Основы научных исследований

Научно-исследовательская  работа студентов в рамках курсовых и дипломных проектов и работ связана с проработкой специальных разделов с элементами научного поиска, в основном при выполнении реальных задач, в решении которых заинтересовано то или иное предприятие или организация.

Основной формой научной работы студентов, выполняемой во внеучебное время, является участие студентов в научных исследования, проводимых кафедрами и научными учреждениями вуза по госбюджетной и хоздоговорной тематике. При этом студентам, поручается разработка определённой научно-технической задачи, вытекающей из выполняемой темы. Цель научного исследования - всестороннее, достоверное изучение объекта, процесса или явления; из структуры, связей и отношений на основе разработанных в науке принципов и методов познания, а также получение и внедрение в производство (практику) полезных результатов.

Любое научное  исследование имеет свой объект и  предмет. Объектом научного исследования является материальная и механическая идеальная система.

Объект  исследования- это, то что противостоит познающего субъекта его научных исследований.

 Предмет – это структура системы, закономерности взаимодействия элементов внутри системы и вне её, закономерности развития, различные свойства, качества.

Цель  исследования- это, то что мы должны достичь в результате работы. Каждая из целей представляет собой задачи — решение и их реализация.

Научные исследования классифицируется по видам связи  с общественным производством и  степени важности для народного  хозяйства, целевому назначению: источникам финансирования и длительности ведения исследования.

Научно-исследовательская  работа выполняется в определённой 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. В первом разделе ТЭО темы указываются причины разработки (её обоснование), приводится краткий литературный обзор, в котором описываются уже достигнутый уровень исследования и ранее полученные результаты. Особое внимание уделяется ещё не решённым вопросам, обоснованию, актуальности и значимости работы для отрасли и народного хозяйства. На стадии составления ТЭО устанавливается область использования ожидаемых результатов НИР, возможность их практической реализации в данной отрасли, определяется предполагаемый экономический эффект. Кроме экономического эффекта в ТЭО указываются предполагаемые социальные эффекты (рост производительности труда, качества продукции и т.д.). После утверждения ТЭО конкретизируются цели и задачи исследования. составляется библиографический список отечественной и зарубежной литературы, научно-технических отчётов, уточняются 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 проведением  экспериментальных исследований разрабатываются задачи, выбираются методика и программы эксперимента. После разработки или выбора методик исследования составляется рабочий план, в котором указывается объем экспериментальных работ, методы, техника, трудоемкость и сроки.

После завершения теоретических и экспериментальных  проводится общий анализ полученных результатов, осуществляется сопоставление  гипотезы с результатом эксперимента. В случае необходимости проводятся дополнительные эксперименты. Затем  формулируются научные и производственные выводы, составляется научно-технический отчёт.

Следующим этапом является внедрение результатов  исследований в производство и определение  их действительной экономической эффективности.

Внедрение завершается  оформлением акта экономической эффективности результатов исследования.

4. Этапы проведения научных исследований

Научное исследование подразделяется на 3 этапа:

1) установочный

2) исследовательский

3) обработка исследований

1 этап -установочный 

Включает  выбор темы исследования, определение объекта и предмета исследований, постановка целей и задач исследований.

2 этап- исследовательский

Включает  обзор литературы, формирование списка литературы, изучение публикации по выбранной  теме, проведение теоретических работ  по теме.

3 этап- обработка исследований

Включает  формирование замысла, отбор и подготовку материалов, группировку и систематизацию материалов, обработка текста.

2. Экспериментальные  исследования

2.1 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 латинского “experimentum” – проба, опыт. В исследовательской работе термин “ эксперимент” обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряжённых понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, проверка предсказания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, которые позволяют следить за ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Основной частью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

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

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

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

Однако такой  эксперимент не всегда полностью  моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента. Натурный эксперимент проводится в естественных условиях и на реальных объектах. В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяют на производственные, полевые, полигонные и т.п. Натурный эксперимент всегда требует тщательного продумывания и планирования, рационального подбора методов исследования.

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

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

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

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

Важнейшим этапом подготовки к эксперименту является определение его целей и задач. Количество задач для конкретного  эксперимента не должно быть слишком  большим (лучше 3...4, максимально 8...10). перед  экспериментом необходимо выбрать  варьирующие факторы, т.е. установить основные и второстепенные характеристики, влияющие на исследуемый процесс, проанализировать теоретические схемы процесса. Необходимо также обосновать набор средств измерений (приборов). При экспериментальном исследовании одного и того же процесса повторные отсчёты на приборах, как правило, неодинаковы. Отклонения объясняются различными причинами - неоднородностью свойств изучаемого объекта, несовершенствованием приборов и классов их точности, особенностями экспериментатора и др. Это требует повторных измерений, а, следовательно, необходимо знать их минимальное количество. Под потребным минимальным количеством измерений понимают такое количество измерений, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины.

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

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