Методы и средства научных исследований


ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ серия основана в 1 996 г.



А.А. ПИЖУРИН
А.А. ПИЖУРИН (мл.)
В.Е. ПЯТКОВ





                МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ




        УЧЕБНИК


Рекомендовано
                             УМО по образованию в области лесного дела в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров
                               35.03.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств»


znanium.com


Москва ИНФРА-М 2023

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

УДК 001(075.8)
ББК 72я73
       П32
       Рецензенты:
       С.Н. Рыкунин, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Московского государственного университета леса;
       С.А. Угрюмов, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Костромского государственного технологического университета;
       Е.В. Краснов, кандидат технических наук, начальник отдела Департамента химико-технологического комплекса Министерства промышленности и торговли

       Пижурин А.А.
П₃₂ Методы и средства научных исследований : учебник / А.А. Пи-журин, А.А. Пижурин (мл.), В.Е. Пятков. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 264 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование).
          ISBN 978-5-16-018550-7 (print)
          ISBN 978-5-16-102715-8 (online)
          В учебнике изложены основные понятия и классификация научноисследовательских работ, приведен обзор методов и средств проведения научных исследований, рассмотрены основные процедуры математической обработки результатов наблюдений для оценки параметров совокупностей, проверки статистических гипотез, выявления статистической связи между явлениями применительно к исследованию объектов деревопереработки. Рассмотрены вопросы планирования эксперимента с целью математического описания и оптимизации объектов, выявления важнейших факторов, воздействующих на объекты исследований, а также методы планирования и обработки результатов эксперимента с качественными факторами. Изложены методы экспериментальной оптимизации.
          Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.

УДК 001(075.8)
ББК 72я73

Материалы, отмеченные знаком У.), доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

ISBN 978-5-16-018550-7 (print) © Пижурин А.А., Пижурин А.А. (мл.), ISBN 978-5-16-102715-8 (online) Пятков В.Е., 2015

Подписано в печать 22.03.2022.
Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 16,5. ППТ20. Заказ № 00000
Цена свободная.
ТК 345800-2021402-250415

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
              Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
              Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Научно-технический прогресс на современном этапе представляет собой взаимообусловленный процесс развития науки и техники, позволяющий человеку воздействовать на окружающую среду для получения материальных и духовных благ. Следовательно, в наше время он не может быть достигнут без применения научных исследований. Наука теперь превратилась в непосредственную производительную силу. С возрастанием роли науки во много крат повышаются требования к ее эффективности. Теперь требуется не просто решить ту или иную проблему, а нужно так ее решить, чтобы был получен оптимальный результат или способ его получения.
      Особенностями научно-технического прогресса в настоящее время являются: возрастающая роль науки; возможность автоматизации не только физического, но и умственного (нетворческого) труда; быстрый рост и обновление научно-технической информации; быстрая смена материалов, конструкций, машин, технологических процессов; резкое увеличение разновидностей инженерных решений; повышение уровня комплексной механизации и автоматизации производства, а также бурное развитие сложных систем управления.
      Внедрение научных достижений в производство позволяет повысить производительность труда, снизить себестоимость продукции, повысить ее качество, улучшить эксплуатационные показатели.
      Научно-технический прогресс непосредственно влияет на развитие высшей школы. Он предъявляет новые, возросшие требования к знаниям студентов, их творческому развитию, умению находить рациональные конструкции, технологические и организационные решения.
      Между наукой и высшей школой имеется тесная взаимосвязь. Вузы готовят кадры для научных организаций страны, а взамен получают от науки исследования, разработки, открытия и т.д., т.е. научную продукцию, что является базой для повышения качества подготовки молодых специалистов. Сейчас, как никогда, наука проникает во все сферы материального производства. Поэтому молодые специалисты должны быть вооружены новейшими знаниями в области научных исследований, хорошо ориентироваться в потоке научной информации, а это невозможно без навыков исследовательского творческого мышления. Для этого студентам необходи

3

мо принимать самое активное участие в научных исследованиях.
     Современное производство требует от специалиста умения самостоятельно ставить и решать различные, принципиально новые задачи. Этого нельзя достичь без овладения студентами методами научных исследований.
     Таким образом, научная подготовка в вузах - одна из важнейших сторон обучения. Поэтому в учебные планы для многих направлений бакалавриата высшего профессионального образования включена дисциплина «Методы и средства научных исследований».
     В результате изучения этой дисциплины студент должен освоить методологию научных исследований и способы обработки и анализа необходимой информации по теме научного исследования; уметь формулировать цель и задачи эксперимента; разрабатывать теоретические предпосылки, планировать и проводить эксперимент; обрабатывать результаты измерений и оценивать погрешности наблюдений; сопоставлять результаты эксперимента с теоретическими предпосылками и формулировать выводы научного исследования; получать математические модели объектов исследования.
     Учебник подготовлен в соответствии с Примерной основной образовательной программой бакалавриата высшего профессионального образования по направлению подготовки 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств». Он также будет полезен магистрам, аспирантам и научным работникам лесной и деревообрабатывающей промышленности.
     Авторы будут благодарны за все высказанные замечания и пожелания, направленные на улучшение учебника.

Глава 1


О НАУКЕ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

1.1. Основные сведения о науке

     Область исследовательской деятельности человека, направленная на получение новых знаний о природе, обществе и мышлении, является наукой. Справедливо и другое определение: наукой называется непрерывно развивающаяся область знаний объективных законов природы, общества и мышления, получаемых в результате специальной деятельности людей и превращаемых в непосредственную производительную силу общества. Наука является следствием разделения общественного труда. Она возникает вслед за отделением умственного труда от физического и превращением познавательной деятельности в специфический род занятий особой группы людей. Основу науки составляют: система знаний; определенный вид общественного разделения труда; процесс познания закономерностей объективного мира; процесс производства знаний и их использование.
     Основными функциями науки являются:
     • сбор, изучение, систематизация и обобщение фактов;
     • анализ и объяснение сущности процессов и явлений;
     • выявление закономерностей развития природы, общества и мышления;
     • предсказание процессов, явлений и событий;
     • разработка направлений и методов практического применения полученных знаний.
     Идеальное воспроизведение в языковой форме обобщенных представлений о закономерных связях объективного мира является знанием.
     Знание является продуктом общественной деятельности людей, которая направлена на преобразование действительности. Однако нельзя признать знания научными, если они получены человеком на основе простого наблюдения. Хотя эти знания играют важную роль в жизни людей, но они не раскрывают сущности явлений, а также взаимосвязи между ними, которые позволили бы объяснить, почему данное явление протекает так или иначе, а следовательно, и предсказать его дальнейшее развитие.
     Опосредованное и обобщенное отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений и закономерных связей между явлениями или объектами называется мышлением. Основным инструментом мышления являются логические рассуждения человека, к структурным элементам которых относятся понятия, суждения и умозаключения.
     Мысль, отражающая необходимые и существенные признаки явления или предмета, называется понятием.


5

      Самые общие абстракции или наиболее широкие понятия называются категориями. К ним относятся философские понятия о форме и содержании явлений.
      Мысль, в которой что-либо утверждается или отрицается посредством связи, сопоставления понятий, называется суждением.
      Умозаключение - это процесс мышления, посредством которого из одного или нескольких суждений выводится новое суждение.
      Принципы, аксиомы и постулаты являются важнейшими формами знаний. Они составляют исходные положения какой-либо отрасли науки, например аксиомы Евклидовой геометрии, в квантовой механике - постулаты Бора и т.д. Иначе говоря, они являются начальной формой систематизации знаний.
      Научные законы, отражающие устойчивые, наиболее существенные, повторяющиеся объективные внутренние связи в природе, обществе и мышлении, являются важнейшим составным звеном в системе научных знаний.
      Научное исследование - форма существования и развития науки. Это деятельность человека, направленная на получение и применение новых знаний путем всестороннего изучения объекта, процесса или явления на основе разработанных в науке принципов и методов познания. Целью научного исследования является получение и внедрение в практику полезных для человека результатов. Каждое научное исследование должно иметь тему, обоснование которой является важным этапом проведения работ.
      Научное исследование состоит из следующих этапов: возникновение идей; формирование понятий; выдвижение гипотез; обобщение научных фактов; доказательство правдивости гипотез и суждений.
      Научной идеей называется новое интуитивное объяснение событий или явлений без осознания всех совокупностей связей, без промежуточной аргументации. Она базируется на имеющемся знании, однако вскрывает незамеченные ранее закономерности. Идея находит свою специфическую материализацию в гипотезе.
      Предположение о причине, вызывающей следствие, называется гипотезой. Правильность каждой гипотезы должна быть подтверждена и доказана в процессе познания. Когда гипотеза не противоречит фактам, а согласуется с ними, тогда в науке ее принято называть теорией или законом .
      Теория является наиболее высокой формой систематизации и обобщения научных знаний. Она позволяет открывать новые законы и прогнозировать будущее.
      Таким образом, система обобщенного знания, объясняющая те или иные стороны действительности, называется теорией (греч. Ssropia -рассмотрение, исследование).

6

1.2. Классификация научно-исследовательских работ

      Существуют различные признаки классификации научноисследовательских работ.
      1.      По видам связи научно-исследовательских работ (НИР) с общественным производством они разделяются следующим образом: исследования, направленные на создание новых машин, конструкций или процессов, которые используются для повышения эффективности производства, и НИР, повышающие уровень производственных отношений. К последним можно отнести работы, повышающие уровень организации производства без создания новых средств труда, а также теоретические работы в области гуманитарных, общественных и других наук. Они могут использоваться при совершенствовании общественных отношений, а также для повышения уровня духовной жизни людей.
      2.      НИР классифицируются по степени важности исследований для народного хозяйства. Они делятся на выполняемые по государственному плану, по плану отдельных министерств и ведомств и по инициативе научно-исследовательских институтов или частных фирм.
      3.      В зависимости от источников финансирования НИР также делятся на госбюджетные, которые финансируются из средств государственного бюджета, и хоздоговорные работы, которые финансируются по договорам с частными фирмами и предприятиями.
      4.      По длительности НИР делятся на долгосрочные и краткосрочные. Долгосрочные НИР выполняются в течение нескольких лет, а краткосрочные - обычно в течение одного года.
      5.      НИР классифицируются по целевому назначению на четыре вида: фундаментальные, прикладные, поисковые и разработки.
      Фундаментальные исследования - это научная деятельность, направленная на получение новых знаний, на создание новых принципов. Их целью является более глубокое познание законов природы и расширение знаний общества.
      Прикладные исследования выполняются с целью создания новых методов, на базе которых ведутся разработки по созданию новых машин, оборудования и материалов, а также способов производства и организации работ и т.д. Прикладные исследования должны удовлетворять потребность в развитии конкретных отраслей промышленности. Они направлены на применение результатов фундаментальных исследований для решения практических задач.
      Поисковые исследования направлены на определение перспективности работы по конкретной теме, на поиски путей и методов решения научных проблем.
      Разработки направлены на преобразование теоретических или прикладных исследований в технические приложения. Конечной целью разра


7

боток является подготовка материалов для внедрения. Поэтому они не предназначены для проведения новых научных исследований.


1.3. Этапы научно-исследовательских работ

     Обычно научно-исследовательскую работу выполняют в определенной последовательности. Весь процесс выполнения теоретических и прикладных НИР состоит из шести этапов.
     К первому этапу относится формулирование темы. На этом этапе прежде всего нужно ознакомиться с проблемой, по которой будет выполняться НИР. Сюда входят: предварительное ознакомление с литературой и классификация важнейших направлений; окончательное уточнение и формулирование темы исследования; составление краткого плана исследования и разработка технического задания; составление календарного плана исследований и определение примерного ожидаемого экономического эффекта.
     На втором этапе формулируются цель и задачи исследования. Вначале осуществляются подбор и составление библиографических источников (монографий, учебников, статей и т.п.), изучение научно-технических отчетов по теме исследования и написание аннотаций источников. По теме исследования также составляются рефераты. Затем анализируются, сопоставляются и рассматриваются с критических позиций проработанные источники. Выдвигается собственное суждение по каждому источнику, проработанному автором. На основе обобщения проработанной информации излагается состояние вопроса по теме НИР. Формулируются цель и задачи исследования на основе сформулированных методических выводов по обзору информации.
     Третий этап посвящается теоретическим исследованиям. На этом этапе изучается физическая сущность явления и формулируются гипотезы; выбирается и обосновывается физическая модель; делается ее формализация (математическое описание) и получают аналитические модели. Затем выполняется теоретический анализ полученных аналитических зависимостей.
     Экспериментальным исследованиям посвящается четвертый этап. Прежде всего устанавливаются цель и задачи экспериментальных исследований. Затем выполняется планирование эксперимента, разрабатываются методика и программа исследований, а также выбираются средства измерений. При необходимости конструируются макеты, модели стендов, установок, аппаратов и приборов, а также других средств, необходимых для эксперимента. Обосновываются способы измерений. Ставят эксперимент в лабораторных условиях, на опытных участках, а также на действующих предприятиях.


8

     На пятом этапе проводят анализ и оформление результатов научных исследовании. На этом этапе выполняется общий анализ теоретических и экспериментальных исследований. Сопоставляют результаты эксперимента с теорией и анализируют имеющиеся расхождения. Затем уточняют теоретические модели, результаты исследований и выводы. При необходимости ставятся дополнительные эксперименты. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований сформулированная гипотеза превращается в теорию. Затем формулируются научные и производственные выводы, составляется научно-технический отчет, который рецензируется, составляется доклад и исправляется рукопись.
     Шестой этап посвящается внедрению результатов исследования и определению экономической эффективности. Результаты исследования внедряются на производстве, и там же рассчитывается фактическая экономическая эффективность.
     Как уже отмечалось выше, четвертый вид научно-исследовательских работ заключается в разработке. К этому виду НИР относятся опытноконструкторские работы (ОКР), включающие в себя следующие семь этапов.
     Первый этап включает формулирование темы, цели и задач исследования .
     На втором этапе проводят изучение литературных источников, а также, при необходимости, постановку эксперимента и подготовку к техническому проектированию экспериментального образца.
     Техническому проектированию посвящен третий этап. Сюда входят следующие работы: разработка вариантов технического проекта; расчеты основных параметров; выполнение чертежей; изготовление отдельных блоков и узлов, а также анализ их работы. Осуществляются разработка и согласование технического проекта и его технико-экономическое обоснование.
     Четвертый этап заключается в рабочем проектировании, т.е. в разработке проекта со всеми деталями.
     Изготовлению опытного образца посвящен пятый этап. На этом этапе выполняют следующее: анализ и контроль технической документации; проектирование технологических процессов; составление проекта организации работ; разработку технологических карт; составление документации по организации работ, а также изготовление деталей, узлов и блоков опытного образца и их сборку; опробование, доводку и регулирование опытного образца; стендовые и производственные испытания.
     Доработку опытного образца проводят на шестом этапе. В этот этап входят анализ работы всех узлов образца после его производственных испытаний, а также замена отдельных узлов, не выдержавших нагрузки.

9

     Седьмой этап посвящен государственным испытаниям опытного образца, передаче его специальной комиссии на государственные испытания.

1.4.      Особенности научных исследований в лесной и деревообрабатывающей промышленности

     Специфическая особенность технологических процессов деревообработки состоит в большом их разнообразии. В их число входят процессы механической, химической и других видов обработки. Только в механической обработке древесины насчитывается 18 процессов. К ним относятся: пиление, фрезерование, лущение, точение, строгание, шлифование и др. Это привело к тому, что в комплексе научных исследований технологических процессов деревообработки применяют методы, заимствованные из арсенала различных наук: математики, физики, механики, химии, биологии и др. В сферу НИР, проводимых в лесной и деревообрабатывающей промышленности, входят и вопросы организации производства, оптимизации управления технологическими процессами, поэтому к перечню наук надо добавить экономику и экономико-математические методы оптимизации. Вопросы технологии тесно связаны с конструированием и эксплуатацией оборудования и инструмента, что еще больше расширяет круг применяемых методов.
     Другая особенность научных исследований связана со спецификой материала - древесины. Древесина как естественный объект биологического происхождения обладает сложной макро- и микроструктурой. Поэтому разнообразны и нестабильны ее физические и химические свойства. Они определяются влиянием большого числа факторов различной природы, связанных с почвой, климатом и другими условиями произрастания деревьев. В научном плане эта особенность резко усложняет проведение соответствующих исследований. В производственном плане эта нестабильность приводит к нестабильности характеристик промежуточных и конечных продуктов и влияет на характер протекания процессов. Так, бревна, поступающие для распиливания, даже при соответствующем сортировании имеют разброс по диаметрам, длинам и качественным характеристикам. Это приводит к переменному ритму работы лесопильного оборудования, усложняет автоматизацию операций обрезки, торцевания и сортирования пиломатериалов.
     Большинство НИР имеют прикладной характер. Поэтому требованиям эффективности, практической значимости их результатов уделяется первостепенное значение. Эффективность НИР непосредственно связана с применяемыми методами в исследованиях. В деревообработке взаимосвязь всех этапов одного и того же процесса особенно ощутима из-за неоднородности древесины как предмета труда. Это заставляет обращать особое

10