Тәжірибені жобалау
Экспериментті жоспарлау – талап етілетін дәлдікпен қойылған міндетті шешу үшін қажетті және жеткілікті тәжірибе жүргізу шарттарын, процедураларын және әдістерін, олардың саны мен шарттарын таңдау процесі.
Экспериментті жоспарлауға қойылатын талаптар:
1) тәжірибенің саны эксперимент рәсімін қиындатпауы және оның құнын ұлғайтпауы үшін, бірақ нәтиженің дәлдігіне зиян келтірмеуі үшін ең аз болуы тиіс;
2) эксперимент нәтижелеріне әсер ететін факторлардың жиынтығын анықтау, оларды саралау, басты, ал елеусіз айнымалыларды анықтау қажет;
3) эксперимент дұрыстығының шарты-зерттелетін процеске өзара әсер ететін барлық айнымалы (факторлармен) бір мезгілде түрленуді есептеу керек;
4) эксперименттегі бірқатар іс-әрекеттер олардың модельдерімен (ең алдымен математикалық) ауыстырылуы мүмкін, бұл ретте модельдердің барабарлығы тексерілуі және бағалануы тиіс;
5) эксперимент стратегиясын және се іске асыру алгоритмін әзірлеу қажет: эксперимент сериялары келесі серияға өту алдында олардың әрқайсысы аяқталғаннан кейін талдануы тиіс.
Эксперимент жүргізу жоспары келесі бөлімдерді қамтуы тиіс:
1. Зерттеу тақырыбының атауы
2. Эксперименттің мақсаты мен міндеттері.
3. Эксперимент шарттары: оңтайландыру параметрі және өзгермелі факторлар
4. Зерттеу жүргізу әдістемесі
5. Тәжірибе санының негіздемесі (эксперимент көлемі)
6. Өлшеу құралдары мен әдістемесі
7. Экспериментті материалдық қамтамасыз ету (жабдықтар тізімі)
8. Эксперименттік деректерді өңдеу және талдау әдістемесі
9. Сынақ жүргізудің күнтізбелік жоспары, онда оларды орындау мерзімдері, орындаушылар, ұсынылатын эксперимент деректері көрсетіледі
10. Шығындар сметасы.
Эксперименттің мақсаты мен міндеттері – жоспардың бастапқы тармағы. Олар ғылыми гипотезаны талдау, өз зерттеулерінің теориялық нәтижелері немесе басқа авторлардың зерттеулері негізінде қалыптасады.
Мақсаты эксперименттің соңғы нәтижесін анықтайды, яғни зерттеушінің нәтижесінде алуы керек. Мысалы, дұрыс ғылыми гипотезаларды растау; үлгілердің, әдістемелердің барабарлығын, жұмыс қабілеттілігін және практикалық жарамдылығын тәжірибеде тексеру; технологиялық процестің оңтайлы шарттарын анықтау және т. б.
Әр түрлі жағдайларда мақсаттар әртүрлі шығындарды, өлшеу құралдары мен әдістерін, эксперимент уақытын талап етеді, оны жүргізу әдістемесінде көрсетіледі. Жоспардың бұл тармақтары әртүрлі болады, мысалы, зертханалық, далалық және өндірістік эксперименттер жағдайында.
Эксперимент міндеттері соңғы мақсатқа қол жеткізуге болатын жеке мақсаттарды немесе оған қол жеткізу жолдарын анықтайды. Мысалы, фуллерді нанотүбырларды дайындау кезінде температура мен қысымның оңтайлы көрсеткіштерін анықтау; бастапқы материалдардың оңтайлы арақатынасын анықтау; технологиялық процестің өту жылдамдығын негіздеу және т. б.
Эксперименттің жеке міндеттері оны жоспарлау кезінде болуы мүмкін:
- олардың шынайылығын растау мақсатында теориялық ережелерді тексеру;
- математикалық немесе басқа модельдердің константаларын тексеру (нақтылау) ;
- қандай да бір процестің оңтайлы (рұқсат етілген) шарттарын іздеу;
интерполяциялық аналитикалық тәуелділікті құру.
Эксперименттің жеке тапсырмалары бірнеше деңгейде болуы мүмкін, яғни ағаш тәрізді. 2-4 күрделі есептерді және 10-15 қарапайым есептерді тұжырымдау ұсынылады.
Эксперимент жүргізу шарттарын қалыптастыру - оптимизация параметрі және түрленетін факторлар.
Жүргізілген эксперимент нәтижесін сипаттайтын шама әсер етуге жүйенің оңтайландыру (жауап беру) параметрі деп аталады. Оңтайландыру параметрін қабылдайтын көптеген мәндер оны анықтау аймағы деп аталады.
Оңтайландыру параметрі сандық болуы керек, санмен берілуі керек және факторлардың кез келген тіркелген деңгейімен өлшенетін болуы керек. Ол бір мәнді сипаттауға міндетті, яғни факторлардың берілген деңгейі жиынтығына эксперимент қателігінің дәлдігімен сәйкес келуі тиіс, оңтайландыру параметрінің бір мәні. Оңтайландыру параметрі зерттеу объектісін жан-жақты сипаттауы, әмбебаптылық пен толықтықтың талаптарын қанағаттандыруы тиіс. Эксперименттің нәтижелерін кейіннен түсіндіруді қамтамасыз ету үшін қарапайым және оңай есептелетін физикалық мағынасы болуы керек.
Оңтайландыру параметрі (жауап) экспериментке әсер ететін факторларға байланысты. Фактор (лат .factor-өндіруші)-қандай да бір процестің себебі, оның зерттеу объектісіне, оның сипатына немесе жеке қасиеттеріне әсерін анықтайтын құбылыстар. Бұл өлшенетін шама және фактор қабылдай алатын әрбір мән фактор деңгейі деп аталады.
Эксперименттегі әрбір фактор бірнеше мәндердің бірін қабылдай алады. Бірнеше факторлар деңгейінің бекітілген жиынтығы эксперимент жүргізудің қандай да бір нақты шарттарын анықтайтын болады. Ең болмағанда бір факторлардың өзгеруі жағдайлардың өзгеруіне және соның салдарынан оңтайландыру параметрі мәнінің өзгеруіне алып келеді.
Көп факторлы эксперименттегі түрленетін факторлар зерттеудің мақсаттары мен шарттарын анықтайды. Мысалы, наноматериалдарды өндіру кезінде оңтайлы жағдайларды іздеу бойынша экспериментте факторлар болуы мүмкін: температура, әсер ету уақыты, тотығу саны және т. б.
Көптеген факторлар эксперимент өте күрделі және көп уақытты талап етеді. Сондықтан экспериментті жоспарлау кезінде факторлар санын қысқарту және ең маңыздысын таңдау өте маңызды болып табылады. Бұл ретте Парето принципін басшылыққа алуға болады, оған сәйкес факторлардың 20% - ы жүйенің қасиеттерінің 80 % - ын анықтайды.
Факторлардың маңыздылығы Тәжірибелік немесе талдау жолымен анықталуы мүмкін. Бірінші жағдайда-шектеулі эксперимент жүргізіледі. Бұл жағдайда бір фактор өзгереді, ал қалғандары жоқ және т. б. "маңызды" факторларды саралау олардың эксперимент нәтижесіне әсер ету күші бойынша жүзеге асырылады. Өзгеруі нәтижесінде күшті әсер ететін факторлар маңызды болып саналады. "Елеусіз" факторларды ескермеуге болады.
Егер факторлар көп болса, бұл жол тиімсіз болса, онда факторлық талдау әдістеріне негізделген талдау жолы пайдаланылады.
Егер факторлар тәуелді болса, оларды топологиялық декомпозиция әдісі және олардың соңғы мақсатқа әсері бойынша құрылымдар көмегімен есептеуге болады. Факторлардың дәрежелерін анықтау міндеті-графаның ең байланысты бөлігін бөліп алу. Ол кезең-кезеңмен шешіледі.
Алдымен әрбір баған үшін "қол жетімді жиындар" анықталады (әрбір фактор үшін). Содан кейін "қарсы қол жетімді жиындар" анықталады, олардың әрқайсысы шыңға жол бар барлық шыңдарды қамтиды. Соңында қатты байланысты бағандарды құрайтын графаның ең маңызды шыңдары анықталады. Ең маңызды факторлар қалдырады, қалғандары жойылады.
Эксперименттің маңызды талабы факторлардың басқарылуы болып табылады, ал экспериментатор фактордың қажетті мәнін таңдап, оны эксперимент бойы тұрақты ұстап тұруға тиіс. Фактор, сондай-ақ, қандай да бір мәнді тапсыру үшін қажетті операциялардың реттілігін көрсету үшін операциялық болуы керек.
Эксперимент жүргізу шарттарын қалыптастыра отырып, оны өткізу саласын анықтау маңызды. Ол үшін факторларды анықтау аймақтарының шекарасын бағалау қажет. Мұнда бірнеше түрдегі шектеулер болуы мүмкін: қандай да бір жағдайда бұзылуы мүмкін емес (мысалы, нс температурасы абсолюттік нөлден төмен болуы мүмкін); техникалық-экономикалық шектеулер (мысалы, жабдықтың құны немесе зерттелетін процестің ұзақтығы); процестің нақты шарттары.
Эксперимент моделі әдетте оңтайландыру мен факторлар арасындағы тәуелділікті белгілейтін жауап функциясы пайдаланылатын қара жәшіктің моделін түсінеді: у = f(xyX2> ...,Jcn).
Модельді таңдау-бұл функцияның түрін таңдау және оның теңдеуін жазу. Сонда осы модельдің сандық коэффициенттерін есептеу бойынша эксперимент жүргізу ғана қалады. Эксперимент моделінің басты талабы-қажетті дәлдікпен тәжірибе бағытын болжау қабілеті. Барлық ықтимал барабар модельдердің арасында ең қарапайым болып табылатын нәрсені таңдау қажет.
Экспериментті жоспарлауда жиі бірінші (сызықтық) немесе екінші дәрежелі полиномиалды модельдер таңдалады:
Эксперимент жүргізу әдістемесі-эксперимент жоспарының негізгі бөлігі . Ол қамтиды:
- зерттеушінің іс-әрекетінің реттілігі;
- әр кезеңді жүзеге асырудың негізгі тәсілдері мен ережелері, Аспаптар мен жабдықтарды пайдалану;
- өлшеу тәртібі, нәтижелерді бекіту және оларды өңдеу әдістері;
- эксперимент нәтижелерін талдау және қорытындыларды тұжырымдау тәртібі.
Әдістемені әзірлеу кезінде тәжірибе санын дұрыс негіздеу маңызды,бұл нәтиженің талап етілетін дәлдігіне кепілдік береді, ал екінші жағынан - дұрыс жауап бермейді! сол қаражаттың артық жұмсалуына және уақыт артық сынау.
Оннан астам сынақ кезінде тәжірибе санының негіздемесі Чебышев теңсіздігі негізінде жүзеге асырылуы мүмкін:
мұнда X - кездейсоқ өлшенетін шаманың орташа мәні; м{х) - шаманың математикалық күтуі; Е - нәтиженің талап етілетін дәлдігі; D(x) - өткізілген тәжірибелердің N нәтижелері бойынша есептелген х шаманың дисперсиясы.
Эксперимент жоспарының тағы бір маңызды құрамдас бөлігі өлшеу құралдары мен әдістерін негіздеу болып табылады. Ол өлшеу құралдарын, аппаратуралар мен жабдықтарды таңдауды болжайды, эксперимент деректерін тіркеуге мүмкіндік береді; оларды ыңғайлы түрге түрлендіреді; сақтау, сұраныс бойынша беруді қамтамасыз етеді және т. б.
Өлшеу жүйесі ғылымның өлшеу әдістері мен құралдары туралы метрология талаптарын, бірліктерді, шкалаларды және өлшеу жүйелерін таңдау; өлшеу дәлдігі мәселелерін ескере отырып қалыптастырылуы тиіс. Әр түрлі эксперименттерде қолданылуы мүмкін өлшеу әдістері алдыңғы тарауда қарастырылған.
Бұл өлшеу әдістері екі топқа біріктірілуі мүмкін: тура (іздестіру шамасы эксперимент барысында тікелей өлшенеді) және жанама өлшеулер (тікелей өлшеу нәтижелері негізінде алынған іздеу шамасы). Бұдан басқа, өлшем бірліктерінің белгісі бойынша зерттелетін шаманың бірлігінде жүргізілетін абсолюттік өлшеулер және өлшенетін шаманың оның кейбір шекті мәніне қатынасын белгілеуді болжайтын салыстырмалы өлшеулер ажыратылады.
Экспериментті ұйымдастыру мен жүргізудің қарастырылған негіздері тек шолу сипатында болады, ал жоғарыда айтылған ұсынымдардың мәні, мазмұны, қолданылу шарттары және эксперимент жүргізудің қандай да бір әдісін пайдаланудың дәйектілігі неғұрлым егжей-тегжейлі зерттеуді талап етеді. Бұдан басқа, эксперимент жүргізудің әрбір әдісі зерттеу нысанына байланысты өз ерекшеліктері болады деп нақты түсіну керек.