Основы научных исследований

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Лесосибирский филиал

Кафедра лесоинженерных дисциплин

Контрольная работа

по дисциплине: «Основы научных исследований»

Тема: «Основы научных исследований»

(ЛИД 000000.047КнР)

Руководитель:

Зарипов З.З.

Разработал:

студент гр. 74-3

Сидоркина Г.Г.

Лесосибирск 2010



Содержание:

Введение

В чем заключается новизна научной деятельности, задача науки

Структура научных учреждений страны

Разработка программы экспериментов

Регрессионный анализ

Анализ результатов исследований

Методы научно-технического творчества

Решение задачи по обработке результатов экспериментальных данных с помощью пакета программы STATISTICA - 6

Заключение

Библиографический список



Введение

На рубеже 3-го тысячелетия расширение объема знаний, накопленных человечеством, превратило в проблему способ их усвоения. Ускорение научно-технического прогресса увеличило объем активного времени, затрачиваемого людьми на получение новых знаний, на выявление новых законов природы и общества. В студенческие годы развитие интеллекта характеризуется максимальной за всю жизнь человека скоростью мыслительных и логических процессов. Великие ученые и педагоги всегда мечтали о превращении учебы в процесс активного познавательного творчества или в процесс творческого познавания. Они желали своим ученикам почувствовать в жизни непередаваемое счастье творчества, акта совершенного открытия.

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. Все это привело к научно-технической революцией (НТР). Особенностями НТР являются возрастающая роль науки; возможность автоматизации не только физического, но и умственного (не творческого) труда; бурный рост и обновление научно-технической информации; быстрая смена материалов, конструкций, машин, технологических процессов; резкое увеличение разновидностей инженерных решений; повышение уровня комплексной механизации и автоматизации, а также систем управления.

Цели:

освоить методологию и методику научных исследований;

уметь отбирать и анализировать литературу и информацию по интересующей тематике;

ставить цель исследования и формулировать задачи;

планировать и проводить физический эксперимент;

обрабатывать результаты экспериментов и делать их анализ;

формулировать выводы и оформлять результаты научного исследования.



В чем заключается новизна научной деятельности, задача науки

Наука -- это исторически сложившаяся и непрерывно развивающаяся система знаний о природе, обществе и мышлении об объективных законах их развития.

Предмет науки -- формы движущейся материи, и их отражения в сознании человека. Исходя из фактов действительности, наука дает правильное объяснение их происхождению и развитию, раскрывает существенные связи между явлениями, вооружает человека знанием объективных законов реального мира в целях практического применения. В условиях научно-технической революции сложилась единая система: "наука - техника -- производство".

Непосредственные цели науки -- получение знаний об объективном и о субъективном мире, постижение объективной истины.

Основными задачами науки является:

собирание, описание, анализ, обобщение и объяснение фактов;

обнаружение законов движения природы, общества, мышления и познания;

систематизация полученных знаний;

объяснение сущности явлений и процессов;

прогнозирование событий, явлений и процессов;

установление направлений и форм практического использования полученных знаний.

Науку можно рассматривать как систему, состоящую: из теории; методологии, методики и техники исследований; практики внедрения полученных результатов.

Если науку рассматривать с точки зрения взаимодействия субъекта и объекта познания, то она включает в себя следующие элементы:

объект (предмет) -- это та совокупность связей и отношений, свойств, которая существует объективно в теории и практике и служит источником необходимой для исследователя информации;

субъект -- конкретный исследователь, научный работник, специалист научной организации, организация;

научная деятельность субъектов, применяющих определенные приемы, операции, методы для постижения объективной истины и обнаружения законов действительности.

В Настоящее время в зависимости от сферы, предмета и метода познания различают следующие науки:

о природе -- естественные;

об обществе -- гуманитарные и социальные;

о мышлении и познании -- логика, гносеология, эпистемология и др.

В Классификаторе направлений и специальностей высшегопрофессионального образования выделены следующие науки:

естественные науки и математика (механика, физика,химия, биология, почвоведение, география, гидрометеорология,геология, экология и др.);

гуманитарные и социально-экономические науки (культурология, теология, филология, философия, лингвистика, журналистика, книговедение, история, политология, психология, социальная работа, социология, регионоведение, менеджмент, экономика, искусство, физическая культура, коммерция, агроэкономика, статистика, юриспруденция и др.);

технические науки (строительство, полиграфия, телекоммуникации, металлургия, горное дело, электроника и микроэлектроника, геодезия, радиотехника, архитектура и др.);

сельскохозяйственные науки (агрономия, зоотехния, ветеринария, агроинженерия, лесное дело, рыболовство и др.).

Обратим внимание на то, что в этом Классификаторе технические и сельскохозяйственные науки выделены в отдельные группы, а математика не отнесена к естественным наукам.

В Номенклатуре специальностей научных работников, утвержденной Министерством науки и технологий РФ 25 января 2000г., указаны следующие отрасли науки: физико-математические, химические, биологические, геолого-минералогические, технические. сельскохозяйственные, исторические, экономические, философские, филологические, географические, юридические, педагогические, медицинские, фармацевтические, ветеринарные, искусствоведение, архитектура, психологические, социологические, политические, культурология и науки о Земле.

Есть и другая классификация наук. Например, в зависимости от связи с практикой науки делят на фундаментальные (теоретические), которые объясняют основные законы объективного и субъективного мира и прямо не ориентированы на практику, и прикладные, которые направлены на решение технических, производственных, социально-технических проблем.

Структура научных учреждений страны

В ходе общественного разделения труда выделилось пять взаимосвязанных научных сфер: академическая, вузовая, отраслевая, производственная и вневедомственная.

В академических и вузовых структурах, прежде всего проводящих фундаментальные исследования по важнейшим направлениям естественных, технических и общественных наук, создают теоретические основы для разработки принципиально новых видов техники и технологии, а также выполняют с участием отраслевой и заводской науки поисковые и высокоэффективные прикладные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы отраслевого и межотраслевого характера.

К отраслевым научным учреждениям относят головные научно-исследовательские институты, конструкторские организации, а также опытные производства и станции, подчиняющиеся непосредственно министерствам и ведомствам, научно-технические центры, межотраслевые научно-технические комплексы, научно-производственные объединения, селекционные центры, зональные сельскохозяйственные станции и др. Эти учреждения определяют научно-технический уровень производства в отрасли, создают высокоэффективные комплексы машин, оборудования, приборов и материалов, разрабатывают технологические процессы, получают новые сорта растений, породы животных и т. д. Отраслевые научные учреждения подчиняются соответствующим органам управления, отвечающим за проведение единой научно-технической политики. Производственная наука развивается в центральных заводских лабораториях, специальных и опытно-конструкторских бюро, отделах главного конструктора, экспериментальных и опытных цехах и пр. Цели производственной науки -- повышать технический уровень и улучшать организацию производства совершенствовать технологию, получать продукцию высокого качества, обеспечивать ее конкурентоспособность и своевременно обновлять.

В последние годы получает развитие вневедомственная наука. Она реализуется преимущественно в малых формах: консультативных структурах, научно-технических организациях, научных и инженерных обществах, научных кооперативах, центрах экспертизы, научно-технического творчества молодежи и др.

Разработка программы экспериментов

Перед каждым экспериментов 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.

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.

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. Естественно, что в первую очередь следует использовать стандартные, серийно выпускаемые машины и приборы, работа на которых регламентируется инструкциями, ГОСТами и другими официальными документами.

Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки - метрологии, изучающей средства и методы измерений.

При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измерения) повторные отсчеты на приборах, как правило, неодинаковы. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт, тем больше расхождения цифр, получаемых при изменениях, т.е. тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать их минимальное количество.

Особое внимание установление эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, установлению критериев и доверительных интервалов и др.

Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям: требование эффективности оценок, т.е. минимальность дисперсии отклонения относительно неизвестного параметра; требование состоятельности оценок, т.е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению; требование несмещенности оценок - отсутствие систематических ошибок в процессе вычисления параметров. Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требований.

Объем и трудоемкость экспериментальных исследований зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измерений. На объем и трудоемкость проведения экспериментальных работ существенно влияет вид эксперимента. После установления объема экспериментальных работ составляется перечень необходимых средств измерений, объем материалов, список исполнителей, календарный план и смета расходов.

План-программу рассматривает научный руководитель, обсуждают в научном коллективе и утверждают в установленном порядке.

При разработке плана-программы эксперимента всегда необходимо стремиться к его упрощению, наглядности без потери точности и достоверности.

Это достигается предварительным анализом и сопоставлением результатов измерений одного и того же параметра различными техническими средствами, а также методов обработки полученных результатов.

В условиях интенсификации проведения научных исследований важнейшее место в процессе подготовки эксперимента должно отводиться его автоматизации с вводом экспериментальных данных в ЭВМ, с расчетом результирующих показателей, с автоматическим управлением хода эксперимента.

Регрессионный анализ

Под регрессионным анализом понимают исследование закономерностей связи между явлениями (процессами), которые зависят от многих, иногда неизвестных, факторов. Часто между переменными x и y существует связь, но не вполне определенная , при которой одному значению x соответствует несколько значений (совокупность) у. В таких случаях связь называют регрессионной. Таким образом, функция y = f(x) является регрессионной (корреляционной), если каждому значению аргумента соответствует статистический ряд распределения у. Установление регрессионных зависимостей между величинами у и х возможно лишь тогда, когда выполнимы статистические измерения.

Статистические зависимости описываются математическими моделями процесса, т.е. регрессионными выражениями, связывающими независимые значения х (факторы) с зависимой переменой у (результативный признак, функция цели, отклик). Модель должна быть простой и адекватной.

Задачи регрессионного анализа:

а) Установление формы зависимости, т.е. вида кривой между случайными величинами (аргументами х и функцией у). Различают положительную линейную и нелинейную и отрицательную линейную и нелинейную регрессию.



Положительная линейная регрессия (рис.1 а) выражает равномерный рост функции. Ее можно наблюдать, например, рассматривая зависимость общего расхода материальных средств от объема производства при постоянных нормах расхода сырья и материалов.

Положительная равноускоренная возрастающая регрессия (рис 1 б.) существует, например, между подоходным налогом и заработной платой.

Положительная равнозамедленно возрастающая регрессия (рис. 1 в) возникает при описании зависимости уровня производительности труда от стажа работы.

Отрицательная линейная регрессия (рис.1 г) выражает равномерное падение функции, например, зависимость плотности населения от доли лиц, занятых в сельском хозяйстве.

Отрицательная равноускоренно убывающая регрессия (рис.1 д) в определенных границах наблюдается при изучении зависимости числа посетителей кинотеатров от количества телевизоров, находящихся в употреблении.

Отрицательная равнозамедленно убывающая регрессия (рис.1 е) -- например, регрессия себестоимости единицы продукции на объем продукции. Этот вид зависимости наблюдается при изучении зависимости спроса населения от стоимости товара.

При линейной регрессии говорят о линейной корреляции, а при нелинейной -- о нелинейной корреляции. Чаще всего разнообразные нами разновидности регрессии встречаются не в чистом виде. А в сочетании друг с другом (рис.2). Регрессии такого типа называют комбинированными формами регрессии.

б) Определение функции регрессии. Процесс нахождения функции регрессии называют выравниванием отдельных значений зависимой переменной.

Корреляционные связи характеризуются тем, что каждому значению объясняющей переменной соответствует распределение значений зависимой переменной. Важно не только указать общую тенденцию изменения зависимой переменной, но и выяснить. Каково было бы действие на зависимую переменную главных факторов-причин, если бы прочие факторы не изменялись и если были бы исключены случайные элементы. Для этого определяют функцию регрессии в виде математического уравнения. Процесс нахождения функции регрессии называют выравниванием отдельных значений зависимой переменной.

в) Оценка неизвестных значений зависимой переменной.

С помощью функции регрессии можно воспроизвести значения зависимой переменной внутри интервала заданных значений объясняющих переменных (т.е. решить задачу интерполяции) или оценить течение процесса вне заданного интервала (т.е. решить задачу экстраполяции). Эти задачи решаются путем подстановки в соответствующие уравнения регрессии с найденными оценками параметров значений объясняющих переменных. Результат представляют собой оценку значения зависимой переменной.

Анализ результатов исследований

Анализируя полученную модель объекта, исследователь получает необходимую информацию о нем. Такой анализ проводят, используя математическую модель в нормализованных обозначениях факторов:

1. Полученная модель позволяет предсказать значения Yj для любойточки внутри области варьирования факторов.

2. По уравнению регрессии можно оценить относительную степеньвлияния факторов на выходную величину.

3. Знаки коэффициентов регрессии также несут важнуюинформацию. Например, если линейный коэффициент регрессииположителен, то выходная величина возрастает с увеличениемсоответствующего фактора и убывает при его уменьшении. Однакоследует помнить, что для квадратичной модели степень влияния факторовна изменение отклика не является постоянной. Она различна в различныхточках диапазона варьирования каждого фактора, а если в уравненииприсутствуют еще и парные взаимодействия, то степень влияния факторовна выходную величину определяется еще и уровнями факторов, входящихв эти взаимодействия.

Поэтому при изучении влияния некоторого фактора Xi на изменение выходной величины наибольшую наглядность дают графики зависимости Y=f(хi). Эти графики строят по уравнению регрессии при различных фиксированных значениях остальных факторов. При сопоставлении таких графиков можно выявить смысл парных взаимодействий.

При построении графиков следует помнить следующие случаи:

- если bii > 0, то концы отрезка параболы направлены вверх, то есть получена вогнутая кривая;

- если bii< 0. то кривая выпуклая;

- если имеет место соотношение

,

то вершина параболы расположена вне диапазона варьирования факторов, то есть функция монотонно изменяется. При этом:

- если bi> 0 , то это монотонно возрастающая функция;

- если bi < 0, то получена функция, монотонно убывающая;

- если

,

то функция имеет экстремум внутри диапазона варьирования фактора X, Причем:

- если bii< 0, это максимум;

- если bii > 0, это минимум.

Методы научно-технического творчества

Творчество - мышление в его высшей форме, выходящее за пределы известного, а также деятельность, порождающая нечто качественно новое. Последняя включает в себя постановку или выбор задачи, поиск условий и способа ее решения и в результате - создание нового.

Творчество может иметь место в любой сфере деятельности человека: научной, производственно-технической, художественной политической и т.д.

В частности, научное творчество связано с познанием окружающего мира. Научно-техническое творчество имеет прикладные цели и направление на удовлетворение практических потребностей человека. Под ним понимают поиск и решение задач в области техники на основе использования достижений науки.

В течение всей человеческой истории ученые и изобретатели прошлого для создания нового использовали малопроизводительный метод «проб и ошибок». Бессистемно перебирая большое количество возможных (мыслимых) вариантов, они находили (иногда!) нужное решение.

При этом чем сложнее задача, чем выше ее творческий уровень, тем больше возможных вариантов ее решения, тем больше «проб» нужно совершить. В связи с этим творческие находки имели преимущественно случайный характер.

Творчество представляет собой явление, относящееся прежде всего к конкретным субъектам и связанное с особенностями человеческой психики, закономерностями высшей нервной деятельности, умственного труда. Интуиция нередко помогает в поиске правильного решения, однако при этом следует отметить, что если раньше явление интуиции относилось к чему-то мистическому и сверхъестественному, то в настоящее время доказали, что интуиция имеет материалистическое объяснение и представляет собой быстрое решение, полученное в результате длительного накопления знаний в данной области и, следовательно, длительной подготовки. Интуиция приходит в качестве вознаграждения за труд ученого и поэтому сложному механизму творческого мышления присущи как интуиции, так и логика.

Важным общенаучным методом познания является аналогия.

На практике используются в основном четыре вида аналогии: прямая, символическая, личная и фантастическая. При прямой аналогии рассматриваемый объект сравнивается с более или менее схожим из другой области техники или живой природы. Например, датчик регулирующий на движущийся объект так же, как глаз лягушки на пролетающую муху.

Символическая аналогия требует формулировки в парадоксальной форме сути явления или понятия. Например, пламя - видимая теплота; прочность - принудительная целостность и т.п.

Личная аналогия представляет собой отождествление себя с исследуемым объектом. Для этого решающий задачу должен вжиться в образ совершенствуемого объекта с целью выяснения возникающих при этом ощущений, т.е. «прочувствовать» задачу.

При фантастической аналогии в объект вводятся какие-либо фантастические средства, выполняющие то, что требуется по условиям задачи. Например, «волшебная палочка», «золотая рыбка» и т.д.

Исследователи и изобретатели в своей практике используют физическую и математическую аналогии.

В научно-техническом творчестве обязательно используется такой общенаучный метод, как анализ. Широкое распространение в творческой деятельности получил морфологический анализ, или метод морфологического ящика, состоящий в систематическом исследовании всех мыслимых вариантов, вытекающих из закономерностей строения совершенствуемой системы. Метод предусматривает:

формулировку задачи; составление списка характерных параметров(или признаков) объекта.

составление списка частичных решений для каждого параметра или признака.

определение функциональной ценности всех возможных сочетаний.

Просты и весьма эффективны ассоциативные методы активации творческого мышления, которые основываются на применении семантических свойств понятий. Основными источниками для генерирования идей служат ассоциации, метафоры и случайно выбранные понятия, признаки которых переносятся на совершенствуемый объект.

Существуют еще методы психологической активизации коллективной творческой деятельности. Одним из них является «мозговая атака» («мозговой штурм»), предложенная А.Осборном. для устранения психологических препятствий, вызываемых, например, боязнью критики, процессы выработки идей и их критической оценки в мозговой атаке разделены во времени и проводятся, как правило, разными группами людей. Первая группа только выдвигает различные предложения и варианты решений без критики. В нее желательно включать людей, склонных к абстрагиванию, к фантазии. Вторая группа - это «эксперты», выносящие суждение о ценности выдвинутых идей. В ее состав лучше включать людей с аналитическим и критическим складом мышления.

В практике массового технического творчества используется также методика программного решения научно-технических задач (алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ)). Задачи в АРИЗ рекомендуется формулировать в виде нежелательного эффекта или главной трудности, а не цели.



Заключение

Три последние десятилетия ознаменовались широким внедрением современных методов моделирования, оптимизации и планирования эксперимента в практику исследователей-деревообработчиков.

Применение этих методов оказалось весьма эффективным как в деревообработке, так и в других отраслях. Ближайшее будущее поставит исследователей перед необходимостью решать еще более сложные задачи. Успех здесь может быть достигнут только на путях системного и комплексного подхода, при глубоком проникновении в существо проблемы, выдвижении плодотворных гипотез и творческом сочетании аналитических и экспериментальных методов исследований.



Библиографический список:

Кротова Л.Л., Филлипович А.А., Буданов В.Ю. Научные исследования в деревообработке. Планы второго порядка. Реализация В3-плана: Учебное пособие по выполнению курсовой работы для студентов специальности 2260200 всех форм обучения.--3-е изд., переработанное и дополненное. -- Красноярск: СибГТУ, 2003.-35с.

Рубинская А.В. Основы научных исследований: методические указания к выполнению контрольных работ для студентов специальности 250401.65 Лесоинженерное дело направления 250400 Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств заочной формы обучения. -- Красноярск: СибГТУ, 2008. - 16с.

Шкляр М.Ф. Основы научных исследований: Учебное пособие / М.Ф. Шкляр.-- 3-е изд. -- М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и Ко», 2009.-- 244с.

Э.Фёрстер, Б. Рёнц Методы корреляционного и регрессионного анализа: Учебное пособие для экономистов / перевод с нем. В.М. Ивановой.-- М: Московская типография №4 Союзполиграфпрома, 1983.--302с.