Классификация экспериментов — Логика и методология научных исследований

Людмила Островская
Использование инновационных технологий в экспериментированиии

«Усваивается все крепко и надолго,

когда ребенок слышит, видит и делает сам»

(Р. Эмерсон)

В настоящее время в образовательном процессе на первый план выдвигается идея саморазвития личности, ее готовности к самостоятельной деятельности. меняются функции педагога. Теперь педагог не информатор, а организатор интеллектуального поиска, эмоционального переживания и практического действия. Для этого педагогам необходимо осваивать и внедрять в свою работу новые педагогические методики и технологии, формирующие активную роль воспитанника.

Используемые педагогами современные образовательные технологии (здоровьесберегающие, ИКТ, игровые и театральные, технология развивающего обучения, интеллектуально-творческого развития детей, проектные технологии) выступают в качестве инструмента, направленного на освоение детьми педагогического содержания в образовательном процессе, позволяют достичь высокого уровня развития личности каждого ребёнка, его духовной и нравственной сферы, потребностей, знаний, интересов, умений и навыков, коммуникативных качеств, соответствующих возрастным особенностям.

Развитие исследовательских способностей ребенка –одна из важнейших задач современного образования. Знания, полученные в результате собственного эксперимента, исследовательского поиска значительно прочнее и надежнее для ребенка тех сведений о мире, что получены репродуктивным путем. В дошкольном возрасте экспериментирование является ведущим, а в первые три года -практически единственным способом познания мира, уходя своими корнями в манипулирование предметами, о чем неоднократно говорил Л. С. Выготский.

Современные исследователи (Савенков А. И., Иванова А. И., Куликовская И. Э., Дыбина О. В. и др.) рекомендуют использовать метод экспериментирования и в работе с детьми дошкольного возраста.

Главное достоинство этого метода заключается в том, что он дает детям реальные представления о различных сторонах изучаемого объекта, о его взаимоотношениях с другими объектами и со средой обитания. Экспериментирование пронизывает все сферы детской деятельности, обогащая память ребенка, активизируя мыслительные процессы, стимулируя развитие речи, становится стимулом личностного развития дошкольника. Экспериментальная деятельность дошкольников получила новый толчок в развитии с введением Федерального Государственного стандарта дошкольного образования.В требованиях к выпускнику детского сада выделены следующие интегративные качества: «Интересуется новым, неизвестным в окружающем мире (мире предметов и вещей, мире отношений и своем внутреннем мире). Задает вопросы взрослому, любит экспериментировать. Способен самостоятельно действовать

(в повседневной жизни, в различных видах детской деятельности). В случаях затруднений обращается за помощью к взрослому. Принимает живое, заинтересованное участие в образовательном процессе».

Ребенок-дошкольник сам по себе уже является исследователем, проявляя живой интерес к различного рода исследовательской деятельности, в частности – к экспериментированию. К старшему дошкольному возрасту заметно возрастают возможности поисковой, исследовательской деятельности, направленной на «открытие» нового, развивающая продуктивные формы мышления. При этом главным фактором выступает характер деятельности.

В реальной действительности в дошкольных образовательных учреждениях данный метод (экспериментирование) применяется неоправданно редко. Несмотря на многие позитивные стороны, он пока не получил широкого распространения.

Учитывая ее практическую значимость для всестороннего развития ребенка, можно выделить следующие цели и задачи, призванные восполнить данный пробел в непосредственно образовательной деятельности дошкольников.

Цель: Способствовать развитию у детей познавательной активности, любознательности, потребности в умственных впечатлениях детей, стремления к самостоятельному познанию и размышлению.

Для достижения поставленной цели можно определить следующие задачи:

1.Расширение представлений детей об окружающем мире через знакомство с элементарными знаниями из различных областей наук:

• развитие у детей представления о химических свойствах веществ;

• выделение веществ из неоднородной смеси путем отстаивания, фильтрования;

• развитие у детей элементарных представлений об основных физических свойствах и явлениях (магнетизм, оптика, звук, температура, состояние веществ, сила тяготения, трения, а также электричество и инерция);

• развитие представлений о свойствах (вода, песок, глина, воздух, камень);

• развитие элементарных математических представлений (о мерке – как способе измерения объема, массы, длины; о мерах измерения длины);

1. Формирование у детей умений пользоваться приборами-помощниками при проведении экспериментов.

2.Развитие у детей познавательных способностей:

— мыслительных операций: анализ, классификация, сравнение, обобщение;

• способов познания путем сенсорного анализа.

1.Развитие ребенка в социально-личностном направлении:

• развитие коммуникативности;

• совершенствование самостоятельности, наблюдательности;

• развитие элементарного самоконтроля и саморегуляции своих действий.

1. Активизировать работу по повышению уровня представлений детей о неживой природе через взаимодействие с семьёй.

Работу по опытно – экспериментальную деятельности с детьми можно выстроить по трём взаимосвязанным направлениям:

• живая природа (характерные особенности сезонов, многообразие живых организмов, как приспособление к окружающей среде и др.);

• неживая природа (воздух, вода, почва, свет, цвет, теплота и др.);

• человек (функционирование организма;рукотворный мир: материалы и их свойства, преобразование предметов и явлений и др.)

Все темы усложняются по содержанию, по задачам, способам их реализации (информационный, действенно – мыслительный, преобразовательный).При выборе темы надо соблюдать следующие правила:

1. Тема должна быть интересной ребёнку, должна увлекать его.

2. Тема должна быть выполнима, решение её должно принести реальную пользу участникам исследования (ребёнок должен раскрыть лучшие стороны своего интеллекта, получить новые полезные знания, умения и навыки).

3. Тема должна быть оригинальной, в ней необходим элемент неожиданности, необычности.

В условиях детского сада используются только элементарные опыты и эксперименты.Их элементарность заключается:

Во — первых,в характере решаемых задач: они неизвестны только детям.

Во – вторых, в процессе этих опытов не происходит научных открытий, а формируются элементарные понятия и умозаключения.

В — третьих, они практически безопасны.

В — четвертых, в такой работе используется обычное бытовое, игровое и нестандартное оборудование.

При проведении опытов придерживаюсь следующей структуры:

• Постановка проблемы;

• Поиск путей решения проблемы;

• Проверка гипотез, предположений;

• Обсуждение увиденных полученных результатов;

• Формулировка выводов;

Такой алгоритм работы позволяет активизировать мыслительную деятельность, побуждает детей к самостоятельным исследованиям.

Для положительной мотивации деятельности детей используют различные стимулы:

• внешние стимулы (новизна, необычность объекта);

• тайна, сюрприз;

• мотив помощи;

• познавательный момент (почему так);

• ситуация выбора.

Немаловажное значение в развитии детской активности имеет хорошо оборудованная, насыщенная предметно-пространственная среда, которая стимулирует самостоятельную исследовательскую деятельность ребенка, создает оптимальные условия для активизации хода саморазвития. В связи с этим надо оформить центр экспериментирования, в котором создаются условия для совместного и самостоятельного экспериментирования, развития поисковой активности детей. В центре должно быть разнообразное оборудование. Грамотное сочетание материалов и оборудования в уголке экспериментирования способствуют овладению детьми средствами познавательной деятельности, способам действий, обследованию объектов, расширению познавательного опыта.

Опытно – экспериментальная деятельность пронизывает все сферы детской жизни, в том числе и игровую деятельность. Игра в исследовании часто перерастает в реальное творчество. В работе с детьми придается большое значение игровым технологиям, используя дидактические игры: «Угадай по запаху», «Угадай, кто позвал?», «Чудесный мешочек», «Свет,» и другие.

Словесные игры: «Что лишнее?», «Хорошо-плохо», «Это кто к нам пришёл?» и др. развивают у детей внимание, воображение, повышают знания об окружающем мире.

Строительные игры с песком, водой помогают решить многие проблемные ситуации,например: почему сухой песок сыплется, а мокрый — нет; где быстрее прорастёт зёрнышко в земле или песке; каким вещам вода на пользу, а каким во вред? Все эти вопросы заставляют малышей думать, сопоставлять и делать выводы.

Основной формой детской экспериментальной деятельности являются опыты.Дети с огромным удовольствием выполняют опыты с объектами неживой природы: песком, глиной, снегом, воздухом, камнями, водой, магнитом и пр. Например,можно поставить проблему: слепить фигурку из мокрого и сухого песка. Дети рассуждают, какой песок лепится, почему. Рассматривая песок через лупу, обнаруживают, что он состоит из мелких кристалликов — песчинок, этим объясняется свойство сухого песка — сыпучесть.По теме: «Волшебница Вода»проводили опыты: «Наливаем — выливаем», «Снежинка на ладошке», «Превращение воды в лёд» и др. В процессе проведения опытов, как правило, все дети принимают активное участие. Такие опыты чем-то напоминают ребятам фокусы, они необычны, а главное — они всё проделывают сами. Тем самым мы развиваем у детей любознательность, наблюдательность, и умения находить пути решения проблемных ситуаций.

Выводы можно делать в словесной форме, а иногда избирать другие способы, например, фиксирование результатов графически, т. е. оформление в рисунках, схемах.

Методы и приемы работы

В работе используются как традиционные методы, так и инновационные.

Традиционные методы,которые прошли проверку временем и широко применяются:

— Наглядные (наблюдения, иллюстрации, просмотр видео презентаций об изучаемых явлениях и др.). В зависимости от характера познавательных задач в практической деятельности используютнаблюдения разного вида:

– распознающего характера, в ходе которых формируются знания о свойствах и качествах предметов и явлений;

– за изменением и преобразованием объектов;

— Словесные (беседы, чтение художественной литературы, использование фольклорных материалов).

— Практические методы. Большое значение придавалось ведущей форме деятельности детей – игре (игры-опыты, игры-эксперименты, дидактические игры, сюжетно-ролевые игры с элементами экспериментирования, настольно-печатные игры, игры с элементами ТРИЗ. Развивать положительные эмоции помогали игры-превращения, фокусы, занимательные опыты.

Инновационные методы:

— Использование элементов ТРИЗ. При проведении опытов по знакомству детей с разными агрегатными состояниями воды можно использовать прием «маленькие человечки» для обозначения жидкого, твердого и газообразного состояния воды.

— Метод игрового проблемного обучения заключается в проигрывании на занятиях и в совместной деятельности с детьми проблемных ситуаций, которые стимулируют познавательную активность детей и приучают их к самостоятельному поиску решений проблемы.

— При проведении НОД используются отдельные приемы мнемотехники — мнемотаблицы и коллажи;

• Использование инновационных технологий воспитания и обучения дошкольников. В процессе экспериментирования применяю компьютерные и мультимедийные средства обучения, что стимулирует познавательный интерес дошкольников. Намного интереснее не просто послушать рассказ воспитателя о каких-то объектах или явлениях, а посмотреть на них собственными глазами. Насколько захватывающие картинки можно увидеть на экране с помощью мультимедийной презентации, какие удивительные открытия сделает маленький естествоиспытатель.

Современные средства обучения, в том числе мультимедийные средства очень увлекательны. Однажды заинтересовавшись ими ребенок может пронести свою любовь к исследованиям через всю жизнь. И какой бы деятельности не посвятили себя дети в будущем, детские эксперименты оставят неизгладимое впечатление на всю жизнь.

Используя в работе вышеуказанные инновационные образовательные технологии, педагог помогает воспитанникам научиться пользоваться тем, что заложила в него природа, учит не растерять этот ценный дар.

На практике при планировании опытов ставится задача определения вида уравнения регрессии для их описания. Затем находят значения коэффициентов уравнения регрессии при минимуме отклонений расчета от опытных значений.

Применение методов планирования (активный эксперимент) значительно повышает эффективность эксперимента. Проведение активных экспериментов осуществляется в соответствии с их выбранным планом. В простейшем случае план является описанием условий проведения измерений, т.е. значений входных параметров (факторов).

Активный эксперимент за счет целенаправленного изменения входных параметров в запланированном интервале позволяет получать необходимый объем информации при существенно меньшем числе опытов, чем при пассивном эксперименте.

Основная цель планирования эксперимента — достижение максимальной точности искомого уравнения регрессии при минимальном количестве проведенных опытов и сохранении статистической достоверности полученных результатов.

Планирование по схеме полного факторного эксперимента (ПФЭ) реализует все возможные комбинации факторов на всех выбранных для исследования уровнях. Необходимое число опытов п при ПФЭ определяется по формуле:

где — число уровней; т — число факторов.

Если эксперименты проводятся только на двух уровнях при двух (верхнем и нижнем) значениях факторов и при этом в процессе эксперимента осуществляются все возможные комбинации из т факторов, то такой план носит название полного факторного эксперимента типа п = 2^т.

В этом случае уровни факторов представляют собой границы исследуемой области по данному технологическому параметру. Эти границы определяют верхний и нижний уровни изменения по каждому параметру. В соответствии с этим получим для любого фактора Zj

Точка с координатами (Z,Z2, •••> Z^Qm) называется центром плана (основной уровень плана); AZj — единица варьирования (интервал варьирования). На рис. 4.4 в качестве примера представлен план первого порядка для двух факторов.

Рис. 4.4. План первого порядка

План строится следующим образом. Выбирается центр исследуемой области (центр плана), в него переносится начало координат. Задаются минимальные (min) и максимальные (шах) значения входных параметров z_{ и z_r При этом каждый фактор принимает лишь два значения — варьируется на двух уровнях (верхнем и нижнем).

Планом для трех факторов является куб. В общем случае план для т факторов представляет собой m-мерную фигуру.

На следующем этапе переменные кодируются. От системы координат (z_{, z₂, Z_m) перейдем к новой безразмерной системе координатХр х₂,…, х_к с нулевым значением в центре плана. Формула перехода, или кодирования, имеет следующий вид:

Кодированные переменные значительно облегчают обработку результатов опытов, которая проводится в стандартной форме, не зависящей от конкретных условий задачи. Из уравнения (4.103) следует, что в безразмерной системе координат верхний уровень равен 1, нижний уровень равен -1, координаты центра плана равны нулю и совпадают с началом координат. Часто в записи единицу опускают, пишут только знак «плюс» или «минус». Как результат кодирования составляется матрица планирования для переменных исследуемого процесса с числом опытов п = 2^т для ПФЭ.

Ниже в качестве примера приведена матрица планирования для двух факторов, представляющая собой все возможные сочетания переменных на двух уровнях.

Если составляется матрица планирования для трех факторов (х_р х₂, х₃), то матрица берется при х₃ на нижнем уровне (-1), а затем повторяется на верхнем уровне ( 1). Для четырех факторов также повторяется два раза матрица планирования трех факторов и т.д.

По данным матрицы планирования проводят необходимые опыты и находят значения выходной переменной у., которые также помещаются в таблицу. Представленная матрица планирования соответствует следующему нормализованному уравнению регрессии, учитывающему взаимное влияние двух факторов (эффекты двойного взаимодействия):

Первый член уравнения (4.104) — так называемая «фиктивная» переменная, равная единице. Аналогично записывается уравнение регрессии для трех и более факторов.

По результатам проведенных по данным матрицы планирования опытов в нее записывают значения выходной переменной у. Затем определяются значения коэффициентов уравнения регрессии по следующей формуле:

Если дополнительно поставлены параллельные опыты, то можно определить, как было показано в разд. 4.6, дисперсию воспроизводимости, проверить значимость коэффициентов уравнения регрессии, а при наличии степеней свободы — адекватность полученного уравнения (см. разд. 4.7).

Задача 4.6. Построить математическую модель кинетики сушки (изменение среднего влагосодержания w от времени т) в первом периоде по результатам активного эксперимента и найти численные значения параметров этой модели для сушки хлопчатобумажной ткани. В качестве исходных данных для построения модели использовать результаты эксперимента, выполненного по плану ПФЭ.

Сначала рассмотрим решение задачи в общем виде. Первый период сушки гигроскопичных материалов (постоянная скорость сушки) характерен для их конвективной сушки в «мягком» режиме [16]. Кинетика сушки в первом периоде описывается линейной зависимостью влагосодержания материала w, (кг влаги/кг сухого материала) от времени процесса х.

Ниже представлен пример такой зависимости для двух температур сушильного агента t_{ и t_T Для получения математического описания такого процесса сушки может быть использован план ПФЭ первого порядка.

При постоянной скорости сушильного агента влагосодержание материала зависит от двух факторов: температуры горячего воздуха t и времени процесса т. Тогда необходимое число опытов ПФЭ составит 2² = 4. План первого порядка для двух факторов показан на рис. 4.4. Обозначим значение температуры воздуха в центре плана t_Q, а интервал варьирования 5_Г Соответственно для второго фактора — времени процесса имеем — ти 6₂. Будем описывать кинетику сушки от начального влагосодержания н> (при т = 0) до конечных значений Wj и w₂, соответствующих в эксперименте минимальному и максимальному значениям температуры сушильного агента t_{ и t_T

Матрица ПФЭ кодированных переменных для двух факторов с учетом их двойного взаимодействия представлена нас. 144.

Соответствующее уравнение регрессии имеет вид (4.104). Коэффициенты уравнения регрессии рассчитываются по формуле (4.105) при п = 4. Соотношения между кодированными переменными и ис-

t-t т-т

ходными следующие: х, = ——, х₂ = — , У=У₂=Уо=™о, Уз = Wi,

5, 62

у₄ = w₂, причем т и t_Q — соответственно значения времени и температуры в центре плана.

Тогда, с учетом параметров матрицы планирования получим по уравнению (4.105) значения коэффициентов:

Подставим значения коэффициентов в уравнение регрессии (4.104):

После преобразований от кодированных переменных к исходным окончательно получим уравнение регрессии общего вида для процесса сушки в первом периоде:

Анализ уравнения (4.107) показывает, что влияние температуры на процесс сушки учитывает только последний член уравнения, отражающий двойное взаимодействие влияющих факторов.

Чтобы получить конкретное уравнение кинетики сушки хлопчатобумажной ткани, рассмотрим описание первого периода конвективной сушки хлопчатобумажной ткани при двух температурах — 48 и 83 °С при начальном влагосодержании материала w = 1,09 (кг влаги/кг сухого материала). Время сушки в первом периоде —

18 мин. Указанные исходные данные для ПФЭ с учетом расчета по зависимостям (4.102) представлены ниже:

Согласно данной таблице первые два опыта соответствуют исходному состоянию материала (т = 0, влагосодержание w). Таким образом, необходимо выполнить только два оставшихся опыта: при т = 18 мин для двух температур 48 и 83 °С. Найденные после проведения опытов по плану ПФЭ значения выходной переменной (вла- госодержаний) составили соответственно w_l = 0,65 и w₂ = 0,1. Матрица ПФЭ с учетом полученных в эксперименте данных имеет следующий вид:

Перейдем от кодированных переменных к исходным, подставим приведенные в табл. 4.6 и 4.7 значения параметров в общее уравнение регрессии (4.107) и в результате получим:

После преобразований имеем математическую модель кинетики сушки ткани:

Как было отмечено, влияние температуры на процесс сушки учитывается только в виде члена двойного взаимодействия факторов в уравнении регрессии и для получения уравнения модели необходимо было провести только два опыта.

Ниже приведены листинг расчета уравнения регрессии для сушки хлопчатобумажной ткани в первом периоде и его проверка, выполненные в среде MathCAD.

Листинг к задаче 4.6

Дифференцируя уравнение (4.108) по времени, получим зависимость для скорости процесса, отражающую линейную температурную зависимость для скорости сушки (рис. 4.8)

Так как число опытов и число найденных коэффициентов уравнения регрессии (4.104) равны (число степеней свободы равно нулю), выполним проверку уравнения адекватности, сравнив данные расчета по полученному уравнению (4.108) с результатами экспериментов Г.К. Филоненко, изучавшего кинетику сушки той же хлопчатобумажной ткани при четырех температурах [16]. Значения этих температур и соответствующие им обозначения опытных точек приведены ниже:

Значение минимальной температуры — 48 °С и начальное влаго- содержание материала — w = 1,09 были теми же, что и в приведенных выше расчетах. Артикул хлопчатобумажной ткани тоже совпадал.

Линии процесса сушки хлопчатобумажной ткани, приведенные на графике ниже, построены согласно уравнению (4.108), здесь приведены также три жирных квадратика, нанесенных в соответствии с планом ПФЭ для данной задачи.

Как следует из графика, опытные точки хорошо соответствуют расчетным линиям, построенным по уравнению регрессии (4.108) методом ПФЭ.

Важной особенностью ПФЭ является ортогональность плана. Это свойство плана, при котором матрица моментов для математической модели является диагональной. Во всех столбцах плана ПФЭ сумма всех чисел, стоящих по вертикали, равна нулю, а произведением двух любых столбцов можно получить третий. Из ортогональности вытекает взаимная независимость (некоррелируемость) всех факторов и всех коэффициентов уравнения регрессии.