21470_Теория и практика эксперимента

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Рабочая программа учебной дисциплины
Министерство образования и науки российской федерации
Владивостокский государственный университет экономики
и сервиса
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Рабочая программа учебной дисциплины
по направлению подготовки
210400.68 Радиотехника. Методы, системы и комплексы
радиоэлектронной борьбы
Владивосток
2014
ББК 32.841
Рабочая программа учебной дисциплины «Теория и практика
эксперимента» составлена в соответствии с требованиями ООП:
210400.68
Радиотехника.
Методы,
системы
и
комплексы
радиоэлектронной борьбы на базе ФГОС ВПО.
Составитель:
Левашов Ю.А., доцент кафедры электроники;
Утверждена на заседании кафедры от 16.02.2011 г., протокол № 5,
редакция 2014 г. (заседание кафедры от 22.04.2014г., протокол №8)
Рекомендована к изданию учебно-методической комиссией
Института информатики, инноваций и бизнес-систем ВГУЭС.
Утверждена на заседании учёного совета ИИИБС, протокол №8 от
03.06.2014 г.
© Издательство Владивостокского
государственного университета
экономики и сервиса, 2014
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.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1 Цели освоения 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 Место учебной дисциплины в структуре ООП
(связь с другими дисциплинами)
ООП
Форма
обучен
ия
210400..68.
Радиотехника.
Методы,
системы и
ОФО
комплексы
радиоэлектрон
ной борьбы
Блок
М.1/Вариатив
ная часть
Моду Трудоемко
Форма
ль
сть (З.Е.) промежуточн
ого контроля
3
З
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 «Теория и практика эксперимента» базируется на
следующих дисциплинах: «Алгебра и геометрия», «Математический
анализ», «Теория вероятностей и математическая статистика»,
«Информатика и программирование», «Программирование на языке
высокого уровня».
На основе дисциплины «Теория и практика эксперимента»
базируется научно-исследовательская работа в семестрах и подготовка
магистерской диссертации.
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в
результате освоения учебной дисциплины
В результате изучения дисциплины будут сформированы
следующие компетенции:
ООП
Вид компетенций
Общекультурные
210400..68,
Радиотехника.
Методы, системы
и комплексы
радиоэлектронной
борьбы
Компетенции
ОК-1 способностью
совершенствовать и
развивать свой
интеллектуальный и
общекультурный уровень
ПК-3 способностью
понимать основные
проблемы в своей
предметной области,
выбирать методы и
средства их решения
Профессиональные
ПК-16 способностью
самостоятельно
осуществлять постановку
задачи исследования,
формирование плана его
реализации, выбор методов
исследования и обработку
результатов
Таблица. Формируемые знания, умения, владения
ООП
Коды
компетенций
ОК-1
Знания, Умения, Владения
Знания:
особенности
научного метода
познания
Умения:
готовить
методологическое
обоснование
научных
исследований в
области
радиотехники
Владения:
навыками
методологического
анализа научных
исследований и их
результатов
Знания:
методологические
основы и
принципы
современной
науки
Владения:
навыками
методологического
анализа научных
исследований и их
результатов
ПК-3
210400..68,
Радиотехника.
Методы, системы и
комплексы
радиоэлектронной
борьбы
ПК-16
1.4 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. Удельный вес занятий,
проводимых в интерактивных формах, составляет 44% процента (16
часов) аудиторных занятий. 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.
1.5 Виды контроля и отчетности по дисциплине
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 (семестровая) аттестации.
Текущая аттестация студентов осуществляется по результатам
оценки уровня компетенций в ходе проведения экспресс-контрольных
работ на лекционных занятиях, оценки качества выполнения
индивидуальных домашних заданий и активности студента на
практических занятиях.
2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ
ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Темы лекций
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)
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)
2.3 Самостоятельная работа студентов
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. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
При
проведении
занятий
используются
следующие
образовательные технологии:
Лекционные занятия проводятся в форме лекций с
использованием компьютерных презентаций и видеороликов.
Практические занятия проводятся в активной (12 часов) и в
интерактивной (16 часов) форме. Интерактивные методы – дискуссии,
ситуационный анализ, который проходит в виде обсуждения и анализа
деловых ситуаций, анализа вариантов решения проблемы, обоснования
выбора оптимального решения поставленной задачи.
Самостоятельная работа включает в себя подготовку к
контрольным изучение теоретического материала перед выполнением
практической работы, анализ результатов, полученных в ходе
выполнения работы.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
4.1 Перечень и тематика самостоятельных
работ студентов по дисциплине
Тематика самостоятельной работы студентов определяется
содержанием лекционных и практических занятий:
1. Решение задач по основам теории подобия (ИДЗ)
2. Решение
задач
по
основам
теории
размерностей.
Классификация методов моделирования. (ИДЗ)
3. Планирования эксперимента. Последовательность проведения
исследований. Построение функций отклика. (ИДЗ)
4. Матричные преобразования. Дробный факторный эксперимент.
Построение математических моделей. (ИДЗ)
5. Ортогональное
планирование
эксперимента.
Методы
планирование эксперимента. (ИДЗ)
6. Применение
оптимизационных
методов.
Пассивный
эксперимент. Построение математических моделей. (ИДЗ)
7. Реализация математической модели вычислений. Физическое
моделирование. (ИДЗ)
4.2 Контрольные вопросы для самостоятельной оценки
качества освоения учебной дисциплины
1. Перечислите основные методы, используемые на этапе
экспериментальных и теоретических исследований.
2. В чем отличие естественных экспериментов от искусственных?
3. Перечислите основные виды экспериментов.
4. В
чем
отличие
лабораторных
экспериментов
от
промышленных?
5. В чем отличие пассивного эксперимента от активного?
6. Перечислите основные направления теории эксперимента.
7. На какие вопросы отвечает теория подобия при планировании
эксперимента?
8. Что такое объект исследования?
9. Что такое фактор?
10. Перечислите требования предъявляемые к факторам.
11. В чем отличие математической модели от статистической?
12. Опишите процедуру построения математической модели.
13. Укажите виды подобия.
14. В чем отличие геометрического подобия от кинематического
(динамического)?
15. Что такое критерии подобия?
16. Как определяется число опытов для полного факторного
эксперимента?
17. Какой эксперимент называется экстремальным?
18. В каких случаях используется симплекс-планирование
эксперимента?
19. Чем отличаются первичные факторы от вторичных?
20. В чем отличие стохастической связи от функциональной?
21. В каких случаях используется корреляционный анализ?
22. В каких случаях используется регрессионный анализ?
23. В каких случаях используется дисперсионный анализ?
4.3 Методические рекомендации по организации 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.
4.4 Рекомендации по работе с литературой
В качестве основного учебника рекомендуются [1], включающий
основные дидактические единицы Государственных образовательных
стандартов по направлению 210400.68 «Радиотехника».
Для углубленного изучения отдельных тем дисциплины и
выполнения самостоятельной работы студентов рекомендуются [2,3,4].
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 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.: (Магистр).
5.2 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.
5.3 Полнотекстовые базы данных
Полнотекстовые базы данных, библиотека ВГУЭС URL:
http://lib.vvsu.ru
5.4 Интернет-ресурсы
Библиотека стандартов ГОСТ [сайт] URL http://www.gost.ru
Библиотека изобретений, патентов, товарных знаков РФ [сайт]
URL: http://www.fips.ru
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
а) программное обеспечение: MatLab версии 10 и выше
б) техническое и лабораторное обеспечение:
Универсальные средства измерений: вольтметры различных
значений (пиковые, квадратичные, средневыпрямленных значений),
цифровые мультиметры, селективные вольтметры, генераторы
синусоидальных, импульсных сигналов и сигналов специальной формы,
цифровые
частотомеры,
анализаторы
спектра,
электронные
осциллографы. Для ряда практических работ используются компьютеры
с интерфейсным блоком, позволяющим выполнять все функции.
7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
Эксперимент – Метод познания, при помощи которого в
контролируемых и управляемых условиях исследуются явления
действительности.
Математическое планирование эксперимента – совокупность
процедур для построения искомых зависимостей с минимальными
затратами.
Объект исследования – условно изолированное целое, содержащее
совокупность процессов и средств их реализации.
Фактор – любая величина, влияющая на параметр и способная
изменяться независимо от других.
Модель – материальный или мысленный объект, отображающий
основные свойства объекта-оригинала.
Критерии подобия – безразмерные комбинации, которые
составлены из физических величин, описывающих процессы в
исследуемых объектах.
Полный факторный эксперимент – это эксперимент, в котором
реализуются все возможные сочетания уровней факторов.