Методика научно исследовательской работы

В науковедении всякое научное исследование понимает­ся как управляемый процесс, направленный на получение новых знаний. Управление процессом научного исследова­ния осуществляется как принятие и исполнение решений.

Логика НИР включает следующие этапы: постановку про­блемы, сбор и работу с литературным материалом, определе­ние объекта и предмета исследования, формулировку цели ис­следования, построение модели объекта, имитационное моде­лирование и формулировку гипотезы исследования, определе­ние методов исследования, разработку плана исследования, организацию исследования, оформление результатов НИР.

2.1. Постановка проблемы

С постановки проблемы и выбора темы исследования начи­нается процесс научного исследования. Они могут быть заимст­вованы из критических обзоров достижений в данной области, критического разбора научных работ, повторения ранее выпол­ненного исследования, но на новом экспериментальном матери­але или с применением нового метода или технических средств, проверки случайно обнаруженных явлений или догадок.

¹ При написании данной главы использовались следующие первоисточ­ники: Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и на­уке. Планирование эксперимента / Джонсон Н., Лион Ф. - М.: Мир, 1981; Дружинин В.Н. Экспериментальная психология. - СПБ: Питер, 2000 ; Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. - М.: Наука, 1966; Хилл П. Наука и искусство проектирования. - М.: Мир, 1973.

Степень изученности проблемы и темы может быть пред­варительно оценена по энциклопедическим статьям, учебни­кам и учебным пособиям (эти разработки отстают от реально­го развития науки на 5-20 лет), монографиям и научным статьям.

Ознакомление с проблемой позволяет определить методы предстоящего исследования, их точность, доступность.

После того, как исследователю становится ясна степень изученности темы и определились методы, появляется осно­ва для уточнения цели исследования, т.е. разработки рабочей гипотезы исследования.

Разработка рабочей гипотезы выполняется на основе мысленного моделирования объекта исследования. Мыслен­ное имитационное моделирование существования объекта в определенных условиях позволяет предсказывать определен­ные события или явления. Такое предсказание в развитой на­уке является рабочей гипотезой.

2.2. Составление рабочего плана исследования

Организация научного исследования начинается с соста­вления плана. План составляется на весь период работы. В нем указываются сроки начала и окончания этапов разработ­ки темы с перечислением конкретных видов выполняемых при этом заданий. Обычно намечаются следующие этапы.

1. Этап сбора и изучения литературных источников по те­ме НИР:

а) выявление литературных источников по теме НИР пу­тем просмотра различных библиографических указателей, реферативных журналов; б) составление списка (картотеки) источников литературы; в) чтение отобранных произведе­ний, составление рефератов; г) уточнение объекта исследова­ния и описание его модели; д) уточнение предмета исследова­ния и написание критического обзора с отображением осо­бенностей функционирования модели в отличие от общепри­нятых представлений; е) формулировка рабочей гипотезы, цели и задач исследования.

2. Этап исследований:

а) овладение методикой исследований; б) постановка предварительного эксперимента; в) постановка серии основ­ных экспериментов для доказательства справедливости рабо­чей гипотезы; г) статистическая обработка эксперименталь­ных данных; д) обобщение результатов экспериментальных

исследований. Примечания:

а. При планировании экспериментов необходимо заранее
согласовать его план с будущим методом статистической об­
работки опытных данных.

б. План исследований не есть догма, он может существен­
но преобразовываться по ходу проведения исследования, в
ряде случаев получаются отрицательные результаты и при­
ходится менять гипотезу исследования, поэтому ученый не
может планировать поисковые исследования за счет средств

заказчика.

в. На практике планируются только те исследования, ре­зультаты которых ожидаются с максимально возможной ве­роятностью или уже получены.

3. Этап завершения и оформления исследования: а) описание результатов исследования с учетом требова­ний к научным работам; б) рецензирование научного отчета.

Планирование эксперимента

Планирование эксперимента позволяет исключить слепой поиск, значительно сократить число опытов, следовательно, затраты и сроки проведения эксперимента. Идеальный эксперимент предполагает изменение экспериментато­ром только независимой переменной, зависимая переменная контролируется. Другие условия эксперимента остаются неизменивши. Идеальный эксперимент предполагает эквивалентность испытуемых, неизменность их характеристик во времени, отсутствие самого физического времени, возможность проводить эксперимент бесконечно. Следствием этого является проведение всех экспериментальных воздействий одновременно.

Идеальный эксперимент противостоит реальному, в ко­тором изменяются не только интересующие исследователя переменные, но и ряд других условий. Соответствие идеаль­ного эксперимента реальному выражается в такой его харак­теристике, как внутренняя информативность - достовер­ность результатов, которую обеспечивает реальный экспери­мент по сравнению с идеальным. Обратим внимание читате­ля на то, что в литературе встречается понятие "валидность", которое является синонимом понятия "информативность".

Не все переменные, влияющие на результат исследования, можно учесть или исключить. Те из них, которые нарушают внутреннюю информативность, называют "побочными".

В большинстве исследований на основе исходных экспе­риментальных данных предлагается теория, далее выдвига­ется гипотеза, которая в конечном счете и проверяется в экс­перименте. Методики и план эксперимента должны соответ­ствовать проверяемой гипотезе - степень этого соответствия и характеризует операциональную информативность. В са­мом эксперименте следует максимально учесть, устранить и т.д. влияние побочных переменных на зависимую перемен­ную. Внутренняя информативность характеризует меру вли­яния независимой переменной на зависимую по отношению к другим факторам. Иными словами, внутренняя информа­тивность тем выше, чем больше вероятность того, что экспе­риментальный эффект (изменение зависимой переменной) вызван изменением независимой переменной.

Эксперимент должен воспроизводить внешнюю среду. Эксперимент, который полностью воспроизводит среду (внешнюю реальность), называется экспериментом полного соответствия. Разумеется, на практике полное соответствие недостижимо. Мера соответствия экспериментальной проце­дуры реальной среде характеризует внешнюю информатив­ность эксперимента.

Дополнительные переменные, которые требуют учета в эксперименте, влияют на внешнюю информативность. Если от внутренней информативности зависит достоверность экс­периментальных результатов, то от внешней - переноси­мость результатов из лабораторных условий в реальный про­цесс.

Внешняя информативность иногда трактуется как хара­ктеристика эксперимента, определяющая возможность пере­носа (обобщения) полученных результатов на различные вре­мена, места, условия и группы людей. Однако возможность переноса является следствием двух причин:

1) соответствия условий эксперимента его "первообраз­ной" жизненной ситуации ("репрезентативность" экспери­мента);

2) типичности самой "первообразной" ситуации для ре­альности ("репрезентативность" ситуации). Выбранная для моделирования в эксперименте ситуация может быть совер­шенно нерепрезентативной с точки зрения жизни той группы испытуемых, которая участвует в эксперименте, или являть­ся редкой и нетипичной.

Связь теории и реальности отражается в их адекватно­сти, способности теории давать корректный прогноз (прогностичность предсказаний теории).

Существует понятие, характеризующее информатив­ность эксперимента, а именно - конструктную информатив­ность. Конструктная информативность выражает адекват­ность метода интерпретации экспериментальных данных теории, т.е. в структуру планирования исследования следует ввести дополнительную составляющую - интерпретацию: "Практика - теория - гипотеза - эксперимент - интерпрета­ция - практика - эксперимент".

Конструктная информативность характеризует правиль­ность обозначения (интерпретации) причины и эксперимен­тального эффекта с помощью абстрактных терминов из обы­денного языка или формальной теории. Здесь, как правило, к экспериментальным данным прибавляется субъективное мнение исследователя, что и делает любой научный факт ос­поримым, поскольку со временем интерпретация экспери­ментального явления может меняться.

Таким образом, внутренняя информативность определяется достоверностью интерпретации экспериментального эффекта как связи изучаемой причины и следствия (отношение "эксперимент-интерпретация"), а конструктная информативность - правильностью употребления терминов той или иной теории при интерпретации данных эксперимента.

Планирование эксперимента с применением методов математической статистики

Планирования эксперимента в эмпирическом исследова­нии основаны, как правило, на кибернетическом представле­нии об объекте исследования, наиболее подходящей моделью последнего является кибернетическая система, называемая "черным ящиком".

При рассмотрении такой кибернетической системы раз­личают входы - управляемые факторы х1, х2,..., Хk, соответст­вующие воздействиям на систему, и выходы (численные ха­рактеристики целей исследования, неуправляемые факторы) – у1,

{ у2,...,Yk.

Каждый фактор (хk) может принимать в опыте одно из не­скольких значений, называемых уровнями. Фиксированный набор уровней факторов определяет одно из возможных состоя­ний кибернетической системы. Одновременно этот набор пред­ставляет условия проведения одного из возможных опытов.

Каждому фиксированному набору уровней факторов со­ответствует определенная точка в многомерном пространстве факторов, называемом факторным пространством. Опыты не могут быть реализованы во всех точках, принадлежащих до­пустимой области факторного пространства, поскольку мож­но бесконечно дробить любой интервал значений какой-либо переменной.

На различные наборы уровней факторов система реаги­рует по-разному. Однако существует вполне определенная связь между уровнями факторов и реакцией (откликом) сис­темы (у). Эта связь характеризуется эмпирической функцио­нальной зависимостью:

Функцию f, связывающую параметр оптимизации с фак­торами, называют функцией отклика, а геометрический об­раз, соответствующий функции отклика, - поверхностью от­клика.

Исследователю не известен заранее вид зависимости f. Ему приходится получать приближенные уравнения по дан­ным эксперимента.

Эксперимент необходимо поставить так, чтобы при мини­мальном количестве опытов, варьируя значения независимых переменных по специально сформулированным правилам, по­строить Эмпирическую математическую (статистическую) мо­дель-системы, связывающую входные и выходные характеристики. Найти оптимальные значения свойств системы (как правило, коэффициентов в регрессионных уравнениях, кото­рые находятся с помощью метода наименьших квадратов).

Выбор факторов, параметров оптимизации и моделей осуществляется с учетом гипотезы, объекта, предмета и цели исследований и имеющихся условий для проведения экспе­римента.

Факторами называются переменные; принимающие в некоторый момент времени определенные значения. Основ­ными требованиями, предъявляемыми к факторам, являют­ся управляемость и требование непосредственного воздейст­вия на объект. Например, интенсивность и продолжитель­ность выполнения упражнения являются факторами, влияющими на утомление спортсмена.

Под управляемостью фактора подразумевается возможность установки и поддержания нужного уровня фактора в течение всего опыта или его изменение по заданной программе.

Так как при планировании эксперимента временно изменяются несколько факторов, то необходимо сформулировать и требования, предъявляемые к совокупно­сти факторов. Среди этих требований особо следует отметить совместимость факторов.

Под совместимо­стью факторов подразумевается осуществимость и безопасность всех запланированных комбинаций факторов, а под не зависимостью факторов - возможность их установления на любом уровне вне зависимости от уровней других факторов.

Цель исследования должна быть сформулирована четко и допускать количественную оценку. Характеристику дели, заданную количественно, называют неуправляемым фактором (в некоторых задачах - параметром оптимизации, критерием оптимизации, целевой функцией).К неуправляемому фактору предъявляется ряд требований: эффективность с точки зрения отклика, количественное выражение одним числом, статистическая эффективность, физический смысл, простота и доступность измерения, суще­ствование для всех различных экспериментальных состоя­ний.

Требование статистической эффективности сводится к возможности использования методов математической стати­стики, обеспечивающих максимально возможную точность получения данных.

Из многих параметров, характеризующих объект иссле­дования, только один может служить параметром оптимиза­ции. Остальные рассматриваются как ограничения.

Качество итоговых результатов и выводов зависит от ка­чества первичной информации. Следует соблюдать необходи­мые условия проведения эксперимента:

• Исключение систематических ошибок.

• Проведение опытов строго в соответствии с разработанным планом и методикой проведения эксперимента.

• Проведение повторных опытов в относительно одинако­вых условиях. Чем больше число параллельных опытов, тем выше точность эксперимента. Однако увеличение числа па­раллельных опытов (больше 3-4) не дает значительного эффе­кта.

• Одной из распространенных ошибок является использо­вание результатов не повторных опытов а повторных измерении. Это недопустимо. Дело в том, что использование по­вторных измерений означает, что мы учитываем только ошибку измерения приборов, которая является только ча­стью (обычно незначительной) ошибки - вариативности, свя­занной с особенностями, например, испытуемых (воспроиз­водимостью).

• Порядок проведения опытов должен быть рандомизирован, т.е. опыты должны проводиться в случайном порядке. Это позволяет уменьшить систематические ошибки.

• В эксперименте следует использовать материалы, испы­туемых, обладающие однородными свойствами. Если это не­возможно, необходимо выделять источники неоднородностей. Все неизменяемые в эксперименте факторы должны быть зафиксированы на выбранных уровнях, к Основными планами для исследования являются: про­стой план для двух групп с предварительным тестированием (тест - воздействие - ретест); план для двух рандомизирован­ных групп без предварительного тестирования (рандомиза­ция - воздействие - тест); план для четырех групп, объединя­ющий оба этих плана. Последний называется план истинных экспериментов.

Отбор и распределение испытуемых по группам прово­дятся в соответствии с принятым экспериментальным пла­ном. Всю совокупность потенциальных испытуемых, кото­рые могут быть объектами данного исследования, обознача­ют как популяцию, или генеральную совокупность. Множе­ство испытуемых, принимающих участие в исследовании, называют выборкой. Состав экспериментальной выборки должен моделировать, представлять (репрезентировать) ге­неральную совокупность, поскольку выводы, получаемые в эксперименте, распространяются на всех членов популяции, а не только на представителей этой выборки.

Выбор генеральной совокупности зависит от целей иссле­дования.

Все потенциальные испытуемые характеризуются раз­ным полом, возрастом, социальным положением, уровнем образования, состоянием здоровья и т.д. Для того, чтобы вы­борка представляла генеральную совокупность, потенциаль­ным испытуемым должны быть предоставлены равные шан­сы стать реальными участниками исследования. Техника рандомизации состоит в том, что всем представителям сово­купности присваивается индекс, а затем производится слу­чайный отбор в группу необходимой численности для уча­стия в эксперименте. В этом случае мы имеем три группы: 1) всю генеральную совокупность; 2) группу рандомизации, из которой производится отбор; 3) экспериментальную рандо­мизированную выборку.

Одно из требований к выборке - репрезентативность. Вы­борка должна качественно и количественно представлять ге­неральную совокупность, основные типы потенциальных ис­пытуемых, существующие в популяции. Испытуемые должны быть правильно распределены по экспериментальной и контрольным группам, чтобы все группы были эквивалент­ными. Формирование выборки будет рассмотрено дальше.