close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Nazarkin i dr Metodologija nauchnogo

код для вставкиСкачать
Методология научного творчества
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
В. Г. НАЗАРКИН, В. Е. СЕРГЕЕНКОВ,
Н. И. ВЕРЁВКИН, Н. А. ДАВЫДОВ
МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО
ТВОРЧЕСТВА
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2011
1
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
УДК 662.75
Рецензенты: д-р военных наук, профессор В. С. Стативка (ВАТТ);
канд. техн. наук, доцент Н. И. Подольский
Назаркин, В. Г.
Методология научного творчества: учеб. пособие / В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов; СПбГАСУ. –
СПб., 2011. – 32 с.
ISBN 978-5-9227-0282-9
Представлены методические основы научного познания и творчества; последовательность выполнения и содержание работ при выполнении научной работы; основы изобретательской и патентной работы; основы инженерного творчества; основы планирования экспериментов и инженерных наблюдений; оценка экономической эффективности организационно-технических мероприятий.
Предназначено для студентов, обучающихся по магистерской программе.
Соответствует Государственному стандарту высшего профессионального образования.
Ил. 1. Библиогр.: 9 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве
учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0282-9
Введение
Дисциплина «Методология научного творчества» имеет целью
подготовку студентов, способных выполнять работы в области научно-технической деятельности по организации технической эксплуатации автомобилей.
Предметом изучения данной дисциплины являются методы исследований и проведения экспериментальных работ в области транспортно-технологических систем и транспортных потоков.
В результате изучения дисциплины студенты получают знания
научных основ системных исследований на транспорте: методы анализа, моделирования, планирования и проведения экспериментов
и инженерных наблюдений, основные принципы и правила конструирования машин, оценка экономической эффективности организационно-технических мероприятий.
В процессе изучения дисциплины формируется представление
о роле и месте методов научных исследований и проведения экспериментальных работ в развитии транспорта; о проблемных вопросах
и перспективах развития методов научных исследований и проведения экспериментальных работ.
Дисциплина способствует профессиональной подготовке выпускника по вопросам его возможной научно-исследовательской деятельности.
С целью обеспечения прикладной направленности изучения дисциплины учебный материал максимально увязан с выполнением первичной научной работы выпускника – магистерской диссертацией.
Итоговым контролем изучения дисциплины является зачет.
 В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков,
Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов, 2011
 Санкт Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2011
2
3
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
При изучении дисциплины следует придерживаться следующих
общих указаний:
1. До начала занятий желательно выбрать тему и направление
исследования.
2. Прочитанный в учебной литературе материал должен быть глубоко усвоен. При этом к изучению следует подходить творчески применительно к своей научной работе. Студент должен разобраться в теоретическом материале и уметь применять его как общую схему при
проведении научных исследований.
3. Свои знания необходимо контролировать ответами на поставленные в конце каждой темы учебника вопросы и решением задач.
4. Большую помощь в изучении курса оказывает хороший конспект аудиторных лекций и учебника. Он может служить также справочником, к которому необходимо прибегать, рассматривая все темы
курса в единой взаимосвязи.
5. При подготовке к зачету конспект лекций является основным
материалом.
Если в процессе изучения курса у студента возникли трудности,
которые он не в состоянии разрешить самостоятельно, он может обратиться за консультацией к преподавателю, своему научному руководителю или за письменной консультацией в деканат. Студент-заочник
должен поддерживать самую тесную связь с преподавателем-рецензентом по всем вопросам, связанным с изучением дисциплины.
Усвоив курс дисциплины, студент имеет право сдавать зачет.
На зачете студенту предлагается ответить на два теоретических вопроса в рамках изученных тем.
Тема
Тема 1. Методические основы научного познания и творчества
Тема 2. Выбор направления научного
исследования
и этапы научноисследовательской работы
Тема 3. Организация изобретательства
и патентной работы
Тема 4. Основы инженерного творчества и принципы конструирования
машин
Тема 5. Планирование экспериментов.
Регрессионный анализ
Тема 6. Оценка экономической эффективности организационно-технических
мероприятий
Зачет
ВСЕГО:
Количество часов
Лекции
Практ.
Всего
занятия
4
4
2
2
2
2
3
3
4
4
2
2
17
17
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
Дисциплина изучается студентами на первом курсе. При изучении курса необходимо прежде всего ознакомиться с программой, приобрести необходимую учебную литературу и тщательно продумать календарный рабочий план самостоятельной работы, согласуя его с учебным графиком и планами работы по другим учебным дисциплинам
курса. В этом плане дисциплине следует уделить особое место, поскольку по результатам обучения в институте студенты разрабатывают магистерскую диссертацию.
Правильно построенные самостоятельные занятия разрешат трудности в изучении дисциплины и позволят грамотно и последовательно разрабатывать магистерскую диссертацию. Дисциплина способствует развитию научного мышления и реализации своих идей при решении научно-практической задачи.
4
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
Тема 1. Методические основы научного познания и творчества
1.1. Основные положения и понятия научных знаний
Наука – сфера исследовательской деятельности, направленная на
получение новых знаний о природе, обществе и мышлении.
Выделяют три частные функции науки:
– познавательная;
5
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
– культурно-воспитательная;
– практически действенная.
Главная задача науки – быть основой целесообразной и эффективной деятельности людей.
Треугольник наук
Пирамида элементов науки
Теория
Законы
(закономерности)
Принципы и постулаты
Гипотезы
Частные методы
Специфические категории
Факты
Технические
науки
Естественные
науки
Математика
Логика
Социальноэкономические
науки
Философия
Научный факт – знание об объективных процессах действительности, включенное в определенную научную теорию.
Специфические категории – формы осознания в понятиях всеобщих способов отношения человека к миру, отражающие наиболее
общие и существенные свойства, законы природы, общества и мышления.
Частные методы – способы теоретических исследований или
практических решений какого-либо процесса или явления.
Гипотеза – научное предположение, несущее в себе новые знания, вероятность которых обоснована фактическими данными.
Принципы – основополагающие требования к познанию и практической деятельности.
Постулат – утверждение некоторой научной теории в качестве
исходной.
Закон – внутренняя существенная и устойчивая связь явлений,
обусловливающая их упорядоченные изменения.
Закономерность – частный элемент закона, устанавливающий
связь между физическими величинами и явлениями.
Теория – высшая организация научного знания, дающая целостное представление о законах и закономерностях в определенной области действительности.
Систему научных знаний делят на три главные отрасли:
– наука о природе – естествознание;
– наука об обществе – социально-экономические науки;
– наука о мышлении – философские и психологические науки.
Основным связующим звеном между естественными науками
и социально-экономическими выступают технические науки.
6
7
Структура технических наук
Включают:
– социальный аспект
– экономический
аспект
Технические науки
Базируются:
– научно- технические знания
– научно-техническая деятельность
ПРЕДМЕТ:
– материалы
– машины, аппараты и приборы
– организация труда
– технологические процессы
– методы и средства автоматизации и механизации
– организация производства
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
Знания – идеальное воспроизведение в языковой форме обобщенных представлений о закономерностях и связях.
Процесс движения от незнания к знанию называется познанием.
В основе познания лежит отражение объективной действительности
в процессе деятельности людей, называемое практикой.
В качестве форм познания выступают мышление, понятия и суждения.
Мышление – обобщенное отражение существенных свойств
и закономерных связей между предметами и явлениями.
Понятие – мысль, отражающая существенные и необходимые
признаки, предметы или явления.
Суждение – мысль, в которой посредством связи понятий утверждается или отрицается что-либо.
С помощью понятий и суждений формируется умозаключение (новое суждение). Умозаключения делятся на две категории:
1. Индуктивная – на основе частных случаев приходят к общему
положению.
2. Дедуктивная – выделение из общего положения частного случая.
7. Абстрагирование – мысленное отвлечение от несущественных
свойств и связей и выделение нескольких сторон, интересующих исследователя.
8. Формализация – отображение объекта или явления в знаковой форме какого-либо искусственного языка.
9. Анализ – метод исследования при помощи расчленения или
разложения объектов исследования на составные части.
10. Синтез – соединение отдельных сторон исследуемого предмета в единое целое.
Тема 2. Выбор направления научного исследования и этапы
научно-исследовательской работы
2.1. Выбор направления научного исследования
Метод – способ достижения цели в определенной области знаний.
К общенаучным методам относятся:
1. Наблюдение – способ познаний, основанный на непосредственном восприятии предметов или явлений.
2. Сравнение – установление различия между объектами или
нахождение в них общего при помощи органов чувств или специальных устройств.
3. Счет – нахождение числа, определяющего количественное соотношение однотипных объектов или их параметров.
4. Измерение – физический процесс определения численного
значения некоторой единицы путем сравнения с эталоном.
5. Эксперимент – метод, в котором подвергается проверке истинность предполагаемых гипотез или выявляются определенные закономерности.
6. Обобщение – определение общего понятия и нахождение главного, характеризующего объекты данного класса.
Научным направлением называется комплекс наук, в области
которых ведется исследование.
Различают направления:
• техническое;
• социальное, биологическое;
• физико-техническое;
• философско-историческое.
Структурными единицами научного направления являются:
• комплексные проблемы;
• проблемы;
• темы;
• научные вопросы.
Комплексная проблема – совокупность проблем, объединенных
единой целью.
Проблема – совокупность теоретических и практических задач,
решения которых назрели в настоящее время.
Тема – составная часть проблемы, в которой получают ответы на
определенный круг научных вопросов.
Научные вопросы – частные задачи, относящиеся к конкретной теме
исследования.
Цель научного исследования – достоверное изучение объекта,
проекта или явления, их структуры, связей и отношений, а также
получение и внедрение полученных результатов.
8
9
1.2. Методы теоретических и эмпирических исследований
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Объектом научного исследования может быть материальная
или идеальная система.
Предметом исследования является структура системы и закономерности взаимодействия элементов внутри системы.
2.2. Основные этапы научно-исследовательской работы
Формулировка темы исследования
Тема исследования должна быть актуальной, важной с точки зрения скорейшего разрешения, иметь научную новизну, вносить определенный вклад в теорию или практику.
Правильно сформулированная тема исследований должна включать предмет исследования и предполагаемый научный результат
и иметь не более 12 слов.
Тема должна предполагать возможность быстрого внедрения полученных результатов в производство.
На этапе выбора темы целесообразно написать 1-2 реферата
по выбранному направлению исследований.
Подбор материала по выбранной теме исследования
Научные документы и издания:
– первичные документы (конспекты и материалы занятий, проводимых в институте);
– вторичные непубликуемые документы (учебно-методические
материалы института по выбранной теме).
Последовательность накопления материала:
– учебная литература;
– внешние библиотеки;
– книжные магазины;
– проведенные исследования по выбранному направлению;
– интернет;
– справочная литература;
– национальные стандарты.
Конкретизация целей и задач исследования:
– формулировка цели исследования;
– научная и практическая значимость;
10
Методология научного творчества
– составление списка отечественной и зарубежной литературы;
– уточнение метода исследования.
Разработка плана написания работы:
– составление развернутого плана работы;
– составление рабочего плана работы.
Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследования:
– оценка существующих конструкций, методов, способов и технологий;
– выявление преимуществ и недостатков;
– получение необходимой априорной информации;
– формулировка выводов по результатам анализа;
– окончательная формулировка целей и задач исследования.
Организация патентного поиска
(последовательность работ изложена в теме 3).
Разработка теоретической части работы:
– описание математических, экономико-математических и имитационных моделей;
– модели взаимодействия процессов;
– инженерные расчеты;
– расчеты элементов конструкций;
– установление зависимостей;
– установление закономерностей;
– обоснование технологий;
– формулировка выводов.
Разработка экспериментальной части работы:
– планирование эксперимента;
– схемы и описание экспериментальных установок;
– конструктивные решения;
– проведение эксперимента;
– формулировка выводов по результатам проводимых экспериментов.
11
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
Разработка практических рекомендаций по применению
предлагаемых решений:
– рекомендации по применению предлагаемых инженерных решений;
– описание технологических и производственных процессов;
– информационное обеспечение;
– описание пакетов прикладных программ.
Тема 3. Организация изобретательства и патентной работы
Оценка экономической эффективности предлагаемых решений
(технико-экономическая оценка или обоснование результатов)
Технические показатели:
– уменьшение времени;
– сокращение числа рабочих мест;
– уменьшение количества машино-мест;
– увеличение производительности;
– увеличение объемов;
экономические показатели:
– уменьшение себестоимости;
– сокращение приведенных затрат;
– экономический эффект.
Написание заключения и выводов по работе:
– реализация цели исследования;
– формулировка основных выводов
( 5…10 пунктов).
Написание введения:
– актуальность темы исследования;
– стержень всей работы в постановочном плане;
– цели исследования.
Рецензирование работы и представление к защите
(кратко излагается в теме 6).
12
3.1. Организация изобретательства и рационализации
Руководит изобретательством в стране Государственное патентное ведомство (Роспатент). Оно осуществляет:
– единую политику в области охраны промышленной собственности;
– принимает к рассмотрению заявки на изобретение;
– проводит по ним экспертизу;
– регистрирует и выдает патенты;
– издает патентные правила.
Право на изобретение защищается законом. Патент удостоверяет
приоритет, авторство и исключительное право на его использование.
В РФ предусмотрены следующие виды научно-технических решений:
– открытие;
– изобретение;
– полезная модель;
– промышленный образец;
– рационализаторское предложение.
Открытие – установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений, вносимых коренные
изменения в уровень познания. Открытие регистрируется Роспатентом
и на него выдается диплом.
Изобретение – новое и обладающее существенными отличиями
техническое решение в любой области деятельности, дающее положительный эффект. Изобретению предоставляется правовая охрана, если
оно является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно
применимо.
Изобретение является новым, если оно не известно из уровня техники.
Изобретение имеет изобретательский уровень, если оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Изобретение является промышленно применимым, если оно может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении и других отраслях деятельности.
13
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
Объектами изобретения являются:
– устройство;
– способ;
– вещество;
– штамм микроорганизма;
– культуры клеток растений и животных;
– известные ранее устройства, способы, вещества и штаммы,
примененные по новому назначению.
Не признаются изобретениями:
– математические методы;
– методы организации и управления;
– условные обозначения, расписания и правила;
– методы выполнения умственных операций;
– программы для ЭВМ;
– проекты и схемы планировок сооружений, зданий и территорий;
– решения, касающиеся только внешнего вида изделий;
– технологии интегральных схем;
– сорта растений и породы животных;
– решения, противоречащие принципам гуманности и морали.
Полезной моделью называется конструктивное выполнение средств
производства и предметов потребления или их составных частей.
Полезной модели предоставляется правовая охрана, если она является новой и промышленно применимой.
Полезная модель является новой, если совокупность ее признаков не известна на уровне науки.
Промышленным образцом называют художественно-конструкторское решение изделия, определяющее его внешний вид.
Промышленному образцу предоставляется правовая охрана, если
он является новым, оригинальным и промышленно применимым.
Патент на изобретение действует в течение 20 лет с момента поступления заявки.
Свидетельство на полезную модель действует в течение 5 лет.
Патент на промышленный образец действует в течение 10 лет.
Экспертиза заявки на изобретение проводится:
– по истечении двух месяцев с даты поступления заявки – формальная экспертиза, о положительном результате которой уведомляется заявитель;
– в течение трехх лет с даты поступления заявки – экспертиза по
существу – по ходатайству заявителя;
– по истечении 18 месяцев с даты поступления заявки в случае
положительного результата патентное ведомство публикует сведения
о заявке.
Рационализаторским предложением признается техническое
решение, являющееся новым и полезным для организации, в которой
оно подано.
Объектами рационализаторского предложения являются:
– устройства;
– конструкции изделия;
– технология;
– способ;
– материал;
– вещество.
Предложение признается новым, если до его поступления данное
техническое решение не было известно в организации в степени, достаточной для его реализации.
Предложение признается полезным, если оно дает положительный эффект или улучшает условия труда.
Не признается рационализаторским предложением техническое
решение, ставящее только задачу без ее раскрытия.
Предложение может быть отклонено, если в организации отсутствуют средства для его реализации.
По предложению могут быть приняты следующие решения:
– признать предложение рационализаторским;
– провести опытную проверку;
– отклонить.
Для оформления рационализаторского предложения необходимо представить:
– заявление на рационализаторское предложение;
– заключение по предложению;
– схемы, чертежи или фотографии;
– акт об использовании рационализаторского предложения;
– расчет обоснования размера вознаграждения.
14
15
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
3.2. Поиск информации об изобретениях
– систематический к сериям;
– текущий систематический;
– определяется набор номеров патентов по данному вопросу.
Рассматриваются выпуски «Рефератов заявок» и «Сборники
изобретений за рубежом».
Рассматривается фонд изобретений данной страны.
Патентная информация – совокупность сведений о результатах
научно-технической деятельности.
Основными звеньями системы патентной информации являются:
– патентные фонды;
– сигнальная информация;
– справочно-информационное обслуживание.
Патентный фонд комплектуется описаниями изобретений к патентам страны и иностранных государств.
Сигнальная информация об изобретениях и заявках выпускается
Всероссийским институтом научной и технической информации.
Справочно-информационное обслуживание осуществляет научнопроизводственное объединение «Поиск» путем ответов на запросы
специалистов.
Виды патентной документации:
– описания к дипломам и открытиям;
– предварительные описания к заявкам на изобретения;
– описания изобретений к авторским свидетельствам;
– официальные указатели авторских свидетельств и патентов;
– официальные публикации об изменениях в состоянии правовой
охраны.
Аннотации, опубликованные в официальных бюллетенях.
Описания и рисунки к свидетельствам о регистрации изобретений.
СХЕМА ПОИСКА ПАТЕНТНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Этап I. Определение области поиска
1. Поисковый запрос.
2. Рассматривается алфавитно-предметный указатель. Определяются ключевые слова и индекс указателя классов изобретений.
3. Рассматривается указатель классов изобретений международного классификатора информации (МКИ), определяются основные
и смежные рубрики.
Этап II. Отбор описаний изобретений
Рассматриваются указатели:
– итоговый систематический;
16
Этап III. Корректировка предварительных результатов поиска
Рассматриваются описания изобретений, соответствующие запросу
с определенными номерами.
Окончательный результат поиска. Определяется номер патента.
Тема 4. Основы инженерного творчества и принципы
конструирования машин
4.1. Общие правила решения инженерных задач
Правильная постановка и уяснение сущности задачи является
необходимым условием ее решения.
Алгоритм постановки задачи может быть представлен в виде
последовательности следующих операций:
1. Формулировка проблемной ситуации в общем виде.
Должны быть найдены ответы на следующие вопросы:
В чем состоит затруднение или противоречие?
Что требуется сделать для разрешения противоречий или какое
требование необходимо удовлетворить?
Что мешает или ограничивает достижение цели?
Насколько актуальна эта цель?
Каков возможный эффект при ее достижении (будет ли вообще
эффект)?
2. Описание функции объекта, с помощью которой можно удовлетворить возникшую потребность.
3. Выбор прототипа и составление перечня требований.
4. Разработка перечня недостатков прототипа.
Необходимо ответить на вопросы:
Что затрудняет выполнение функции у прототипа?
Что снижает эффективность использования прототипа?
17
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
Какие показатели желательно улучшить?
5. Предварительная формулировка задачи.
Требуется так изменить прототип или найти такое техническое
решение, которое бы реализовывало заданную функцию и не имело
недостатков, присущих прототипу.
6. Построение улучшенной конструкционной функциональной
структуры. Ответить на вопрос: Какие элементы целесообразно
улучшить для выполнения функции?
7. Анализ функций перспективных образцов.
8. Выявление причин недостатков у прототипов.
9. Выявление и анализ ухудшений, сопровождающих введение
усовершенствований.
10. Формулирование оптимального решения.
11. Улучшение других показателей объекта помимо главной задачи.
В результате решения инженерной задачи возникает вопрос:
Что можно изменить?
1. Преобразовать форму.
2. Преобразовать структуру.
3. Преобразовать движение или силу.
4. Преобразовать материал или вещество.
5. Выполнить количественные изменения.
6. Выполнить профилактические меры.
7. Использовать резервы.
8. Преобразовать по аналогии.
3. Согласование геометрических и нагрузочных характеристик
конструкции:
– жесткость деталей и соединений;
– замыкание силовых линий;
– точность расчетов звеньев размерной цепи.
4. Уравновешивание и разгрузка:
– рациональное распределение нагрузок между деталями и элементами деталей;
– рациональное распределение напряжений;
– компенсация теплового расширения;
– исключение дисбаланса и неуравновешенности.
5. Конструктивная реализация смягчения ударов и нагрузок,
уменьшение вибрации:
– установка упругих элементов;
– установка устройств для смягчения ударов;
– установка виброизолирующих опор.
Общие принципы конструирования машин
и пути их реализации
1. Альтернативность конструктивных решений:
– получение возможных вариантов решений;
– конструктивное преобразование схем;
– функциональное преобразование деталей и соединений;
– совмещение различных функций.
2. Обеспечение самоустановленности, адаптации к положению
и форме нагрузки:
– компенсация отклонений от соосности и перекосов;
– исключение погрешности монтажа и деформации деталей;
– обеспечение приспособляемости к полезной нагрузке.
18
4.2. Основные правила конструирования машин
1. Необходимо увеличивать:
– экономический эффект и производительность;
– степень автоматизации;
– долговечность;
– применение стандартизированных деталей.
2. Необходимо уменьшать:
– эксплуатационные расходы на техническое обслуживание
и ремонт;
– число типоразмеров;
– объемы обработки.
3. Необходимо предупреждать:
– техническое устаревание;
– возможности перенапряжений и поломок;
– коррозию деталей;
– возможность несчастных случаев.
4. Необходимо предусматривать:
– резервы развития и совершенствования;
– безремонтную эксплуатацию;
19
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
– принципы модульности;
– рациональные формы деталей;
– высокую жесткость деталей без увеличения массы;
– автоматическую смазку;
– простые внешние формы;
– удобство технического обслуживания и ремонта;
– размещение органов управления в одном месте;
– соблюдение требований технической эстетики;
– удобство диагностирования конструкций.
5. Необходимо избегать:
– подбора деталей при сборке машин;
– периодической смазки;
– открытых механизмов и передач;
– сложных многодетальных конструкций;
– применения оригинальных деталей.
6. Необходимо изучать:
– опыт эксплуатации и ремонта машин;
– тенденции развития данной отрасли народного хозяйства.
Тема 5. Планирование экспериментов. Регрессионный анализ
5.1. Метод наименьших квадратов
Построение эмпирических моделей предполагает проведение
экспериментов или наблюдений для сбора статистических данных, выбор
одной определенной модели из множества возможных, вычисление
коэффициентов этой модели и оценку полученных результатов.
В процессе экспериментальных исследований получается
статистический ряд измерений двух величин, когда каждому значению
переменных y1, y2, … yn соответствует значение аргумента x1, x2, …xn.
На основе экспериментальных данных следует подобрать алгебраическое
выражение функции y = f(x).
Например, в результате проведения эксперимента установлено, что
независимая переменная y зависит от зависимой переменной x
следующим образом (рисунок).
20
Методология научного творчества
x
y
2
3,6
4
2,9
6
3,2
8
1,8
10
2,3
12
1,7
14
0,8
у
3,2
2
0,8
2
6
10
х
График зависимости у от х
Для установления зависимости двух величин существует метод
наименьших квадратов, разработанный знаменитыми математиками
К. Гауссом и А. Лежандром и берущий свое начало от задач геодезии
и астрономии. Рассмотрим существо метода на примере линейной
модели.
Для представления полученных данных выбираем линейную
модель y * = a + bx , где x – независимая переменная, которой мы можем
управлять; y* – зависимая переменная (отклик); a и b – коэффициенты
(параметры) модели.
Каждому значению независимой переменной соответствует оп*
ределенная ошибка εi = yi − yi .
В основе метода наименьших квадратов лежит критерий минимизации суммы квадратов ошибок:
n
n
i =1
i =1
S = ∑ ε i2 =∑ ( yi − y * ) 2 → min;
21
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
n
n
S = ∑ ( yi − (a + bxi )) 2 = ∑ ( yi2 − 2 yi (a + bxi ) + (a + bxi ) 2 ) .
=i 1 =i 1
Методология научного творчества
Модель, связывающая зависимую переменную y с независимой x,
приобретает вид
y * = 4,0 − 0,209 x .
Опустив для краткости индекс i получим:
S = ∑ y 2 − 2a ∑ y − 2b∑ xy + na 2 + 2ab ∑ x + b 2 ∑ x 2 .
В данном случае нас интересует нахождение таких параметров a
и b, которые обращают величину S в минимум. Для этого необходимо
найти частные производные и приравнять их к нулю. В общем случае
после такой процедуры необходимо убедиться, что в данной точке имеет
место минимум (а не максимум или точка перегиба).
dS
= −2∑ y + 2na + 2b∑ x = 2(na − ∑ y + b∑ x) = 0 ;
da
dS
= −2∑ xy + 2a ∑ x + 2b∑ x 2 = 2(a ∑ x + b∑ x 2 − ∑ xy ) = 0 .
db
Получаем систему уравнений, построенных по методу наименьших
квадратов:
∑ y = na + b∑ x ;
∑ xy = a∑ x + b∑ x 2 .
Определим из этой системы значения параметров a и b. Для этого вычислим вначале промежуточные величины:
∑ y = 16,3 ; ∑ x = 56 ; ∑ x 2 = 560 ; ∑ xy = 107 ;
16,3 = 7a + 56 b;
107 = 56 a + 560 b;
a = 4,0;
b = – 0,209.
22
Полученная эмпирическая зависимость называется уравнением
регрессии.
5.2. Выбор формы функциональной зависимости
Замену точных аналитических выражений приближенными, более
простыми, называют аппроксимацией, а функции аппроксимирующими.
Процесс подбора эмпирических формул состоит из двух этапов.
1. Данные измерений наносят на сетку прямоугольных координат
и соединяют экспериментальные точки плавной кривой. Затем выбирают
ориентировочно вид формулы.
2. Вычисляют параметры формул.
Подбор эмпирических формул необходимо начинать с самых
простых выражений. Так, например, результаты измерений многих
явлений и процессов аппроксимируются простейшими эмпирическими
выражениями типа
y = a + bx ,
где a и b – постоянные коэффициенты.
Поэтому при анализе графического материала необходимо
по возможности стремиться к использованию линейной функции.
Например, необходимо подобрать эмпирическую формулу для
следующего ряда измерений:
x
y
1
12,1
2
19,2
3
25,9
4
33,3
5
40,5
6
46,4
7
54,0
Графический анализ этих измерений показывает, что в прямоугольных координатах точки хорошо ложатся на прямую линию и их
можно выразить зависимостью: y = a + bx .
Выбираем координаты крайних точек и подставляем в выражение
54 = a + 7 b;
12,1 = a + b.
23
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Откуда a = 5,12, b = 6,98.
Полученное эмпирическое уравнение приобретает вид
y = 5,12 + 6,98 x .
Значительное число зависимостей, встречающихся в практике
научных исследований, может быть описано следующими уравнениями:
y = a + bx ;
y = a + bx + cx 2 ;
y = ab x ;
y = ax b ;
y=
x
.
a + bx
Метод наименьших квадратов аналогичным образом распространяется на случай, когда зависимая переменная зависит от двух или нескольких независимых переменных. В этом случае функциональные
зависимости представляют полиномами 1-й, 2-й или 3-й степени.
Наиболее часто применяют полином 1-й степени. Он имеет вид
y = a + bx1 + cx2 ,
где x1 и x2 – независимые переменные.
Неизвестные коэффициенты a, b и c также находят из системы
уравнений, составленной по методу наименьших квадратов:
∑ y = an + b∑ x1 + ∑ x2 ;
∑ x1 y = a∑ x1 + b∑ x12 + c∑ x1x2 ;
∑ x2 y = a ∑ x2 + b∑ x1 x2 + c ∑ x22 .
Методология научного творчества
Естественно, что интересующая нас величина может зависеть от
большого числа факторов, и всегда возникает вопрос: какие факторы
имеет смысл учитывать при построении эмпирической модели.
В этом случае целесообразно руководствоваться следующими
основными правилами:
1. Модель – регрессионное уравнение – должна содержать минимальное число коэффициентов, а следовательно, и переменных, обеспечивающих приемлемую ошибку.
2. Модель должна иметь простейшую форму, совместимую с этой
ошибкой. По возможности необходимо ограничиваться только первыми
степенями переменных, не вводя квадратов и более высоких степеней.
3. Желательно, чтобы форма модели имела под собой содержательное обоснование (например, нормальное или экспоненциальное
распределение).
4. Сумма квадратов отклонений между эмпирическими и предсказанными по данному уравнению значениями должна быть минимальной.
Необходимо отметить, что уже для трех и более независимых переменных регрессионный анализ целесообразно проводить с использованием стандартных пакетов прикладных программ для ЭВМ.
Тема 6. Оценка экономической эффективности организационнотехнических мероприятий
6.1. Экономическая эффективность, капитальные затраты,
текущие затраты, приведенные затраты и срок окупаемости
Экономическим эффектом называется увеличение объемов производства, объемов потребления, рост производительности труда или
снижение затрат.
Экономическая эффективность – отношение экономического
эффекта к затратам, необходимым для его достижения:
Одновременный учет нескольких факторов, связанных с интересующей нас величиной, позволяет построить модель, которая наиболее точно описывает имеющиеся данные и лучше прогнозирует зависимую переменную.
А
,
W
где А – экономический эффект; W – суммарные затраты, необходимые
для его достижения.
24
25
Э=
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Текущие затраты – затраты живого и овеществленного труда при
изготовлении или ремонте продукции, производимые постоянно
в течение года.
Капитальные затраты – средства в форме капитальных вложений,
направленные на создание производственных фондов, на расширение
производства и на техническое перевооружение.
При суммировании текущих и капитальных затрат возникает необходимость приведения их к одному году. Это осуществляется введением коэффициента нормативной экономической эффективности
капитальных вложений Ен. Тогда приведенные затраты определяются по формуле
Зпр = С + Е н ⋅ К ,
где С – себестоимость продукции, работ или услуг, р.; К – капитальные вложения, р.
Нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений принят единым для обеспечения адекватного подхода в масштабе всего народного хозяйства при оценке экономической
эффективности новой техники и технологий и численно равен Ен = 0,15.
Величина, обратная Ен, называется сроком окупаемости:
Т ок =
1
.
Ен
Методология научного творчества
Расчет экономического эффекта производится по формуле
Э = (З б − Зпред ) Апред ,
где Зб – приведенные затраты по базовому варианту, р.; Зпред –
приведенные затраты по предлагаемому варианту, р.; Апред – годовой
объем выпускаемой продукции по предлагаемому варианту, ед.
Срок окупаемости капитальных вложений определяется по формуле
Т ок =
∆К
,
(С1 − С2 ) А2
где ∆К – дополнительные капитальные вложения для осуществления
предлагаемого варианта, р.; С1 – себестоимость продукции по 1-му
(действующему) варианту, р.; С2 – себестоимость продукции по 2-му
(предлагаемому) варианту, р.; А 2 – годовой объем продукции
по предлагаемому варианту, ед.
Следует отметить, что оценка экономической эффективности
организационно-технических мероприятий по данной методике
предполагает кропотливую работу по сбору данных по составляющим
капитальных вложений и себестоимости продукции.
6.2. Экономическая оценка организационно-технических
мероприятий
Оценку экономической эффективности организационнотехнических мероприятий по приведенным затратам осуществляют
путем сравнения приведенных затрат по одному или нескольким
вариантам с базовым.
В результате сравнения выбирается тот вариант, который имеет
самые низкие приведенные затраты.
26
27
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
Вопросы для самоконтроля
Заключение
1. Элементы науки и их характеристика.
2. Место технических наук в общей структуре наук. «Треугольник» наук.
3. Структура технических наук.
4. Перечислить методы теоретических исследований и дать
их краткую характеристику.
5. Дать определения понятий: цель научного исследования, предмет и объект научного исследования.
6. Основные этапы научно-исследовательской работы.
7. Основные требования к названию темы исследования.
8. Последовательность накопления материала по теме исследования.
9. Содержание работ при анализе состояния вопроса.
10. Виды научно-технических решений, предусмотренные в РФ.
11. Изобретение и его характеристика.
12. Полезная модель и ее характеристика.
13. Промышленный образец и его характеристика.
14. Рационализаторское предложение и его характеристика.
15. Перечень документов, необходимых для представления
рационализаторского предложения.
16. Общие правила решения инженерных задач.
17. Общие принципы конструирования машин и пути их реализации.
18. Основные правила конструирования машин.
19. Структура введения к научно-исследовательской работе.
20. Методика расчета экономического эффекта организационно-технических мероприятий по приведенным затратам.
21. Дать определения понятий: экономический эффект, эффективность, срок окупаемости.
22. Перечислить объекты изобретений.
23. Дать математическое выражение сущности метода наименьших квадратов.
24. Последовательность построения эмпирических моделей.
25. Произвести оценку параметров уравнения y = a + bx по методу наименьших квадратов.
Материал, представленный в настоящем пособии, дает возможность студенту получить общие представления по методике проведения научных исследований, усвоить содержание и последовательность
выполнения научной работы, получить первичные знания по методике
проведения научных исследований, необходимые для разработки магистерской диссертации и оценки экономической эффективности предлагаемых решений.
Содержание пособия соответствует учебной программе изучения
дисциплины «Методология научного творчества».
Качество усвоения теоретического материала и приобретение
практических навыков проведения научных исследований обеспечивается самостоятельной работой студентов на практических занятиях
и в часы самостоятельной подготовки.
Авторы считают, что пособие заинтересует преподавательский
состав технических кафедр и студентов других специальностей при
решении практических инженерных задач и выполнении дипломных
проектов.
28
29
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Методология научного творчества
Рекомендуемая литература
Оглавление
Введение .................................................................................................................. 3
Учебно-тематический план .................................................................................... 4
Методические указания по изучению курса ......................................................... 4
Краткое содержание курса ..................................................................................... 5
Тема 1. Методические основы научного познания и творчества ....................... 5
1.1. Основные положения и понятия научных знаний .............................. 5
1.2. Методы теоретических и эмпирических исследований ..................... 8
Тема 2. Выбор направления научного исследования и этапы научноисследовательской работы...................................................................................... 9
2.1. Выбор направления научного исследования ...................................... 9
2.2. Основные этапы научно-исследовательской работы ....................... 10
Тема 3. Организация изобретательства и патентной работы ............................ 13
3.1. Организация изобретательства и рационализации........................... 13
3.2. Поиск информации об изобретениях ................................................ 16
Тема 4. Основы инженерного творчества и принципы конструирования
машин ..................................................................................................................... 17
4.1. Общие правила решения инженерных задач .................................... 17
4.2. Основные правила конструирования машин .................................... 19
Тема 5. Планирование экспериментов. Регрессионный анализ ...................... 20
5.1. Метод наименьших квадратов ........................................................... 20
5.2. Выбор формы функциональной зависимости .................................. 23
Тема 6. Оценка экономической эффективности организационно-технических
мероприятий .......................................................................................................... 25
6.1. Экономическая эффективность, капитальные затраты, текущие
затраты, приведенные затраты и срок окупаемости ................................ 25
6.2. Экономическая оценка организационно-технических
мероприятий ............................................................................................... 26
Вопросы для самоконтроля .................................................................................. 28
Заключение ............................................................................................................ 29
Рекомендуемая литература ................................................................................... 30
1. Глущенко В. В. Разработка управленческого решения. Прогнозирование –
планирование: учеб. пособие. – 2-е изд., испр./ В. В. Глущенко, И. И. Глущенко. –
М.: Высш. шк., 2004.
2. Петренко А. М. Основы научных исследований. Техника эксперимента: учеб. пособие / А. М. Петренко, В. В. Куршинин. – М.: Высш. шк., 2003.
3. Федина Т. В. Научно-методические основы формирования организационных структур управления транспортом: учеб. пособие / Т. В. Федина,
П. В. Метелкин. – М.: Высш. шк., 2000.
4. Ахназарова С. Л. Методы оптимизации эксперимента в химической
технологии / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. – М.: Высш. шк., 1985.
5. Максименко В. И. Прогнозирование в науке и технике / В. И. Максименко, Д. Эртель. – М.: Финансы и статистика, 1982.
6. Надежность и эффективность в технике: справочник // Т. З. Эффективность технических систем. – М.: Машиностроение, 1988.
7. Перегудов Ф.И. Введение в системный анализ / Ф. И. Перегудов,
Ф. П. Тарасенко. – М.: Высш. шк., 1989.
8. Ермаков С. М. Математическая теория оптимального эксперимента /
С. М. Ермаков, А. А. Жиглявский. – М.: Наука, 1987.
9. Львовский Б. Н. Статистические методы построения эмпирических
формул / Б. Н. Львовский. – М.: Высш. шк., 1982.
30
31
В. Г. Назаркин, В. Е. Сергеенков, Н. И. Верёвкин, Н. А. Давыдов
Учебное издание
Назаркин Виктор Гаврилович,
Сергеенков Владимир Евгеньевич,
Верёвкин Николай Иванович,
Давыдов Николай Артемьевич
МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ТВОРЧЕСТВА
Учебное пособие
Редактор О. Д. Камнева
Корректор К. И. Бойкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 23.05.11. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 1,7. Тираж 300 экз. Заказ 45. «С» 21.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
32
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
244 Кб
Теги
metodologia, nauchnogo, nazarkin
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа