Класифікація, типи та задачі експерименту

Найважливішою складовою частиною наукових досліджень є експеримент, основою якого є науково поставлений дослід з точно врахованими і керованими умовами. Слово експеримент походить від лат. experimentum ─ проба, дослід. У науковій мові і дослідницькій роботі термін «експеримент» зазвичай використовується в значенні, загальному для цілого ряду лов'язаних понять: дослід, цілеспрямоване спостереження, відтворення об'єкту пізнання, організація особливих умов його існування, перевірка прогнозу. У це поняття вкладається наукова постановка дослідів і спостереження досліджуваного явища в умовах, що точно враховуються, явищ, що дозволяють стежити за ходом, і відтворювати його кожного разу при повторенні цих умов. Само по собі поняття «експеримент» означає дія, направлена на створення умов з метою здійснення того або іншого явища і по можливості найбільш чистого, тобто не ускладнюваного іншими явищами. Основною метою експерименту є виявлення властивостей об'єктів, що досліджуються, перевірка справедливості гіпотез і на цій основі широке і глибоке вивчення теми наукового дослідження.

Постановка і організація експерименту визначаються його призначенням. Експерименти, які проводяться в різних галузях науки, є хімічними, біологічними, фізичними, психологічними, соціальними і т. п. Вони розрізняються за способом формування умов (природних і штучних); за метою дослідження (перетворюючі, констатуючі, контролюючі, пошукові, розв’язуючі); за організації проведення (лабораторні, натурні, польові, виробничі і т.п.); за структурою об'єктів і явищ, що вивчаються, (прості, складні); за характером зовнішніх дій на об'єкт дослідження (речовинні, енергетичні, інформаційні); за характером взаємодії засобу експериментального дослідження з об'єктом дослідження (звичайний і модельний); за типом моделей, що досліджуються в експерименті (матеріальний і уявний); за контрольованими величинами (пасивний і активний); за кількістю варійованих факторів (однофакторний і багатофакторний); за характером об'єктів або явищ, що вивчаються (технологічні, соціометричні) і т. п. Звичайно, для класифікації можуть бути використані і інші ознаки.

З числа названих ознак природний експеримент передбачає проведення дослідів в природних умовах існування об'єкту дослідження (найчастіше використовується в біологічних, соціальних, педагогічних і психологічних науках). Штучний експеримент передбачає формування штучних умов (широко застосовується в природничих і технічних науках). Перетворюючий (утворюючий) експеримент включає активну зміну структури і функцій об'єкту дослідження відповідно до висунутої гіпотези, формування нових зв'язків і відношень між компонентами об'єкту або між об'єктом, що досліджується, і іншими об'єктами. Дослідник відповідно до розкритих тенденцій розвитку об'єкту дослідження навмисно створює умови, які повинні сприяти формуванню нових властивостей і якостей об'єкту. Констатуючий експеримент використовується для перевірки певних припущень. В процесі цього експерименту констатується наявність певного зв'язку між дією на об'єкт дослідження і результатом, виявляється наявність певних фактів. Контролюючий експеримент зводиться до контролю за результатами зовнішніх дій на об'єкт дослідження з урахуванням його стану, характеру дії і очікуваного ефекту. Пошуковий експеримент проводиться у тому випадку, коли ускладнена класифікація факторів, що впливають на явище, що досліджується, унаслідок відсутності достатніх попередніх (апріорних) даних. За наслідками пошукового експерименту встановлюється значущість факторів, здійснюється відсіювання незначних. Розв’язуючий експеримент ставиться для перевірки справедливості основних положень фундаментальних теорій у тому випадку, коли дві або декілька гіпотез однаково узгоджуються з багатьма явищами. Ця узгодженість призводить до труднощів, яку саме з гіпотез вважати правильною.

Розв’язуючий експеримент дає такі факти, які узгоджуються з однією з гіпотез і суперечать іншій.

Прикладом розв’язуючого експерименту є досліди з перевірки справедливості ньютонівської теорії витікання світла і хвилеподібної теорії Гюйгенса. Ці досліди були поставлені французьким вченим Фуко (1819-1868). Вони стосувалися питання про швидкість розповсюдження світла усередині прозорих тіл. Згідно гіпотези витікання, швидкість світла усередині таких тіл повинна бути більшою, ніж в порожнечі. Але Фуко своїми дослідами довів зворотнє, тобто що в менш щільному середовищі швидкість світла більша. Цей дослід Фуко і був тим вирішальним дослідом, який розв’язав суперечку між двома гіпотезами (в даний час гіпотеза Гюйгенса замінена електромагнітною гіпотезою Максвела).

Іншим прикладом розв’язуючого експерименту може служити суперечка між Птолемеєм і Коперніком про рух Землі. Вирішальний дослід Фуко з маятником остаточно розв’язав суперечку на користь теорії Коперника.

Лабораторний експеримент проводиться в лабораторних умовах із застосуванням типових приладів, спеціальних моделюючих установок, стендів, устаткування і т. д. Найчастіше у лабораторному експерименті вивчається не сам об'єкт, а його зразок. Цей експеримент дозволяє доброякісно, з необхідною повторюваністю вивчити вплив одних характеристик при варіюванні інших, отримати хорошу наукову інформацію з мінімальними затратами часу і ресурсів. Проте такий експеримент не завжди повністю моделює реальний хід процесу, що вивчається, тому виникає потреба в проведенні натурного експерименту. Натурний експеримент проводиться в природних умовах і на реальних об'єктах. Цей вид експерименту часто використовується в процесі натурних випробувань виготовлених систем. Залежно від місця проведення випробувань натурні експерименти розділяються на виробничі, польові, полігонні, напівнатурні і т.п. Натурний експеримент завжди вимагає ретельного продумування і планування, раціонального підбору методів дослідження. Практично у всіх випадках основна наукова проблема натурного експерименту – забезпечити достатню відповідність (адекватність) умов експерименту реальній ситуації, в якій працюватиме згодом створюваний об'єкт. Тому центральними завданнями натурного експерименту є: вивчення характеристик дії середовища на об'єкт, шо випробовується; ідентифікація статистичних і динамічних параметрів об'єкту; оцінка ефективності функціонування об'єкту і перевірка його на відповідність заданим вимогам.

Експерименти можуть бути відкритими і закритими, вони широко поширені в психології, соціології, педагогіці. У відкритому експерименті його задачі відкрито пояснюються тим, хто випробовується, в закритому ─ з метою отримання об'єктивних даних ці задачі приховуються від того, хто випробовується. Будь-яка форма відкритого експерименту впливає (часто активізує) на суб'єктивну сторону поведінки тих, хто випробовується. В зв'язку з цим відкритий експеримент доцільний лише тоді, коли є можливість і достатня упевненість в тому, що вдасться викликати у випробовуваного живу участь і суб'єктивну підтримку наміченої роботи. Закритий експеримент характеризується тим, що його ретельно маскують; випробовуваний не здогадується про експеримент, і робота протікає ззовні в природних умовах. Такий експеримент не викликає у випробовуваних підвищеної настороженості і зайвого самоконтролю, прагнення поводитися не так, як зазвичай.

Простий експеримент використовується для вивчення об'єктів, що не мають розгалуженої структури, з невеликою кількістю взаємозв'язаних і взаємодіючих елементів, що виконують прості функції.

У складному експерименті вивчаються явища або об'єкти з розгалуженою структурою (можна виділити ієрархічні рівні) і великою кількістю взаємозв'язаних і взаємодіючих елементів, що виконують складні функції. Високий степінь зв'язності елементів призводить до того, що зміна стану якого-небудь елементу або зв'язку спричиняє зміну стану багатьох інших елементів системи. У складних об'єктах дослідження можлива наявність декількох різних структур, декількох різних цілей. Але все таки конкретний стан складного об'єкту може бути описаний. У дуже складному експерименті вивчається об'єкт, стан якого з тих чи інших причинах до сих пір не вдається детально і точно описати. Наприклад, для опису потрібно більше часу, ніж той, який має в своєму розпорядженні дослідник між змінами станів об'єкту або коли сучасний рівень знань недостатній для проникнення в сутність зв'язків об'єкту (або вони незрозумілі).

Інформаційний експеримент використовується для вивчення дії певної (різною за формою і змістом) інформації на об'єкт дослідження (найчастіше інформаційний експеримент використовується в біології, психології, соціології, кібернетиці і т. п.). За допомогою цього експерименту вивчається зміна стану об'єкту дослідження під впливом інформації, що повідомляється йому.

Речовинний експеримент передбачає вивчення впливу різних речовинних факторів на стан об'єкту дослідження. Наприклад, вплив різних добавок на якість сталі і т. п.

Енергетичний експеримент використовується для вивчення дії різних видів енергії (електромагнітної, механічної, теплової і т. д.) на об'єкт дослідження. Цей тип експерименту широко поширений в природничих науках.

Звичайний (або класичний) експеримент включає експериментатора як суб'єкта, що виконує експеримент (пізнання); об'єкт або предмет експериментального дослідження і засоби (інструменти, прилади, експериментальні установки), за допомогою яких здійснюється експеримент.

У звичайному експерименті експериментальні засоби безпосередньо взаємодіють з об'єктом дослідження. Вони є посередниками між експериментатором і об'єктом дослідження.

Модельний експеримент на відміну від звичайного має справу з моделлю досліджуваного об'єкту. Модель входить до складу експериментальної установки, замінюючи не тільки об'єкт дослідження, але часто і умови, в яких вивчається деякий об'єкт.

Модельний експеримент при розширенні можливостей експериментального дослідження одночасно має і ряд недоліків. Вони пов'язані з тим, що відмінність між моделлю і реальним об'єктом може стати джерелом помилок і, крім того, екстраполяція результатів вивчення поведінки моделі на об'єкт, що моделюється, вимагає додаткових витрат часу і теоретичного обгрунтування справедливості такої екстраполяції.

Відмінність між знаряддями експерименту при моделюванні дозволяє виділити уявний і матеріальний експеримент. Знаряддями уявного (розумового) експерименту є уявні моделі досліджуваних об'єктів або явищ (почуттєві образи, образно-знакові моделі, знакові моделі). Для позначення уявного експерименту іноді користуються терміном ідеалізований експеримент. Уявний експеримент є однією з форм розумової діяльності суб'єкта, що виконує експеримент, в процесі якої відтворюється в уяві структура реального експерименту. Структура уявного експерименту включає: побудову уявної моделі об'єкту дослідження, ідеалізованих умов експерименту і дій на об'єкт; свідома і планомірна зміна, комбінування умов експерименту і дій на об'єкт; свідоме і точне застосування на всіх стадіях експерименту об'єктивних законів науки, завдяки чому виключається абсолютне свавілля. В результаті такого експерименту формуються висновки.

Матеріальний експеримент має аналогічну структуру. Проте, в матеріальному експерименті використовуються матеріальні, а не ідеальні об'єкти дослідження. Основна відмінність матеріального експерименту від уявного полягає в тому, що реальний експеримент є формою об'єктивного матеріального зв'язку свідомості із зовнішнім світом, тоді як уявний експеримент є специфічною формою теоретичної діяльності суб'єкта.

Схожість уявного експерименту з реальним значною мірою визначається тим, що будь-який реальний експеримент, перш ніж бути здійсненим на практиці, спочатку проводиться людиною в думках в процесі обдумування і планування. Тому уявний експеримент нерідко виступає в ролі ідеального плану реального експерименту, у відомому сенсі передуючи йому.

Уявний експеримент має ширшу сферу застосування, ніж реальний експеримент, оскільки застосовується не тільки при підготовці і плануванні останнього, але і в тих випадках, коли проведення реальних дослідів є неможливим. Так, Галлілей в уявному експерименті прийшов до висновку про існування руху за інерцією, що перевернуло арістотелівську точку зору, згідно якої рухоме тіло зупиняється, якщо сила, що його штовхає, припиняє свою дію.

Цей висновок міг бути отриманий тільки за допомогою уявного експерименту. Із цього приводу А. Ейнштейн говорив наступне: «Ми бачили, що закон інерції не можна вивести безпосередньо з експерименту, його можна вивести лише умоглядно ─ мисленням, пов'язаним із спостереженням. Цей експеримент ніколи не можна виконати насправді, хоча він веде до глибокого розуміння дійсних експериментів».

Уявний експеримент, замінюючи собою реальний, розширює межі пізнання, бо забезпечує отримання такої інформації, яку іншими засобами добути неможливо. Уявний експеримент дозволяє подолати неминучу обмеженість реального досліду шляхом абстрагування від дії небажаних, затемнюючих причин, повне усунення яких в реальному експерименті практично недосяжно.

Уявний експеримент є істотним моментом всякої творчої діяльності. А. Ейнштейн в автобіографічних спогадах у зв'язку з розробкою спеціальної теорії відносності писав: «Цього року в Аарау у мене виникло питання: якби можна було погнатися за світловою хвилею із швидкістю світла, то ми мали б перед собою не залежне від часу хвильове поле. Але все-таки це здається неможливим! Це було першим дитячим уявним експериментом, який відноситься до спеціальної теорії відносності. Відкриття не є справою логічного мислення, навіть якщо кінцевий продукт пов'язаний з логічною формою».

Уявний експеримент використовується не тільки ученими, але і письменниками, художниками, педагогами, лікарями. Уявне експериментування яскраво проявляється в мисленні шахістів. Величезна роль уявного експерименту в технічному конструюванні і винахідництві. Результати уявного експерименту знаходять віддзеркалення у формулах, кресленнях, графіках, чернетках, ескізних проектах і т. п.

Пасивний експеримент передбачає вимірювання тільки вибраних показників (параметрів, змінних) в результаті спостереження за об'єктом без штучного втручання в його функціонування. Прикладами пасивного експерименту є спостереження: за інтенсивністю, складом, швидкостями руху транспортних потоків; за числом захворювань взагалі або якою-небудь певною хворобою; за працездатністю певної групи осіб; за показниками, що змінюються з віком; за числом дорожньо-транспортних подій і т. п.

Пасивний експеримент, по суті, є спостереженням, яке супроводжується інструментальним вимірюванням вибраних показників стану об'єкту дослідження.

Активний експеримент пов'язаний з вибором спеціальних вхідних сигналів (факторів) і контролює вхід і вихід досліджуваної системи.

Однофакторинй експеримент передбачає: виділення потрібних факторів; стабілізацію факторів, що заважають; почергове варіювання факторів, що цікавлять дослідника.

Стратегія багатофакторного експерименту полягає в тому, що варіюються всі змінні відразу і кожен ефект оцінюється за наслідками всіх дослідів, проведених в даній серії експериментів.

Технологічний експеримент направлений на вивчення елементів технологічного процесу (продукції, устаткування, діяльності працівників і тому подібне) або процесу в цілому.

Соціометричний експеримент використовується для вимірювання існуючих міжособових соціально-психологічних відносин в малих групах з метою їх подальшої зміни.

Як вже наголошувалося, наведена класифікація експериментальних досліджень не може бути визнана повною, оскільки з розширенням наукового знання розширюється і область застосування експериментального методу. Крім того, залежно від завдань експерименту різні його типи можуть об'єднуватися, утворюючи комплексний або комбінований експеримент.

Для проведення експерименту будь-якого типу необхідно: розробити гіпотезу, що підлягає перевірці; створити програми експериментальних робіт; визначити способи і прийоми втручання в об'єкт дослідження; забезпечити умови для здійснення процедури експериментальних робіт; розробити шляхи і прийоми фіксації ходу і результатів експерименту; підготувати засоби експерименту (прилади, установки, моделі і т. п.); забезпечити експеримент необхідним обслуговуючим персоналом.

Особливе значення має правильна розробка методик експерименту. Методика ─ це сукупність розумових і фізичних операцій, розміщених в певній послідовності, відповідно до якої досягається мета дослідження. При розробці методик проведення експерименту необхідно передбачати: проведення попереднього цілеспрямованого спостереження над об'єктом або явищем, що вивчаються, з метою визначення початкових даних (гіпотез, вибору факторів, що варіюються); створення умов, в яких можливе експериментування (підбір об'єктів для експериментальної дії, усунення впливу випадкових факторів); визначення меж вимірювань; систематичне спостереження за ходом розвитку досліджуваного явища, точні описи фактів; проведення систематичної реєстрації вимірювань і оцінок фактів різними засобами і способами; створення ситуацій, що повторюються, зміна характеру умов і перехресні дії, створення ускладнених ситуацій з метою підтвердження або спростування раніше отриманих даних; перехід від емпіричного вивчення до логічних узагальнень, до аналізу і теоретичної обробки отриманого фактичного матеріалу.

Правильно розроблена методика експериментального дослідження обумовлює його цінність. Тому розробка, вибір, визначення методики повинне проводитися особливо ретельно. При визначенні методики необхідно використовувати не тільки особистий досвід, але і досвід товаришів і інших колективів. Необхідно переконатися в тому, що вона відповідає сучасному рівню науки, умовам, в яких виконується дослідження. Доцільно перевірити можливість використання методик, що застосовуються в суміжних проблемах і науках.

Вибравши методику експерименту, дослідник повинен упевнитися в її практичній застосовуваності. Це необхідно зробити навіть у тому випадку, якщо методика давно апробована практикою інших лабораторій, оскільки вона може виявитися неприйнятною або складною через специфічні особливості клімату, приміщення, лабораторного устаткування, персоналу, об'єкту досліджень і т. п.

Перед кожним експериментом складається його план (програма), який включає: мету і задачі експерименту; вибір факторів, що варіюються; обґрунтування об’єму експерименту, кількості досліджень; порядок реалізації дослідів, визначення послідовності зміни факторів; вибір кроку зміни факторів, завдання інтервалів між майбутніми експериментальними точками; обґрунтування засобів вимірювань; опис проведення експерименту; обґрунтування способів обробки і аналізу результатів експерименту.

Застосування математичної теорії експерименту дозволяє вже при плануванні певним чином оптимізувати обсяг експериментальних досліджень і підвищити їх точність.

Важливим етапом підготовки до експерименту є визначення його цілей і задач. Кількість задач для конкретного експерименту не повинна бути дуже великою (краще 3...4, максимально 8...10).

Перед експериментом треба вибрати варійовані фактори, тобто встановити основні і другорядні характеристики, що впливають на досліджуваний процес, проаналізувати розрахункові (теоретичні) схеми процесу. На основі цього аналізу всі фактори класифікуються і з них складається ряд, що спадає за важливістю для даного експерименту. Правильний вибір основних і другорядних факторів відіграє важливу роль в ефективності експерименту, оскільки експеримент і зводиться до знаходження залежностей між цими факторами. Іноді буває важко відразу виявити роль основних і другорядних факторів. У таких випадках необхідно виконувати невеликий за об'ємом попередній пошуковий дослід.

Основним принципом встановлення ступеня важливості характеристики є її роль в досліджуваному процесі. Для цього процес вивчається залежно від якоїсь однієї змінної при решті постійних. Такий принцип проведення експерименту виправдовує себе лише в тих випадках, коли таких характеристик мало ─ 1...3. Якщо ж змінних величин багато, доцільним є принцип багатофакторного аналізу, що розглядається нижче.

Необхідно також обгрунтувати набір засобів вимірювань (приладів), іншого устаткування, машин і апаратів. У зв'язку з цим експериментатор повинен бути добре ознайомлений зі вимірювальною апаратурою, що випускається в країні (за допомогою каталогів, що щорічно видаються, згідно з якими можна замовити вітчизняні ті або інші засоби вимірювання). Звичайно, що в першу чергу слід використовувати стандартні, серійно випущені машини і прилади, робота на яких регламентується інструкціями, ГОСТами та іншими офіційними документами.

В окремих випадках виникає потреба в створенні унікальних приладів, установок, стендів, машин для розробки теми. При цьому розробка і конструювання приладів та інших засобів повинні бути ретельно обґрунтовані теоретичними розрахунками і практичними міркуваннями про можливість виготовлення устаткування. При створенні нових приладів бажано використовувати готові вузли приладів, що випускаються, або реконструювати існуючі прилади. Відповідальний момент ─ встановлення точності вимірювання і похибок.

Методи вимірювань повинні базуватися на законах спеціальної науки – метрології, що вивчає засоби і методи вимірювань.

При експериментальному дослідженні одного і того ж процесу (спостереження і вимірювання) повторні відліки на приладах, як правило, неоднакові. Відхилення пояснюються різними причинами ─ неоднорідністю властивостей досліджуваного тіла (матеріалу, конструкції і т. д.), недоліками приладів і класів їх точності, суб'єктивними особливостями експериментатора і інш. Чим більше випадкових чинників, що впливають на дослід, тим більше розбіжності цифр, що отримуються при вимірюваннях, тобто тим більше відхилення окремих вимірювань від середнього значення. Це вимагає повторних вимірювань, а отже, необхідно знати їх мінімальну кількість. Під потрібною мінімальною кількістю вимірювань розуміють таку кількість вимірювань, яка в даному досліді забезпечує стійке середнє значення величини, яка вимірюється, що задовольняє заданій степені точності. Встановлення потрібної мінімальної кількості вимірювань має велике значення, оскільки забезпечує отримання найбільш об'єктивних результатів при мінімальних витратах часу і засобів.

У методиці детально розробляється процес проведення експерименту, складається послідовність (черговість) проведення операцій вимірювань і спостережень, детально описується кожна операція окремо з урахуванням вибраних засобів для проведення експерименту, обгрунтовуються методи контролю якості операцій, що забезпечують при мінімальній (раніше встановленійёё) кількості вимірювань високу надійність і задану точність. Розробляються форми журналів для запису результатів спостережень і вимірювань.

Важливим розділом методики є вибір методів обробки і аналізу експериментальних даних. Обробка даних зводиться до систематизації всіх цифр, класифікації, аналізу. Результати експериментів повинні бути зведені в легкі для читання форми запису ─ таблиці, графіки, формули, номограми, що дозволяють швидко і доброякісно зіставляти отримане і проаналізувати результати. Всі змінні повинні бути оцінені в єдиній системі одиниць фізичних величин.

Особлива увага в методиці повинна бути приділене математичним методам обробки і аналізу дослідних даних, наприклад, встановленню емпіричних залежностей, апроксимації зв'язків між характеристиками, що варіюються, встановленню критеріїв і довірчих інтервалів і інш. Діапазон чутливості (нечутливості) критеріїв повинен бути стабілізований (експліцирований).

Результати експериментів повинні відповідати таким статистичним вимогам: вимога ефективності оцінок, тобто мінімальність дисперсії відхилення оцінки відносно невідомого параметра; вимога слушності оцінок, тобто при збільшенні числа спостережень оцінка параметра повинна прямувати до його дійсного значення; вимога незсуненості оцінки ─ відсутність систематичних похибок в процесі обчислення параметрів. Найважливішою проблемою при проведенні і обробці експерименту є сумісність цих трьох вимог.

Після розробки і затвердження методики встановлюється обсяг і трудомісткість експериментальних досліджень, які залежать від глибини теоретичних розробок, ступеня точності прийнятих засобів вимірювань (чим чіткіше сформульована теоретична частина досліду, тим менше обсяг експерименту). Залежно від попередньої теоретичної підготовки можливі три випадки проведення експерименту: 1) якщо теоретично отримана аналітична залежність, яка однозначно визначає досліджуваний процес (наприклад, ), то обсяг експерименту для підтвердження даної залежності виявляється мінімальним, оскільки функція однозначно визначається експериментальними даними; 2) якщо теоретичним шляхом встановлений лише характер залежності (наприклад, ), тобто задано сімейство кривих, то експериментальним шляхом необхідно визначити як а, так і і, отже, обсяг експерименту зростає; 3) якщо теоретично не вдалося отримати яких-небудь залежностей і розроблені лише припущення про якісні закономірності процесу, то доцільним є пошуковий експеримент, при якому обсяг експериментальних робіт різко зростає. У таких випадках доречно застосовувати метод математичного планування експерименту.

На обсяг і трудомісткість проведення експериментальних робіт істотно впливає вид експерименту. Наприклад, польові експерименти, як правило, завжди мають велику трудомісткість, що слід враховувати при плануванні.

Після встановлення обсягу експериментальних робіт складається перелік необхідних засобів вимірювань, обсяг матеріалів, список виконавців, календарний план і кошторис витрат.

План-програму розглядає науковий керівник, обговорюють в науковому колективі і затверджують в установленому порядку.

При розробці плану-програми експерименту завжди необхідно прагнути до його спрощення, наочності без втрати точності і достовірності. Це досягається попереднім аналізом і зіставленням результатів вимірювань одного і того ж параметра різними технічними засобами, а також методів обробки отриманих результатів. В умовах інтенсифікації проведення наукових досліджень найважливіше місце в процесі підготовки експерименту повинне відводитися його автоматизації (АСНД) з введенням експериментальних даних безпосередньо в ЕОМ, з розрахунком результуючих показників, з автоматичним управлінням ходу експерименту.