случае выделяется группа сходных функций и рассматривается возможность их реализации независимо от принадлежности к тем или иным подзадачам.

Выбор подхода к анализу проблемы зависит от множества факторов, таких, как цель исследования, природа проблемы, ее масштабность и др. Поэтому иногда бывает трудно принять однозначное решение о принципе формирования структуры. В таких случаях используют смешанный объектно-функциональный принцип расчленения проблемы.

От выбора того или иного принципа структурирования зависит достоверность результатов научного исследования.

Пример. В легкой промышленности имеется проблема упаковки изделий. Схематично методику морфологического анализа проблемы применительно к какому-либо виду изделий можно представить следующим образом. Если по одной оси записать, скажем, 20 видов материалов (металл, дерево, картон, пластик и т.д.), а на другой - 20 видов форм (сплошная жесткая, сплошная гибкая, решетчатая упаковка, сетчатая и т.д.), получится таблица, включающая 400 сочетаний, каждое из которых соответствует одному варианту. Можно ввести и другие оси, неограниченно наращивая число полученных вариантов. Общее количество полученных вариантов получают путем перемножения всех возможных альтернатив:

 

V = Пmi=1 Pi ,

(2)

 

где V - количество возможных вариантов;

m - количество различных аспектов или признаков деления;

Pi - количество элементов i-го типа.

 

 

Рисунок 2 - Классификация методов генерирования идей перебором вариантов решения задачи

 

Затем осуществляется упорядочение вариантов, решается задача выбора критериев и их оценка, с помощью которых выбирается подмножество оптимальных решений из множества вариантов. На заключительном этапе осуществляется выбор окончательного варианта решения.

К положительным сторонам метода морфологического анализа относится возможность учета максимального числа путей решения поставленной задачи, а к недостаткам - отсутствие в настоящее время алгоритмов варианта.

Мозговой штурм (мозговая атака) - психологический метод. Его автор Алекс Осборн родился в конце XIX века В Нью-Йорке. Впервые этот метод он применил при выдумке новых изделий и поиске новых идей для рекламы.

В основе метода лежит мысль об отделении процесса генерирования идей от процесса их оценки. Осборн предложил вести генерирование идей в условиях, когда критика запрещена; наоборот, всячески поощряется каждая идея, даже шуточная или явно нелепая. Дня этого отбирают небольшую, по возможности разнородную группу (6-8 человек) "генераторов идей". Высказанные идеи записывают и передают группе экспертов для оценки или отбора перспективных. Таков смысл обычной мозговой атаки.

Философская концепция мозгового штурма основана на теории Зигмунда Фрейда. Считается, что в таких условиях подсознанием вырабатываются иррациональные (невыразимые в понятиях логики) идеи, которые позволяют выйти за пределы привычных представлений и стереотипов.

Улучшенным методом мозгового штурма является синектика. Смысл ее заключается в том, что используются постоянные группы "генераторов идей", которые накапливают опыт решения задач. Растет взаимопонимание, идеи схватываются с полуслова. В этом методе участвуют два механизма творчества: неоперационные и операционные процессы.

Неоперационные процессы основаны на интуиции, операционные - на использовании разного рода аналогий. Обратимся к последнему.

Гегель утверждал: "В умозаключении по аналогии мы из того, что вещи известного рода обладают известными свойствами, заключаем, что и другие вещи этого рода также обладают этим свойством".

Рабочими механизмами для выработки свежего взгляда на задачу являются аналогии:

а)    прямая - любая аналогия, например, из природы;

б)    личная - попытка взглянуть на задачу, отождествив себя с объектом и войдя в его образ;

в)    символическая - нахождение кратного символического описания задачи или объекта;

г)    фантастическая - изложение задачи в терминах и понятиях сказок, мифов, легенд.

Синектика - предел того, что можно достичь, сохраняя принцип перебора вариантов. Этот принцип сравним с костяной иглой, что позволила человеку одеваться, однако промышленное производство одежды стало возможным только после изобретения челночного переплетения нитей и создания принципиально нового устройства - швейной машины. Точно так и современный творческий процесс требует принципиально отличающихся способов. Одним из них является недавно возникшая теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Суть ТРИЗ в том, что она принципиально меняет технологию выработки новых технических идей. Вместо перебора вариантов ТРИЗ предполагает мыслительные действия, опирающиеся на знания законов развития технических систем.

"ТРИЗНАЯ" технология решения сложных нестандартных задач построена на применении АРИЗ (алгоритма решения изобретательских задач).

АРИЗ, являясь комплексной программой (методикой) анализа и решения изобретательских задач включает в себя девять частей (в частности, модификация АРИЗ-85-Б):

1) Анализ задачи - переход от расплывчатой изобретательской ситуации к четко поставленной и предельно простой схеме (модели) задачи.

 2) Анализ модели задачи - учет имеющихся ресурсов, которые можно использовать при решении задачи: ресурсов пространства, времени, вещества и полей.

 3) Определение идеального конечного результата (ИКР) и физического противоречия (ФП), мешающего достижению ИКР.

 4) Мобилизация и применение вещественно-полевых ресурсов (веществ и полей, которые уже имеются или могут быть легко получены по условиям задачи).

5) Применение информационного фонда - использование опыта, сконцентрированного в информационном фонде ТРИЗ, т.е. имеющихся методик решения сходных задач.

6) Изменение или замена задачи. Если задача не решается буквальным преодолением ФП, например, разделением противоречивых свойств во времени или в пространстве, то обычно необходимо изменить смысл задачи - снять первоначальные ограничения, обусловленные психологической инерцией и до решения кажущиеся самоочевидными. Так как изобретательские задачи не могут быть сразу поставлены абсолютно точно, то эта часть может совмещаться с первой частью.

7) Анализ способа устранения ФП - это проверка качества полученного ответа, т.к. физическое противоречие должно быть устранено почти идеально. В противном случае можно получить плохо внедряемую слабую идею.

8) Применение полученного ответа - максимальное использование ресурсов найденной идеи, в том числе для многих аналогичных задач.

9) Анализ хода решения - такой анализ повышает творческий потенциал человека.

 

Лекция  8.  Оценка экономической эффективности темы

 

Приведенные выше требования (критерии), предъявля­емые к выбору тем, позволяют всесторонне оценить и установить пригодность их для данной научно-исследова­тельской организации. Однако в ряде случаев при пла­нировании тем возникает потребность в выборе наиболее перспективных, экономически обоснованных тем. В этом случае оценку народнохозяйственной необходимости разработки тем необходимо определять численными кри­териями, простейшим из которых является критерий эко­номической эффективности

 

kэпи,    

(3)

 

где Эп — предполагаемый экономический эффект от внедрения;

Зи — затраты на научные исследования.

Чем больше значение kэ, тем эффективнее тема и вы­ше ее народнохозяйственная эффективность. Однако критерий kэ не учитывает объем внедряемой продукции, период внедрения, поэтому более объектив­ным является критерий, вычисляемый по формуле:

 

kэ = CгT/3o.                                                        

(4)

 

Здесь Сг — стоимость продукции за год по­сле освоения научного исследования и внедрения в про­изводство;

Т — продолжительность производственного внедрения в годах;

3о — общие затраты на выполнение научного исследования, опытное и промышленное осво­ение продукции и годовые затраты на ее изготовление по новой технологии.

Экономичность является важнейшим критерием пер­спективности темы. Однако при оценке крупных тем этого критерия оказывается недостаточным и требуется более общая оценка, учитывающая и другие показатели. В этом случае часто используется экспертная оценка, которая выполняется специально подобранным составом высококвалифицированных экспертов (обычно от 7 до 15 человек). С их помощью в зависимости от специфики тематики, ее направления или комплексности устанавли­ваются оценочные показатели тем. Тема, получившая максимальную поддержку экспертов, считается наиболее перспективной.

Этапы научно-исследовательской работы

Научно-исследовательская работа выполняется в определенной последовательности. Вначале формулируется сама тема в результате общего ознакомления с пробле­мой, в рамках которой предстоит выполнить исследова­ние, и разрабатывается основной исходный предплановый документ — технико-экономическое обоснование (ТЭО) темы. Только при наличии такого обоснования возмож­но дальнейшее планирование и финансирование темы заказчиком. В первом разделе ТЭО темы указываются причины разработки (ее обоснование), приводится крат­кий литературный обзор, в котором описываются уже до­стигнутый уровень исследований и ранее полученные ре­зультаты. Особое внимание уделяется еще нерешенным вопросам, обоснованию, актуальности и значимости работы для отрасли и народного хозяйства страны. Такой обзор позволяет наметить методы решения, задачи и эта­пы исследования, определить конечную цель выполнения темы. Сюда входят патентная проработка темы и опре­деление целесообразности закупки лицензий.

На стадии составления ТЭО устанавливается область использования ожидаемых результатов НИР, возмож­ность их практической реализации в данной отрасли, определяется предполагаемый (потенциальный) эконо­мический эффект за период применения новой техники (зависящей от продолжительности разработки НИР и ОКР, этапов завершения и внедрения отдельных вопро­сов). Кроме экономического эффекта в ТЭО указыва­ются предполагаемые социальные результаты (рост производительности труда, качества продукции, повы­шение уровня безопасности и производственной санита­рии, обеспечение охраны природы и окружающей сре­ды). В результате составления ТЭО делается вывод о целесообразности и необходимости выполнения НИР и ОКР. Технико-экономическое обоснование утвержда­ется отраслевым министерством. После утверждения ТЭО конкретизируются цели и задачи исследования. Составляется библиографический список отечественной и зарубежной литературы, научно-технических отчетов по теме различных организаций соответствующего про­филя, составляются аннотации литературных источников и в случае необходимости рефераты по теме, уясняются явления, процессы, предметы, которые должны охватить конкретное исследование, а также методы исследования (экспериментальные, теоретические и т.д.).

Целью теоретических исследований явля­ется изучение физической сущности предмета. В резуль­тате обосновывается физическая модель, разрабатыва­ются математические модели и анализируются получен­ные таким образом предварительные результаты.

Перед организацией экспериментальных ис­следований разрабатываются задачи, выбираются методика и программы эксперимента. Его эффективность существенно зависит от выбора средств измерений. При решении этих задач необходимо руководствоваться ин­струкциями и ГОСТами.

Принимаемые методические решения формулируют­ся в виде методических указаний на проведение экспе­римента.

После разработки   методик   исследования   составляется рабочий план, в котором указываются объем экс­периментальных работ,  методы, техника, трудоемкость и сроки.

После завершения теоретических и эксперименталь­ных исследований проводится общий анализ получен­ных результатов, осуществляется сопоставление гипо­тезы с результатами эксперимента. В результате анали­за расхождений уточняются теоретические модели. В случае необходимости проводятся дополнительные эксперименты. Затем формулируются научные и произ­водственные выводы, составляется научно-технический отчет.

Следующим этапом разработки темы является внед­рение результатов исследований в производство и опре­деление их действительной экономической эффективно­сти. Внедрение фундаментальных и прикладных научных исследований в производство осуществляется через раз­работки, проводимые, как правило, в опытно-конструк­торских бюро, проектных организациях,  опытных заво­дах   и   мастерских.   Разработки   оформляются   в   виде опытно-технологических    или опытно-конструкторских работ, включающих формулировки темы; цели и задачи разработки; изучение литературы; подготовку к техни­ческому проектированию экспериментального образца; техническое проектирование (разработка вариантов тех­нического проекта   с  расчетами   и   разработкой   черте­жей) ; изготовление отдельных блоков,   их  объединение в систему; согласование технического проекта и его тех­нико-экономическое обоснование. После этого выполня­ется рабочее   проектирование   (детальная   проработка Проекта); изготовляется опытный образец; производятся его   опробование,   доводка   и   регулировка;   стендовые и производственные испытания. После этого осуществ­ляется доработка опытного образца   (анализ производ­ственных испытаний, переделка и замена отдельных уз­лов).

Успешное выполнение перечисленных этапов работы дает возможность представить образец к государствен­ным испытаниям, в результате которых образец запус­кается в серийное производство. Разработчики при этом осуществляют контроль и дают консультации.

Внедрение завершается оформлением акта экономи­ческой эффективности результатов исследования.

  

Лекция  9. Моделирование, как средство отражения свойств материальных объектов. Использование математических методов в исследованиях. Виды моделей

 

Исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей называется моделированием. Это одна из основных категорий теории познания. На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования - как теоретический (при котором используются различного рода знаковые, абстрактные модели), так и экспериментальный (использующий предметные модели).

Сущность моделирования заключается в исследовании объекта с помощью заменителя - модели, что позволяет по результатам опытов на модели судить о явлениях происходящих в "натурных условиях".

В основе моделирования лежит теория подобия, которая предполагает, что процессы и явления подобны, если между ними существует соответствие, определяемое критериями подобия.

Критерии подобия - это безразмерные комплексы параметров процесса или явления, их отвлеченные характеристики, полученные в результате абстрагирования и идеализации.

Высказанное суждение можно представить простыми формулами вида:

 

ХМ = kХ ХН;     ХН = ХМ/ kХ,

(5)

 

где ХН - значение какой-либо величины в натурных условиях;

ХМ - значение соответствующей величины на модели;

kХ -  коэффициент подобия.

Для каждого рода величин коэффициент подобия (масштаб моделирования) должен быть постоянным: например, отношение L/l = Kl линейных размеров в натуре к сходственным размерам на модели должно равняться одному и тому же числу Kl

Все виды моделирования подразделяются на четыре класса:

1) Макет исследуемого объекта представляет собой его внешнее пространственное изображение, характеризует взаимодействие и взаимосвязь отдельных частей объекта.

2) Физическая модель объекта (процесса) в вещественном виде с большей или меньшей точностью воспроизводит процессы, происходящие в исследуемом объекте.

3) Предметно-математическая модель позволяет исследовать объект путем изучения явлений и объектов иной физической природы.

4) Математическая модель - способ описания объективно существующих явлений с помощью математической символики.

Модели широко используются при исследовании и проектировании различных технологических объектов (в т.ч. машин и аппаратов легкой промышленности) для определения на модели тех или иных свойств (характеристик) как объекта в целом, так и отдельных его частей. Например, при исследовании на физической модели процесса или рабочих органов машин для обработки деталей деформированием (тиснение, предварительное формование подошв, стелек, обтяжка и затяжка верха обуви и др.) должны соблюдаться условия подобия.

Характерным для физического моделирования является:

- относительно полное воспроизведение свойств моделируемого объекта;

- возможности использования аппаратуры для регистрации показаний измерения без использования преобразующих устройств, вносящих дополнительные погрешности и искажения;

- возможности изучения явлений, не поддающихся математическому описанию;

- дороговизна моделей сложных объектов;

- трудность варьирования некоторыми параметрами моделируемого объекта в необходимых границах.

Наряду с механическим, широко используется и электрическое моделирование, обладающее рядом достоинств: простота, компактность, дешевизна и т.п. При электрическом моделировании даже в самых сложных случаях можно ограничиться моделью, состоящей из набора простых деталей: конденсаторов, индуктивностей и резисторов. Их комбинации позволят массу моделировать индуктивностью; силу - электрическим напряжением; скорость - силой тока; податливость, мягкость, упругость - емкостью; смещение - электрическим зарядом и т.п.

Наиболее абстрактным и идеальным отображением исследуемого объекта является математическая модель. Такой тип исследования осуществляется на моделях, физическая природа которых отличается от физической природы оригинала, благодаря чему значительно упрощается сам процесс моделирования. Например, с помощью одних и тех же формул можно моделировать аэродинамические и гидродинамические явления, колебания струн и мембран, особенности поведения электронов в атомах и молекулах и т.п.

Математическая модель явления представляет собой гипотезу, выраженную системой символов.

Существуют, в основном, два метода разработки математических моделей: теоретический и экспериментально-статистический.

Теоретический метод основан на изучении физико-математических и физико-химических закономерностей объекта, составлении и решении систем уравнений в алгебраической, дифференциальной и конечно-разностной форме.

Экспериментально-статистический подход основан на статистической обработке результатов экспериментов, организованных специальным образом. Главное достоинство моделей, получаемых на основе теоретического исследования, заключается в их большой прогностической мощности. Зная достаточно полно описание поведения объектов, можно с большей степенью достоверности предсказывать их поведение в самых разнообразных условиях.

Слабое место такого подхода - трудность создания хорошей теории сложных явлений и процессов.

Получить модели для большого класса объектов легкой промышленности весьма сложно и есть сомнения, что можно достичь цели в обозримый срок.

Обычным недостатком теоретических математических моделей является и то, что при их разработке принимается ряд таких допущений, что эти модели при практическом применении не дают ожидаемых результатов.

Значительный интерес представляют более доступные и зачастую более эффективные экспериментально-статистические методы, исследования сложных объектов, имеющие своей целью, как отыскание математического описания, так и оптимизацию объектов и процессов по этим моделям.

Общим и главным недостатком всех математических моделей является их недостаточная наглядность, особенно на первых этапах исследования, что ведет иногда к явному или скрытому подсознательному сопротивлению исследователя применению математических методов при разработке модели. Поэтому, вероятно, наиболее целесообразным является применение последовательного метода моделирования путем создания макета, физической модели, предметно-математической модели и математической модели, как завершающего этапа исследования.

Решение практических задач математическими метода­ми последовательно осуществляется путем математичес­кой формулировки задачи (разработки математической модели), выбора метода проведения исследования полу­ченной математической модели, анализа полученного ма­тематического результата.

Математическая формулировка задачи обычно представляется в виде чисел, геометрических образов, функций, систем уравнений и т. п. Описание объекта (явления) может быть представлено с помощью непрерывной или дискретной, детерминированной или стохастической и другими математическими формами.

Математическая модель представляет, со­бой систему математических соотношений — формул, функций, уравнений, систем уравнений, описывающих те лили иные стороны изучаемого объекта, явления, про­цесса.

Первым этапом математического моделирования яв­ляется постановка задачи, определение объекта и целей исследования, задание критериев (признаков) изучения объектов и управления ими. Неправильная или неполная постановка задачи может свести на нет результаты всех последующих этапов.

Весьма важным на этом этапе является установление границ области влияния изучаемого объекта. Границы области влияния объекта определяются областью зна­чимого взаимодействия с внешними объектами. Данная область может быть определена на основе следующих признаков: границы области охватывают те элементы, воздействие которых на исследуемый объект не равно нулю; за этими границами действие исследуемого объ­екта на внешние объекты стремится к нулю. Учет обла­сти влияния объекта при математическом моделирова­нии позволяет включить в эту модель все существенные факторы и рассматривать моделируемую систему как замкнутую, т. е., с известной степенью приближения, не­зависимую от внешней среды. Последнее значительно упрощает математическое исследование.

Следующим этапом моделирования является выбор типа математической модели. Выбор типа математичес­кой модели является важнейшим моментом, определяю­щим направление всего исследования. Обычно последо­вательно строится несколько моделей. Сравнение резуль­татов их исследования с реальностью позволяет установить наилучшую из них.

На этапе выбора типа математической модели при помощи анализа данных поискового эксперимента уста­навливаются: линейность или нелинейность, динамич­ность или статичность, стационарность или нестационарность, а также степень детерминированности исследуе­мого объекта или процесса.

Теория подобия и моделирования, являющаяся, в сущно­сти, теорией постановки и обработки проводимых экспе­риментальных и аналитических исследований, способна в значительной мере разрешить многие возникающие при этом трудности. Однако подобие и моделирование не могут становиться и не стали отдельной (специальной наукой, хотя в гносеологическом плане выделяют неко­торые общие свойства, присущие всем моделям. Эти свойства заключаются в наличии некоторой структуры статической и динамической, которая подобна или рас­сматривается в качестве подобной структуры другой си­стемы. Любая модель, таким образом, это естественный или искусственный объект, находящийся в соответствии с изучаемым объектом или какой-либо из его сторон. В процессе изучения модель служит относительно само­стоятельным «квазиобъектом», позволяющим получить при его исследовании некоторые знания о самом изучае­мом объекте. Модели всех видов постепенно приобрета­ют все большее значение, позволяя проводить научные исследования различных процессов, уточнять теорию ра­боты различных установок, проверять выводы и получать более полное и наглядное представление, чем это можно было бы сделать только на основании расчета. Модели имеют большое значение с точки зрения обучения, поз­воляя неоднократно воспроизводить аварийные режимы машин, аппаратов и систем, изучая при этом их в уско­ренном времени, необходимом для получения нужного опыта. Модели обеспечивают обработку психологической совместимости новых машин, аппаратов и систем, и че­ловека.

Концептуальные модели предполагают разработку и использование моделей, формируемых наблюдением в процессе обучения и наблюдения за объектом во вре­мя его функционирования. Модели позволяют оценивать значимость свойств целостности, выявлять свойства си­стемы и приходить в некоторое состояние, определяемое ее собственной структурой. Иногда выделяют логические модели, которые строятся с помощью аппарата матема­тической логики, а формальное построение используется далее для содержательной их интерпретации.

Кибернетические модели основываются на получении соотношений между входными и выходными функциями для некоего черного или серого ящика, представляюще­го изучаемое явление, без раскрытия его внутренней структуры.

Квазианалоговые модели и электронные модели за­нимаются синтезом цепей, являющихся моделями раз­личных объектов, имеют особенно большое значение в настоящее время при решении задач, возникающих при проектировании и эксплуатации больших систем техни­ческого назначения.

Электронное моделирование позволяет успешно решать задачи объектов и явлений путем созда­ния модели из комбинированных операционных блоков и проведения синтеза моделей.

Модель открывает большие возможности проверять предпосылки различных соотношений и допущений, при­нятых при математическом описании различных процес­сов, возникающих в аварийных условиях, и воспроизво­дить все действия персонала в условиях, близких к ес­тественным, необходимых для устранения аварийных ситуаций, т. е. осуществить психологическое мо­делирование операций. Подобие и моделирова­ние не только не находятся в противоречии с аналитиче­скими методами, применяющими цифровые вычислитель­ные машины, но, напротив, подкрепляют их, обеспечивая проверку аналитических методов, способст­вуя уверенности в их применениях.

Организация и обработка результатов эксперимента в критериальной форме.

Огромные скорости вычислений современных цифровых вычислительных машин обеспечивают быстроту анали­тических решений. Однако при ошибках физического или формального характера цифровая машина может вы­дать столь же быстро и уверенно неправильное решение. Поэтому особое значение приобретает апробация программ для вычислительных машин с точки зре­ния корректности заложенных в них физических поло­жений и правильности неизбежных упрощений. Эта про­верка должна проводиться на основе методов подобия и моделирования.

Роль эксперимента, а вместе с этим и моделирования, увеличивается с развитием и совершенствованием циф­ровых вычислительных машин. Эксперимент является не только путем непосредственного решения тех или иных научно-технических задач, но и помогает находить наи­лучшее средство аналитического решения.

Модели различных видов и различного рода (физи­ческие, аналоговые и математические) должны приме­няться совместно и одновременно с цифровыми вычисли­тельными машинами при исследовании работы различ­ных технических систем, анализе развития и управления их функционированием, т. е. во всех отраслях научных и научно-технических знаний обращается внимание на создание физико-цифроаналоговых комплексов, обеспе­чивающих единый многоаспектный подход к исследова­нию. Оценку достоверности любого исследования, в том числе и с применением моделирования, дает эксперимент, проведенный по специальной программе. Критери­альная программа проведения экспериментов (мысленных, математических или физических) дает оцен­ку результата, распространяющуюся на класс явлений (а не только на единичные явления) в виде обобщенной критериальной зависимости, и позволяет отсеять влия­ние посторонних, случайных факторов. Особенно удачно решаются задачи, возникающие при изучении различ­ных сложных систем и связанные с нахождением сово­купности варьируемых факторов, при которых целевая функция экстремальна.

Для использования моделирования в технических, ин­женерных задачах существенное значение имеет автома­тизация получения критериев подобия с помощью вычис­лительных машин. Далее моделирование должно разви­ваться при сочетании методов теории подобия, планирования эксперимента, регрессионного анализа, ис­следований при вероятностной и неполной информации. Критериальные зависимости в сочетании с методами планирования эксперимента и статическими методами облегчают задачи оптимизации сложных систем.

Увеличение сложности и размеров систем требует по­стоянного совершенствования моделирования и провер­ки полученных результатов путем эксперимента.

Четко провести любой (физический или вычислитель­ный) эксперимент, объективно оценить сведения об изу­чаемом процессе и распространить материал, получен­ный в одном исследовании, на серию других исследова­ний можно только при правильной их постановке и обработке.

 

Лекция  10. Моделирования в научном и техническом творчестве по БЖД. Экспериментальные исследования по БЖД

 

Подобие и моделирование в научных исследованиях

Методы теории подобия и моделирования широко при­меняются в различных научных исследованиях.

Моделирование можно определить как метод практи­ческого или теоретического опосредованного оперирова­ния объектом. При этом исследуется не сам объект, а промежуточный вспомогательный, находящийся в не­котором объективном соответствии с самим познаваемым объектом и способный на отдельных этапах познания представлять в определенных отношениях изучаемый объект, а также давать по исследованию модели ин­формацию об объекте.

При моделировании важна та помощь, которую оно оказывает при вскрытии качественных и количественных свойств явлений одинаковой физической природы и яв­лений, разнородных по своей физической сущности. В природе вследствие ее материального единства имеют­ся некоторые общие соотношения и простейшие формы, что позволяет делать широкие практические обобщения, в ряде случаев отвлекаясь в процессе познания от дета­лей происходящих явлений. Таким образом, при модели­ровании всегда должны присутствовать некоторые соот­ношения, устанавливающие условия перехода от модели к исследуемому объекту (оригиналу). Такие соотноше­ния носят название масштабов.

Подобие явлений, характеризующееся соответ­ствием (в частном случае пропорциональностью) вели­чин, участвующих в изучаемых явлениях, происходящих в оригиналах и в моделях, по степени соответствия па­раметров модели и оригинала может быть трех видов.

Абсолютное подобие, требующее полного тождества состояний или явлений в пространстве и времени, пред­ставляет собой абстрактное понятие, реализуемое толь­ко умозрительно.

Полное подобие — подобие тех процессов, протекаю­щих во времени и пространстве, которые до­статочно полно для целей данного исследования опреде­ляют изучаемое явление. Например, можно считать, что синхронный генератор имеет полное электромеханичес­кое подобие другому генератору, если все процессы из­менений токов, напряжений, вращающих моментов на валу, изменение во времени и пространстве распределе­ния магнитных и электрических полей отличаются в этих генераторах только масштабами. При этом нагрев или механические напряжения в отдельных деталях генера­тора могут быть неподобными, так как они не оказыва­ют существенного влияния на подлежащие исследованию электромеханические явления. Однако они могут быть наиболее существенными при исследовании тепломеха­нических процессов и т. д.

Неполное подобие связано с изучением процессов только во времени или только в прост­ранстве. Так, электромеханические процессы в син­хронном генераторе могут быть подобны во времени, без соблюдения геометрического подобия полей внутри машины.

Приближенное подобие реализуется при некоторых упрощающих допущениях, приводящих к искажениям, заранее оцениваемым количественно.

С точки зрения адекватности физической природы модели и оригинала моделирование может быть физичес­кое, осуществляемое при одинаковой физической приро­де изучаемых явлений; аналоговое, требующее соответ­ствия в том или ином смысле параметров сравниваемых процессов. Например, одинаковой формы уравнения, описывающие физически разнородные явления: матема­тическое, предусматривающее формальные преобразования уравнений, облегчающие их решение. Так, если диф­ференциальное уравнение (А), описывающее физический процесс, преобразовано в уравнение (В), то, установив соответствующие функциональные связи, можно рас­сматривать А и В в качестве подобных процессов. Усло­вия нелинейного подобия могут быть найдены для си­стем, параметры которых различно зависят от парамет­ров режима.

Классификация, типы и задачи эксперимента

Важнейшей составной частью научных исследований яв­ляется эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляе­мыми условиями. Само слово эксперимент происходит от лат. experimentum — проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обыч­но используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблю­дение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предска­зания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по себе понятие «эксперимент» оз­начает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления и по воз­можности наиболее частого, т. е. не осложняемого дру­гими явлениями. 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 определя­ются его назначением. Эксперименты, которые прово­дятся в различных отраслях науки, являются химиче­скими, биологическими, физическими, психологически­ми, социальными и т. п. Они различаются по способу формирования условий (естественных и искусственных); по целям исследования (преобразующие, констатирую­щие, контролирующие, поисковые, решающие); по ор­ганизации проведения (лабораторные, натурные, поле­вые, производственные и т.п.); 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 и модель­ный); по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный); по контролируемым ве­личинам (пассивный и активный); по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный); по ха­рактеру изучаемых объектов или явлений (технологи­ческие, социометрические) и т. п. Конечно, для класси­фикации могут быть использованы и другие признаки.

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 и, кроме того, экстраполяция резуль­татов изучения поведения модели на моделируемый объект требует дополнительных затрат времени и тео­ретического обоснования правомочности такой экстра­поляции.

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 изме­нения факторов; выбор шага изменения факторов, за­дание интервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование средств измерений; описание проведения эксперимента; 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, максимально 8...10).

Перед экспериментом надо выбрать варьируемые факторы, т.е. установить основные и второстепенные ха­рактеристики, влияющие на исследуемый процесс, про­анализировать расчетные (теоретические) схемы про­цесса. На основе этого анализа все факторы классифи­цируются и составляется из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд. Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку эксперимент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами. Иногда бывает трудно сразу выявить роль основных и второстепенных факторов. В таких случаях необходимо выполнять небольшой по объему предварительный поисковый опыт.

Методы измерения и метрологическое обеспечение

Основным принципом установления степени важнос­ти характеристики является ее роль в исследуемом про­цессе. Для этого процесс изучается в зависимости от какой-то одной переменной при остальных постоянных. Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя лишь в тех случаях, когда таких характеристик ма­ло — 1...3. Если же переменных величин много, целесо­образен принцип многофакторного анализа, рассматри­ваемый ниже.

Необходимо также обосновать набор средств из­мерений (приборов) другого оборудования, машин и аппаратов. В связи с этим экспериментатор должен быть хорошо знаком с выпускаемой в стране измери­тельной аппаратурой (при помощи ежегодно издающих­ся каталогов, по которым можно заказать выпускаемые отечественным приборостроением те или иные средства измерений). Естественно, что в первую очередь следует использовать стандартные, серийно выпускаемые маши­ны и приборы, работа на которых регламентируется ин­струкциями, ГОСТами и другими официальными доку­ментами.

В исследованиях применяются совокупные и совмест­ные измерения. При совокупных измерениях одно­временно измеряются несколько одноименных величин, а искомую величину при этом находят путем решения системы уравнений. При совместных измерениях одновременно проводят измерения неодноименных вели­чин для нахождения зависимости между ними.

Выделяется несколько основных методов измерения.

Метод непосредственной оценки соот­ветствует определению значения величины непосредст­венно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение массы на ци­ферблатных весах). При использовании метода сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, изме­рение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). При методе противопоставления осуществляется сравнение с мерой (измеряемая величи­на и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор, с помощью которого устанавли­вается соотношение между этими величинами, как, на­пример, при измерении массы на равноплечных весах с помещением измеряемой массы и гирь на двух проти­воположных чашках весов). При дифференциаль­ном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой- мерой (например, измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе). При нулевом методе результирую­щий эффект воздействия величины на прибор доводят до нуля (например, измерение электрического сопротив­ления мостом с полным его уравновешиванием). При методе замещения измеренную величину замеща­ют известной величиной, воспроизводимой мерой (напри­мер, взвешивание с поочередным помещением измеряе­мой массы и гири на одну и ту же чашку весов). При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеря­ется с использованием совпадения отметок шкал или пе­риодических сигналов.

Неотъемлемой частью экспериментальных исследова­ний являются средства измерений, т. е. сово­купность технических средств, имеющих нормированные погрешности, которые дают необходимую информацию для экспериментатора.

Измерительным прибором называют средство измере­ния, предназначенное для получения определенной ин­формации об изучаемой величине в удобной для экспе­риментатора форме. В этих приборах измеряемая вели­чина преобразуется в показание или сигнал. Они со­стоят из двух основных узлов: воспринимающего сигнал и преобразующего в показание. Приборы классифициру­ют, например, по способу отсчета значения измеряемой величины на показывающие и регистрирующие. Наиболь­шее распространение получили показывающие аналоговые приборы, отсчетные устройства которых состоят из шкалы и указателя. Эти приборы дают показания без каких-либо дополнительных операций экспериментатора. Однако меньшую погрешность имеют показывающие цифровые приборы (механические, электронные и др.). Отсчетный механизм таких приборов фиксирует измеряе­мую величину в виде цифр. Регистрирующие приборы бывают самопишущими и печатными. Самопишущие при­боры (термограф, шлейфовый осциллограф и др.) выда­ют график измерений. Печатные приборы выдают изме­рения в виде цифр на ленте. Приборы также классифи­цируют по точности измерений, стабильности показаний, чувствительности, пределам измерения и др.

 

Рабочее место экспериментатора и его организация

Рабочим местом называется часть рабочего пространст­ва, на которое распространяется непосредственное воз­действие экспериментатора в процессе исследования. Рабочее пространство - это часть лабораторного или производственного помещения, оснащения необходимы­ми экспериментальными средствами и обслуживаемая одним или группой исследователей. Рабочее пространст­во может быть стационарным (в лабораториях, научно-исследовательских учреждениях, полигонах и т. п.); условно-стационарным (в передвижных лабораториях, временных полигонах); мобильным (в ходовых лабора­ториях).

Лаборатория представляет собой специально обору­дованное помещение, в котором производятся экспери­ментальные исследования.

В соответствии с особенностями рабочего простран­ства можно выделять три типа исследовательских лабо­раторий: стационарные, передвижные и ходовые.

Рабочее место стационарной лаборатории комплек­туется специальным рабочим столом.

В зависимости от назначения лаборатории каждый лабораторный стол кроме воды, электричества и газа может дополнительно обеспечиваться подводкой пара, сжатого воздуха и общего вакуума. На столах размеща­ются также штепсели для включения электромоторчиков, настольных ламп, вычислительных машинок, нагрева­тельных приборов (паяльники, плитки), размещаемых на кусках толстого листового асбеста.

Особое внимание надо уделять освещенности рабоче­го места.

Оборудование    передвижных    лабораторий    близко к стационарным, но несколько уступает им из-за нехват­ки площадей.

Передвижные лаборатории вместо лабораторных сто­лов оснащаются рабочей поверхностью (откидной сто­лик) для ведения необходимых записей в процессе про­ведения эксперимента.

Исследователь (экспериментатор) в лаборатории вы­полняет ответственную работу, от которой часто зави­сит правильность решения теоретической или практиче­ской задачи в целом. Точность при выполнении предпи­саний методики, аккуратность, тщательность подготовки эксперимента,   внимательность   при   его   проведении — главнейшие условия  эффективности  экспериментальной работы. Приступая к проведению эксперимента, иссле­дователь должен еще раз обдумать и уточнить методику, подготовить всю необходимую документацию (акты, ла­бораторные тетради, журналы), которая предназначена для регистрации хода и результатов опытов.

  

Лекция  11. Обработка результатов экспериментальных исследований

 

Основы теории случайных ошибок и методов оценки случайных погрешностей в измерениях

Анализ случайных погрешностей основывается на тео­рии случайных ошибок, дающей возможность с опреде­ленной гарантией вычислить действительное значение измеренной величины и оценить возможные ошибки.

Основу теории случайных ошибок составляют пред­положения о том, что при большом числе измерений слу­чайные погрешности одинаковой величины, но разного знака встречаются одинаково часто; большие погрешно­сти встречаются реже, чем малые (вероятность появле­ния погрешности уменьшается с ростом ее величины); при бесконечно большом числе измерений истинно» зна­чение измеряемой величины равно среднеарифметичес­кому значению всех результатов измерений, а появление того или иного результата измерения как случайного со­бытия описывается нормальным законом распределения.

Различают генеральную и выборочную совокупность измерений. Под генеральной совокупностью подразуме­вают все множество возможных значений измерений xi или возможных значений погрешностей Δxi. Для выбо­рочной совокупности число измерений n ограничено, и в каждом конкретном случае строго определяется. Обычно считают, если n>30, то среднее значение дан­ной совокупности измерений x достаточно приближается к его истинному значению.

Теория случайных ошибок позволяет оценить точ­ность и надежность измерения при данном количестве замеров или определить минимальное количество заме­ров, гарантирующее требуемую (заданную) точность и надежность измерений. Наряду с этим возникает необ­ходимость исключить грубые ошибки ряда, определить достоверность полученных данных и др.

Элементы теории планирования эксперимента

Математическая теория эксперимента определяет усло­вия оптимального проведения исследования, в том числе и при неполном знании физической сущности явления. Для этого используются математические методы при подго­товке и проведении опытов, что позволяет исследовать и оптимизировать сложные системы и процессы, обеспе­чивать высокую эффективность эксперимента и точность определения исследуемых факторов. Обеспечивается также эффективное управление экспериментом при не­полном знании механизма явлений.

Эксперименты обычно ставятся небольшими сериями по заранее согласованному алгоритму.

После каждой небольшой серии опытов производится обработка результатов наблюдений и принимается стро­го обоснованное решение о том, что делать дальше.

При использовании методов математического плани­рования эксперимента возможно: решать различные во­просы, связанные с изучением сложных процессов и яв­лений; проводить эксперимент с целью адаптации тех­нологического процесса к изменяющимся оптимальным условиям его протекания и обеспечивать таким образом высокую эффективность его осуществления и др.

Теория математического эксперимента содержит ряд концепций, которые обеспечивают успешную реализацию задач исследования. К ним относятся концепции рандо­мизации, последовательного эксперимента, математиче­ского моделирования, оптимального использования фак­торного пространства и ряд других.

Принцип  рандомизации  заключается  в  том, что в план эксперимента вводят элемент  случайности. Для этого план эксперимента составляется таким обра­зом, чтобы те систематические факторы, которые трудно поддаются контролю, учитывались статистически и затем исключались в исследованиях как систематические ошибки.

При последовательном проведении эксперимент вы­полняется не одновременно, а поэтапно, с тем, чтобы ре­зультаты каждого этапа анализировать и принимать ре­шение о целесообразности проведения дальнейших исследований (см. рисунок 3).

В результате эксперимента получают уравнение регрессии, которое часто называют моделью процесса. Для конкретных случаев математи­ческая модель создается, исходя из целевой направлен­ности процесса и задач исследования, с учетом требуе­мой точности решения и достоверности исходных данных, что обычно производится по критерию Фишера. Так как степень полинома, адекватно описывающего процесс предсказать невозможно, то сначала пытаются описать явление линейной моделью, а затем, если она неадекватна, повышают степень полинома, т. е. проводят экспери­мент поэтапно.

Важное место в теории планирования эксперимента занимают вопросы оптимизации исследуемых процессов, свойств многокомпонентных систем или других объектов. Как правило, нельзя найти такое сочетание значений влияющих факторов, при котором одновременно дости­гается экстремум всех функций отклика. Например, максимальный крутящий момент двигателя и минималь­ный расход топлива достигаются при различных режи­мах работы. Поэтому в большинстве случаев за крите­рий оптимальности выбирают лишь одну из переменных состояния — функцию отклика, характеризующую про­цесс, а остальные принимают приемлемыми для данного случая. Методы планирования эксперимента в настоя­щее время быстро развиваются, чему способствует воз­можность широкого использования ПК.

Цель науки — выявление и исследование законов природы, поиск истины. Ученый пытается постичь сущ­ность окружающего нас мира, изучая механизмы и взаи­мосвязи явлений.

 

 

а — с целью математического описания исследуемого процесса; б — с целью оптимизации исследуемого процесса.

 

Рисунок 3 –  Структурная схема эксперимента

 

Развитие изобретательских способностей

Если сравнить изобретателя со спортсменом, стремящимся к победе на Олимпийских играх, то ясно, что для победы необходимо постоянно и настойчиво развивать свои способности на протяжении многих лет. Сформули­руем основные принципы «тренировки» будущего изобретателя.

Первым делом он должен выработать в себе изобретательский  взгляд, иными словами, научиться смотреть на все, что его окружает, спрашивая себя: «А почему это сделано или устроено именно так? Нельзя ли сделать по-другому, лучше?» Это относится к зданиям и мостам, инструментам и кухонной утвари, станкам, дымовым трубам и каминам, самолетам, гребным винтам судов, к водопадам, волнам и ветру как к возможным источникам энергии и к собственному телу (рассматриваемому как механи­ческое и химическое устройство). Изобретатель экс­периментирует в процессе любой ручной работы, какую ему приходится делать: моет ли он посуду, копается ли в саду, пилит ли бревна; он всегда задумывается над тем, нельзя ли сделать работу быстрее и лучше, чтобы меньше уставать, экономнее расходовать электричество и воду, равномерно рас­пределять мускульное усилие между мышцами пра­вой и левой стороны тела. Подобное эксперименти­рование для изобретателя столь же необходимо, как для ученого работа в физической или химической лаборатории.

Вырабатывание в себе такого подхода к окружа­ющей действительности не только позволяет доиски­ваться до первооснов того или иного явления или конструкции, но и способствует накоплению полезной информации. Работая над созданием роботов, я вни­мательно присматривался ко всему, что мне прихо­дилось делать руками, и пытался представить, как мог бы сделать то же самое робот с электронным мозгом.

Второе качество, которой обязан выработать в се­бе изобретатель — это уверенность в  себе (порой до­ходящая до наглости); он должен быть убежден, что добьется успеха там, где остальные потерпели неуда­чу, даже если друзья и подвергают его насмешкам за то, что он берется за непосильную задачу. Такой уверенностью в себе обладают дети, и будущий изо­бретатель должен пронести это качество через годы учения; если уверенность в своих силах утрачена, ему надо ее восстановить. Самый естественный путь к этому — постоянно изобретать разного рода полез­ные штуки для повседневной работы: различные приспособления для письменного стола, для кухни, для занятий в часы досуга, для домашней мастер­ской. В процессе конструирования таких приспособлений изобретатель поймет, что на пути от первона­чальной идеи к работоспособному изделию конструк­ция непременно претерпевает существенные измене­ния.

Третье качество, которое должен воспитывать в себе изобретатель,— настойчивость, именно настой­чивость поможет ему преодолеть неудачи и трудно­сти, которые обязательно встречаются на пути к новому. Всегда может случиться, что в ходе экспериментирования возникнет какое-то серьезное непредвиденное препятствие. Вот здесь-то изобрета­тель и должен трезво, не поддаваясь отчаянию, уяс­нить для себя: результат ли это принципиальной ошибки, заложенной в исходной идее, или эту труд­ность можно преодолеть за счет изменения конструк­ции или вспомогательного изобретения. Как правило, изобретателя поджимают время и деньги; в такой ситуации только он один способен принять верное решение. Он должен смотреть правде в глаза: с од­ной стороны, не отвергать с ослиным упрямством очевидные факты, а с другой — не давать отчаянию разрушить веру в собственное изобретение, если идея действительно того заслуживает. Если изобретатель знает заранее, что его ждут трудности, ему легче будет с ними справиться.

При составлении письменного текста необходимо иметь в виду, что у каждого читателя существует определенный промежуток времени ("критический период запоминания"), в который должна укладываться каждая содержащаяся в сообщении доза информации. Этот период (период "схватывания глазом") имеет длительность от 0.1 до 0.5 секунды. Таким образом, в печатном тексте выражение каждой идеи или утверждения, каждой фразы должно укладываться в такого рода промежуток времени. При нарушении этого условия читатель будет вынужден возвращаться назад, то есть совершать излишнее усилие и затрачивать излишнее время.

Для того, чтобы рассуждение было понятным для слушателя, его смысловые компоненты (дозы или кванты информации) должны иметь такую длину, чтобы они умещались в отрезках текста, каждый из которых может быть прочитан за 4-8 секунд. При устном выступлении несоблюдение этого условия приведет к тому, что для слушателя такое рассуждение "пройдет мимо ушей". Заглавие доклада (статьи) должно быть по возможности кратким (не более 8-10 слов).

При написании текста самой трудной является наиболее ответственная часть статьи - ее начало. Как правило, начальные фразы получаются примитивными, малосодержательными, банальными и неуклюжими. Не падайте духом: "мотор" только разогревается. Не смущайтесь, и продолжайте. Нужная первая фраза появится пятой или десятой по счету, и все предыдущие Вы с облегчением уничтожите. Никогда не начинайте статью словами "Как известно,...". Никогда не пользуйтесь штампом "Это связано с тем..." ("Это объясняется тем...").

Но не обязательно начинать писать статью с начала. Начните с конца - гораздо проще начать с Заключения, описать основные результаты работы и выводы. Составление подрисуночных подписей и списка литературы - тоже далеко не мелочи. Напишите другие разделы статьи, и вновь обращайтесь к ее началу. Трудности возникнут снова, но преодолеть их будет уже гораздо легче.

Первая страница статьи должна содержать:

1)     Полное название статьи.

2)     Сокращенное название (для колонтитулов).

3)     Фамилию, И.О. автора(ов) с полным почтовым адресом(ами). Для коллективных работ - имя автора, по адресу которого будет открыта переписка с читателями.

4)     Реферат объемом не более 80 слов для статей или краткую аннотацию для технической заметки.

5)     Графики и таблицы (на отдельных листах) помещаются после текста, их место в тексте отмечается на полях.

Текст печатается на одной стороне листа формата А4. Используется международная система единиц SI (при использовании других единиц указывается переходный коэффициент).

Литературные ссылки даются в алфавитном порядке по первому автору (для коллективных работ) и году издания.

Два экземпляра текста с рисунками сдаются в редакцию на бумажном носителе, и в виде файлов.

Уровень и качество работы читатель может определить по Введению, Заключению и списку литературы практически мгновенно, "на вскидку". Природа красива и гармонична. Чем ближе подошел исследователь к пониманию природных закономерностей и процессов, тем красивее его работа. В статье эта красота проявляется в ее архитектуре (построении), логике рассуждений, четкости языка и формулировок, использовании схем и таблиц, облегчающих понимание работы. Чем фундаментальнее и важнее изучаемая проблема, тем короче обоснование актуальности работы: емкость знания тем больше, чем в меньшем количестве знаковых средств удается его выразить.

Даже при очень беглом знакомстве со статьей отношение автора к своей работе сразу раскрывается по качеству графики (рисунков). Если автор выполнил работу с любовью, без конъюнктурной спешки, графика тщательно продумана, выразительна, легко читаема, доставляет эстетическое удовольствие, вызывает уважение и доверие к автору. Хорошая иллюстрация лучше 1000 слов! Некрасивая и неряшливая графика свидетельствует о том, что работа сделана "холодными руками", интересных результатов в ней быть не может.

Статья должна иметь четкую структуру, внутренние озаглавленные разделы (подразделы).

Итак, сначала определяется тема работы и обосновывается ее актуальность.

Далее определяются цель работы и задачи (методические, конструкторские, экспериментальные, теоретические, программно-алгоритмические, и т.д.), которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Важно подчеркнуть, в чем именно заключается новизна и оригинальность Вашего подхода (постановки задачи, объекта исследования, экспериментального или теоретического метода, технического устройства и т.д.). На этом заканчивается постановочная часть статьи, и вы уже определили ее логические блоки (описание объекта, постановка проблемы, промежуточные задачи, методы исследования, полученные результаты, их обсуждение, выводы и Заключение). Каждый такой блок - это раздел статьи со своим собственным заголовком.

Стремитесь к максимальной простоте и ясности изложения. Наука состоит в том, чтобы кажущееся сложным сделать простым, а не наоборот. Не превращайте статью в телеграфное сообщение. Не надо конкретную прикладную задачу излагать на языке функционального анализа.

Подведем итоги, приведя следующие правила: "Статья должна строиться так же, как в газете: информативное заглавие; суть, излагаемая в первом же абзаце; основные факты, излагаемые в следующих абзацах; небольшие главки, посвященные частным, менее значительным деталям; обязательные четкие выводы из главок и статьи в целом; никаких "конспектов на будущее". Если у Вас есть несколько вопросов, о которых хочется сказать, значит, нужно написать несколько статей, ибо основное правило таково: одна статья - одна мысль; если мыслей в статье три, то потеряются все три". В геофизике следовать этому правилу, к сожалению, удается не всегда. При изучении взаимосвязанных природных закономерностей стоит вытянуть одно звено, как за ним потянется целая цепочка.

Уже в аннотации (реферате) надо убедить читателя, что ему необходимо Вашу статью прочесть. Нужно изложить выводы так, чтобы он их сразу усвоил, и оценил их высокую практическую (познавательную) ценность. Каждый раздел или параграф должен строиться так, чтобы уже начало чтения давало основную информацию. Уделяйте сугубое внимание эксперименту (фактическим данным). Теоретические результаты особенно убедительны, если они подтверждены экспериментальными данными.

Заключительный раздел статьи - концентрат всей работы. Он состоит из двух подразделов (специальными заголовками они не выделяются). Первый подраздел - констатирующий - служит как бы замыканием постановочной части статьи. В нем Вы показываете, что поставленные задачи решены, и цель работы достигнута. Здесь Вы подчеркиваете оригинальность постановки, методики или технологии Вашего исследования, обеспечивших успех, и позволивших получить новые результаты. Второй подраздел - результативно-аналитический. В нем Вы перечисляете и комментируете результаты работы, их научное и практическое значение. Отдельные фразы из предыдущих разделов статьи в Заключении можно повторять дословно. Наконец, если это возможно (это возможно не всегда), постарайтесь сформулировать научное положение или положения, выткающее(ие) из полученных результатов. Научное положение - это развернутая фраза, утвердительно раскрывающая суть (механизм, процесс, природу) некоторого явления или закономерности. Если Вы не поднялись на уровень обобщения собственных результатов и за деревьями не увидели леса, - научное положение вместо Вас сформулирует кто-нибудь другой. И это будет совсем другая статья, автором которой Вы уже не будете.

Полезно иметь в виду, что текст научной статьи является выразительным портретом ее автора. Этот "автопортрет" объективно отражает добросовестность, профессиональное мастерство, широту кругозора, культурный уровень (в первую очередь, культуру речи, которая отражает культуру мышления), безжалостно обнажает кокетство, самолюбование, наукообразие, стремление придать банальности и пустоте видимость глубокомыслия, и многое другое. Не старайтесь казаться умным: эти старания приведут к совершенно противоположному результату.

Не засоряйте русский язык необоснованным использованием иностранных слов (это одно из проявлений наукообразия и кокетства).

Заключительный этап работы над текстом состоит в том, чтобы выкинуть все лишние слова, повторения, упростить длинные фразы, расставить знаки препинания, вымести "словесный мусор". М.Горький называл этот этап литературной работы "ловлей блох".

Именно теперь наступает кульминационный момент работы или момент истины, ради которого и пишется статья (публикация - вовсе не самоцель, если речь не идет о диссертации). Статья обретает способность самоорганизации и, как живой организм, начинает жить собственной жизнью. Она начинает вразумлять и учить своего автора.

Вдруг оказывается, что теоретический вывод может быть построен короче и красивее, что для подтверждения сформулированного результата необходимо проделать дополнительные расчеты и (или) выполнить специальные эксперименты, и т.д. Иногда какой-то второстепенный вопрос, первоначально не привлекавший к себе особого внимания, вдруг начинает разрастаться и задвигать исходную задачу на задний план. Вырисовывается совершенно новая проблема, может быть, даже существенно более крупного калибра, чем исходная. Как говорится, "хорошая мысля приходит опосля". Приходится отодвинуть статейную писанину в сторону, и приступить к реализации плана продолжения работ, который "предложила" Ваша статья. Потом статья переписывается заново и сдается в печать, но исследовательский процесс продолжается.

В научной работе эффект самоорганизации имеет особенно важное значение, но ничего мистического в этом нет. По мере того, как исследователь углубляется в понимание явления, направления и логика его мыслей во все большей степени управляются не им самим, а природой изучаемого явления. Красота и гармоничность природы передаются Вашим мыслям.

Когда статья, наконец, закончена, Вы читаете и воспринимаете ее так, как если бы она была написана кем-то другим, и удивленно спрашиваете сами себя: "Откуда взялся этот гениальный текст? Неужели это я его написал?". Вам кажется, что вы выросли на целую голову. Чувство удовлетворения является главной наградой за Ваши труды.

Ораторское искусство всегда имело очень важное значение в общественной жизни. Ему посвящено необозримое количество книг и статей. Однако все исследования посвящены исключительно политическим ораторам (а современные - еще и торговой рекламе). Эти ораторы обращаются прежде всего к эмоциям слушателей, их задача - убедить и внушить. Задача докладчика на научной конференции или деловом совещании другая - доказать , обосновать. Актерские приемы, уместные на театральной сцене, здесь будут выглядеть просто смешно.

В устном докладе содержание работы необходимо излагать по возможности короткими, четкими фразами. Мысли должны быть ясно выраженными, без усложнения излишними эпитетами, придаточными предложениями и деепричастными оборотами. Не считайте, что Вас слушают сплошь одни корифеи.

При изложении доклада не "по бумажке" необходимо логично, четко, не спеша излагать содержание, стараясь акцентировать внимание слушателей на наиболее важном и интересном. Если Вы чувствуете неуверенность или обнаруживаете недостаток времени для устного изложения, лучше все-таки доклад читать "по бумажке".

Не превышайте установленного для доклада отрезка времени. Заранее проведите хронометраж своего выступления и, при нехватке времени (его всегда не хватает) - отсеките все второстепенное. Хронометраж выступления удобно делать по магнитофонной записи. Дефекты собственного выступления особенно заметны, когда Вы слышите его "со стороны". Желание дать максимум информации в ограниченное время приводит к спешке; выступление оказывается смазанным, недоходчивым, аудитория его плохо воспринимает, и в результате - теряет интерес и к Вам, и к Вашей работе.

Сказанное выше относительно построения статьи полностью справедливо и для текста устного выступления (доклада). Не затягивайте вступительную часть доклада, быстрее переходите к сути работы (берите "быка за рога"). Выводы должны быть краткими и четкими.

Заранее зная, что Вы не успеете членораздельно описать все свои достижения, спровоцируйте аудиторию на вопросы. Для этого скажите мимоходом, что такие-то и такие-то "принципиально важные детали" Вы вынуждены опустить из-за нехватки времени. Аудитория "заглотнет наживку", Вы получите дополнительное время, а в возникшей после этого дискуссии сможете узнать много интересного, увидеть свою работу с новых, неожиданных для Вас, точек зрения.

Каждая минута устного выступления (как и время личного профессионального общения) ценится очень высоко.

Чем короче выступление, тем большего времени для подготовки оно требует. Помните, что Ваш доклад будет оцениваться не по количеству произнесенных слов. Всегда строго соблюдайте регламент. Ничто так не раздражает, как докладчик, не соблюдающий регламент. Как бы ни был интересен Ваш доклад, ни следующий докладчик, ни аудитория, ни председательствующий не согласятся, чтобы Вы превысили отведенное Вам время. Захват чужого времени считается каннибализмом.

Вопросы, как правило, задают после выступления. Оставьте для них 5 минут от отведенного Вам времени. Если вопросов не возникает, можете использовать это время для разъяснения ключевых положений доклада. Обычно после обсуждения секционных выступлений следует неформальное общение с заинтересованными коллегами в непринужденной обстановке.

Иллюстрации к докладу во время выступления служат Вашим путеводителем. Они должны быть яркими, лаконичными и легко воспринимаемыми, количество надписей на них - минимальным. Не стремитесь поместить на экране как можно больше буквенной и цифровой информации. Оставьте только самое необходимое. Не пишите длинных подрисуночных подписей и определений, пользуйтесь общеизвестными сокращениями. Помните, что картинка показывается на экране короткое время и восприятие помещенной на ней информации должно быть быстрым. Демонстрируйте на картинках только самое существенное, не распыляйте внимание аудитории. Каждая иллюстрация должна преследовать свою цель. Текст и графики должны подкреплять друг друга. В выступлении Вы можете использовать большее число иллюстраций, чем помещено в письменном докладе.

В дополнение к основным картинкам рекомендуется сделать следующие текстовые:

а) Названия Вуза, факультета и кафедры, название доклада, перечень авторов и научных руководителей;

б) Названия основных разделов (план) доклада;

в) Заключение (Выводы) по докладу.

Это поможет Вам сэкономить время представления доклада и сконцентрировать внимание аудитории на главном, основном.

Очень важна самооценка полученных результатов. Нет ничего дороже сделанного собственными руками. Выступление должно завершаться выводами: "следовательно...", "таким образом...". В конце выступления не забудьте поблагодарить своего Научного Руководителя и всех, кто помогал Вам в работе. Заключительная фраза выступления стандартна: "Я закончил, благодарю за внимание".

Во время выступления будьте сдержаны - не кричите в микрофон (а при отсутствии микрофона - не стесняйтесь говорить громко и весело), не размахивайте руками, не прыгайте и не танцуйте, не ложитесь на кафедру, не утирайте пот мятым носовым платком, не рыдайте, не отворачивайтесь от аудитории, обращаясь к потолку или окнам. Смотрите в глаза слушателям, циклически сканируя своим орлиным гипнотизирующим взглядом ряд за рядом. Каждый будет думать, что Вы обращаетесь именно к нему, и будет очень польщен Вашим вниманием. Даже геологи перестанут заниматься посторонними делами, и будут Вас внимательно слушать.

Похвалу в свой адрес принимайте с подобающей скромностью.  

 

Лекция  12.  Организация работы в научном коллективе

 

Научная организация и гигиена умственного труда

В физиологии и психологии труд подразделяется на преи­мущественно физический и преимущественно умствен­ный, требующий активации внимания, процессов мыш­ления и других психических функций; сопровождающий­ся выраженным нервно-психическим и эмоциональным напряжением. Конечно, такая классификация весьма от­носительна.

Умственная деятельность проявляется в определен­ных нейрофизиологических состояниях человека: усили­вается кровоснабжение и увеличивается биоэлектричес­кая активность мозга, повышается энергетический обмен нервных клеток, увеличивается нервно-психическое на­пряжение, так как информация, которую воспринимает и перерабатывает человек в процессе профессиональной деятельности, несет большую эмоциональную нагрузку.

Нервно-психическая нагрузка вызывает усиление сер­дечно-сосудистой деятельности и дыхания, повышение расхода энергии.

Многочисленные исследования физиологов и психоло­гов позволили получить обобщенную «фотографию» ра­ботоспособности человека в течение рабочего дня (см. рисунок 4).

 

1— врабатываемость; 2 — опти­мальная работоспособность; 3 — полная компенсация; 4 — не­устойчивая компенсация; 5 — конечный порыв; 6 — прогрес­сивное снижение работоспособ­ности; а — максимальные резерв­ные возможности; в — эффективная работа; с — утомление.

Рисунок 4 –  Изменение   рабо­тоспособности в течение ра­бочего дня

 

В соответствии с этим графиком период врабатываемости длится от нескольких минут до часа (работоспособность человека в этот период повышается, но продуктивность работы колеблется, так как человек легко отвлекается на посторонние раздражители). По­этому очень важно заставить себя в этот период работать, проявить волевое уси­лие, благодаря которому можно преодолеть снижение продуктивности.

Период оптимальной работоспособно­сти характеризуется устойчивым рабочим состоянием. Он наиболее продуктивен. Период полной компенсации отличается возникновением, начальных признаков утомления, кото­рые могут компенсироваться волевыми усилиями челове­ка и положительным отно­шением к работе, утомление в этот период как бы «маскируется», а нервно-психиче­ское напряжение увеличива­ется.

Продолжительность этих двух периодов уменьшается при повышении интенсивности труда, ухудшении условий работы (шум, плохо проветриваемое помещение, непод­готовленное рабочее место и т. п.).

В период неустойчивой компенсации происходят утомление и соответствующее снижение ра­ботоспособности, за счет волевого усилия это снижение можно замедлить, но не исключить. В этот период умень­шается чувствительность анализаторов (в первую оче­редь — зрение); ухудшаются психические функции, па­мять. В этом случае целесообразнее всего устроить в ра­боте перерыв.

Следующий период часто называют «конечным порывом», он выражается в кратковременном повышении работоспособности за счет мобилизации организ­ма перед концом работы. Этот период бывает не у всех и не всегда.       

Затем наступает период прогрессивного снижения работоспособности, характеризуемый быстрым нарастанием утомления и соответственно снижением эффективности умственной работы. Наблюдаются за­медление реакции, нарушение координации в моторных компонентах деятельности и др. В этой ситуации следует прекратить работу, так как утомление может перейти в переутомление, что весьма опасно для организма на­учного работника и в первую очередь — для его цент­ральной нервной системы.

Эффективность умственного труда наряду с обеспе­чением оптимальных условий трудовой деятельности (удобство рабочего места, необходимый уровень осве­щенности, отсутствие посторонних раздражителей, соответствующая температура и чистота воздуха) во многом связана с организацией полноценного отдыха в течение рабочего дня и после работы.

В течение рабочего дня научному работнику необхо­димы кратковременные перерывы для отдыха. Рацио­нальная частота и длительность перерывов со временем определяются индивидуально. Следует отметить при этом, что динамика работоспособности человека между кратковременными перерывами в работе как бы в мик­роцикле повторяет полный рабочий день. Правда, не всегда удается расслабиться и переключиться на отдых и в минуты кратковременных перерывов, так как чело­век невольно мысленно возвращается к нерешенной за­даче (а точнее — не уходит от нее) или начинает обду­мывать предстоящую работу. Отдыха может и не полу­читься. Для уменьшения периода врабатываемости, полноценности кратковременного отдыха многие опыт­ные научные работники советуют делать перерывы толь­ко после преодоления наиболее сложного этапа работы. Тогда перерыв проходит на положительной эмоциональ­ной волне, человек за короткое время восстанавливает свои силы и без «раскачки» включается в работу.

Нравственная ответственность ученого

Задачи общества ставят перед нашими учеными не только научно-теоре­тические и научно-практические проблемы, но и вопросы повышения роли морального фактора в научно-иссле­довательской работе и научной среде. Моральная атмо­сфера в научных коллективах и результативность научной деятельности   находятся   в   известной  зависимости друг от друга.

В связи с увеличением численности научных  работ­ников и особенно там,  где  складывается   пренебрежи­тельное отношение к моральным ценностям науки про­шлого и слабо поставлено нравственно-этическое воспи­тание среди научной молодежи, вероятность  появления различных отрицательных моральных установок и форм поведения увеличивается. В этих условиях каждому чле­ну коллектива необходимо прививать   чувство   ответст­венности за порученное дело, за качественное и своевре­менное выполнение поставленной задачи.

Даже талантливость и деловитость человека при ос­лабленной ответственности оказывается не достоинства­ми, а средствами искажения истины во имя временных интересов и целей эгоистического, узко личного, а не подлинно общественного характера.

Работоспособность мозга

Мозг - это генератор, заряжающий нервно-эмоциональным напряжением весь организм. Функциональная система, обеспечивающая работоспособность мозга, условно разделяется на две подсистемы - информационную и энергетическую [9]. Мозг подчиняется действию биологического закона: слабые раздражения возбуждают жизнедеятельность, средней силы - поощряют, сильные - угнетают. Внешние раздражения, воспринимаемые через органы слуха, зрения, обоняния и осязания, поддерживают возбудимость и тонус нервной системы на определенном уровне. Раздражения могут быть стимулирующими (при однократном сильном воздействии), тонизирующими (при многократном слабом воздействии) или подавляющими (влияние чрезмерного возбуждающего или тормозящего раздражителя).

Информационная подсистема осуществляет прием, переработку, хранение информации и передачу ее исполнительным органам - мышцам. Энергетическая подсистема поддерживает необходимый уровень обмена веществ в работающих органах.

Какие факторы определяют работоспособность мозга и тонус организма?

Прежде всего это физиологические факторы, определяющие общее здоровье человека. На первом месте стоит ритм бодрствования и сна. Рациональная организация труда, питания, физкультура, хороший сон, дают полноценную подзарядку энергетического "аккумулятора" организма. Не меньшее значение имеет правильное дыхание, свежий воздух, освещенность, цветовая гамма рабочего места, музыкальный фон (ритмичная, "зажигательная" музыка), тонизирующие запахи, температура воздуха, водные процедуры (в особенности, чередование горячего и холодного душа), массаж.

Наконец, немаловажны субъективные психические факторы, формирующие нервно-психическое эмоциональное напряжение. Это настроение, самочувствие, мотивация, аутотренинг, наличие стрессовых ситуаций. Тонус организма в данный момент зависит от сочетания всех действующих факторов в их совокупности.

Как восстанавливать и поддерживать работоспособность.

Работоспособность человека в течение трудового дня неодинакова. Можно говорить о последовательных этапах (стадиях) ее изменения. Первый этап - врабатывание - приходится, как правило, на первый час (реже на два часа) от начала работы. За это время происходит полный выход организма из сна. Второй этап - устойчивой работоспособности - длится последующие 2-3 ч. Третий этап - этап некомпенсированного утомления, когда работоспособность вновь снижается. Эти три этапа повторяются дважды за трудовой день до обеденного перерыва и после него. Минимальная работоспособность в течение дня приходится на послеобеденное время, когда кровь от мозга приливает к желудку ("пищеварительный лейкоцитоз").

В течение суток кривая работоспособности изменяется волнообразно (см. рисунок 4а; амплитуда выражена в некоторых условных единицах). Максимумы отмечаются в 10-13 и 17-20 часов. Минимум работоспособности приходится на ночные часы. Но и в это время наблюдаются физиологические подъемы с 24 до 01 часа ночи и с 5 до 6 часов утра.

Подъемы работоспособности в 5-6, 11-12, 16-17, 20-21, 24-01 час чередуются со спадами ее в 2-3, 9-10, 14-15, 18-19, 22-23 часа. Это нужно учитывать при организации режима труда и отдыха. Если по каким-то причинам Вы проспали первый максимум продуктивной работы, то кривая на рисунке 2а не переместится вдоль оси времени на время Вашего "пересыпа". Это продуктивное время будет Вами потеряно безвозвратно.

В течение недели отмечаются те же три этапа (см. рисунок 4б). В понедельник - стадия врабатывания, вторник, среда, четверг - стадия устойчивой работоспособности, пятница, суббота - торможение (утомление). Очень важно научиться использовать оптимальное время для того или иного вида работы, совпадающее с максимумами суточной, недельной работоспособности.

Наиболее ценными и продуктивными для работы являются утренние часы. Недаром говорит пословица: "Кто рано встает, тому Бог дает". Продолжительность высокопродуктивной фазы можно увеличить на час-два (с 7 часов до 11) за счет сокращения периода врабатывания. Для этого надо специальным образом разбудить мозг после сна и привести организм в рабочее состояние.

Проснувшись, не форсируйте переход в режим бодрствования. Не открывая глаз, кошачьим движением потянитесь, растяните мышцы. Проделайте лежа упражнения для глаз под закрытыми веками. Откройте глаза и помассируйте кисти рук. Сядьте, свесив ноги с кровати. Провентилируйте легкие (см. упражнения ниже). Сидя, проделайте упражнения для головы (точечный массаж), шеи (наклоны и повороты). Помассируйте ступни и ноги (точечный массаж и вращения). При точечном массаже головы электрические импульсы из нервных узлов (точек акупунктуры) пойдут прямо в мозг. Встаньте и проделайте дыхательные упражнения. Разогрейте руки, энергично растерев их от запястьев до плеч. Переходите к динамическим упражнениям, сочетая их с парадоксальным (Приложение 3) дыханием. Наконец, переходите к водным процедурам (чередуйте горячий и холодный душ). Если Вы занимаетесь физкультурой нерегулярно, то не переусердствуйте в нагрузке - вместо заряда бодрости и энергии Вы почувствуете усталость, и снова захотите спать. Если сами не чувствуете себя достаточно тренированным, перечисленные упражнения делайте не утром после сна, а вечером, перед сном. Сон будет очень крепким, и за ночь Ваш организм отдохнет; утреннюю разминку проведите в ослабленной форме. Завтрак не должен быть плотным.

Что хорошего в утомлении

Утомление является естественным побудителем восстановления работоспособности. Здесь действует закон биологической обратной связи. Если бы организм не утомлялся, то не происходили бы и восстановительные процессы. Чем больше утомление (конечно, до определенного предела), тем сильнее стимуляция восстановления и тем выше уровень последующей работоспособности. Утомление не разрушает организм, а поддерживает и укрепляет его. Давно замечено, что чем большим числом обязанностей и дел обременен человек, тем больше он успевает сделать. Активная жизнь и физические нагрузки не сокращают, а увеличивают продолжительность жизни.

Почему же такая полезнейшая вещь нередко имеет отрицательную окраску: снижается интерес к работе, ухудшается настроение, нередко возникают болезненные ощущения в теле? Утомление наступает быстро, если работа наскучила, если она неинтересна, нерезультативна, если возникает конфликт между принуждением к труду и нежеланием работать.

Мотивация, побуждающая человека к работе, формирует у него состояние готовности к действию, установку на труд. В порыве творчества люди обычно испытывают не усталость, а наоборот - подъем и воодушевление. А как легко воспринимаются студентами первые лекции! Результатом положительной установки на физический труд также является не усталость, а "мышечная радость".

В Приложении 3 мы приводим комплекс специальных упражнений, обеспечивающих поддержание и восстановление бодрости и работоспособности.

Работоспособность и возраст

Установлено, что в 18-20 лет у человека наблюдается самая высокая скорость интеллектуальных и логических процессов. К 30 годам она снижается на 4%, к 40 - на 13%, к 50 - на 20%, а в возрасте 60 лет - на 25%. Физическая работоспособность максимальна в возрасте от 20 до 30 лет, к 50-60 годам она снижается на 30%, в следующие 10 лет она составляет около 60% юношеской.

Однако продуктивность ученого определяется не только скоростью его мышления, и старость - это, скорее состояние духа, чем состояние организма. Зрелый ученый, в отличие от молодого, обладает сложившимся научным мировоззрением и широким кругозором, способностью работать в "многозадачном" режиме, то есть параллельно работать одновременно в нескольких направлениях. При каких-либо заминках или затруднениях он переходит от одной проблемы к другой без потери темпа исследований.

В течение творческой жизни у каждого творчески активного ученого накапливается целый ряд "крупнокалиберных" сложных проблем, решения которых обдумываются и созревают годами или даже десятилетиями. Сегодня персональный компьютер заменяет ученому лаборанта-вычислителя, чертежника, секретаря-машинистку, референта и даже переводчика. Но даже компьютер не позволяет снять противоречие между количеством накопившихся конструктивных идей и физическими возможностями человека по их реализации. Ученый, преподающий в ВУЗе, разрешает это противоречие созданием научной школы. Он отбирает из своих студентов наиболее способных, проявляющих рвение к науке (это не обязательно круглые отличники или золотые медалисты), направляет их работу и щедро делится своими идеями и знаниями.

Научная школа - уникальный коллектив. Он представляет собой систему, обладающую особым свойством - свойством эмерджентности. Это означает, что каждый участник такого коллектива (от научного руководителя до любого из студентов) приобретает такие качества и возможности, которыми не обладает в отдельности. Студент сразу начинает работать в "кипящем слое" науки на уровне ее новейших достижений. Руководитель получает возможность резко расширить фронт научного поиска, синтезировать быстро накапливающиеся результаты в различных направлениях. В таком коллективе создается творческая обстановка, способствующая появлению крупных открытий и результатов. Вот почему фундаментальные науки развиваются преимущественно в стенах высших учебных заведений. Научные школы без преувеличения - национальное богатство страны. Распад научных школ означает гибель науки.

 

 Список литературы 

1

Кожухар  В.М. Практикум по  основам  научных исследований: учебное пособие. - М., - 2008.

2

Райзберг Б.А. Диссертация и учёная степень: Пособие для со­искателей. - М.: ИНФРА-М, 2000. - 304 с.

3

Кузнецов И.Н.  Научное исследование: Методика проведения  и оформления. - М., - 2008.

4

Фадеев М.А. Элементарная обработка  результатов  эксперимента, 2008

7

Грановский  В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях,  1990.

8

Воробьев В.С., Елсуков А. Н. Теория и эксперимент, 1989.

9

Д.А.Кожевников. Проблемы интерпретации данных ГИС. Научно-технический вестник Ассоциации исследователей скважин "Каротажник", 1997, вып.34, с.7-27.

10

Бабуров Э.Ф., Куликов Э.Л., Маригодов В.К. Основы научных исследований. – К.: Высшая школа, 1988.

11

Основы научных исследований. Учебник для ВУЗов. В.И.Крутов и др. - М.: 1989.-400 с.

12

М.С.Комаров. Основы научных исследований. - Львов, 1982 -128с.

13

В.М.Сиденко,    И.М.Грушко.    Основы    научных    исследований. Харьков,1977-200с.

14

И.В.Белый,     К.П.Власов,     В.Б.Клепиков.      Основы     научных исследований-и технического творчества. - Харьков, 1989 - 200 с.

15

Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика. - М., 1977.

16

http://kdalab.narod.ru/index.htm

17

Таблицы      планов      экспериментов.      Для      факторных      и полиноминальных моделей. Справочное издание/ Под ред. В. В. Налимова. - М., 1982.

18

 Налимов В. В., Голикова Т. И. Логическое основание планирования эксперимента. -  М., 1981.

  Доп. план 2011 г., поз. 49