ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Учебная программа дисциплины

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Учебная программа дисциплины
Министерство образования и науки Российской Федерации
Владивостокский государственный университет
экономики и сервиса
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Учебная программа дисциплины
по специальности
210305.65 Средства радиоэлектронной борьбы
Владивосток
2014
2
ББК 32.884
Учебная программа по дисциплине «Теория и практика эксперимента» составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО. Предназначена для студентов специальности 210305.65 Средства радиоэлектронной
борьбы.
Составитель: Левашов Ю..А., доцент кафедры электроники.
Утверждена на заседании кафедры электроники от 13.05.2009 г.,
протокол № 5, редакция 2014 г. (заседание кафедры от 22.04.2014 г.,
протокол №8).
Рекомендована к изданию УМК Института информатики, инноваций и бизнес систем ВГУЭС.
Утверждена на заседании учёного совета ИИИБС, протокол №8 от
03.06.2014 г.
Владивостокский
государственный
университет
экономики и сервиса, 2014
3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Теория и практика эксперимента» является естественным продолжением ряда математических и естественнонаучных
дисциплин, изучаемых соискателями магистерской степени ранее.
Содержание дисциплины можно условно разделить на три основные части, соответствующие главным методам научного исследования в
технике. Это теория подобия, теория математического планирования
эксперимента и статистическая обработка экспериментальных данных
для получения достоверных характеристик на основе исходных данных,
имеющих погрешности.
Дисциплина «Теория и практика эксперимента» обеспечивает, в
первую очередь, научно-исследовательскую работу магистрантов
и подтверждение результатов магистерской диссертации.
Для успешного решения поставленных задач выпускник должен
уметь:
- планировать эксперимент, т.е. выбирать план эксперимента, удовлетворяющего заданным требованиям, совокупность действий направленных на разработку стратегии экспериментирования (от получения
априорной информации до получения работоспособной математической
модели или определения оптимальных условий). Это целенаправленное
управление экспериментом, реализуемое в условиях неполного знания
механизма изучаемого явления;
- в процессе проведения необходимых измерений и, последующей
обработки данных формализовать результат в виде математической модели;
- оценивать возникающие погрешности, содержащиеся в исходных
данных.
Применение методов планирования эксперимента позволит ему
определить погрешность математической модели и судить о ее адекватности. Если точность модели оказывается недостаточной, то применение методов планирования эксперимента позволяет модернизировать
математическую модель с проведением дополнительных опытов без
потери предыдущей информации и с минимальными затратами.
4
1. ОРГАНИЗАЦИОННО–МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1. Цели и задачи учебной дисциплины
Цель освоения дисциплины – получение навыков нахождения таких условий и правил проведения опытов при которых удается получить надежную и достоверную информацию об объекте с наименьшей
затратой труда, а также представить эту информацию в компактной и
удобной форме с количественной оценкой точности.
Важнейшей задачей методов планирования и обработки полученной в ходе эксперимента информации является задача построения математической модели изучаемого явления, процесса, объекта. Ее можно
использовать и при анализе процессов и при проектировании объектов.
Можно получить хорошо аппроксимирующую математическую модель,
если целенаправленно применяется активный эксперимент. Другой задачей обработки полученной в ходе эксперимента информации является
задача оптимизации, т.е. нахождения такой комбинации влияющих независимых переменных, при которой выбранный показатель оптимальности принимает экстремальное значение.
1.2. Перечень компетенций, приобретаемых при изучении
дисциплины
Для освоения дисциплины «Теория и практика эксперимента» студент должен:
знать теорию вероятностей и математическую статистику, методы
математического моделирования и проектирования радиотехнических
устройств и систем, технологию работы на персональном компьютере в
современных операционных средах;
- уметь применять математические методы для решения практических задач, использовать стандартные пакеты прикладных программ
для решения практических задач;
- владеть навыками поиска и обмена информацией в глобальных
компьютерных сетях.
Дисциплина направлена на формирование следующих профессиональных качеств:
 способностью понимать основные проблемы в своей предметной
области, выбирать методы и средства их решения;
 компетентность в планировании, организации и проведении всех
этапов проведения эксперимента.
В процессе изучения дисциплины формируются навыки:
5
 методологического анализа научных исследований и их результатов.
Теоретические знания, полученные в процессе изучения дисциплины, формируют профессиональный взгляд на:
 особенности научного метода познания;
 методологические основы и принципы современной науки.
1.3. Основные виды занятий и особенности их проведения
Объем и сроки изучения дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины «Теория и практика эксперимента» составляет:
3 зачетные единицы, 108 часов. Из них 36 часов – аудиторной работы, 72 часа – самостоятельной работы. Промежуточная аттестация по
курсу – зачет.
Дисциплина «Теория и практика эксперимента» включает в себя:
- лекционные занятия;
- практические занятия;
- консультации;
- самостоятельная работа студентов;
- научные семинары;
- участие в студенческих конференциях.
1.3.1. Лекционные занятия
При проведении лекционных занятий учитывается, что часть материала выносится на самостоятельную работу. На лекционных занятиях
студенты должны изучить основы теории, этапы, методы и алгоритмы
проведения экспериментальных исследований.
1.3.2. Практические занятия
Лабораторные работы проводятся на базе рабочих станций с использованием прикладного программного обеспечения САПР. На лабораторных занятиях студенты должны получить навыки по подготовке
эксперимента, его проведению и анализу экспериментальных данных.
1.4. Виды контроля и отчётности по дисциплине
В процессе изучения дисциплины студент слушает лекции по теоретическому материалу, при этом некоторые из вопросов выносятся на
6
самостоятельное изучение. Для помощи студенту в освоении теоретического материала лекционных занятий и самостоятельной работы предусматриваются консультации ведущего преподавателя.
Для защиты лабораторных работ, в рамках самостоятельной работы
студента, предусмотрено время для оформления отчета и освоения теоретического материала для ответов на контрольные вопросы.
Для подготовки к зачету студенту отводится 6 часов самостоятельной работы и консультация ведущего преподавателя перед зачетом.
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов во Владивостокском государственном университете
экономики и сервиса в ходе изучения дисциплины предусматриваются
следующие виды контроля знаний студентов: текущая и промежуточная
аттестации.
Текущая аттестация студентов осуществляется по результатам контроля уровня знаний в ходе проведения лекционных занятий, лабораторных работ и консультаций.
Текущая аттестация знаний студентов включает:
- защиту отчетов по выполняемым лабораторным работам;
- оценку знаний и умений студентов при проведении консультаций
по лекционным занятиями и лабораторному практикуму;
- контроль посещаемости занятий.
Текущая аттестация проводится в форме устного или письменного
опроса или теста по разделам дисциплины, изученных студентом в период между аттестациями, при этом учитывается посещение лекционных занятий, количество выполненных и защищенных лабораторных
работ, а также количество выполненных экспресс-контрольных работ за
отчетный период. Форма аттестации предлагается ведущим преподавателем и утверждается на заседании кафедры. Результаты аттестации
заносятся в ведомость установленной формы.
Дисциплина завершается зачетом в шестом семестре. Итоговая
оценка формируется на основе текущей и промежуточной аттестаций и
в соответствии с требованиями Положения о рейтинговой системе
оценки успеваемости студентов во ВГУЭС.
1.5. Техническое и программное обеспечение дисциплины
При проведении лекционных занятий необходимо стандартное
офисное и мультимедийное оборудование. Для проведения практикума
используются рабочие станции на базе персональных компьютеров и
прикладное программное обеспечение.
7
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Перечень тем лекционных занятий
Тема 1. Основы теории подобия и математического моделирования (2 часа)
Основы теории подобия (точное подобие, приближенное подобие,
полное подобие, неполное подобие, физическое подобие).
Основы теории размерностей (топология, кратность, покрытия)
Моделирование. Классификация методов моделирования (физические, аналитическая и математические модели).
Тема 2. Планирование эксперимента (4 часа)
Основы теории планирования эксперимента. Последовательность
проведения исследований.
Активный эксперимент. Достоинства, недостатки, область применения. Разложение функции отклика в степенной ряд, кодирование факторов. Матричные преобразования при обработке результатов эксперимента
Дробный факторный эксперимент. Достоинства, недостатки, область применения.
Ортогональное планирование эксперимента.
Тема 3. Экспериментальная оптимизация объекта исследования (2 час)
Экспериментальные методы решения оптимизационных задач.
Пассивный эксперимент. Построение математической модели. Метод
экспертных оценок. Моделирование процессов и систем методами статистических испытаний. Основы физического моделирования. Оценка
точности и достоверности результатов исследований.
2.2. Перечень тем практических занятий
Тема 1. Решение задач по основам теории подобия (4 часа)
Тема 2. Решение задач по основам теории размерностей. Классификация методов моделирования. (4 часа)
8
Тема 3. Планирования эксперимента. Последовательность проведения исследований. Построение функций отклика. (4 часа)
Тема 4. Матричные преобразования. Дробный факторный эксперимент. Построение математических моделей. (4 часа)
Тема 5. Ортогональное планирование эксперимента. Методы планирование эксперимента. (4 часа)
Тема 6. Применение оптимизационных методов. Пассивный эксперимент. Построение математических моделей. (4 часа)
Тема 7. Реализация математической модели вычислений. Физическое моделирование. (4 часа)
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
3.1. Перечень и тематика самостоятельных работ студентов
по дисциплине
В соответствии с общим объемом часов, отведенных для изучения
дисциплины, предусматривается выполнение следующих видов самостоятельных работ студентов (СРС): самостоятельное изучение теоретического материала с самоконтролем по приведенным ниже вопросам,
изучение теоретического материала при подготовке к защите практических работ, итоговое повторение теоретического материала при подготовке к зачету.
Тема 1. Решение задач по основам теории подобия (10 часов)
Тема 2. Решение задач по основам теории размерностей. Классификация методов моделирования. (10 часов)
Тема 3. Планирования эксперимента. Последовательность проведения исследований. Построение функций отклика. (10 часов)
Тема 4. Матричные преобразования. Дробный факторный эксперимент. Построение математических моделей. (10 часов)
Тема 5. Ортогональное планирование эксперимента. Методы планирование эксперимента. (10 часов)
Тема 6. Применение оптимизационных методов. Пассивный эксперимент. Построение математических моделей. (10 часов)
Тема 7. Реализация математической модели вычислений. Физическое моделирование. (12 часов)
3.2. Методические рекомендации по организации СРС
Для самостоятельного изучения дисциплины выносится часть материала по всем темам дисциплины с самоконтролем по контрольным
9
вопросам и возможностью консультации у ведущего преподавателя общим объемом 72 часов СРС для специальности 210305.65 «Средства
радиоэлектронной борьбы». Для успешного выполнения практических
работ работ в соответствии с разделом 2.2 настоящей учебной программы студент должен предварительно самостоятельно освоить теоретический материал соответствующих тем. На подготовку к зачету отводится
6 часов СРС.
Задания для самостоятельного изучения теоретического материала
выдаются ведущим преподавателем на аудиторных занятиях с указанием источников для работы, возможностью консультаций у ведущего
преподавателя и самоконтролем по контрольным вопросам.
Индивидуальные домашние задания закрепляют материал, пройденный на практических занятиях, выдаются и проверяются на практических занятиях или на индивидуальных консультациях.
После выполнения работы студент предъявляет преподавателю результаты работы и получает разрешение на оформление отчета. В отчете студент выполняет расчеты, подтверждающие корректность экспериментальных исследований, делает выводы о результатах проделанной
работы и по контрольным вопросам готовится к защите.
3.3. Рекомендации по работе с литературой
В качестве основного учебника рекомендуются [1], включающий
основные дидактические единицы Государственных образовательных
стандартов по специальности 210305.65 Средства радиоэлектронной
борьбы.
Для углубленного изучения отдельных тем дисциплины и выполнения самостоятельной работы студентов рекомендуются [2,3,4].
3.4. Рекомендации по работе с техническими средствами и
программным обеспечением
При проведении лабораторных работ используются специализированные аппаратно-программные средства, мультимедийное и офисное
оборудование. Методические указания по их использованию, для изучения дисциплины, содержаться в технической документации, прилагаемой к оборудованию и аппаратно-программным средствам.
10
3.5. Контрольные вопросы для самостоятельной оценки
качества освоения дисциплины
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
Перечислите основные методы, используемые на этапе экспериментальных и теоретических исследований.
В чем отличие естественных экспериментов от искусственных?
Перечислите основные виды экспериментов.
В чем отличие лабораторных экспериментов от промышленных?
В чем отличие пассивного эксперимента от активного?
Перечислите основные направления теории эксперимента.
На какие вопросы отвечает теория подобия при планировании эксперимента?
Что такое объект исследования?
Что такое фактор?
Перечислите требования предъявляемые к факторам.
В чем отличие математической модели от статистической?
Опишите процедуру построения математической модели.
Укажите виды подобия.
В чем отличие геометрического подобия от кинематического (динамического)?
Что такое критерии подобия?
Как определяется число опытов для полного факторного эксперимента?
Какой эксперимент называется экстремальным?
В каких случаях используется симплекс-планирование эксперимента?
Чем отличаются первичные факторы от вторичных?
В чем отличие стохастической связи от функциональной?
В каких случаях используется корреляционный анализ?
В каких случаях используется регрессионный анализ?
В каких случаях используется дисперсионный анализ?
11
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. Сидняев Н.И. Теория планирования эксперимента и анализа статистических данных: учебное пособие для магистров и аспирантов /
Н.И. Сидняев. – М.: Юрайт: ИД Юрайт, 2012. - 399 с.
Дополнительная литература
2. Методы исследований и организация экспериментов / [К.П. Власов, А.А. Киселева]; под ред. К.П. Власова. – М.: Гуманитарный центр,
2002. - 256 с.: табл. – Библиогр.: с. 254-255
3. Статистические методы в инженерных исследованиях: лабораторный практикум / под ред. Г.К. Круга. – М.: Высш. шк., 1983. – 216 с.:
ил.
4. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: учебное пособие для вузов / В.И. Асатурян. – М.: Радио и связь, 1983. – 248 с.: ил.
12