Методика выполнения экспериментальных исследований студентами бакалавриата по профилю «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» в рамках учебно-исследовательской работы

 

В статье представлены рекомендации к выполнению экспериментальных исследований студентами бакалавриата по профилю «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» в рамках учебно-исследовательской работы.

Ключевые слова: студент бакалавриата, учебно-исследовательская работа, экспериментальное исследование.

 

Одна из приоритетных задач высшего образования в современных условиях — это объединение науки и образования. Общность связи между высшим образованием и научным исследованием особенно важна для образовательных программ технического профиля и является определяющей для характеристики современной образовательной организации высшего образования.

Обычно, интеграция науки и образования рассматривается, в первую очередь, через переосмысление подходов к учебно-исследовательской работе (УИР) студентов. Навыки, приобретенные студентами в ходе УИР, становятся одним из главных результатов освоения образовательной программы по профилю «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» в бакалавриате. УИР для студентов бакалавриата предполагает самостоятельную исследовательскую работу под руководством высококвалифицированного научного руководителя.

С определённой долей уверенности можно утверждать, что экспериментальные исследования, проводимые в рамках УИР в образовательных организациях высшего образования, могут предшествовать самым начальным этапам создания новой техники (разработке технического предложения и созданию эскизного проекта). Такие экспериментальные работы проводятся параллельно разработке технического проекта. Для этой цели создаются специальные экспериментальные установки и стенды, на которых проводятся испытания отдельных деталей и узлов, подбираются наилучшие режимы их работы [2].

Согласно [1] эксперимент (от лат. experimentum — проба, опыт), метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются явления действительности. Отличаясь от наблюдения, эксперимент осуществляется на основе теории, определяющей постановку задач и интерпретацию его результатов. Нередко главной задачей эксперимента служит проверка гипотез и предсказаний теории, имеющих принципиальное значение. В связи с этим, эксперимент, как одна из форм практики, выполняет функцию критерия истинности научного познания в целом [1].

В соответствии с рабочей программой, занятия по учебной дисциплине «Учебно-исследовательская работа», разработанной на основе ФГОС, частично посвящаются изучению теоретических основ, но в большей мере — решению конкретных задач, связанных с планированием, проведением и обработкой результатов эксперимента.

Тематика исследовательских работ по профилю «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» ограничивается областью профессиональной деятельности бакалавров, которая определяется совокупностью технических средств, способов и методов человеческой деятельности для производства, передачи, распределения, преобразования, применения электрической энергии, управления потоками энергии, разработки и изготовления элементов, устройств и систем, реализующих эти процессы [5].

Объектами экспериментальных исследований по названному профилю могут быть самые разнообразные технические устройства и системы (от простых до очень сложных), их технико-экономические или экологические характеристики, режимы их работы и др. [2].

Любой объект экспериментальных исследований характеризуется бесчисленным множеством свойств, признаков и характеристик, но знания об объекте конечны и относительны. В процессе познания в сознании исследователя формируется мысленный образ объекта, который обладает присущими этому объекту свойствами (цвет, запах, размеры, вес, изменчивость во времени и др.). Такой мысленный образ есть мысленная (идеальная) модель объекта.

Познавательный процесс носит целенаправленный характер. Исследователь решает некоторую задачу для достижения своих целей. Эта задача является фильтром, позволяющим отсеять из всей информации об объекте несущественную. Таким образом, задача определяет характер формируемой модели. На рис. 1 приведём схему формирования модели по [4].

Рис. 1. Схема формирования модели

 

Выполнение экспериментальных исследований по профилю «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» предполагает применение математической формализации выдвинутых гипотез и выводов. Поэтому экспериментальные исследования состояний технической системы электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений проводятся с помощью математического моделирования.

Используя схему (рис. 1) приведём пример формирования модели по [4]. Сконструируем трансформатор заданной мощности и возможным диапазоном изменения напряжений на первичной и вторичной обмотках. В качестве ограничений учтём требования по допустимым потерям холостого хода и работе на линейной части характеристики намагничивания сердечника и габаритам трансформатора. В этом случае необходимо учитывать электрические, магнитные, конструктивные, геометрические, тепловые свойства трансформатора. Вводить понятие модели без четкого указания задачи или задач неправомерно. Вне контекста задачи или класса задач понятие модели не имеет смысла.

Фундаментальным свойством модели является простота по отношению к объекту. Модель всегда «беднее» объекта в информационном отношении. «Точная модель» недоступна, как и сам оригинал. Задача своими условиями и требованиями позволяет определить ограничения и допущения в построении любой модели [4].

Построение математической модели выполняется в случаях, когда должны быть получены количественные характеристики взаимосвязанных входных и выходных исследуемых параметров. Это задачи аппроксимации, то есть выбора математической зависимости, наилучшим образом соответствующей экспериментальным данным. Для этих целей применяют регрессионные модели, которые основаны на разложении искомой функции в ряд с удержанием одного (линейная зависимость, линия регрессии) или нескольких (нелинейные зависимости) членов разложения (ряды Фурье, Тейлора). Одним из методов подбора линии регрессии является метод наименьших квадратов.

Для оценки степени взаимосвязанности факторов или выходных параметров проводят корреляционный анализ результатов испытаний. В качестве меры взаимосвязанности используют коэффициент корреляции: для независимых или нелинейно зависимых случайных величин он равен или близок к нулю, а его близость к единице свидетельствует о полной взаимосвязанности величин и наличии между ними линейной зависимости.

Прежде чем приступать к экспериментальным исследованиям, следует провести пробные опыты, приближенное моделирование для проверки методики и схемы эксперимента [3]. Необходимо стараться контролировать эксперимент или исключить влияние внешних переменных; стремиться уменьшить число переменных в любом эксперименте. Поскольку это ускоряет работу и делает ее более экономичной [6]. При проведении предварительных опытов окончательно отрабатывается методика эксперимента, вносятся изменения в теоретические расчеты. В то же время планируется порядок проведения всей работы.

Выполнение экспериментальных исследований может включать следующие этапы:

1. Изучение объекта исследований, сбор информации об исследуемом состоянии и параметрах состояния технической системы.
2. Выбор факторов, эффекты которых необходимо оценить, и откликов, определение мест включения измерительных приборов.
3. Выбор начальной точки эксперимента, т. е. начальных уровней факторов и интервалов их варьирования.
4. Определение объема эксперимента и получения статистических оценок результатов эксперимента.
5. Построение плана эксперимента.
6. Проведение собственно эксперимента.
7. Определение коэффициентов уравнений регрессии.
8. Статистическая оценка результатов эксперимента.

Необходимость обработки результатов вызвана тем, что выборочный анализ отдельных данных, вне связи с остальными результатами, или же некорректная их обработка могут не только снизить ценность практических рекомендаций, но и привести к ошибочным выводам.

При обработке или использовании экспериментальных данных, представленных в табличном виде, возникает потребность получения промежуточных значений. Для этого применяют методы интерполяции и экстраполяции. После проведения исследования необходимо проанализировать полученные результаты и сделать соответствующие выводы на основе систематизации результатов количественного и качественного анализа исследовательского материала.

В процессе исследований приходится непрерывно ставить и решать разнообразные задачи в форме противоречий математических моделей, требующих разрешения. Следует особо подчеркнуть, что собственные творческие мысли (оригинальные решения) возникают тем чаще, чем больше сил, труда, времени затрачивается на постоянное обдумывание путей решения теоретической задачи, чем глубже студент увлечён исследовательской работой.

 

Литература:

 

1. Гришенцев А. Ю. Теория и практика технического и технологического эксперимента /учебное пособие.– СПб: СПбГУ ИТМО, 2010.–102 с.
2. Инженерный эксперимент: Учеб. пособие / сост. В. И. Ляшков, Тамбов: ТГТУ, 2014. — 81 с.
3. Красовский Г. И.,Филаретов Г. Ф. Планирование эксперимента. — Минск: изд-во БГУ, 1982. — 302 с.
4. Лыкин А. В. Математическое моделирование электрических систем и их элементов: учеб. пособие / А. В. Лыкин. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. — 228 с.
5. Мясникова Т. В. Индивидуальный образовательный маршрут как технология повышения эффективности подготовки специалистов по программам бакалавриата (направление подготовки 140400) /Т. В. Мясникова//Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения: сб. науч. тр. Вып. 11. — Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2015. — С.347–352.
6. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. — Москва: Издательство «МИР», 1972. — 380с.