Общие принципы планирования экспериментов

Сравнение.

Рандомизация.

Репликация.

Однородность.

Стратификация.

уровнями фактора

Название: Общие принципы планирования экспериментов
Детальное описание:

С момента своего появления наука ищет пути к познанию законов окружающего мира. Совершая одно открытие за другим, ученые поднимаются все выше и выше по лестнице знания, стирая границу неизвестности и выходя на новые рубежи науки. Этот путь лежит через эксперимент. Сознательно ограничивая бесконечное разнообразие природы искусственными рамками научного опыта, мы превращаем его в понятную для человеческого разума картину мира.

Эксперимент как научное исследование - это форма, в которой и посредством которой наука существует и развивается. Эксперимент требует тщательной подготовки перед его проведением. В биомедицинских исследованиях планирование экспериментальной части исследования имеет особенно большое значение по причине широкой вариабельности свойств, характерной для биологических объектов. Эта особенность является основной причиной трудностей при интерпретации результатов, которые могут значительно различаться от опыта к опыту.

Статистические проблемы обосновывают необходимость выбора такой схемы эксперимента, которая минимизировала бы влияние вариабельности на выводы ученого. Поэтому цель планирования эксперимента заключается в создании схемы, которая необходима для получения как можно большей информации при наименьших затратах для выполнения исследования. Более точно планирование эксперимента можно определить как процедуру выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью.

Планирование эксперимента появилось в агробиологии и связано с именем английского статистика и биолога сэра Рональда Эйлмера Фишера. В начале XX века на агробиологической станции в Ротамстеде (Великобритания) начались исследования влияния удобрений на урожайность различных сортов зерновых. Ученые вынуждены были считаться как с большой изменчивостью объектов исследования, так и с большой продолжительностью опытов (около года). В этих условиях не было иного пути, кроме разработки продуманного плана эксперимента для уменьшения негативного влияния указанных факторов на точность выводов. Применив статистические знания к биологическим проблемам, Фишер пришел к разработке собственных принципов теории статистического вывода и положил начало новой науке о планировании и анализе экспериментов.

Сам Рональд Фишер объяснял основы планирования на примере эксперимента произведенного для выяснения способности некой английской леди различать, что было налито в чашку в первую очередь - чай или молоко. Следует отметить, что для настоящих английских леди важно, чтобы чай наливался в молоко, а не наоборот, нарушение последовательности будет признаком невежества и испортит вкус напитка.

Эксперимент проходит просто: леди пробует чай с молоком и по вкусу пытается понять, в какой очередности были налиты оба ингредиента. План, разработанный для этого исследования, характеризуется рядом свойств.

Сравнение. Во многих исследованиях точное определение результата измерения затруднительно или невозможно. Так, например, леди не сможет количественно оценить качество чая, она будет сравнивать его с эталоном правильно приготовленного напитка, вкус которого знаком ей с детства. Как правило, в научном эксперименте объект сравнивается либо с неким заранее заданным стандартом, либо с контрольным объектом.

Рандомизация. Это очень важный момент в планировании. В нашем примере рандомизация относится к тому, в каком порядке представлять чашки на дегустацию. Рандомизация необходима для того, чтобы стало возможным применение статистических методов для анализа результатов исследования.

Репликация. Повторяемость - это необходимый компонент постановки эксперимента. Недопустимо делать выводы о способности к определению качества чая только по одной чашке. Результат каждого отдельного измерения (дегустации) несет в себе долю неопределенности, возникшей под влиянием множества случайных факторов. Следовательно, для выявления источника вариабельности необходимо провести несколько испытаний. С этим свойством связана чувствительность эксперимента. Фишер отмечал, что пока число чашек чая не превысит некоторого минимума, невозможно сделать какие-либо однозначные выводы.

Однородность. Несмотря на необходимость повторения измерений (репликация), их число не должно быть слишком велико, чтобы не утратилась однородность. Разность температур чашек, притупление вкуса и т. п. при превышении некоторого предельного числа повторений, могут затруднить анализ результатов эксперимента.

Стратификация. Выходя за рамки примера Р. Фишера к более абстрактному описанию экспериментального плана можно дополнительно указать такое свойство как стратификация (блокировка). Стратификация - это распределение экспериментальных единиц в относительно однородные группы (блоки, слои). Процедура стратификации позволяет минимизировать эффект известных нам неслучайных источников вариабельности. Внутри каждого блока ошибку эксперимента предполагают меньшей относительно варианта со случайным отбором для эксперимента такого же количества объектов. Например, при исследовании нового лекарственного препарата мы имеем два уровня фактора - «препарат» и «плацебо», которые назначаются мужчинам и женщинам. В данном случае пол - это блокирующий фактор, по которому происходит разделение исследуемых на подгруппы.

Описанные выше характеристики экспериментального плана полностью или частично относятся к любому научному эксперименту. Однако для начала работы недостаточно одного только знания об общих свойствах исследования, необходима более тщательная подготовка. Создание подробного руководства в рамках одной статьи невозможно, поэтому здесь будет изложена наиболее общая информация об этапах планирования эксперимента.

Любое исследование начинается с постановки цели. Выбор проблемы для изучения и ее формулировка повлияют как на дизайн исследования, так и на выводы, которые будут сделаны по его результатам. В самом простом случае формулировка проблемы должна предполагать вопросы «Кто?», «Что?», «Когда?», «Почему?» и «Как?».

В качестве иллюстрации важности данного этапа планирования можно привести исследование, в котором проводится сбор информации о дорожно-транспортных происшествиях. В зависимости от постановки цели, работа может быть направлена на разработку нового автомобиля либо нового дорожного покрытия. Несмотря на то, что используется один и тот же набор данных, постановка задачи и выводы существенно различаются в зависимости от формулировки проблемы.

После выбора цели работы следует определить так называемые зависимые переменные. Это переменные, которые будут измеряться при проведении исследования. Например, показатели функционирования тех или иных систем организма человека или лабораторных животных (частота сердечных сокращений, артериальное давление, содержание ферментов в крови и т. п.), а также любые другие характеристики объектов исследования, изменение которых будет для нас информативно.

Поскольку есть зависимые переменные, то должны быть еще и независимые переменные. Другое их название - факторы. Факторами исследователь оперирует в эксперименте. Это может быть доза исследуемого препарата, уровень стресса, степень физической нагрузки и т. д. Взаимосвязь между фактором и зависимой переменной удобно представлять с помощью кибернетической системы, часто называемой «черный ящик».

Черный ящик - это система, механизм работы которой нам неизвестен. Однако исследователь имеет информацию о том, что происходит на входе и выходе черного ящика. При этом состояние выхода функционально зависит от состояния входа. Соответственно y1, y2, ..., yp - это зависимые переменные, величина которых зависит от факторов (независимых переменных x1, x2, ..., xk). Параметры w1, w2, ..., wn представляют собой возмущающие воздействия, не поддающиеся контролю или изменяющиеся со временем.

В общем виде это можно записать так: y=f(x1, x2, ..., xk).

Каждый фактор в опыте может принимать одно из нескольких значений. Такие значения называют уровнями фактора . Может оказаться, что фактор способен принимать бесконечное число значений (например, доза лекарственного препарата), однако на практике выбирается несколько дискретных уровней, количество которых зависит от задач конкретного опыта.

Фиксированный набор уровней факторов определяет одно из возможных состояний черного ящика. Вместе с тем, это есть условия проведения одного из возможных опытов. Если перебрать все возможные наборы таких состояний, то мы получим полное множество различных состояний данной системы, количество которых будет числом всех возможных экспериментов. Для того, чтобы вычислить количество возможных состояний, достаточно число уровней факторов q (если для всех факторов оно одинаково) возвести в степень количества факторов k.

Совокупность всех возможных состояний определяет сложность черного ящика. Так, система из десяти факторов на четырех уровнях может находиться более чем в миллионе разных состояний. Очевидно, что в подобных случаях невозможно провести исследование, включающее все возможные опыты. Поэтому на этапе планирования решается вопрос о том, сколько опытов и каких именно необходимо провести для решения поставленной задачи.

Следует отметить, что свойства объекта исследования имеют существенное значение для эксперимента. Во-первых, нам надо иметь информацию о степени воспроизводимости результатов опытов с данным объектом. Для этого можно провести эксперимент, а затем повторить его через неравные промежутки времени и сравнить результаты. Если разброс значений не превышает наших требований к точности эксперимента, то объект удовлетворяет требованию воспроизводимости результатов. Другое требование к объекту - его управляемость. Управляемым считается объект, на котором можно провести активный эксперимент. В свою очередь, активный эксперимент - это такой эксперимент, в процессе которого исследователь имеет возможность выбора уровней факторов, представляющих для него интерес.

На практике не существует полностью управляемых объектов. Как уже говорилось выше, на реальный объект действуют как управляемые, так и неуправляемые факторы, что приводит к вариабельности результатов между отдельными объектами. Отделить случайные изменения от закономерных, вызванных различными уровнями независимых переменных, мы можем лишь с помощью статистических методов.

Но статистические методы эффективны лишь в определенных условиях. Одно их таких условий - это требование некоего минимального размера выборок, используемых в проведении эксперимента. Очевидно, что чем шире диапазон изменения признаков от объекта к объекту, тем больше должна быть повторность опыта, т. е. численность экспериментальных групп.

Поскольку, неоправданно большое число испытаний сделает исследование слишком дорогим, а недостаточный объем выборки может поставить под сомнение точность выводов, определение необходимого объема выборок играет решающую роль в планировании эксперимента. Методы вычисления минимального объема выборок подробно описаны в специальной литературе, поэтому привести их в статье не представляется возможным. Тем не менее, следует упомянуть, что они требуют предварительного определения средней величины исследуемого показателя и ее ошибки. Источником такой информации могут послужить публикации о похожих исследованиях. Если они еще не проводились, то возникает необходимость в выполнении предварительного «пилотного» исследования для оценки вариабельности признака.

Следующий этап в планировании экспериментов - это рандомизация. Рандомизация представляет собой процесс используемый для группировки объектов таким образом, чтобы у каждого из них была равная вероятность попасть в контрольную или опытную группу. Другими словами, выбор участников исследования должен происходить случайно, чтобы исследование не было отклонено в сторону «предпочтительного» для исследователя результата.

Рандомизация помогает предотвратить смещения, обусловленные причинами, которые не были непосредственно учтены в плане эксперимента. Для этого, например, формирование экспериментальных групп лабораторных животных производится случайным образом. Однако полная рандомизация возможна далеко не всегда. Так, в клинических исследованиях принимают участие пациенты определенной возрастной группы, с заранее заданным диагнозом и тяжестью заболевания, а, следовательно, отбор участников не является случайным. Кроме того, ограничивают рандомизацию так называемые «блочные» планы экспериментов. Эти планы подразумевают, что отбор в каждый блок выполняется в соответствии с определенными неслучайными условиями, а случайный отбор объектов исследования возможен только внутри блоков. Процесс рандомизации легко осуществить с помощью специализированного статистического программного обеспечения или специальных таблиц.

В заключение необходимо сказать о необходимости учета в плане исследования помимо требований медицины и статистики еще и морально-этических норм. Не стоит забывать о том, что не только люди, но и лабораторные животные должны вовлекаться в эксперимент в соответствии с этическими принципами.

Методика эксперимента

Методика эксперимента – это совокупность способов и приемов его проведения. Методика, которая относится ко всему исследованию, является общей. Для отдельных опытов в пределах данного исследования могут создаваться дополнительные частные методики. Значение частных методик возрастает с увеличением разнообразия явлений, подлежащих изучению.

Методика экспериментального исследования определяет оборудования., количество опытов, план работы, затраты времени и средств.

Построение правильной методики позволяет в кратчайшие сроки и при минимальных экологических и трудовых затратах получить ожиданий от эксперимента результат и избежать появления ненужных опытных данных, из которых никаких выводов сделать нельзя.

Эксперимент может проводиться в пассивной форме (наблюдение без вмешательства в условия развития явления) и активной (создание определенных условий развития явления).

Пассивное наблюдение применяют преимущественно для предварительной проверки общей правильности рабочей гипотезы и установления направления развития явления. При пассивном наблюдении исследователь регистрирует различные интересующие его параметры, характеризующие явление. Для регистрации употребляют разнообразные средства измерений. Пассивное наблюдение можно чередовать с активным.

Наблюдение становится активным, когда исследователь сам определяет условия развития явления в желаемом направлении, чтобы получить ясные закономерности.

Первой ступенью активного наблюдения являются поисковые опыты. Целью поисковых опытов является проверка отдельных частей разработанной методики и приспособленности приборов к тем измерениям, которые определены методикой. В ходе поисковых опытов устанавливают также факторы, определяющие развитие является или отбирают основные факторы. Поисковые опыты можно ставить и для того, чтобы найти основания для расчета числа опытов.

После проведения поисковых опытов все факторы, обусловливающие явления, разделяют на основные, оказывающие наибольшее влияние на развитие явления и несущие наибольшую информацию о нем, и дополнительные, влияющие на развитие явления второстепенно. При постановке опыта измеряют лишь параметры характеризующие основные факторы.

Следует иметь в виде, что данное деление во многом является условным, поскольку при изменении условий опыта дополнительные факторы могут стать основными и наоборот.

Чтобы устранить или по крайней мере уменьшить ошибку, появляющуюся вследствие деления факторов на основные и дополнительные, когда при постановке опытов стремится нейтрализовать дополнительные факторы, т.е. создать такие условия, при которых действие дополнительных факторов было бы возможно более неизменно и незначительно. Исследователь при этом должен стремиться сделать переменными величинами лишь основными факторами. Таким образом, общим принципам исследования является постоянства всех остальных факторов при изменении избранных.

Есть четыре основных приёма нейтрализации дополнительных факторов.

Метод резко изменения переменных факторов при относительно малом изменении остальных. При этом методе основной фактор стараются изменять в наиболее широком диапазоне значений, а изменение остальных минимизировать. Например, при снятии характеристики насоса Q=f(p), или КПД=f(p) желательно максимально широко изменять давление, а второстепенные факторы, такие, как износ машины, влияние вязкости масла, температурного репсима и т.д. свести к минимуму, для чего исследование лучше проводить на равноизношенных машинах (например, при сравнении двух различных типов машин), производить охлаждение РЖ и т.д.

Метод контрольных опытов, когда меняющиеся дополнительные факторы одновременно воздействуют на несколько объектов с различными градациями основного фактора, один из которых считают контрольным (эталонам) и с ним сравнивают все остальные. Например, при исследование влияние присадки к маслу (смазке) на износ подшипников эксперимент может проводится для двух групп подшипников, из которых применена смазка с присадкой, в другой - без. Поскольку в большинстве случаев избежать влияние изменение температурного, нагрузочного и скоростного режима на износ подшипников не удается, то испытывают две группы одновременно в таких меняющихся условиях, собой результаты износа. Групп подшипников для испытаний может быть гораздо больше двух, в каждой из них может использоваться различные присадки или различные ее содержание, причем одна из групп всегда является контрольной (эталонной).

Метод «чистых» опытов . При этом методе стремятся искусственно создать условия, в которых дополнительные факторы не проявлялись бы или не влияли бы при проведении опытов на изменяющиеся основные факторы. Этот метод используют лишь в лабораторных условиях.

Например, в реальных эксплуатационных условиях очень трудно исследовать работу гидросистемы рулевого управления автомобиля, т.к. момент сопротивления повороту управляемых колес постоянно меняется изза наличия неровностей дорожного полотна, различного коэффициента трения на различных его участках и т.д. Кроме того, на величину момента сопротивления повороту управляемых колес при длительном проведении испытаний будут оказывать влияние износ шин, давление воздуха в шинах, изменение массы автомобиля (к примеру, в результате дозаправки топливом) и т.д. Провести точные научные исследования в таких условиях крайне затруднительно, поэтому при испытаниях гидросистемы рулевого управления идеализирует ее взаимодействие внешней средой, искусственно создавая в лабораторных условиях постоянные и точно известные значения сил сопротивления повороту колеса, или, в других случаях, обеспечивая изменения сил сопротивления по определенному закону. Этот же метод «частичных» опытов будет очень подходящим для Воссоздания в лабораторных условиях угловых вибраций и ударных воздействий нужной величины на управляемые колеса автомобиля, имитирующие движение автомобиля по неровностям дороги. В реальных дорожных условиях (вне специальных полигонов) получить подобные возмущения на систему с нужной частотой и амплитудой почти невозможно.

Метод разных знаков состоит в том, что одному и тому же фактору, который невозможно исключить полностью, сначала придают положительное, а затем отрицательное значение, чтобы при вычисление средней величины взаимно погасились ошибки от неучета влияния этого фактора.

Например, при исследовании процесса торможения автомобиля угол уклона дороги в продольном направлении, а также скорость ветра могут привести к ощутимой ошибке. Чтобы исключить ошибку от влияние этих факторов, производят опыты при движении автомобиля в одну, а затем другую (обратную) сторону одного и того же дорожного участка, после чего полученные данные усредняют.

Планирование эксперимента. Количество опытов.

При определении необходимого количества опытов следует руководствоваться двоякого рода положениями.

Во-первых, необходима такое количество опытов, которое достаточно точно выявило бы форму функциональной зависимости двух параметров. Например, положение прямой определяется двумя точками, дуги постоянного радиуса - тремя. Для более сложных кривых количества точек определяется следующим правилом: рассматривая сложную кривую как комбинацию прямых и простых кривых, описывают каждый перегиб кривой по меньшей мере тремя точками, а каждый участок, близкий к прямолинейному – двумя. Для более точного определения численных значений функции рекомендуется каждый перегиб кривой обосновывать как минимум пятью опытами. Кроме того, особо тщательно должны случатся резкие перегибы кривых или скачкообразна изменение развития явления.

Для такого определения количество опытных точек используют графики закономерности рабочей гипотезы. В случае, если закономерность в развития явления заранее неизвестна, опытные точки располагают по оси абсцисе равномерно. В ходе проведения опытов положение этих точек может быть уточнено в соответствии с действительными местами изгибов кривых.

Во – вторых, необходимо учитывать случайные ошибки опыта. Как известно, для уменьшение влияние таких ошибок опыты повторяют и берут среднюю арифметическую. Причем количество необходимых повторений зависит от среднего квадратического отклонения измерений и заданной надежности результата.

Под надежностью опыта будет понимать вероятность получения тех же результатов при новых измерений этой же величины или при повторение опыта в тех же условиях.

Из теории вероятности известно, что чем больше относительные колебание результатов и чем большую надежность опыта желательно получить, тем больше должно быть произведено повторений опыта. Наиболее удобным образом для практического использование эта зависимость установлена В.И. Романовским и представлена в виде таблицы

Необходимое количество опытов (измерений)

	Надежность опыта Р.

Для того, чтобы найти по этой таблице необходимое количество опытов, нужно задаться надежностью Р и ошибкой А, взятой в долях среднего квадратического отклонений σ.

Например, при измерений менее точным инструментом какого – либо размера среднее квадратическое отклонение равно 0,9 мм, а более точным – 0,15 мм. Пусть допустимая ошибка измерений при надежности 0,95 должна быть не более 0,3 мм, что составляет 1/3σ при измерение менее точным и 2σ при измерении более точным инструментом. По таблице определим, что в этих условиях требуется более 27 измерений менее точным и только 4 измерения более точным инструментом.

Если среднее квадратическое отклонение результата измерений заранее неизвестно, то такой анализ можно проводить последовательно с проведением опытов по следующей схеме: после каждого измерения, начиная с третьего, вычисляют математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение. Как только надежность и вычисление ошибки в доля стандарта σ дают по таблице то количество измерений, которое уже произведено, опыты прекращают.

В те случаях, когда нет нужных данных для определения количества повторяемых опытов, а поисковые опыты требуют не меньших затрат, чем основные, часто принимают тройную повторность опытов как минимальную.

Планирование однофакторных и многофакторных экспериментов.

Под фактором следует понимать переменную величину, предположительно влияющую на результат эксперимента. Фактором может быть давление, расход, вязкость РЖ и т.д.

При планирование однофакторного эксперимента немаловажное значение имеет правильный выбор количество и расположение экспериментальных точек на исследуемой функции. Во многих случаях целесообразно выбрать план эксперимента с одинаковыми интервалами между точками. Однако в зависимости от параметра, по которому берется равный интервал изменение его значений, результат опыта может выглядеть по – разному. Например, при исследовании жидкости на дросселе от скорости ее течения () графики будут иметь вид:

При изменении регулируемой переменной ν через равные промежутки Δν получим график, изображения на рис. а). На участке больших скоростей точек недостаточно, а на участке малых – они в избытке. На рис. б) ситуация выглядит противоположно. Наиболее правильным будет вариант, изображен на рис. в), где между экспериментальными точками заключены одинаковые отрезки ΔS опытной кривой. Однако такой подход затруднителен в расчете и для его реализации необходимо до проведение опытов знать характер исследуемой зависимости.

При выборе между вариантами, изображенными на рис. а) и б) лучше пользоваться критерием относительной точности данных на разных участках исследуемой функции. Например, для гидросистем испытания, проводимые при низком давление или при малой мощности, будут наименее точными. С этих позиции участки кривой, на которых данные вызывают наибольшее сомнение, стараются заполнить большим числом точек. С этой точки зрения вариант, изображенный на рис. а) предпочтительнее.

При планировании многофакторных экспериментов рассматривают два или большее число переменных факторов. Такие эксперименты называются двухфакторными, трехфакторными и т.д.

Если при эксперименте определяется зависимая переменная R, которая является функцией нескольких независимых переменных x,y,z и т.д., то план многофакторного эксперимента состоит в том, что все независимые переменные, кроме одной, полагают постоянными, а это одна переменная изменяется во всем интервале значения, при этом выбор интервала между значениями переменной производится по одному из рассмотренных выше правил. Далее изменяется другая независимая переменная, а все остальные выдерживают постоянными. По существу многофакторный эксперимент представляет собой просто последовательность однофакторных экспериментов. Этот подход позволяет найти такие простые функции, как

R=ax n +by m

план двухфакторного эксперимента, в котором каждый фактор берется на пяти уровнях, схематически можно представить в следующем виде:

уровни переменной у

уровни пере-

меной х 3 * * * * *

Звездочкой обозначены комбинации независимых, при которых должен проводиться эксперимент.

В случае более сложных функций, например таких, как

указанный выше план будет являться очень ограниченным и не позволит определить эти зависимости. В этом случае рассматривают несколько уровней независимых переменных х и у, например:

уровни переменной у

уровни переменной у

уровни пере-

меной х 3 * * * * *

Или, возможно, придется заполнить весь квадрат и провести эксперимент для всех 25 комбинаций переменных х и у.

При планирование эксперимента следует иметь в виду, что он не обязательно должен быть сбалансированных. Это означает, что может выбрать десять уровней переменной х и только три уровня переменной у, если считается, что зависимость R от х является более важной или более сложной.

Кроме того, возможны и другие, более сложные, чем описанный выше, планы, ориентированный на конкретные технические процессы и построенные на основании априорных сведений о характере исследуемой функции.

При педагогических измерениях, как при многих других, невозможно достичь абсолютной точности: мы всегда имеем дело с отклонениями от абсолютного значения. Поэтому при эксперименте всегда имеется определенная возможность ошибки.

Чтобы эксперимент дал точный и достоверный ответ на поставленный вопрос, надо по возможности ошибки свести до минимума.

Ошибки при эксперименте могут быть двух видов:

• 1) исследователь строит объективно правильную гипотезу, но в результате плохо проведенного эксперимента правильность гипотезы не подтверждается;
• 2) исследователь строит неправильную гипотезу, но некорректно проведенный эксперимент дает такие результаты, по которым гипотеза ошибочно признается правильной.

Источниками большинства споров в науке является зачастую неумение правильно учитывать и оценивать возможные ошибки при эксперименте.

Во время эксперимента иногда допускаются преднамеренные ошибки. Они возникают, когда недобросовестный исследователь искажает ход эксперимента и его данные, чтобы «улучшить» результаты.

Иногда у участвующих в эксперименте педагогов возникает опасение, что при оценке результатов эксперимента будут критиковать их работу. Отсюда появляется искажение результатов эксперимента педагогами. Например, в экспериментальной группе создают «условия» для показа более высоких достижений воспитанников, дают возможность подсказывать, помогать им и т.п. Здесь необходимо отметить, что любые сознательные операции, искажающие действительные данные, являются грубым нарушением профессиональной этики исследователя.

Неосознанные ошибки возникают главным образом вследствие недостаточной теоретической подготовленности к проведению эксперимента, неумелого планирования, использования субъективных критериев оценки результатов эксперимента и т.п.

Неосознанные ошибки, в свою очередь, делятся на случайные и систематические. Первые возникают то в одном, то в другом направлении. Большинство из них компенсируют друг друга, таким образом, их влияние на результаты эксперимента незначительно. Если количество испытуемых лиц достаточно большое, то этими ошибками можно пренебречь. Случайные ошибки могут быть обусловлены, например, различным количеством детей. Но при достаточно большом количестве экспериментальных и контрольных групп оказывается примерно равное количество сильных, средних и слабых учащихся. Надо учесть также, что при педагогических экспериментах обычно значение дополнительных переменных не измеряется, и поэтому не всегда можно сказать, является ли влияние обусловленных ими отклонений незначительным (близким к нулю) или нет.

При систематических ошибках можно всегда выделить определенное направление или тенденцию накопления. Эти ошибки обусловливают отклонения в результатах эксперимента всегда в положительном или отрицательном направлении. Такие ошибки могут существенно исказить результаты эксперимента. Например, изучается влияние самостоятельной работы учащихся на глубину и прочность знаний. В экспериментальном классе работа проводится в отлично оборудованном кабинете. А в контрольном классе обучение проходит в обычном классе с ограниченным набором наглядных пособий и мультимедийных средств. Ясно, что условия обучения в данном случае являются причиной значительных систематических ошибок.

Систематические ошибки можно свести к минимуму большим количеством испытуемых лиц и четким планированием эксперимента. Практика показывает, что причинами больших систематических ошибок при эксперименте являются главным образом ошибки, допускаемые при планировании эксперимента или в результате того, что не были учтены какие-либо важные факторы. Одной из основных задач организации опытно-экспериментальной работы является нахождение правильных исходных принципов для планирования эксперимента и интерпретации его результатов.

Материалы к практическим заданиям

Программа эксперимента 1

эксперимента
Исполнитель эксперимента	И. В. Разбойникова, магистрантка ЯГПУ
руководитель эксперимента	Л. В. Байбородова, профессор, доктор педагогических наук, заведующая кафедрой педагогических технологий ЯГПУ
Актуальность	Одним из основных требований федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования к выпускникам педагогических вузов является свободное владение русским языком для преподавания школьных дисциплин. Речь учителя должна обеспечивать решение профессиональных задач, а также выступать в качестве образца. Однако нередко студенты и учителя не только допускают недочеты в устной и письменной речи, но и имеют недостатки звукопроизношения, допускают орфографические и пунктуационные ошибки. Кроме того, речь будущих учителей не всегда логична, согласована, стилистически выдержана и интонационно оформлена. Многие студенты не владеют в полной мере языком как важнейшим средством коммуникации. В то же время в научно-методической литературе недостаточно представлены способы решения указанной проблемы. Таким образом, существуют противоречия: между потребностями общества в умело владеющих своей речью специалистах и низким уровнем сформированности языковой компетентности у будущих учителей; между необходимостью формирования у будущих учителей начальных классов языковой компетентности и недостаточной разработанностью соответствующих педагогических средств для этого. Для разрешения указанных противоречий необходимо выявление и использование эффективных педагогических средств для формирования исследуемого качества
Идея эксперимента	Развитие речи у младших школьников - важнейшая задача педагога, однако ее решение зависит от языковой компетентности самого учителя. Возможностями для формирования языковой компетентности учителя начальных классов располагают филологические дисциплины. Эти возможности реализуются, если использовать специальные тренинги, упражнения, приемы, а также выявить возможности исследовательских методов и технологий, которые будут эффективно влиять на улучшение качества устной и письменной речи студентов, снижение количества орфоэпических, орфографических, грамматических, пунктуационных и других ошибок

	Педагогические средства формирование языковой
эксперимента	компетентности будущих учителей начальных классов
Замысел эксперимента	Включение в аудиторные занятия по филологическим дисциплинам речевых тренингов и упражнений, методов, технологий и техник, формирующих языковую компетентность
Объект экспериментирования	Процесс формирования языковой компетентности будущих учителей начальных классов
Предмет экспериментирования	Педагогические средства, эффективно влияющие на формирование языковой компетентности будущих учителей начальных классов
Педагогическая	Свободное владение разными стилями речи в различных ситуациях, умелое владение словом как средством педагогического воздействия и коммуникации, богатый словарный запас, грамотность речи
Цель эксперимента	Разработать и апробировать педагогические средства, эффективно развивающие языковую компетентность будущих учителей на занятиях по филологическим дисциплинам
	1. Разработать критерии и показатели для изучения сформированное™ языковой компетентности студентов, а также методики их замеряющие и выявляющие эффективность используемых педагогических средств. 2. Определить методы, технологии, способы организации учебной деятельности, эффективно влияющие на формирование языковой компетентности будущих учителей начальных классов. 3. Спланировать занятия с использованием выявленных педагогических средств. 4. Выявить эффективность педагогических средств, используемых с целью формирования языковой компетентности при изучении филологических дисциплин
Гипотеза	Использование исследовательских методов и занятий, проводимых в форме речевых тренингов, лекций и семинаров с элементами исследовательской работы студентов позволит повысить уровень сформированное™ их языковой компетентности
Диагностический инструментарий	Оценка результатов эксперимента будет осуществляться с помощью наблюдения, анкетирования, тестирования, метода анализа продуктов деятельности студентов, выполнения диагностических упражнений и заданий
Критерии оценки ожидаемых результатов	1. Знания о языке и правилах, регламентирующих речевую деятельность. 2. Умения выразить мысль в слове четко и правильно. 3. Умение ориентироваться в коммуникативной ситуации, точно подбирать языковые средства. 4. Грамотность устной речи: - орфоэпическая грамотность;

Тема	Педагогические средства формирование языковой
эксперимента	компетентности будущих учителей начальных классов Сроки эксперимента	Февраль - май
Этапы эксперимента	1. Разработка критериев и показателей для отслеживания результатов эксперимента и выявления эффективности используемых педагогических средств. 2. Диагностика уровня сформированности языковой компетентности студентов. 3. Планирование и разработка занятий в рамках учебного курса с использованием методов, форм, технологий, техник, эффективно влияющих на формирование языковой компетентности. 4. Организация запланированных занятий, отслеживание по ходу эксперимента эффективности влияния используемых средств на промежуточные результаты формирования компетентности. 5. Проведение повторного «среза» и определение динамики формирования языковой компетентности. 6. Анализ результатов эксперимента, определение эффективности использованных педагогических средств для формирования языковой компетентности (методов, форм, технологий и др.). Внесение корректив в первоначальные замыслы, программу учебных занятий. 7. Обсуждение итогов эксперимента на заседании кафедры. Подготовка публикации и методических рекомендаций
Прогноз возможных негативных последствий	1. Пассивность и нежелание студентов осваивать новые формы на занятиях. 2. Возникновение материальных и технических трудностей
коррекции, компенсации негативных последствий	Мотивация студентов к освоению новых форм и методов, акцентирование значимости эксперимента для каждого участника

	Педагогические средства формирование языковой
эксперимента	компетентности будущих учителей начальных классов
Состав участников эксперимента	Студенты педагогического факультета и преподаватели кафедры методики преподавания филологических дисциплин в начальной школе
Функциональные обязанности	Заведующий кафедрой: включает эксперимент в план научной работы кафедры, утверждает программу и план эксперимента, информирует сотрудников кафедры о проведении эксперимента, приобщает коллег к участию в случае необходимости, помогает решать организационные и методические вопросы, помогает определить базу эксперимента. Магистрантка: составляет программу и план эксперимента, готовит необходимые методические материалы, согласовывает свою деятельность с другими преподавателями, оформляет результаты эксперимента и представляет их на заседании кафедры. Научный руководитель: оказывает научно-методическую помощь, помогает в составлении программы и плана эксперимента, согласовывает базу практики с заведующим кафедрой, контролирует ход эксперимента, выполнение его программы, помогает в оформлении результатов
База эксперимента	Группы студентов 4-го и 5-го курсов педагогического факультета ЯГПУ
Масштаб эксперимента	Продолжительность эксперимента - 3,5 месяца. Охват студентов - 76 человек; объем учебных занятий - 20 часов лекционных и практических занятий по курсу
Тип эксперимента	Формирующий
Статус эксперимента	Коллективный, внутри факультета
Форма представления результатов эксперимента для массовой практики	1. Выступление на «Школе молодых ученых» 2. Выступление на научно-практической конференции 3. Публикация статьи 4. Составление методических рекомендаций
Научно-методическое обеспечение эксперимента	Научная и методическая литература по теме, научное консультирование

Вопросы для самоконтроля и обсуждения

• 1. В чем особенности педагогического эксперимента?
• 2. Какие методы используются в ходе педагогического эксперимента?
• 3. Что необходимо предусмотреть при организации эксперимента?
• 4. Как обеспечить получение достоверных результатов эксперимента?
• 5. Какова связь понятий «опытная работа», «опытно-экспериментальная работа», «эксперимент», «инновационная деятельность»?

Практические задания

• 1. Используя программу эксперимента, представленную выше, дайте его характеристику в соответствии с классификацией экспериментов.
• 2. Проанализируйте предложенную выше программу эксперимента с точки зрения требований к нему.
• 3. Используя таблицу классификации экспериментов, представленную на рис. 3.1, охарактеризуйте эксперимент по теме своего исследования.
• 4. Составьте программу эксперимента по теме своего исследования.

• При разработке программы использованы материалы книги: Сидоренко А. С.,Новикова Т. Г. Эксперимент в образовании. М. : АПК и ПРО, 2002. С. 47-48.

В.В. Никандров указывает, что достижение главной цели эксперимента – предельно возможной однозначности в понимании связей между явлениями внутренней психической жизни и их внешними проявлениями – достигается благодаря следующим основным характеристикам эксперимента:

1) инициатива экспериментатора в проявлении интересующих его психологических фактов;

2) возможность варьирования условий возникновения и развития психических явлений;

3) строгий контроль и фиксация условий и процесса их протекания;

4) изоляция одних и акцентирование других факторов, обусловливающих изучаемые феномены, которая дает возможность выявления закономерностей их существования;

5) возможность повторения условий эксперимента для многократной проверки получаемых научных данных и их накопления;

6) варьирование условий для количественных оценок выявляемых закономерностей.

Таким образом, психологический эксперимент можно определить как метод, при котором исследователь сам вызывает интересующие его явления и изменяет условия их протекания с целью установить причины возникновения этих явлений и закономерности их развития. Кроме того, получаемые научные факты могут неоднократно воспроизводиться благодаря управляемости и строгому контролю условий, что дает возможность их проверки, а также накопления количественных данных, на основе которых можно судить о типичности или случайности изучаемых явлений.

4.2. Виды психологического эксперимента

Эксперименты бывают нескольких видов. В зависимости от способа организации выделяют лабораторный, естественный и полевой эксперименты. Лабораторный эксперимент проводится в специальных условиях. Исследователь планово и целенаправленно воздействует на объект изучения, чтобы изменить его состояние. Достоинством лабораторного эксперимента можно считать строгий контроль за всеми условиями, а также применение специальной аппаратуры для измерения. Недостатком лабораторного эксперимента является трудность переноса полученных данных на реальные условия. Испытуемый в лабораторном эксперименте всегда осведомлен о своем участии в нем, что может стать причиной мотивационных искажений.

Естественный эксперимент проводится в реальных условиях. Его достоинство состоит в том, что изучение объекта осуществляется в контексте повседневной жизни, поэтому полученные данные легко переносятся в реальность. Испытуемые не всегда проинформированы о своем участии в эксперименте, поэтому не дают мотивационных искажений. Недостатки – невозможность контроля всех условий, непредвиденные помехи и искажения.

Полевой эксперимент проводится по схеме естественного. При этом возможно использование портативной аппаратуры, позволяющей более точно регистрировать получаемые данные. Испытуемые проинформированы об участии в эксперименте, однако привычная обстановка снижает уровень мотивационных искажений.

В зависимости от цели исследования различают поисковый, пилотажный и подтверждающий эксперименты. Поисковый эксперимент направлен на поиск причинно-следственной связи между явлениями. Он проводится на начальном этапе исследования, позволяет сформулировать гипотезу, выделить независимую, зависимую и побочные переменные (см. 4.4) и определить способы их контроля.

Пилотажный эксперимент – это пробный эксперимент, первый в серии. Он проводится на небольшой выборке, без строгого контроля переменных. Пилотажный эксперимент позволяет устранить грубые ошибки в формулировке гипотезы, конкретизировать цель, уточнить методику проведения эксперимента.

Подтверждающий эксперимент направлен на установление вида функциональной связи и уточнение количественных отношений между переменными. Проводится на заключительном этапе исследования.

В зависимости от характера влияния на испытуемого выделяют констатирующий, формирующий и контрольный эксперименты. Констатирующий эксперимент включает в себя измерение состояния объекта (испытуемого или группы испытуемых) до активного воздействия на него, диагностику исходного состояния, установление причинно-следственных связей между явлениями. Целью формирующего эксперимента является применение способов активного развития или формирования каких-либо свойств у испытуемых. Контрольный эксперимент – это повторное измерение состояния объекта (испытуемого или группы испытуемых) и сравнение с состоянием до начала формирующего эксперимента, а также с состоянием, в котором находится контрольная группа, не получавшая экспериментального воздействия.

По возможности влияния экспериментатора на независимую переменную выделяют спровоцированный эксперимент и эксперимент, на который ссылаются. Спровоцированный эксперимент – это опыт, в котором экспериментатор сам изменяет независимую переменную, при этом наблюдаемые экспериментатором результаты (виды реакций испытуемого) считаются спровоцированными. П. Фресс называет данный тип эксперимента «классическим». Эксперимент, на который ссылаются, – это опыт, в котором изменения независимой переменной осуществляются без вмешательства экспериментатора. К этому виду психологического эксперимента прибегают тогда, когда независимые переменные оказывают воздействие на испытуемого, значительно растянутое во времени (например, система воспитания и т. п.). Если воздействие на испытуемого может вызвать серьезное негативное физиологическое или психологическое нарушение, то такой эксперимент проводить нельзя. Однако бывают случаи, когда негативное воздействие (например, травма головного мозга) происходит в реальности. Впоследствии такие случаи могут быть обобщены и изучены.

4.3. Структура психологического эксперимента

Главными компонентами любого эксперимента являются:

1) испытуемый (исследуемый субъект или группа);

2) экспериментатор (исследователь);

3) стимуляция (выбранный экспериментатором способ воздействия на испытуемого);

4) ответ испытуемого на стимуляцию (его психическая реакция);

5) условия опыта (дополнительные к стимуляции воздействия, которые могут влиять на реакции испытуемого).

Ответ испытуемого является внешней реакцией, по которой можно судить о протекающих в его внутреннем, субъективном пространстве процессах. Сами эти процессы есть результат воздействия на него стимуляции и условий опыта.

Если ответ (реакцию) испытуемого обозначить символом R, а воздействия на него экспериментальной ситуации (как совокупности воздействий стимуляции и условий опыта) – символом S, то их соотношение можно выразить формулой R = =f (S). То есть реакция есть функция от ситуации. Но эта формула не учитывает активную роль психики, личности человека (P). В действительности реакция человека на ситуацию всегда опосредована психикой, личностью. Таким образом, соотношение между основными элементами эксперимента может быть зафиксировано следующей формулой: R = f (Р, S).

П. Фресс и Ж. Пиаже в зависимости от задач исследования выделяют три классических типа отношений между этими тремя компонентами эксперимента: 1) функциональные отношения; 2) структурные отношения; 3) дифференциальные отношения.

Функциональные отношения характеризуются вариативностью ответов (R) испытуемого (Р) при систематических качественных или количественных изменениях ситуации (S). Графически эти отношения можно представить следующей схемой (рис. 2).

Примеры функциональных отношений, выявленных в экспериментах: изменение ощущений (R) в зависимости от интенсивности воздействия на органы чувств (S); объем запоминания (R) от числа повторений (S); интенсивность эмоционального отклика (R) на действие различных эмоциогенных факторов (S); развитие адаптационных процессов (R) во времени (S) и т. п.

Структурные отношения раскрываются через систему ответов (R1, R2, Rn) на различные ситуации (Sv S2, Sn). Отношения между отдельными ответами структурируются в систему, отражающую структуру личности (Р). Схематически это выглядит так (рис. 3).

Примеры структурных отношений: система эмоциональных реакций (Rp R2, Rn) на действие стрессоров (Sv S2, Sn); эффективность решения (R1, R2, Rn) различных интеллектуальных задач (S1, S2, Sn) и т. п.

Дифференциальные отношения выявляются через анализ реакций (R1, R2, Rn) разных испытуемых (P1, P2, Pn) на одну и ту же ситуацию (S). Схема этих отношений такова (рис. 4).

Примеры дифференциальных отношений: разница скорости реакции у разных людей, национальные различия в экспрессивном проявлении эмоций и т. п.

4.4. Экспериментальные переменные и способы их контроля

Для уточнения соотношения всех факторов, входящих в эксперимент, введено понятие «переменная». Выделяют три вида переменных: независимые, зависимые и дополнительные.

Независимые переменные. Фактор, изменяемый самим экспериментатором, называется независимой переменной (НП).

В качестве НП в эксперименте могут выступать условия, в которых осуществляется деятельность испытуемого, характеристика заданий, выполнение которых требуется от испытуемого, характеристики самого испытуемого (возрастные, половые, иные различия испытуемых, эмоциональные состояния и другие свойства испытуемого или взаимодействующих с ним людей). Поэтому принято выделять следующие типы НП: ситуационные, инструктивные и персональные.

Ситуационные НП чаще всего не входят в структуру экспериментального задания, выполняемого испытуемым. Тем не менее они оказывают непосредственное воздействие на его деятельность и могут варьироваться экспериментатором. К ситуационным НП относятся различные физические параметры, например освещенность, температура, уровень шума, а также размер помещения, обстановка, размещение аппаратуры и т. п. К социально-психологическим параметрам ситуационных НП может быть отнесено выполнение экспериментального задания в изоляции, в присутствии экспериментатора, внешнего наблюдателя или группы людей. В.Н. Дружинин указывает на особенности общения и взаимодействия испытуемого и экспериментатора как на особую разновидность ситуационных НП. Этому аспекту уделяется большое внимание. В экспериментальной психологии существует отдельное направление, которое называется «психология психологического эксперимента».

Инструктивные НП связаны непосредственно с экспериментальным заданием, его качественными и количественными характеристиками, а также способами его выполнения. Инструктивной НП экспериментатор может манипулировать более или менее свободно. Он может варьировать материал задания (например, числовой, словесный или образный), тип ответа испытуемого (например, вербальный или невербальный), шкалу оценивания и т. п. Большие возможности заключаются в способе инструктирования испытуемых, информирования их о цели экспериментального задания. Экспериментатор может изменять средства, которые предлагаются испытуемому для выполнения задания, ставить перед ним препятствия, использовать систему поощрений и наказаний в ходе выполнения задания и т. д.

Персональные НП представляют собой управляемые особенности испытуемого. Обычно в качестве таких особенностей выступают состояния участника эксперимента, которые исследователь может менять, например различные эмоциональные состояния или состояния работоспособности-утомления.

Каждый испытуемый, участвующий в эксперименте, обладает множеством уникальных физических, биологических, психологических, социально-психологических и социальных признаков, которыми экспериментатор управлять не может. В некоторых случаях следует считать эти неуправляемые признаки дополнительными переменными и применять к ним способы контроля, о которых будет рассказано ниже. Однако в дифференциально-психологических исследованиях при применении факторных планов неуправляемые персональные переменные могут выступать в качестве одной из независимых переменных (подробно о факторных планах см. 4.7).

Исследователи различают также разные виды независимых переменных. В зависимости от шкалы представления можно выделить качественные и количественные НП. Качественным НП соответствуют различные градации шкал наименований. Например, эмоциональные состояния испытуемого могут быть представлены состояниями радости, гнева, страха, удивления и т. п. Способы выполнения заданий могут включать наличие или отсутствие подсказок испытуемому. Количественные НП соответствуют ранговым, пропорциональным или интервальным шкалам. Например, время, отведенное на выполнение задания, количество заданий, размер вознаграждения по результатам решения задач могут быть использованы как количественные НП.

В зависимости от количества уровней проявления независимых переменных различают двухуровневые и многоуровневые НП. Двухуровневые НП имеют два уровня проявления, многоуровневые – три или более уровней. В зависимости от количества уровней проявления НП строятся различные по сложности экспериментальные планы.

Зависимые переменные. Фактор, изменение которого является следствием изменения независимой переменной, называется зависимой переменной (ЗП). Зависимая переменная – это компонент в составе ответа испытуемого, который непосредственно интересует исследователя. В качестве ЗП могут выступать физиологические, эмоциональные, поведенческие реакции и другие психологические характеристики, которые можно зарегистрировать в ходе психологических экспериментов.

В зависимости от способа, с помощью которого можно зарегистрировать изменения, выделяют ЗП:

S наблюдаемые непосредственно;

S требующие физической аппаратуры для измерения;

S требующие психологического измерения.

К ЗП, наблюдаемым непосредственно, относятся вербальные и невербальные поведенческие проявления, которые четко и однозначно могут быть оценены внешним наблюдателем, например отказ от деятельности, плач, определенное высказывание испытуемого и т. п. К ЗП, требующим физической аппаратуры для регистрации, относятся физиологические (пульс, величина артериального давления и т. д.) и психофизиологические реакции (время реакции, латентное время, длительность, скорость выполнения действий и т. п.). К ЗП, требующим психологического измерения, относятся такие характеристики, как уровень притязаний, уровень развития или сформированности тех или иных качеств, форм поведения и т. п. Для психологического измерения показателей могут быть использованы стандартизированные процедуры – тесты, опросники и т. п. Некоторые поведенческие параметры могут быть измерены, т. е. однозначно распознаны и интерпретированы только специально обученными наблюдателями или экспертами.

В зависимости от количества параметров, входящих в зависимую переменную, различают одномерные, многомерные и фундаментальные ЗП. Одномерная ЗП представлена единственным параметром, изменения которого и изучаются в эксперименте. Примером одномерной ЗП может служить скорость сенсомоторной реакции. Многомерная ЗП представлена совокупностью параметров. Например, внимательность может оцениваться объемом просмотренного материала, количеством отвлечений, числом правильных и ошибочных ответов и т. д. Каждый параметр может фиксироваться независимо. Фундаментальная ЗП представляет собой переменную комплексного характера, параметры которой имеют некоторые известные отношения между собой. В этом случае одни параметры выступают как аргументы, а собственно зависимая переменная – как функция. Например, фундаментальное измерение уровня агрессии может рассматриваться как функция ее отдельных проявлений (мимических, вербальных, физических и др.).

Зависимая переменная должна обладать такой базовой характеристикой, как сензитивность. Сензитивность ЗП – это ее чувствительность к изменению уровня независимой переменной. Если при изменении независимой переменной зависимая переменная не изменяется, то последняя несензитивна и проводить эксперимент в таком случае не имеет смысла. Известны два варианта проявления несензитивности ЗП: «эффект потолка» и «эффект пола». «Эффект потолка» наблюдается, например, в том случае, когда предъявляемая задача настолько проста, что ее выполняют все испытуемые независимо от возраста. «Эффект пола», напротив, возникает в том случае, когда задание настолько сложно, что с ним не может справиться ни один из испытуемых.

Существуют два основных способа фиксации изменений ЗП в психологическом эксперименте: непосредственный и отсроченный. Непосредственный способ применяется, например, в экспериментах по кратковременному запоминанию. Экспериментатор непосредственно после повторения ряда стимулов фиксирует их количество, воспроизведенное испытуемым. Отсроченный способ используется в том случае, когда между воздействием и эффектом проходит определенный промежуток времени (например, при определении влияния количества заученных иностранных слов на успешность перевода текста).

Дополнительные переменные (ДП) – это сопутствующая стимуляция испытуемого, оказывающая влияние на его ответ. Совокупность ДП состоит, как правило, из двух групп: внешних условий опыта и внутренних факторов. Соответственно их принято называть внешними и внутренними ДП. К внешним ДП относят физическую обстановку опыта (освещенность, температурный режим, звуковой фон, пространственные характеристики помещения), параметры аппаратуры и оборудования (дизайн измерительных приборов, рабочий шум и т. п.), временные параметры эксперимента (время начала, продолжительность и др.), личность экспериментатора. К внутренним ДП относят настроение и мотивацию испытуемых, их отношение к экспериментатору и опытам, их психологические установки, склонности, знания, умения, навыки и опыт в данном виде деятельности, уровень утомления, самочувствие и т. п.

В идеале исследователь стремится все дополнительные переменные свести на нет или хотя бы к минимуму, чтобы выделить «в чистом виде» связь между независимой и зависимой переменными. Существует несколько основных способов контроля влияния внешних ДП: 1) элиминация внешних воздействий; 2) константность условий; 3) балансировка; 4) контрбалансировка.

Элиминация внешних воздействий представляет собой наиболее радикальный способ контроля. Он состоит в полном исключении из внешней среды каких бы то ни было внешних ДП. В лаборатории создаются условия, изолирующие испытуемого от звуков, света, вибрационных воздействий и т. п. Наиболее ярким примером может служить эксперимент по сенсорной депривации, проводимый на добровольцах в специальной камере, полностью исключающей поступление каких-либо раздражителей из внешней среды. Следует отметить, что элиминировать воздействия ДП практически невозможно, да и не всегда нужно, так как результаты, полученные в условиях элиминации внешних воздействий, вряд ли могут быть перенесены в реальность.

Следующий способ контроля – создание константных условий. Суть этого способа состоит в том, чтобы сделать воздействия ДП постоянными и одинаковыми для всех испытуемых на протяжении всего опыта. В частности, исследователь стремится сделать постоянными пространственно-временные условия эксперимента, технику его проведения, оборудование, предъявление инструкции и т. д. При тщательном применении этого способа контроля удается избежать больших погрешностей, однако проблема переноса результатов эксперимента в условия, сильно отличающиеся от экспериментальных, остается проблематичной.

В тех случаях, когда нет возможности создать и поддерживать постоянные условия на протяжении всего эксперимента, прибегают к способу балансировки. Этот способ применяется, например, в ситуации, когда внешняя ДП не поддается идентификации. В этом случае балансировка будет состоять в использовании контрольной группы. Исследование контрольной и экспериментальной групп проводится в одних и тех же условиях с той лишь разницей, что в контрольной группе отсутствует воздействие независимой переменной. Тем самым изменение зависимой переменной в контрольной группе обусловлено лишь внешними ДП, а в экспериментальной – совместным действием внешних дополнительных и независимой переменной.

Если внешняя ДП известна, то балансировка заключается в воздействии каждого ее значения в сочетании с каждым уровнем независимой переменной. В частности, такая внешняя ДП, как пол экспериментатора, в сочетании с независимой переменной (пол испытуемого) приведет к созданию четырех экспериментальных серий:

1) мужчина-экспериментатор – мужчины испытуемые;

2) мужчина-экспериментатор – женщины испытуемые;

3) женщина-экспериментатор – мужчины испытуемые;

4) женщина-экспериментатор – женщины испытуемые.

В более сложных экспериментах может применяться балансировка нескольких переменных одновременно.

Контрбалансировка как способ контроля внешних ДП практикуется чаще всего тогда, когда эксперимент включает в себя несколько серий. Испытуемый оказывается в разных условиях последовательно, однако предыдущие условия могут изменять эффект воздействия последующих. Для ликвидации возникающего в этом случае «эффекта последовательности» разным группам испытуемых экспериментальные условия предъявляются в различном порядке. Например, в первой серии эксперимента первой группе предъявляется решение интеллектуальных задач от более простых к более сложным, а второй – от более сложных к более простым. Во второй серии, напротив, первой группе предъявляется решение интеллектуальных задач от более сложных к более простым, а второй – от более простых к более сложным. Контрбалансировка применяется в тех случаях, когда есть возможность проведения нескольких серий эксперимента, однако следует учитывать, что большое число попыток вызывает утомление испытуемых.

Внутренние ДП, как указывалось выше, – это факторы, кроющиеся в личности испытуемого. Они оказывают весьма значительное влияние на результаты эксперимента, их воздействие достаточно трудно проконтролировать и учесть. Среди внутренних ДП можно выделить постоянные и непостоянные. Постоянные внутренние ДП в течение эксперимента существенно не изменяются. Если эксперимент проводится с одним испытуемым, то постоянными внутренними ДП будут его пол, возраст, национальность. К этой группе факторов также можно отнести темперамент, характер, способности, склонности испытуемого, его интересы, взгляды, убеждения и другие компоненты общей направленности личности. В случае проведения эксперимента с группой испытуемых эти факторы приобретают характер непостоянных внутренних ДП, и тогда для нивелировки их влияния прибегают к специальным способам формирования экспериментальных групп (см. 4.6).

К непостоянным внутренним ДП относятся психологические и физиологические характеристики испытуемого, которые могут либо значительно изменяться по ходу эксперимента, либо актуализироваться (или исчезать) в зависимости от целей, задач, вида, формы организации эксперимента. Первую группу таких факторов составляют физиологические и психические состояния, утомляемость, привыкание, приобретение опыта и навыков в процессе выполнения экспериментального задания. В другую группу входят установка на данный опыт и данное исследование, уровень мотивации к данной экспериментальной деятельности, отношение испытуемого к экспериментатору и своей роли подопытного и т. п.

Для уравнивания эффекта воздействия этих переменных на ответы в разных пробах существует ряд способов, успешно применяемых в экспериментальной практике.

Для устранения так называемого серийного эффекта, в основе которого лежит привыкание, используется особая очередность предъявления стимулов. Эта процедура получила название «уравновешенного чередного порядка», когда стимулы разных категорий предъявляются симметрично относительно центра стимульного ряда. Схема такой процедуры выглядит так: А В В А, где А и В – стимулы разных категорий.

Чтобы предупредить влияние на ответ испытуемого тревожности или неопытности, проводятся ознакомительные или предварительные эксперименты. Их итоги не учитываются при обработке данных.

Для предупреждения изменчивости ответов из-за накопления опыта и навыков в процессе эксперимента испытуемому предлагается так называемая «исчерпывающая практика». В результате такой практики у испытуемого до начала собственно эксперимента вырабатываются устойчивые навыки, и в дальнейших экспериментах показатели испытуемого от фактора накопления опыта и навыков уже напрямую не зависят.

В тех случаях, когда необходимо свести к минимуму влияние на ответ испытуемого утомления, прибегают к «методу вращения». Суть его состоит в том, что каждой подгруппе испытуемых предъявляется определенная комбинация стимулов. Совокупность таких комбинаций полностью исчерпывает все множество возможных вариантов. Например, при трех типах стимулов (А, Б, В) каждому из них представляется первое, второе и третье место в предъявлении испытуемым. Таким образом, первой подгруппе стимулы предъявляются в порядке АБВ, второй – АВБ, третьей – БАВ, четвертой – БВА, пятой – ВАБ, шестой – ВБА.

Приведенные способы процедурного уравнивания внутренних непостоянных ДП применимы как для индивидуальных, так и для групповых экспериментов.

Установка и мотивация испытуемых как внутренние непостоянные ДП должны поддерживаться на одном и том же уровне во время всего опыта. Установка как готовность воспринимать раздражитель и отвечать на него определенным образом создается через инструкцию, которую экспериментатор дает испытуемому. Чтобы установка была именно такой, какая требуется по задаче исследования, инструкция должна быть доступна испытуемым и адекватна задачам эксперимента. Однозначность и легкость понимания инструкции достигаются ее ясностью и простотой. Во избежание вариативности предъявления инструкцию рекомендуется зачитывать дословно или давать в письменном виде. Поддержание исходной установки контролируется экспериментатором путем постоянного наблюдения за испытуемым и корректируется путем напоминания при необходимости соответствующих указаний инструкции.

Мотивация испытуемого рассматривается главным образом как интерес к данному эксперименту. Если интерес отсутствует или слаб, то трудно рассчитывать на полноценность выполнения испытуемым предусмотренных в эксперименте заданий и на надежность его ответов. Слишком высокий интерес, «перемотивация», также чревата неадекватностью ответов испытуемого. Поэтому для получения исходно приемлемого уровня мотивации экспериментатор должен самым серьезным образом подойти к формированию контингента испытуемых и подбору стимулирующих их мотивацию факторов. В качестве таких факторов могут выступать состязательность, различные виды вознаграждения, интерес к своим показателям, профессиональный интерес и др.

Психофизиологические состояния испытуемых рекомендуется не только поддерживать на одном уровне, но и оптимизировать этот уровень, т. е. испытуемые должны находиться в «нормальном» состоянии. Следует убедиться, что до проведения опыта у испытуемого не было сверхзначимых для него переживаний, у него достаточно времени для участия в эксперименте, он не голоден и т. п. Во время проведения эксперимента не следует излишне возбуждать или подавлять испытуемого. Если же эти условия выполнить не удается, то проведение эксперимента лучше отложить.

Из рассмотренных характеристик переменных и способов их контроля становится понятой необходимость тщательной подготовки эксперимента при его планировании. В реальных условиях экспериментирования добиться 100 %-го контроля всех переменных невозможно, однако различные психологические эксперименты значительно отличаются друг от друга степенью контроля переменных. Рассмотрению вопроса оценки качества эксперимента посвящен следующий раздел.

4.5. Валидность и надежность эксперимента

Для конструирования и оценки экспериментальных процедур используются понятия: идеальный эксперимент, эксперимент полного соответствия и бесконечный эксперимент.

Идеальный эксперимент – это эксперимент, организованный таким образом, что экспериментатор изменяет лишь независимую переменную, зависимая переменная контролируется, а все остальные условия эксперимента остаются неизменными. Идеальный эксперимент предполагает эквивалентность всех испытуемых, неизменность их характеристик во времени, отсутствие самого времени. Он никогда не может быть осуществлен в реальности, так как в жизни изменяются не только интересующие исследователя параметры, но и ряд других условий.

Соответствие реального эксперимента идеальному выражается в такой его характеристике, как внутренняя валидность. Внутренняя валидность показывает достоверность результатов, которую обеспечивает реальный эксперимент по сравнению с идеальным. Чем больше влияют на изменение зависимых переменных не контролируемые исследователем условия, тем ниже внутренняя валидность эксперимента, следовательно, больше вероятность того, что факты, обнаруженные в эксперименте, являются артефактами. Высокая внутренняя валидность – главный признак хорошо проведенного эксперимента.

Д. Кэмпбелл выделяет следующие факторы, угрожающие внутренней валидности эксперимента: фактор фона, фактор естественного развития, фактор тестирования, погрешность измерения, статистическая регрессия, неслучайный отбор, отсеивание. Если они не контролируются, то приводят к появлению соответствующих эффектов.

Фактор фона (истории) включает события, которые происходят между предварительным и окончательным измерением и могут вызвать изменения в зависимой переменной наряду с влиянием независимой переменной. Фактор естественного развития связан с тем, что изменения в уровне зависимой переменной могут возникнуть в связи с естественным развитием участников эксперимента (взросление, нарастание утомления и т. п.). Фактор тестирования заключается во влиянии предварительных измерений на результаты последующих. Фактор погрешности измерения связан с неточностью или изменениями в процедуре или методе измерения экспериментального эффекта. Фактор статистической регрессии проявляется в том случае, если для участия в эксперименте были отобраны испытуемые с крайними показателями каких-либо оценок. Фактор неслучайного отбора соответственно встречается в тех случаях, когда при формировании выборки отбор участников проводился неслучайным образом. Фактор отсеивания проявляется в том случае, если испытуемые неравномерно выбывают из контрольной и экспериментальной групп.

Экспериментатор должен учитывать и по возможности ограничивать влияние факторов, угрожающих внутренней валидности эксперимента.

Эксперимент полного соответствия – это экспериментальное исследование, в котором все условия и их изменения отвечают реальности. Приближение реального эксперимента к эксперименту полного соответствия выражается во внешней валидности. От уровня внешней валидности зависит степень переносимости результатов эксперимента в реальность. Внешняя валидность, по определению Р. Готтсданкера, влияет на достоверность выводов, которую дают результаты реального эксперимента по сравнению с экспериментом полного соответствия. Для достижения высокой внешней валидности нужно, чтобы уровни дополнительных переменных в эксперименте соответствовали их уровням в реальности. Эксперимент, который не имеет внешней валидности, считается неверным.

К факторам, угрожающим внешней валидности, относят следующие:

Реактивный эффект (заключается в уменьшении или увеличении восприимчивости испытуемых к экспериментальному влиянию вследствие предыдущих измерений);

Эффект взаимодействия отбора и влияния (состоит в том, что экспериментальное влияние будет существенным только для участников данного эксперимента);

Фактор условий эксперимента (может привести к тому, что экспериментальный эффект может наблюдаться только в данных специально организованных условиях);

Фактор интерференции влияний (проявляется при предъявлении одной группе испытуемых последовательности взаимоисключающих влияний).

Заботу о внешней валидности экспериментов особо проявляют исследователи, работающие в прикладных областях психологии – клинической, педагогической, организационной, поскольку в случае невалидного исследования его результаты ничего не дадут при переносе их в реальные условия.

Бесконечный эксперимент предполагает неограниченное количество опытов, проб для получения все более точных результатов. Увеличение количества проб в эксперименте с одним испытуемым ведет к повышению надежности результатов эксперимента. В экспериментах с группой испытуемых повышение надежности происходит при увеличении числа испытуемых. Однако суть эксперимента состоит именно в том, чтобы на основе ограниченного числа проб или при помощи ограниченной группы испытуемых выявить причинно-следственные связи между явлениями. Поэтому бесконечный эксперимент не только невозможен, но и бессмыслен. Для достижения высокой надежности эксперимента количество проб или число испытуемых должно соответствовать изменчивости изучаемого явления.

Следует отметить, что при увеличении числа испытуемых повышается и внешняя валидность эксперимента, так как его результаты могут быть перенесены на более широкую популяцию. Для проведения экспериментов с группой испытуемых необходимо рассмотреть вопрос об экспериментальных выборках.

4.6. Экспериментальные выборки

Как указывалось выше, эксперимент может проводиться либо с одним испытуемым, либо с группой испытуемых. Эксперимент с одним испытуемым проводится лишь в некоторых специфических ситуациях. Во-первых, это ситуации, когда индивидуальными различиями испытуемых можно пренебречь, т. е. испытуемым может быть любой человек (если в эксперименте изучаются его особенности в отличие, например, от животного). В других ситуациях, напротив, испытуемый представляет собой уникальный объект (гениальный шахматист, музыкант, художник и др.). Возможны также ситуации, когда от испытуемого требуется особая компетентность как результат обучения или неординарного жизненного опыта (единственный выживший в авиационной катастрофе и т. п.). Одним испытуемым ограничиваются и в тех случаях, когда повторение данного эксперимента с участием других испытуемых невозможно. Для экспериментов с одним испытуемым разработаны особые экспериментальные планы (подробно о них см. 4.7).

Чаще эксперименты проводятся с группой испытуемых. В этих случаях выборка испытуемых должна представлять собой модель генеральной совокупности, на которую затем будут распространяться результаты исследования. Первоначально исследователь решает проблему численности экспериментальной выборки. В зависимости от цели исследования и возможности экспериментатора она может составлять от нескольких испытуемых до нескольких тысяч человек. Количество испытуемых в отдельной группе (экспериментальной или контрольной) варьируется от 1 до 100 человек. Для применения статистических методов обработки рекомендуется число испытуемых в сравниваемых группах не менее 30–35 человек. Кроме того, целесообразно увеличивать количество испытуемых по крайней мере на 5-10 % от требуемого, так как часть из них или их результатов будет «отбракована» в ходе эксперимента.

Для формирования выборки испытуемых необходимо учитывать несколько критериев.

1. Содержательный. Он заключается в том, что подбор группы испытуемых должен соответствовать предмету и гипотезе исследования. (Например, бессмысленно набирать в группу испытуемых детей двухлетнего возраста для выявления уровня произвольного запоминания.) Желательно создать идеальные представления об объекте экспериментального исследования и при формировании группы испытуемых минимально отклоняться от характеристик идеальной экспериментальной группы.

2. Критерий эквивалентности испытуемых. При формировании группы испытуемых следует учесть все значимые характеристики объекта исследования, различия в выраженности которых могут существенно повлиять на зависимую переменную.

3. Критерий репрезентативности. Группа лиц, участвующих в эксперименте, должна представлять всю часть генеральной совокупности, на которую будут распространяться результаты эксперимента. Величина экспериментальной выборки определяется видом статистических мер и выбранной точностью (достоверностью) принятия или отвержения экспериментальной гипотезы.

Рассмотрим стратегии отбора испытуемых из популяции.

Случайная стратегия заключается в том, что каждому члену генеральной совокупности предоставляется равный шанс попадания в экспериментальную выборку. Для этого каждому индивиду присваивается номер, а затем с помощью таблицы случайных чисел формируется экспериментальная выборка. Данная процедура трудноосуществима, поскольку каждый представитель интересующей исследователя популяции должен быть учтен. Кроме того, случайная стратегия дает хорошие результаты при формировании экспериментальной выборки большого объема.

Стратометрический отбор используется в том случае, если в экспериментальной выборке обязательно должны быть представлены испытуемые с определенным набором характеристик (пол, возраст, уровень образования и т. п.). Выборка составляется таким образом, чтобы в ней были равно представлены испытуемые каждой страты (слоя) с заданными характеристиками.

Стратометрический случайный отбор совмещает две предыдущие стратегии. Представителям каждой страты присваиваются номера и из них случайным образом формируется экспериментальная выборка. Данная стратегия эффективна при отборе экспериментальной выборки небольшого объема.

Репрезентативное моделирование применяется в том случае, когда исследователю удается создать модель идеального объекта экспериментального исследования. Характеристики реальной экспериментальной выборки должны минимально отклоняться от характеристик идеальной экспериментальной выборки. Если исследователю известны не все характеристики идеальной модели экспериментального исследования, то применяется стратегия приближенного моделирования. Чем точнее набор критериев, описывающих популяцию, на которую предполагается распространить выводы эксперимента, тем выше его внешняя валидность.

Иногда в качестве экспериментальной выборки используются реальные группы, при этом в эксперименте либо участвуют добровольцы, либо все испытуемые привлекаются принудительно. И в том и в другом случае нарушается внешняя и внутренняя валидность.

После формирования экспериментальной выборки экспериментатор составляет план исследования. Достаточно часто эксперимент проводится с несколькими группами, экспериментальными и контрольными, которые помещаются в разные условия. Экспериментальные и контрольные группы должны быть эквивалентными на момент начала экспериментального воздействия.

Процедура подбора эквивалентных групп и испытуемых называется рандомизацией. По мнению ряда авторов, эквивалентность групп может быть достигнута при попарном отборе. В этом случае экспериментальная и контрольная группы составляются из индивидов, эквивалентных по значимым для эксперимента побочным параметрам. Идеальный вариант для попарного отбора – привлечение близнецовых пар. Рандомизация с выделением страт заключается в подборе однородных подгрупп, в которых испытуемые уравнены по всем характеристикам, кроме интересующих исследователя дополнительных переменных. Иногда для выделения значимой дополнительной переменной все испытуемые тестируются и ранжируются по уровню ее выраженности. Экспериментальная и контрольная группы формируются так, чтобы испытуемые, обладающие одинаковыми или близкими значениями переменной, попали в разные группы. Распределение испытуемых на экспериментальную и контрольную группы может проводиться и случайным методом. Как уже указывалось выше, при большой численности экспериментальной выборки этот способ дает вполне удовлетворительные результаты.

4.7. Экспериментальные планы

Экспериментальный план – это тактика экспериментального исследования, воплощенная в конкретной системе операций планирования эксперимента. Основными критериями классификации планов являются:

Состав участников (индивид или группа);

Количество независимых переменных и их уровней;

Виды шкал представления независимых переменных;

Метод сбора экспериментальных данных;

Место и условия проведения эксперимента;

Особенности организации экспериментального воздействия и способа контроля.

Планы для групп испытуемых и для одного испытуемого. Все экспериментальные планы можно разделить по составу участников на планы для групп испытуемых и планы для одного испытуемого.

Эксперименты с группой испытуемых имеют следующие преимущества: возможность обобщения результатов эксперимента на популяцию; возможность использования схем межгрупповых сравнений; экономия времени; применение методов статистического анализа. К недостаткам данного типа экспериментальных планов можно отнести: влияние индивидуальных различий между людьми на результаты эксперимента; проблему репрезентативности экспериментальной выборки; проблему эквивалентности групп испытуемых.

Эксперименты с одним испытуемым – это частный случай «планов с маленьким N». Дж. Гудвин указывает на следующие причины использования таких планов: потребности в индивидуальной валидности, так как в экспериментах с большим N возникает проблема, когда обобщенные данные не характеризуют ни одного испытуемого. Эксперимент с одним испытуемым проводится также в уникальных случаях, когда в силу ряда причин невозможно привлечь много участников. В этих случаях целью эксперимента является анализ уникальных явлений и индивидуальных характеристик.

Эксперимент с маленьким N, по мнению Д. Мартина, имеет следующие преимущества: отсутствие сложных статистических подсчетов, легкость в интерпретации результатов, возможность изучения уникальных случаев, привлечение одного-двух участников, широкие возможности манипуляции независимыми переменными. Ему свойственны и некоторые недостатки, в частности сложность процедур контроля, затруднение при обобщении результатов; относительная неэкономичность по времени.

Рассмотрим планы для одного испытуемого.

Планирование временных серий. Основным показателем влияния независимой переменной на зависимую при реализации такого плана является изменение характера ответов испытуемого во времени. Простейшая стратегия: схема А – В. Испытуемый первоначально выполняет деятельность в условиях А, а затем в условиях В. Для контроля «эффекта плацебо» применяется схема: А – В – А. («Эффект плацебо» – это реакции испытуемых на «пустые» воздействия, соответствующие реакциям на реальные воздействия.) В данном случае испытуемый не должен заранее знать, какое из условий является «пустым», а какое реальным. Однако эти схемы не учитывают взаимодействия воздействий, поэтому при планировании временных серий, как правило, применяют схемы регулярного чередования (А – В – А – В), позиционного уравнивания (А – В – В – А) или случайного чередования. Применение более «длинных» временных серий увеличивает возможность обнаружения эффекта, но приводит к ряду негативных последствий – утомлению испытуемого, снижению контроля за другими дополнительными переменными и т. п.

План альтернативных воздействий является развитием плана временных серий. Его специфика заключается в том, что воздействия А и В рандомизированно распределяются во времени и предъявляются испытуемому раздельно. Затем сравниваются эффекты от каждого из воздействий.

Реверсивный план применяется для изучения двух альтернативных форм поведения. Первоначально регистрируется базовый уровень проявления обеих форм поведения. Затем предъявляется комплексное воздействие, состоящее из специфического компонента для первой формы поведения и дополнительного для второй. Через определенное время сочетание воздействий видоизменяют. Эффект двух комплексных воздействий оценивается.

План возрастания критериев часто используется в психологии обучения. Суть его состоит в том, что регистрируется изменение поведения испытуемого в ответ на прирост воздействия. При этом следующее воздействие предъявляется лишь после выхода испытуемого на заданный уровень критерия.

При проведении экспериментов с одним испытуемым следует учитывать, что основные артефакты практически неустранимы. Кроме того, в этом случае, как ни в каком другом, проявляется влияние установок экспериментатора и отношений, которые складываются между ним и испытуемым.

Р. Готтсданкер предлагает различать качественные и количественные экспериментальные планы . В качественных планах независимая переменная представлена в номинативной шкале, т. е. в эксперименте используются два или более качественно разных условия.

В количественных экспериментальных планах уровни независимой переменной представлены в интервальных, ранговых или пропорциональных шкалах, т. е. в эксперименте используются уровни выраженности того или иного условия.

Возможна ситуация, когда в факторном эксперименте одна переменная будет представлена в количественном, а другая – в качественном виде. В таком случае план будет комбинированным.

Внутригрупповые и межгрупповые экспериментальные планы. Т.В. Корнилова определяет два типа экспериментальных планов по критерию количества групп и условий проведения эксперимента: внутригрупповые и межгрупповые. К внутригрупповым относятся планы, в которых влияние вариантов независимой переменной и измерение экспериментального эффекта происходят в одной группе. В межгрупповых планах влияние вариантов независимой переменной осуществляется в разных экспериментальных группах.

Преимуществами внутригруппового плана являются: меньшее количество участников, устранение факторов индивидуальных отличий, уменьшение общего времени проведения эксперимента, возможность доказательства статистической значимости экспериментального эффекта. К недостаткам относятся неконстантность условий и проявление «эффекта последовательности».

Преимуществами межгруппового плана являются: отсутствие «эффекта последовательности», возможность получения большего количества данных, сокращение времени участия в эксперименте для каждого испытуемого, уменьшение эффекта выбывания участников эксперимента. Главным недостатком межгруппового плана является неэквивалентность групп.

Планы с одной независимой переменной и факторные планы. По критерию количества экспериментальных воздействий Д. Мартин предлагает различать планы с одной независимой переменной, факторные планы и планы с серией экспериментов. В планах с одной независимой переменной экспериментатор манипулирует одной независимой переменной, которая может иметь неограниченное количество вариантов проявления. В факторных планах (подробно о них см. с. 120) экспериментатор манипулирует двумя и более независимыми переменными, исследует все возможные варианты взаимодействия их разных уровней.

Планы с серией экспериментов проводятся для постепенного исключения конкурирующих гипотез. В конце серии экспериментатор приходит к верификации одной гипотезы.

Доэкспериментальные, квазиэкспериментальные планы и планы истинных экспериментов. Д. Кэмпбелл предложил разделить все экспериментальные планы для групп испытуемых на следующие группы: доэкспериментальные, квазиэкспериментальные и планы истинных экспериментов. В основе этого деления лежит близость реального эксперимента к идеальному. Чем меньше артефактов провоцирует тот или иной план и чем строже контроль дополнительных переменных, тем ближе эксперимент к идеальному. Доэкспериментальные планы менее всего учитывают требования, предъявляемые к идеальному эксперименту. В.Н. Дружинин указывает, что они могут служить лишь иллюстрацией, в практике научных исследований их следует по возможности избегать. Квазиэкспериментальные планы являются попыткой учета реалий жизни при проведении эмпирических исследований, они специально создаются с отступлением от схем истинных экспериментов. Исследователь должен осознавать источники артефактов – внешних дополнительных переменных, которые он не может контролировать. Квазиэкспериментальный план применяется тогда, когда применение лучшего плана невозможно.

Систематизированные признаки доэкспериментальных, квазиэкспериментальных планов и планов истинных экспериментов приводятся в нижеследующей таблице.

При описании экспериментальных планов будем пользоваться символизацией, предложенной Д. Кэмпбеллом: R – рандомизация; X – экспериментальное воздействие; O – тестирование.

К доэксперименталъным планам относятся: 1) исследование единичного случая; 2) план с предварительным и итоговым тестированием одной группы; 3) сравнение статистических групп.

При исследовании единичного случая однократно тестируется одна группа после экспериментального воздействия. Схематично этот план можно записать в виде:

Контроль внешних переменных и независимой переменной полностью отсутствует. В таком эксперименте нет никакого материала для сравнения. Результаты могут быть сопоставлены лишь с обыденными представлениями о реальности, научной информации они не несут.

План с предварительным и итоговым тестированием одной группы часто применяется в социологических, социально-психологических и педагогических исследованиях. Его можно записать в виде:

В этом плане отсутствует контрольная группа, поэтому нельзя утверждать, что изменения зависимой переменной (разница между O1 и O2), регистрируемые в ходе тестирования, вызваны именно изменением независимой переменной. Между начальным и итоговым тестированием могут произойти и другие «фоновые» события, воздействующие на испытуемых вместе с независимой переменной. Этот план не позволяет контролировать также эффект естественного развития и эффект тестирования.

Сравнение статистических групп будет точнее назвать планом для двух неэквивалентных групп с тестированием после воздействия. Он может быть записан в таком виде:

Этот план позволяет учитывать эффект тестирования, благодаря введению контрольной группы контролировать ряд внешних переменных. Однако с его помощью невозможно учесть эффект естественного развития, так как нет материала для сравнения состояния испытуемых на данный момент с их начальным состоянием (предварительное тестирование не проводилось). Для сравнения результатов контрольной и экспериментальной групп используют t-критерий Стьюдента. Однако следует учитывать, что различия в результатах тестирования могут быть обусловлены не экспериментальным воздействием, а различием в составе групп.

Квазиэкспериментальные планы являются своеобразным компромиссом между реальностью и строгими рамками истинных экспериментов. Существуют следующие типы квазиэкспериментальных планов в психологическом исследовании: 1) планы экспериментов для неэквивалентных групп; 2) планы с предварительным и итоговым тестированием различных рандомизированных групп; 3) планы дискретных временных серий.

План эксперимента для неэквивалентных групп направлен на установление причинно-следственной зависимости между переменными, однако в нем отсутствует процедура уравнивания групп (рандомизация). Этот план может быть представлен следующей схемой:

К проведению эксперимента в данном случае привлекаются две реальные группы. Обе группы тестируются. Затем одна группа подвергается экспериментальному воздействию, а другая – нет. Затем обе группы повторно тестируются. Результаты первого и второго тестирования обеих групп сопоставляют, для сравнения используют t-критерий Стьюдента и дисперсионный анализ. Различие O2 и O4 свидетельствует о естественном развитии и фоновом воздействии. Для выявления действия независимой переменной необходимо сравнивать 6(O1 O2) и 6(O3 O4), т. е. величины сдвигов показателей. Значимость различия приростов показателей будет свидетельствовать о влиянии независимой переменной на зависимую. Этот план аналогичен плану истинного эксперимента для двух групп с тестированием до и после воздействия (см. с. 118). Главным источником артефактов является различие в составе групп.

План с предварительным и итоговым тестированием различных рандомизированных групп отличается от плана истинного эксперимента тем, что предварительное тестирование проходит одна группа, а итоговое – эквивалентная группа, которая подверглась воздействию:

Главный недостаток этого квазиэкспериментального плана – невозможность контролировать эффект «фона» – влияние событий, происходящих наряду с экспериментальным воздействием в период между первым и вторым тестированием.

Планы дискретных временных серий подразделяются на несколько видов в зависимости от количества групп (одной или нескольких), а также в зависимости от количества экспериментальных воздействий (одиночного или серии воздействий).

План дискретных временных серий для одной группы испытуемых состоит в том, что первоначально определяется исходный уровень зависимой переменной на группе испытуемых с помощью серии последовательных замеров. Затем применяют экспериментальное воздействие и проводят серию аналогичных замеров. Сравнивают уровни зависимой переменной до и после воздействия. Схема этого плана:

Главный недостаток плана дискретных временных серий в том, что он не дает возможности отделить результат влияния независимой переменной от влияния фоновых событий, которые происходят в течение исследования.

Модификацией этого плана является квазиэксперимент по схеме временных серий, в котором воздействие перед замером чередуется с отсутствием воздействия перед замером. Его схема такова:

ХO1 – O2ХO3 – O4 ХO5

Чередование может быть регулярным или случайным. Этот вариант подходит лишь в том случае, когда эффект воздействия обратим. При обработке данных, полученных в эксперименте, серии разбивают на две последовательности и сравнивают результаты замеров, где было воздействие, с результатами замеров, где оно отсутствовало. Для сравнения данных используется t-критерий Стьюдента с числом степеней свободы n – 2, где n – число ситуаций одного типа.

Планы временных серий часто реализуются на практике. Однако при их применении нередко наблюдается так называемый «эффект Хотторна». Впервые его обнаружили американские ученые в 1939 г., когда проводили исследование на заводе Хотторна в Чикаго. Предполагалось, что изменение системы организации труда позволит повысить его производительность. Однако в ходе эксперимента любые изменения в организации труда приводили к повышению его производительности. В результате оказалось, что само по себе участие в эксперименте повысило мотивацию к труду. Испытуемые поняли, что ими лично интересуются, и стали работать продуктивнее. Чтобы контролировать этот эффект, должна использоваться контрольная группа.

Схема плана временных серий для двух неэквивалентных групп, из которых одна не получает воздействия, выглядит так:

O1O2O3O4O5O6O7O8O9O10

O1O2O3O4O5O6O7O8O9O10

Такой план позволяет контролировать эффект «фона». Обычно он используется исследователями при изучении реальных групп в образовательных учреждениях, клиниках, на производстве.

Еще один специфический план, который нередко используется в психологии, называют экспериментом ex-post-facto. Он часто применяется в социологии, педагогике, а также в нейропсихологии и клинической психологии. Стратегия применения этого плана состоит в следующем. Экспериментатор сам не воздействует на испытуемых. В качестве воздействия выступает некоторое реальное событие из их жизни. Экспериментальная группа состоит из «испытуемых», подвергшихся воздействию, а контрольная группа – из людей, не испытавших его. При этом группы по возможности уравниваются на момент своего состояния до воздействия. Затем проводится тестирование зависимой переменной у представителей экспериментальной и контрольной групп. Данные, полученные в результате тестирования, сопоставляются и делается вывод о влиянии воздействия на дальнейшее поведение испытуемых. Тем самым план ex-post-facto имитирует схему эксперимента для двух групп с их уравниванием и тестированием после воздействия. Его схема такова:

Если удается достичь эквивалентности групп, то этот план становится планом истинного эксперимента. Он реализуется во многих современных исследованиях. Например, при изучении посттравматического стресса, когда люди, перенесшие воздействия природной или техногенной катастрофы, или участники боевых действий тестируются на наличие посттравматического синдрома, их результаты сопоставляются с результатами контрольной группы, что позволяет выявить механизмы возникновения подобных реакций. В нейропсихологии травмы головного мозга, поражения определенных структур, рассматриваемые как «экспериментальное воздействие», предоставляют уникальную возможность для выявления локализации психических функций.

Планы истинных экспериментов для одной независимой переменной отличаются от других следующим:

1) использованием стратегий создания эквивалентных групп (рандомизация);

2) наличием как минимум одной экспериментальной и одной контрольной групп;

3) итоговым тестированием и сравнением результатов групп, получавших и не получавших воздействие.

Рассмотрим подробнее некоторые экспериментальные планы для одной независимой переменной.

План для двух рандомизированных групп с тестированием после воздействия. Его схема выглядит так:

Этот план применяют в том случае, если нет возможности или необходимости проводить предварительное тестирование. При равенстве экспериментальной и контрольной групп данный план является наилучшим, поскольку позволяет контролировать большинство источников артефактов. Отсутствие предварительного тестирования исключает как эффект взаимодействия процедуры тестирования и экспериментального задания, так и сам эффект тестирования. План позволяет контролировать влияние состава групп, стихийного выбывания, влияние фона и естественного развития, взаимодействие состава группы с другими факторами.

В рассмотренном примере использовался один уровень воздействия независимой переменной. Если же она имеет несколько уровней, то количество экспериментальных групп увеличивается до числа уровней независимой переменной.

План для двух рандомизированных групп с предварительным и итоговым тестированием. Схема плана выглядит следующим образом:

R O1 Х O2

Этот план применяется в том случае, если существуют сомнения в результатах рандомизации. Главный источник артефактов – взаимодействие тестирования и экспериментального воздействия. В реальности также приходится сталкиваться с эффектом неодновременности тестирования. Поэтому наилучшим считается проведение тестирования членов экспериментальной и контрольной групп в случайном порядке. Предъявление-непредъявление экспериментального воздействия также лучше проводить в случайном порядке. Д. Кэмпбелл отмечает необходимость контроля «внутригрупповых событий». Данный экспериментальный план хорошо контролирует эффект фона и эффект естественного развития.

При обработке данных обычно используются параметрические критерии t и F (для данных в интервальной шкале). Вычисляют три значения t: 1) между O1 и O2; 2) между O3 и O4; 3) между O2 и O4. Гипотезу о значимости влияния независимой переменной на зависимую можно принять в том случае, если выполняются два условия: 1) различия между O1 и O2 значимы, а между O3 и O4 незначимы и 2) различия между O2 и O4 значимы. Иногда удобнее сравнивать не абсолютные значения, а величины прироста показателей б(1 2) и б (3 4). Эти значения также сравниваются по t-критерию Стьюдента. В случае значимости различий принимается экспериментальная гипотеза о влиянии независимой переменной на зависимую.

План Соломона представляет собой объединение двух предыдущих планов. Для его реализации необходимы две экспериментальные (Э) и две контрольные (К) группы. Его схема выглядит так:

С помощью этого плана можно контролировать эффект взаимодействия предварительного тестирования и эффект экспериментального воздействия. Эффект экспериментального воздействия выявляется при сравнении показателей: O1 и O2; O2 и O4; O5 и O6; O5 и O3. Сравнение O6, O1 и O3 позволяет выявить влияние фактора естественного развития и фоновых воздействий на зависимую переменную.

Теперь рассмотрим план для одной независимой переменной и нескольких групп.

План для трех рандомизированных групп и трех уровней независимой переменной применяется в тех случаях, когда необходимо выявление количественных зависимостей между независимой и зависимой переменными. Его схема выглядит так:

При реализации этого плана каждой группе предъявляется лишь один уровень независимой переменной. При необходимости можно увеличить количество экспериментальных групп в соответствии с количеством уровней независимой переменной. Для обработки данных, полученных с помощью такого экспериментального плана, могут применяться все вышеперечисленные статистические методы.

Факторные экспериментальные планы применяются для проверки сложных гипотез о взаимосвязях между переменными. В факторном эксперименте проверяются, как правило, два типа гипотез: 1) гипотезы о раздельном влиянии каждой из независимых переменных; 2) гипотезы о взаимодействии переменных. Факторный план заключается в том, чтобы все уровни независимых переменных сочетались друг с другом. Число экспериментальных групп при этом равно числу сочетаний.

Факторный план для двух независимых переменных и двух уровней (2 х 2). Это наиболее простой из факторных планов. Его схема выглядит так.

Данный план выявляет эффект воздействия двух независимых переменных на одну зависимую. Экспериментатор сочетает возможные переменные и уровни. Иногда используются четыре независимые рандомизированные экспериментальные группы. Для обработки результатов применяется дисперсионный анализ по Фишеру.

Существуют более сложные версии факторного плана: 3 х 2 и 3 х 3 и т. д. Дополнение каждого уровня независимой переменной увеличивает число экспериментальных групп.

«Латинский квадрат». Является упрощением полного плана для трех независимых переменных, имеющих два и более уровней. Принцип латинского квадрата состоит в том, что два уровня разных переменных встречаются в экспериментальном плане только один раз. Тем самым значительно сокращаются количество групп и экспериментальная выборка в целом.

Например, для трех независимых переменных (L, M, N) с тремя уровнями у каждой (1, 2, 3 и N(A, В, С)) план по методу «латинского квадрата» будет выглядеть так.

В этом случае уровень третьей независимой переменной (А, В, С) встречается в каждой строке и в каждой колонке по одному разу. Комбинируя результаты по строкам, столбцам и уровням, можно выявить влияние каждой из независимых переменных на зависимую, а также степень попарного взаимодействия переменных. Применение латинских букв А, В, С для обозначения уровней третьей переменной традиционно, поэтому метод и получил название «латинский квадрат».

«Греко-латинский квадрат». Этот план применяется в случае, если необходимо исследовать влияние четырех независимых переменных. Он строится на основе латинского квадрата для трех переменных, при этом к каждой латинской группе плана присоединяется греческая буква, обозначающая уровни четвертой переменной. Схема для плана с четырьмя независимыми переменными, каждая из которых имеет три уровня, будет выглядеть так:

Для обработки данных, полученных в плане «греко-латинский квадрат», применяется метод дисперсионного анализа по Фишеру.

Главная проблема, которую позволяют решить факторные планы, – определение взаимодействия двух и более переменных. Эту задачу невозможно решить, применяя несколько обычных экспериментов с одной независимой переменной. В факторном плане вместо попыток «очистить» экспериментальную ситуацию от дополнительных переменных (с угрозой для внешней валидности) экспериментатор приближает ее к реальности, вводя некоторые дополнительные переменные в разряд независимых. При этом анализ связей между изучаемыми признаками позволяет выявить скрытые структурные факторы, от которых зависят параметры измеряемой переменной.

4.8. Корреляционные исследования

Теория корреляционного исследования разработана английским математиком К. Пирсоном. Стратегия проведения такого исследования заключается в том, что управляемое воздействие на объект отсутствует. План корреляционного исследования несложен. Исследователь выдвигает гипотезу о наличии статистической связи между несколькими психическими свойствами индивида. При этом предположение о причинной зависимости не обсуждается.

Корреляционным называется исследование, проводимое для подтверждения или опровержения гипотезы о статистической связи между несколькими (двумя или более) переменными. В психологии в качестве переменных могут выступать психические свойства, процессы, состояния и т. п.

Корреляционные связи. «Корреляция» в прямом переводе означает соотношение. Если изменение одной переменной сопровождается изменением другой, то говорят о корреляции этих переменных. Наличие корреляции двух переменных не является свидетельством наличия причинно-следственных зависимостей между ними, но дает возможность выдвинуть такую гипотезу. Отсутствие корреляции позволяет опровергнуть гипотезу о причинно-следственной связи переменных.

Различают несколько типов корреляционных связей:

Прямая корреляционная связь (уровень одной переменной непосредственно соответствует уровню другой переменной);

Корреляция, обусловленная третьей переменной (уровень одной переменной соответствует уровню другой переменной в силу того, что обе эти переменные обусловлены третьей, общей переменной);

Случайная корреляция (не обусловлена никакой переменной);

Корреляция, обусловленная неоднородностью выборки (если выборка состоит двух неоднородных групп, то может быть получена корреляционная связь, не существующая в генеральной совокупности).

Корреляционные связи бывают следующих видов:

– положительная корреляция (повышение уровня одной переменной сопровождается повышением уровня другой переменной);

– отрицательная корреляция (рост уровня одной переменной сопровождается снижением уровня другой);

– нулевая корреляция (свидетельствует об отсутствии связи переменных);

– нелинейная связь (в определенных пределах повышение уровня одной переменной сопровождается повышением уровня другой, а при других параметрах – наоборот. Большинство психологических переменных имеют именно нелинейную связь).

Планирование корреляционного исследования. План корреляционного исследования является разновидностью квазиэкспериментального плана при отсутствии воздействия независимой переменной на зависимые. Корреляционное исследование разбивается на серию независимых измерений в группе испытуемых. В случае простого корреляционного исследования группа однородна. В случае сравнительного корреляционного исследования мы имеем несколько подгрупп, различающихся по одному или нескольким критериям. Результаты таких измерений дают матрицу вида Р х О. Обрабатываются данные корреляционного исследования путем вычисления корреляций по строкам или по столбцам матрицы. Корреляция по строкам дает сравнение испытуемых. Корреляция столбцов дает информацию о связи измеряемых переменных. Часто выявляются временные корреляции, т. е. изменение структуры корреляций во времени.

Ниже рассмотрены основные типы корреляционного исследования.

Сравнение двух групп. Применяется для установления сходства или различия двух естественных или рандомизированных групп по выраженности того или иного параметра. Средние результаты у двух групп сравнивают с помощью t-критерия Стьюдента. При необходимости для сравнения дисперсий показателя в двух группах также может быть использован t-критерий Фишера (см. 7.3).

Одномерное исследование одной группы в разных условиях. План этого исследования близок к экспериментальному. Но в случае корреляционного исследования мы не управляем независимой переменной, а лишь констатируем изменение поведения индивида в разных условиях.

Корреляционное исследование попарно эквивалентных групп. Этот план используется при исследовании близнецов методом внутрипарных корреляций. Близнецовый метод основывается на следующих положениях: генотипы монозиготных близнецов сходны на 100 %, а дизиготных близнецов – на 50 %, среда развития как дизиготных, так и монозиготных пар одинакова. Дизиготные и монозиготные близнецы разбиваются на группы: в каждой – один близнец из пары. У близнецов обеих групп измеряется интересующий исследователя параметр. Затем вычисляются корреляции между параметрами (О -корреляция) и между близнецами (Р -корреляция). Сравнивая внутрипарные корреляции монозиготных и дизиготных близнецов, можно выявить доли влияния среды и генотипа на развитие того или иного признака. Если корреляция монозиготных близнецов надежно выше корреляции дизиготных близнецов, то можно говорить о существующей генетической детерминации признака, в противном случае говорят о средовой детерминации.

Многомерное корреляционное исследование. Проводится для проверки гипотезы о связи нескольких переменных. Отбирается экспериментальная группа, которая тестируется по определенной программе, состоящей из нескольких тестов. Данные исследования заносятся в таблицу «сырых» данных. Затем эта таблица обрабатывается, подсчитываются коэффициенты линейных корреляций. Корреляции оцениваются на статистические различия.

Структурное корреляционное исследование. Исследователь выявляет различие в уровне корреляционных зависимостей между одними и теми же показателями, измеренными у представителей разных групп.

Лонгитюдное корреляционное исследование. Оно строится по плану временных серий с тестированием группы через заданные промежутки времени. В отличие от простого лонгитюда исследователя интересуют изменения не столько самих переменных, сколько связей между ними.

Методика - это совокупное и. мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.

При разработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать:

Проведение предварительного целенаправленного наблюдения над изучаемым объектом или явлением с целью определения исходных данных (гипотез, выбора варьирующих факторов);

Создание условий, в которых возможно экспериментирование (подбор объектов для экспериментального воздействия, устранение влияния случайных факторов);

Определение пределов измерений; систематическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фактов;

Проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами;

Создание повторяющихся ситуаций, изменение характера условий и перекрестные воздействия, создание усложненных ситуаций с целью подтверждения или опровержения ранее полученных данных;

Переход от эмпирического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного фактического материала.

Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который включает:

Цель и задачи эксперимента;

Выбор варьирующих факторов;

Обоснование объема эксперимента, числа опытов;

Порядок реализации опытов, определение последовательности изменения факторов;

Выбор шага изменения факторов, задание интервалов между будущими экспериментальными точками;

Обоснование средств измерений;

Описание проведения эксперимента;

Обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Результаты экспериментов должны отвечать трем статистическим требованиям:

Требование эффективности оценок, т.е. минимальность дисперсии отклонения относительно неизвестного параметра;

Требование состоятельности оценок, т.е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению;

Требование несмещенности оценок - отсутствие систематических ошибок в процессе вычисления параметров.

Важнейшей проблемой при проведении и обработке эксперимента является совместимость этих трех требований.

Элементы теории планирования эксперимента

Математическая теория эксперимента определяет условия оптимального проведения исследования, в том числе и при неполном знании физической сущности явления. Для этого используются математические методы при подготовке и проведении опытов, что позволяет исследовать и оптимизировать сложные системы и процессы, обеспечивать высокую эффективность эксперимента и точность определения исследуемых факторов.

Эксперименты обычно ставятся небольшими сериями по заранее согласованному алгоритму. После каждой небольшой серии опытов производится обработка результатов наблюдений и принимается строго обоснованное решение о том, что делать дальше.

При использовании методов математического планирования эксперимента возможно:

Решать различные вопросы, связанные с изучением сложных процессов и явлений;

Проводить эксперимент с целью адаптации технологического процесса к изменяющимся оптимальным условиям его протекания и обеспечивать таким образом высокую эффективность его осуществления и др.

Теория математического эксперимента содержит ряд концепций, которые обеспечивают успешную реализацию задач исследования:

Концепция рандомизации;

Концепция последовательного эксперимента;

Концепция математического моделирования;

Концепция оптимального использования факторного пространства и ряд других.

Принцип рандомизации заключаетсяв том, что в план эксперимента вводят элемент случайности. Для этого план эксперимента составляется таким образом, чтобы те систематические факторы, которые трудно поддаются контролю, учитывались статистически и затем исключались в исследованиях как систематические ошибки.

При последовательном проведении эксперимент выполняется не одновременно, а поэтапно, с тем, чтобы результаты каждого этапа анализировать и принимать решение о целесообразности проведения дальнейших исследований (рис.2.1 ). В результате эксперимента получают уравнение регрессии, которое часто называют моделью процесса.

Для конкретных случаев математическая модель создается исходя из целевой направленности процесса и задач исследования, с учетом требуемой точности решения и достоверности исходных данных.

Важное место в теории планирования эксперимента занимают вопросы оптимизации исследуемых процессов, свойств многокомпонентных систем или других объектов.

Как правило, нельзя найти такое сочетание значений влияющих факторов, при котором одновременно достигается экстремум всех функций отклика. Поэтому в большинстве случаев за критерий оптимальности выбирают лишь одну из переменных состояния функцию отклика, характеризующую процесс, а остальные принимают приемлемыми для данного случая.

Методы планирования эксперимента в настоящее время быстро развиваются, чему способствует возможность широкого использования ЭВМ.

Вычислительным экспериментом называется методология и технология исследований, основанные на применении прикладной математики и электронно-вычислительных машин как технической базы при использовании математических моделей.

Таким образом, вычислительный эксперимент основывается на создании математических моделей изучаемых объектов, которые формируются с помощью некоторой особой математической структуры, способной отражать свойства объекта, проявляемые им в различных экспериментальных условиях.

Однако эти математические структуры превращаются в модели лишь тогда, когда элементам структуры дается физическая интерпретация, когда устанавливается соотношение между параметрами математической структуры и экспериментально определенными свойствами объекта, когда характеристики элементов модели и самой модели в целом находят соответствие свойствам объекта.

Таким образом, математические структуры вместе с описанием соответствия экспериментально обнаруженным свойствам объекта и являются моделью изучаемого объекта, отражая в математической, символической (знаковой) форме объективно существующие в природе зависимости, связи и законы.

Каждый вычислительный эксперимент основывается как на математической модели, так и на приемах вычислительной математики. Современная вычислительная математика состоит из многих разделов развивающихся вместе с развитием электронно-вычислительной техники.

На основе математического моделирования и методов вычислительной математики создались теория и практика вычислительного эксперимента, технологический цикл которого принято разделять на следующие этапы.

1. Для исследуемого объекта строится модель, обычно сначала физическая, фиксирующая разделение всех действующих и рассматриваемом явлении факторов на главные и второстепенные, которые на данном этапе исследования отбрасываются.

2. Разрабатывается метод расчета сформулированной математической задачи. Эта задача представляется в виде совокупности алгебраических формул, по которым должны вестись вычисления и условия, показывающие последовательность применения этих формул; набор этих формул и условий носит название вычислительного алгоритма.

Вычислительный эксперимент имеет многовариантный характер, так как решения поставленных задач часто зависят от многочисленных входных параметров.

В связи с этим при организации вычислительного эксперимента можно использовать эффективные численные методы.

3. Разрабатываются алгоритм и программа решения задачи на ЭВМ. Программирование решений определяется теперь не только искусством и опытом исполнителя, а перерастает в самостоятельную науку со своими принципиальными подходами.

4. Проведение расчетов на ЭВМ. Результат получается в виде некоторой цифровой информации, которую далее необходимо будет расшифровать. Точность информации определяется при вычислительном эксперименте достоверностью модели, положенной в основу эксперимента, правильностью алгоритмов и программ (проводятся предварительные «тестовые» испытания).

5. Обработка результатов расчетов, их анализ и выводы. На этом этапе могут возникнуть необходимость уточнения математической модели (усложнения или, наоборот, упрощения), предложения по созданию упрощенных инженерных способов решения и формул, дающих возможности получить необходимую информацию более простым способом.

Вычислительный эксперимент приобретает исключительное значение в тех случаях, когда натурные эксперименты и построение физической модели оказываются невозможными.

В науке и технике известно немало областей, в которых вычислительный эксперимент оказывается единственно возможным при исследовании сложных систем.