Технологический цикл вычислительного эксперимента делят нане-
Лекция№7
Лекция №8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные методы исследований позволяют более глубоко
и детально изучить исследуемый процесс. Однако результаты экспери-
мента не могут быть перенесены на другой процесс, близкий по физиче-
ской сущности. Это связано с тем, что результаты любого эксперимента
отражают индивидуальные особенности лишь исследуемого процесса. Из
опыта еще нельзя определить, какие факторы оказывают решающее
влияние на процесс, если изменять различные параметры одновременно.
Это означает, что при экспериментальном исследовании каждый кон-
кретный процесс должен быть исследован самостоятельно. Эксперимен-
тальные методы позволяют установить частные зависимости между пе-
ременными в строго определенных интервалах их изменения.
Таким образом, аналитические и экспериментальные методы имеют
свои достоинства и недостатки, и это затрудняет решение практических
задач. Поэтому сочетание положительных сторон обоих методов явля-
ется перспективным и интересным.
Общие сведения об экспериментальных исследованиях
Эксперимент является важнейшей составной частью научныхис-
следований, в основе которого находится научно поставленный опыт с
точно учитываемыми и управляемыми условиями. В научном языке и
исследовательской работе термин эксперимент обычно используется в
|
|
|
значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: целенаправ-
ленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, опыт, органи-
зация особых условий его существования, проверка предсказания. В это
понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение иссле-
дуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить
за ходом его развития и воссоздавать его каждый раз при повторении
этих условий. Само по себе понятие «эксперимент» означает действие,
направленное на создание условий в целях воспроизведения того или
иного явления и по возможности наиболее чистого, т.е. не осложняемо-
го другими явлениями [3, 8, 9].
Основная цель эксперимента – выявление свойств исследуемых
объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и
глубокое изучение темы научного исследования. Постановка и органи-
зация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, ко-
торые проводятся в различных отраслях науки, являются отраслевыми и
имеют соответствующие названия: физические, химические, биологиче-
ские, социальные, психологические, и т.п.
Эксперименты различаются:
– по целям исследования (констатирующие, преобразующие, поис-
|
|
|
ковые, решающие, контролирующие);
– по способу формирования условий (естественный и искусственный);
– по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);
– по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые,
производственные и т.п.);
– по характеру внешних воздействий на объект исследования (ве-
щественные, энергетические, информационные);
– по характеру взаимодействия средства экспериментального ис-
следования с объектом исследования (обычный и модельный);
– по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный _______и
мысленный);
– по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофактор-
ный);
– по контролируемым величинам (пассивный и активный);
71
– по характеру изучаемых объектов или явлений (технологический,
социометрический) и т.п.
Для классификации экспериментов могут быть использованы и
другие признаки.
Естественный экспериментпредполагает проведение опытов в ес-
тественных условиях существования объекта исследования (чаще всего
используется в биологических, социальных, педагогических и психоло-
гических науках).
Искусственный экспериментпредполагает формирование искусст-
венных условий (широко применяется в технических и естественных
|
|
|
науках).
Констатирующий эксперимент используется для проверки опре-
деленных предположений. В процессе этого эксперимента констатиру-
ется наличие определенной связи между воздействием на объект иссле-
дования и результатом, выявляется наличие определенных фактов.
Преобразующий, или созидательный, эксперимент предполагает
активное изменение структуры и функций объекта исследования в соот-
ветствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отно-
шений между компонентами объекта или между исследуемым объектом
и другими объектами. Исследователь в соответствии с раскрытымитен-
денциями развития объекта исследования преднамеренно создает усло-
вия, которые должны способствовать формированию новых свойств и
качеств объекта.
Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена
классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие
отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По ре-
зультатам поискового эксперимента устанавливается значимость факто-
ров, осуществляется отсеивание незначимых.
Контролирующий экспериментсводится к контролю за результа-
|
|
|
тами внешних воздействий над объектом исследования с учетом его со-
стояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта.
Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости ос-
новных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или
несколько гипотез одинаково согласуются с этими явлениями. Этот экс-
перимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и
противоречат другой, например опыты по проверке справедливости нью-
тоновской теории истечения света и волнообразной теории Гюйгенса.
Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях
с применением специальных моделирующих установок, типовых при-
боров, стендов, оборудования и т.д. Чаще всего в лабораторномэкспе-
72
рименте изучается не сам объект, а его образец (модель). Этот экспери-
мент позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучить
влияние одних характеристик при варьировании других, тем самым по-
лучить хорошую научную информацию с минимальными затратами
времени и ресурсов. Однако такой эксперимент не всегда полностью
моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает по-
требность в проведении натурного эксперимента.
Натурный экспериментпроводится в естественных условиях и на
реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в про-
цессе натурных испытаний изготовленных систем. В зависимости от
места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются:
на производственные, полигонные, полевые, полунатурные и т.п.
Натурный эксперимент всегда требует тщательного продумывания и
планирования, а также рационального выбора методов исследования [3, 7].
Основной научной проблемой натурного эксперимента является
обеспечение достаточного соответствия (адекватности) условий экспе-
римента реальной ситуации, в которой затем будет работать создавае-
мый объект. Поэтому центральными задачами натурного эксперимента
являются:
– идентификация статистических и динамических параметров объ-
екта;
– изучение характеристик воздействия среды на испытываемый
объект;
– оценка эффективности функционирования объекта и проверка его
на соответствие заданным требованиям.
Простой эксперимент используется для изучения объектов, не
имеющих разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимо-
связанных и взаимодействующих элементов, выполняющих простейшие
функции.
В сложном эксперименте изучаются явления или объекты с раз-
ветвленной структурой и большим количеством взаимосвязанных и
взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции.
Информационный эксперимент используется для изучения воздей-
ствия определенной (различной по форме и содержанию) информации
на объект исследования. Чаще всего информационный эксперимент ис-
пользуется в биологии, психологии, социологии, кибернетике и т.п.
С помощью этого эксперимента изучается изменение состояния объекта
исследования под влиянием сообщаемой ему информации.
Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния раз-
личных вещественных факторов на состояние объекта исследования.
Например, влияние различных пластифицирующих добавок на подвиж-
ность бетонной смеси, прочность бетона и т.п.
Классический, или обычный, эксперимент – экспериментатор вы-
ступает в роли субъекта, познающего объект или предмет эксперимен-
тального исследования при помощи средств для осуществления экспе-
римента(приборы, инструменты, экспериментальные установки).
Различие между орудиями эксперимента при моделировании по-
зволяет выделить мысленный и материальный эксперименты.
Мысленный эксперимент– одна из форм умственной деятельности
познающего субъекта, в процессе которой структура реального экспе-
римента воспроизводится в воображении [3, 11].
Материальный эксперимент. В процессе этого эксперимента ис-
пользуются материальные, а не идеальные объекты исследования. Ос-
новное отличие материального эксперимента от мысленного в том, что
реальный эксперимент представляет собой форму объективной матери-
альной связи сознания с внешним миром, а мысленный эксперимент яв-
ляется специфической формой теоретической деятельности субъекта.
Сходство мысленного эксперимента с реальным определяется тем,
что реальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на прак-
тике, сначала проводится человеком мысленно в процессе обдумывания
и планирования. Поэтому нередко мысленный эксперимент выступает в
роли идеального плана реального эксперимента, в известном смысле
предваряя его.
Модельный эксперимент. Этот вид эксперимента в отличие от клас-
сического имеет дело с моделью исследуемого объекта. Модель входит
в состав экспериментальной установки, замещая не только объект ис-
следования, но часто и условия, в которых изучается некоторый объект.
Энергетический эксперимент используется для изучения воздейст-
вия различных видов энергии (механической, тепловой, электромагнит-
ной и т.д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко рас-
пространен в естественных науках.
Однофакторный эксперимент предполагает:
– выделение особозначимых факторов;
– поочередное варьирование факторов, интересующих исследователя;
– стабилизацию мешающих факторов.
Суть многофакторного эксперимента состоит в том, что варьиру-
ются все переменные сразу и каждый эффект оценивается по результа-
там всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.
Особым видом экспериментальных исследований является вычис-
лительный эксперимент.
Вычислительным экспериментом называют методологию и техно-
логию исследований, основанных на применении прикладнойматема-
тики и электронно-вычислительных машин как технической базы при
использовании математических моделей. Он основывается на создании
математических моделей изучаемых объектов, которые формируются с
помощью особой математической структуры, которая способна отра-
жать свойства объекта, проявляемые им в различныхэксперименталь-
ныхусловиях.
Но эти математические структуры превращаются в модели прине-
которых условиях:
– когда элементам структуры дается физическая интерпретация;
– при устанавлении соотношения между параметрами математической
структуры и экспериментально определенными свойствами объекта;
– когда характеристики некоторых элементов модели и модели в
целом находят соответствие свойствам объекта.
Математические структуры являются моделью изучаемого объекта и
отражают в математической, то есть символической или знаковой форме
объективно существующие в природе зависимости, связи и законы.
Практически всегда математическая модель или её часть может со-
провождаться элементами наглядности с соответствующими поясне-
ниями, например, диаграммами, графиками, рисунками и т.д. Иногда
модель какого-либо сложного устройства может по некоторым свойст-
вам уподобляться модели простого объекта.
В основе каждого вычислительного эксперимента находится мате-
матическая модель, основанная на приемах вычислительнойматемати-
ки. Вместе с бурным развитием электронно-вычислительной техники
развивается и современная вычислительная математика, состоящая из
многих разделов. Например, не так давно появился дискретный анализ,
дающий возможность получения любого численного результата только
с помощью арифметических и логических действий. Здесь задача мате-
матики сводится к представлению решений, возможно приблизитель-
ных, в виде последовательности арифметических операций, то есть ал-
горитма решения.
Теория и практика вычислительного эксперимента создавалась на
основе математического моделирования методов вычислительной мате-
матики.
Технологический цикл вычислительного эксперимента делят нане-
Сколько этапов.
1. Для исследуемого объекта строится физическая модель. В рассмат-
риваемомявлении она фиксирует разделение всех действующих факторов
на главные и второстепенные. Последние на этом этапе исследования от-
брасываются. Одновременно формулируются допущения и условия при-
менимости модели, а также границы, в которых будут справедливы полу-
ченные результаты. Создают математическую модель специалисты, хоро-
шо знающие данную область естествознания или техники, а также матема-
тики, представляющие себе возможности решения математической задачи.
Модель записывается в математических терминах, в виде дифференциаль-
ных или интегродифференциальных уравнений.
2. Разрабатывается метод расчета сформулированной математической
задачи. Эта задача представляется в виде совокупности алгебраических
формул, по которым должны проводиться вычисления, а также условий,
показывающих последовательность применения этих формул. Набор таких
формул и условий носит название вычислительного алгоритма.
Вычислительный эксперимент имеет многовариантный характер,
потому что решение поставленных задач часто зависит от многочислен-
ных входных параметров. Но тем не менее каждый конкретный расчет в
вычислительном эксперименте проводится при фиксированныхзначе-
76
ниях всех параметров. В результате вычислительного эксперимента до-
вольно часто ставится задача определения оптимального набора пара-
метров. При создании оптимальной установки приходится проводить
большое число расчетов однотипных вариантов задачи, отличающихся
значением лишь некоторых параметров. Поэтому при организации вы-
числительного эксперимента экспериментатору необходимо использо-
вать эффективные численные методы.
3. Разрабатывается алгоритм и программа решения задачи.
4. При проведении расчетов в программе результат получается в
виде некоторой цифровой информации, которую затем необходимо
расшифровать. При вычислительном эксперименте точность информа-
ции определяется достоверностью модели, положенной в его основу,
правильностью программ и алгоритмов для чего обычно проводятся
предварительные «тестовые» испытания модели.
5. Обработка результатов расчетов, их анализ и выводы. На данном
этапе может возникнуть необходимость уточнения математическоймо-
дели, то есть её упрощения или усложнения; появиться предложения по
созданию упрощенных инженерных способов решения и формул, даю-
щих возможность получить необходимую информацию более простым
способом.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 275; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!