1 Цели и задачи дисциплины
Дисциплина «Планирование и организация эксперимента» является составляющей блока специальных дисциплин в подготовке инженеров по специальности «Стандартизация и сертификация».
Целью изучения дисциплины является изучение основных положений теории планирования эксперимента для решения широкого круга задач: построения интерполяционных моделей, изучения кинетики и механизма явлений, оптимизации процессов и пр.
Изучение данной дисциплины базируется на знании студентами предшествующих естественнонаучных дисциплин: «Физика», «Математика», «Информатика», «Информационные технологии», «Материаловедение».
Поставленная цель может быть достигнута при решении в процессе преподавания дисциплины следующих задач:
уяснение роли и места эксперимента в процессе организации научной работы; изучение планов различных процессов; освоение построение математического описания процесса в области экспериментирования; знакомство с элементами статистического анализа.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны
2.1 Знать:
основные принципы планирования эксперимента при исследовании многофакторных процессов; методы экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных; методику принятия решений на различных этапах планирования эксперимента.2.2 Уметь:
применять принципы и законы различных дисциплин при решении задач планирования и организации эксперимента; пользоваться математическим аппаратом дисциплины при решении конкретной задачи; выбирать план эксперимента; пользоваться аппаратом дисперсного анализа при экспериментальном исследовании;2.3 Владеть:
1 навыками применения методов планирования эксперимента при оптимизации процессов; в организации активного эксперимента, их использовании в инженерной деятельности; выбора наикратчайшего пути к оптимуму и осуществления движения по нему; адекватной интерпретации результатов эксперимента с использованием методов принятия решений.
3 Объем дисциплины и виды учебной работы
3.1 Система учета трудоемкости в академических часах
3.1.1 Очная форма обучения
Таблица 3.1 – Виды учебной работы для очной формы обучения
Вид учебной работы | Часы | Учебный семестр |
№ 5 | ||
Общая трудоемкость дисциплины | 170 | 170 |
Аудиторные занятия | 85 | 85 |
Лекции | 51 | 51 |
Лабораторно - практические занятия | 34 | 34 |
Контрольная работа | 2 | 2 |
Самостоятельная работа студентов | 85 | 85 |
Домашняя работа | 12 | 12 |
Вид итогового контроля | экзамен |
4 Содержание дисциплины
4.1 Разделы дисциплины и виды занятий
Таблица 4.1 – Перечень разделов дисциплины
№ п/п | Разделы дисциплины | Лекции, час. | Лабораторно-практические занятия, час. |
4.2.1 | Введение | 2 | — |
4.2.2 | Методология и методика научно-исследовательской работы | 4 | 4 |
4.2.3 | Краткая история планирования эксперимента | 2 | — |
4.2.4 | Основные понятия и определения | 4 | 4 |
4.2.5 | Выбор модели | 4 | 2 |
4.2.6 | Полный факторный эксперимент | 8 | 8 |
4.2.7 | Дробный факторный эксперимент | 8 | 8 |
4.2.8 | Проведение эксперимента и обработка результатов | 6 | 4 |
4.2.9 | Регрессионный анализ | 6 | 4 |
4.2.10 | Принятие решений после построения модели и обсуждение результатов | 4 | — |
4.2.11 | Классификация экспериментальных планов | 3 | — |
4.2 Содержание разделов дисциплины
4.2.1 Введение.
Содержание, задачи и структура дисциплины. Планирование эксперимента (ПЭ) — средство повышения производительности труда исследователя и надежности полученных результатов. Роль эксперимента в развитии науки и техники. Эффективность научных исследований. Задачи теории планирования эксперимента. ПЭ как универсальный метод при исследовании различных процессов.
4.2.2 Методология и методика научно-исследовательской работы.
Основные принципы и содержание научно-исследовательской работы (НИР). Методы выбора тем НИР. Классификация НИР и ее этапы. Опытно-конструкторские работы (ОКР). Понятие о методике и проведении эксперимента.
4.2.3 Краткая история планирования эксперимента.
Планирование числового эксперимента. Зарождение элементов комбинаторного анализа. Применение латинских квадратов при разработке теории алгоритмов и исчислений. Начало теории блок-схем (неполноблочных планов). Основы методологии научных исследований (Р. Декарт, Ф. Бэкон, Дж. Милль). Основы количественных методов (тория вероятностей, теория приближения функций степенными рядами, метод градиента). Создание английской статистической школы.
Дисперсионный анализ (Р. Фишер). Дальнейшее изучение блок-схем в работах различных специалистов. Метод факторного планирования; дробные реплики; экстремальные задачи. Формализация объекта исследования.
Работы Дж. Бокса и К. Уилсона в области планирования оптимальных условий (метод эволюционного планирования).
Современное состояние вопроса.
4.2.4 Основные понятия и определения.
Основные понятия и определения: эксперимент; научный и промышленный эксперимент; модель физическая и математическая; планирование эксперимента; оптимизация; экстремальный эксперимент.
Объект исследования (ОИ). Его свойства и требования к нему. Формализация объектов исследования. Блок-схема кибернетического подхода к изучению сложных процессов.
Параметр оптимизации (ПО). Классификация ПО. Требования к ПО.
Обобщенный ПО. Способы построения обобщенных откликов. Шкала желательности.
Понятие факторов и требования к ним.
План эксперимента. Одно - и многофакторный эксперимент.
Пассивный и активный подходы к изучению поведения объектов.
4.2.5 Выбор модели.
Рекомендации по выбору модели.
Поверхность отклика и ее свойства. Факторное пространство. Варианты поиска оптимума (классический и шаговый методы).
Требования, предъявляемые к модели.
4.2.6 Полный факторный эксперимент (ПФЭ).
Понятие о ПФЭ. Принятие решений перед ПЭ (выбор области эксперимента, учет априорной информации, выбор основного уровня и интервалов варьирования факторов). ПФЭ типа 2k. Матрица планирования. Приемы построения матриц. Свойства матриц ПФЭ. ПФЭ и математическая модель. Учет эффектов взаимодействия.
4.2.7 Дробный факторный эксперимент (ДФЭ)
Понятие о дробной реплике. Смешанные оценки. Разрешающая способность дробной реплики. Генерирующее соотношение. Определяющий контраст. Обобщающий определяющий контраст.
4.2.8 Проведение эксперимента и обработка результатов
Дублирование опытов и его характер. Статистическая обработка результатов эксперимента при равномерном, неравномерном дублировании и отсутствии последнего.
4.2.9. Регрессионный анализ
Метод наименьших квадратов для одного фактора. Операции над матрицами. Статистический анализ. Критерии оптимальности планов.
4.2.10 Принятие решений после построения модели и обсуждение результатов
Интерпретация полученных результатов. Принятие решений после построения модели процесса. Построение интерполяционной формулы. Крутое восхождение по поверхности отклика.
4.2.11 Классификация экспериментальных планов
5 Практические занятия
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование тем практических занятий | Объем работ, час |
1 | 4.2.2 | Методика постановки целей эксперимента | 2 |
2 | 4.2.2 | Методика поиска научно-технической информации | 2 |
3 | 4.2.4 | Построение шкал желательности различных типов | 6 |
4 | 4.2.4 | Выбор факторов и параметра оптимизации | 8 |
5 | 4.2.6; 4.2.8; 4.2.10 | Применение ПФЭ и обработка результатов опытов в исследованиях технологических процессов | 4 |
6 | 4.2.7; 4.2.8; 4.2.10 | Применение ДФЭ и обработка результатов опытов в исследованиях технологических процессов | 8 |
7 | 4.2.9; 4.2.10 | Применение регрессионного анализа | 4 |
6 Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1 Рекомендуемая литература
6.1.1 Основная литература
, , Грановский эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с. , Аросов процессов технологии металлов методами планирования эксперимента. М.: Машиностроение, 1980. 304 с. , Адлер промышленных экспериментов. М.: Металлургия, 1974. 264 с. Окрепилов качеством. М.: Экономика, 1998. 640 с. , Жиглявский теория планирования оптимального эксперимента: Учебное пособие. М.: Наука, 1987. 320с.6.1.2 Дополнительная литература
1. Гмурман вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1972. 368 с.
2. , Филаретов эксперимента. Минск: БГУ, 1982. 302 с.
3. Львовский методы построения эмпирических формул: Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1988. 239 с.
, Воронина основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте. Л.: ЛГУ, 1979. 232 с.6.2 Средства обеспечения освоения дисциплины
6.2.1 Перечень средств обеспечения
процессе изучения дисциплины используются:
Раздаточный материал (методические указания к практическим занятиям с индивидуальными заданиями). Раздаточный материал (индивидуальные задания для экспересс-контроля знаний студентов по темам курса).6.2.2 Программно-информационное обеспечение дисциплины
Рабочая программа дисциплины
7 Материально-техническое обеспечение дисциплины
7.1 Общие требования
Материал для практических занятий изучается в техническом зале и зале спецвидов библиотеки ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.
Описания реальных промышленных процессов (блок-схемы, карты процессов, технологические инструкции, операционные карты и т. д.).
Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
8.1 Рекомендации для преподавателя
- глубокое освоение теоретических аспектов тематики курса, проработка литературных источников; составление списка литературы, обязательной для изучения, и дополнительной литературы; разработка методики изложения курса: структуры и последовательности изложения материала; составление текстовых заданий, контрольных вопросов. разработка методики самостоятельной работы студентов; постоянная корректировка структуры и содержания курса.
8.2 Рекомендации для студентов
- обязательное посещение лекций ведущего преподавателя; систематическая самостоятельная работа по изучаемой дисциплине; подготовка и активная работа на практических занятиях, подготовка к практическим занятиям включает проработку материалов лекций, рекомендованной учебной литературы.
8.3 Домашнее задание
В качестве домашнего задания студентам предлагаются индивидуальные задачи по темам «Полный факторный эксперимент» и «Дробный факторный эксперимент».
По экспериментальным данным, полученным для конкретного объекта исследования, построить регрессионную модель, применив план первого или второго порядка; выполнить статистическую обработку результатов, проверку адекватности и работоспособности модели.
8.4 Перечень ключевых слов дисциплины
Таблица 0.1 – Ключевые слова разделов дисциплины
Номер раздела | Ключевые слова |
4.2.1 | Планирование эксперимента, эффективность научных исследований, |
4.2.2 | Принципы и содержание НИР, методы выбора тем НИР, опытно-конструкторские разработки |
4.2.3 | Числовой эксперимент, латинские квадраты, теория блок-схем, дисперсионный анализ, дробные реплики, метод эволюционного планирования. |
4.2.4 | Эксперимент, модель, оптимизация, объект исследования, параметр оптимизации, фактор, план эксперимента. |
4.2.5 | Поверхность отклика, факторные пространства. |
4.2.6 | Полный факторный эксперимент, интервал варьирования факторов, матрица планирования. |
4.2.7 | Дробная реплика, смешанные оценки, генерирующее соотношение, определяющий контраст. |
4.2.8 | Дублирование опытов, статистический обработка результатов. |
4.2.9 | Метод наименьших квадратов, операции над матрицами, статистический анализ, критерии оптимальности планов. |
4.2.10 | Интерпретация результатов, принятие решений, крутое восхождение |
4.2.11 | Экспериментальный план |
