Методологія наукових досліджень та мистецтво системного мислення

«Методологія наукових досліджень та мистецтво системного мислення »

Тема 1. Основи наукових досліджень як дисципліна сучасної вищої технічної освіти (проф. Г. О. Статюха) • «Ум, дух и измерение взаимосвязаны. Умный и духовный человек — это человек измеряющий» . Н. Кузанский • «Все, что измеримо — достижимо. Все, что достижимо — измеримо» . Миклебуст

1. Рациональное общество: глобальные проблемы утопии и реальности Мы являемся свидетелями и участниками формирования единого планетарного экономического и политического организма со своей целью, которую можно сформировать так: утверждение и сохранение планетарного гемеостаза популяции homo sapiens. Моисеев Н. Н.

Сегодня никакое отдельное государство не может обеспечить собственную стабильность • • • примеры: событие 11 сентября 2001 г. В США; война между Израилем и – Палестиной; действия террористов в различных уголках мира – страдают невинные люди; “железные” занавесы между государствами исчезли сами; «газовая война» между Россией и Украиной; мировой кризис 2008 - …

Рациональное общество по определению Моисеева Н. Н. Для обеспечения развития цивилизации мировое сообщество осознаёт новую цель – экологический императив (требование) как некую планетарную систему запретов и желаемую организацию общества, поддерживающую многообразие цивилизаций (подобно биоразнообразию) и их способность к адаптации.

Несоответствие инстинктов стяжательства и агрессивности, заложенных ещё во времена борьбы с динозаврами, сегодняшним требованиям в умеренности потребления и гуманистического восприятия действительности может привести человечество к катастрофе.

Как создать рационально организованное общество? Фундаментом общественной эволюции уже служат два процесса: • уничтожения (вернее снятия!) частной собственности на средства производства – Маркс • знания и культурные ценности принадлежат всем людям.

Для построения рационально организованного общества надо обязательно предусмотреть: • способность обеспечивать раскрытие потенциала отдельной личности, её таланта, её интеллектуальных возможностей, её воли • предельную открытость общества к восприятию новых идей и потенциальных способностей нации • способность общества выполнять условия экологического императива *реализации экологического императива невозможна без утверждения императива нравственного.

Итак, я утверждаю, что выдвижение парадигмы устойчивого развития (sustainable development) – следствие глобальных процессов в мире.

2. Роль и место исследований в проблеме проектирования устойчивого общества Задача этого модуля курса лекций —показать возможность решения проблем развития общества как некий творческий процесс исследования (анализа) разнообразных естественно-научных знаний с целью дальнейшего проектирования систем устойчивого развития. Этот процесс становится возможным только в том случае, если исследователю ясно, что измерять и как измерять при проектировании развития социально-природной системы, т. е. уметь проводить эксперимент.

Существует ли накопленное знание, из которого следует возможность сохранения развития общества во взаимодействии с окружающей средой в долгосрочной перспективе?

Да, существует! • Это, прежде всего, исследования, в которых показано, что окружающая нас среда - биосфера на протяжении 4 млрд. лет геологической истории обеспечивает сохранение развития живого вещества планеты, которое проявляется в росте его свободной энергии и переходе биосферы в качественно новое состояние — ноосферу. • Но тогда ответственность за сохранение развития должен взять на себя Человек, согласуя свою практическую деятельность с законами природы.

Еще раз зададим вопрос: что же такое устойчивое развитие? • Устойчивое развитие включает две группы понятий: • Понятие: потребность и возможность, необходимые для существования, то есть для сохранения и развития. • Понятие: ограничения, обусловленные состоянием технологий и организацией общества, накладываемых на возможности удовлетворять потребности. В этом определении обращается внимание, на то, что должно сохраняться и, что должно изменяться: • сохранению подлежит рост возможности удовлетворять потребности как сегодня, так и в будущем; • изменению подлежат: потребление ресурсов; технологическое совершенствование, направления инвестиций; качество управления.

3. Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 1. «Не хватает денег» . Но тогда, как объяснить тот факт, что на протяжении нескольких миллиардов лет Природа производит продукты, которыми пользуется каждый человек (вода, воздух, продукты питания, энергию, материалы) и на которые она не затратила ни одного цента. Почему природа не жалуется на нехватку денег, но остро реагирует на наши бездумные действия? Понимаем ли мы язык, на котором она с нами разговаривает? Можем ли мы свои действия и решения выразить на ее языке?

Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 2. «Не ясно: является ли мировой финансовый рынок силой, поддерживающей или препятствующей устойчивому развитию? » Но как финансовый рынок может поддерживать устойчивое развитие, если он не может рассчитать последствий финансовых решений по этим проблемам? У него отсутствует надежный, устойчивый измеритель окружающей среды, с которым он может согласовать свои решения.

Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 3. «Виновата близорукость политики» . Но как политика может быть не близорукой, если финансовая информация дает искаженное представление об изменениях в окружающем мире, и поэтому в денежных показателях в принципе невозможно оценивать долгосрочные последствия не только финансовых, но и политических решений. Отсутствует устойчивый измеритель.

Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 4. «Говорят о неподготовленном сознании людей» . Но как оно может быть подготовлено, если единая система, в которой мы живем и которая называется «природа—общество—человек» , оказалась разорванной в нашем сознании на «куски» вавилонской башней профессиональных языков. Ответить на вопрос: «Как все «части» образуют единую систему? » невозможно ни на одном «известном» профессиональном языке.

Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 5. «Мы способны согласовать деятельность Человека с законами природы» с целью перехода к Устойчивому развитию общества (заявление Международной Комиссии по окружающей среде и развитию). Однако, с какими законами и как согласовывать деятельность Человека с естественными законами сказано не было. Предполагалось, что каждая страна и регион самостоятельно разрабатывает свою концепцию и программу. Прошло 17 лет, но вопросы сохранились. И это не удивительно, так как проблема имеет очень глубокие корни. Без их понимания самостоятельно решить региональные проблемы перехода к устойчивому развитию в течении длительного периода времени принципиально нельзя.

Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 6. Равновесие накопления и рассеивания энергии. Вывод Комиссии Брундтланд согласуется с необходимостью устранения последствий рассеивания свободной энергии: необходимо «убирать» за собой, а чтобы меньше «убирать» — нужно меньше «потреблять» , а чтобы меньше «потреблять» — нужны энергосберегающие технологии, а для их производства требуются организационные изменения и перераспределение направления инвестиций. Но их финансисты почему-то не спешат давать.

Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 7. В науке известны фундаментальные законы сохранения. Но при чем тут устойчивое развитие? Любое развитие — это всегда изменение «чего-то» . Но как может «что-то» изменяться и одновременно устойчиво сохраняться, то есть не изменяться? Законов природы, с которыми нужно согласовывать практическую деятельность, чтобы обеспечить устойчивое развитие общества во взаимодействии с окружающей средой, в учебниках просто нет.

Факторы, препятствующие и способствующие устойчивому развитию 8. Нет сомнения в том, что Земля и любая живая система, Человек и Человечество в целом — открытые системы, непрерывно обменивающиеся с внешней средой потоками энергии. Сегодня, все прогнозы основаны на моделях, описывающих глобальную систему как замкнутую. Естественно, что на таких моделях всегда будет получаться предел роста. Но такой вывод можно рассматривать не как прогноз, а как предупреждение: если мы будем исходить из замкнутой глобальной системы, то предел роста неизбежен.

Выводы Земля ограничена Пространством и Временем, а, следовательно, имеет ограниченные энергоресурсы. В ситуации ускоренного роста их потребления и невозрастания потока лучистой космической энергии, падающей на Землю, неизбежна глобальная критическая ситуация, последствия которой могут быть катастрофичны для всего живого на Земле. Естественно, что необходимо отслеживать «расстояние» до этой «критической точки» и на этой основе выстраивать стратегию развития Земной цивилизации в целом. Проблема не под силу одной стране или группе стран. Это глобальная проблема человечества в целом.

Таким образом, существует научная проблема, от решения которой зависит судьба Земной цивилизации — обеспечение устойчивости развития.

4. Методологія наукового дослідження Создание «инструментальных» систем для согласования решений с естественными законами природы является исторически беспрецедентным делом и требует наличия целостной системы научных знаний, дающих возможность эффективного проектирования будущего устойчивого развития мира, страны, региона, отрасли, предприятия.

Методология исследования – часть такой целостной системы научных знаний. • Дослідницький підхід до об’єкту дослідження як єдиного цілого, але з наявним «шумом» називають статистичним. • Кібернетичний підхід – управляти складною системою можна, якщо знаєш реакцію об'єкту на управляючі сигнали, що в неї надходять. • Методи статистики, в основному вивчають сталий стан об'єкту, а кібернетика значна увага приділяє динамічним процесам в об'єкті.

Які події є випадковими? • Скільки білявок трапиться на Вашому шляху з числа жінок, яких Ви зустрінете? • Чи є результат футбольного матчу випадковою подією?

Можливість нескінченного повторення спостережень і стійкість частоти події – є передумовами для визнання події випадковим. Події, на відміну від випадкових, називаються невизначеними і вони досліджуються за допомогою іншої теорії – теорії ігор.

Пасивній експеримент – що це таке? • Відомий такий методичний прийомом дослідження як спостереження (за рухом комет, за перебігом технологічного процесу, за зміною політичній ситуації в суспільстві, тощо). • Пасивне спостереження проводиться найчастіше з бажання не нашкодити оточуючому середовищу.

Приклад пасивного есперимента В місті Києві працює 16 Стаціонарних Постів Спостереження, які розташовані в різних районах міста

Зміна середніх концентрацій NO 2 по сезонам і постам спостереження

Зміна концентрації NO 2 за період: з 01. 10. 06 р. по 17. 01. 07 р. :

Модель забруднення повітря NO 2 Для того, щоб отримати об’єктивну картину просторову мінливість концентрації двооксиду азоту в приземному шарі, необхідно побудувати модель і карту забруднення повітря NO 2. Вихідними даними являються: середньомісячні концентрації NO 2 за період з 2003 по 2005 рр. умовні координати постів спостереження. Модель має вигляд: y – концентрація NO 2 по м. Києву за січень 2005 р. по всі постам спостереження, x 1– координати постів по ординаті Х, x 2 – координати постів по ординаті У.

Карта забруднення атмосферного повітря NO 2 м. Києва Наприклад, нам потрібно дізнатись яка концентрація NO 2 на бульварі Лесі Українки, тоді необхідно задати координати (х1=9 – координата по осі Х, х2=6 – координата по осі У) і підставити їх в модель (3. 2) результат: у = 2, 69 мг/м 3 середньомісячна концентрація NO 2

Приклад з філософії – мудрець і паломник: – Скільки днів шляху до Єрусалиму? – Йди! Паломник образився і пішов. – Два дні шляху, – промовив йому услід мудрець. – Чому ти не сказав мені це відразу? – Я ж повинен з'ясувати як швидко ти ходиш.

Класичний приклад активного експерименту – зважування трьох об'єктів А, В і С Традиційна схема зважування трьох об'єктів Таблиця 0. 1 Номер досліду 1 2 3 4 А – 1 +1 – 1 Об'єкти В – 1 +1 – 1 С – 1 – 1 +1 Результат зважування у0 у1 у2 у3 А = у 1 – у 0, σ 2 (А) = σ 2 (у1 – у0) = 2 σ 2 (у),

Ефективна схема зважування Таблиця 0. 2. Об'єкти Номер досліду А В С 1 +1 – 1 у1 2 – 1 +1 – 1 у2 3 – 1 +1 у3 4 +1 +1 +1 у4 Результати

Таким чином ми доказали, що в дослідженнях активне експериментування значно вигідніше ніж пасивне (але не завжди можливе! Приклад: спостереження за зірками).

Приклад – досліджується реактор переробки (ферментації) опалого листя • вихід продукту у (активна складова добрива) залежить від трьох чинників: х1 – температура, х2 – швидкість подачі повітря, х3 – кількість добавки – курячого посліду. • Хай залежність у = f(хі) виглядає так: у = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 + b 3 x 3 + е, де е – похибка експерименту.

План експерименту для дослідження ферментатора Таблиця 0. 3. План Номер досліду х0 х1 х2 1 +1 – 1 +1 у1 2 +1 +1 – 1 у2 3 +1 – 1 у3 4 +1 +1 у4 x 3 Результати експерименту Так, b 2 =( - y 1 – y 2 + y 3 + y 4 )/ 4

Метою планування експерименту є знаходження таких умов і правил проведення дослідів, за яких вдасться одержати надійну і достовірну інформацію про об'єкт дослідження з найменшими витратами, а також представити цю інформацію в зручній і зрозумілій формі з кількісними оцінками одержаних значень і їх точності

4. Визначення • Плануванням експерименту називається сукупність дій, спрямованих на раціональну організацію експериментальних досліджень – починаючи від оптимального вибору досліджуваних факторів і власне вибору плану експерименту і до методів аналізу одержаних експериментальних результатів. • Планом експерименту називають сукупність даних, що визначають кількість, умови і порядок проведення експериментальних досліджень.

The main definitions of experimental design Definition 1. The set of runs xu = {xu 0 , xu 1 , . . . , xui , . . . , xun }, u = 1, . . . , N, i = 0, 1, . . . , n ( for N runs and n factors ) or X = is called by the experimental design.

The main definitions of experimental design. Definition 2. The point x = N-1 is the centre of design.

The main definitions of experimental design. Definition 3. The design is called the central one if the points of design’s centre equals zero: x = 0. Example. Let X is given by matrix X = This design is central one since x 1 = ( +1 -1 ) / 4 = 0, x 2 = ( +1 +1 -1 -1 ) / 4 = 0.

The main definitions of experimental design. Definition 4. Any design Z with points Zu can be transform to the central design X by the change: X = Z - Z , Z = N-1

The main definitions of experimental design. Consequence from definition 4. If we choose both the high value and low value of factor , it is always possible to calculate the interval of factor’s variation as follows: , i = 1, 2, . . . , N, and zero level of factor: Then, the values are called the standardised or standard levels of factor xi. It is clear the standard levels are equal +1, -1, 0.

The main definitions of experimental design. Definition 5. The area of possible natural values of factors is called by the area of experiment or operability region xi Mx. Usually, the experimenter explores only the limited region of interest for standardised value of factors xi Mx which is entirely contained within the operability region, that is Mx . If Mx is restricted by boundaries -1 xi +1, the designed experimental area is called to be the hypercube.

The main definitions of experimental design. Definition 6. The matrix M = X*X ( X* is transposed matrix ) by the size ( n + 1 ) is called to be information matrix. The matrix M-1 = ( X*X )-1 is the dispersion matrix or matrix of variance.

Теорія планування експерименту: • дає можливість скоротити об’єм експериментальних досліджень, а отже и витрат на них, без втрати повноти самих досліджень • дозволяє проводити експерименти з метою покращення дії реальних об’єктів дослідження; • методи постанови та обробки планів експерименту закладені в спеціалізованих програмних пакетах, зокрема Stat. Grapfics, Statistica, Stat-Sens та інших.

Історія • Теорія планування експерименту і її застосування на даний час складають самостійний науковий напрям • Ініціатором використання методів планування експерименту і їх основоположником вважається американський дослідник Рональд Фішер • Ідеї планування експерименту формувалися в працях Дж. Бокса, Дж. Кифера, Френка Йетса та інших • В колишньому СРСР наукові школи планування експерименту сформувалися під керівництвом В. В. Налімова, Ю. П. Адлера, В. В. Кафарова, Е. В. Маркової, та інших. • На території сучасної України ця теорія розвивається в наукових колективах, заснованих В. А. Вознесенським, А. Г. Бондар та Г. О. Статюхою.

Література • Н. Н. Моисеев “Универсум. Информация. Общество”, М. , Устойчивый мир, 2001. • О. Л. Кузнецов, Б. Е. Большаков. Устойчивое развитие: научные основы проектирования в системе «природа – общество – человек» . Издво «Гуманистика» , Санкт-Петербург – Москва – Дубна, 2002, 616 с. • А. Г. Бондарь, Г. А. Статюха, И. А. Потяженко. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии. Алгоритмы и примеры. – К. : Вища шк. , 1980. – 263 с.