Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет

КУРСОВАЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Учебно-методическое пособие для курсовой работы

Электронное издание

Красноярск

СФУ

2012

УДК 378.147(07) ББК 74.580.252.4я73

К20

Составители: Веретнова Татьяна Анатольевна; Кравцова Елена Дагриевна

К20 Курсовая научно-исследовательская работа: учеб.-метод. пособие для курсовой работы [Электронный ресурс] / сост. Т. А. Веретнова, Е. Д. Кравцова. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM;

Windows 98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.

В учебно-методическом пособии приведены основные требования по разработке, оформлению и защите курсовой научно-исследовательской работы.

Предназначено для студентов специальности 150103 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей».

УДК 378.147(07) ББК 74.580.252.4я73

© Сибирский федеральный университет, 2012

Учебное издание

Подготовлено к публикации редакционно-издательским отделом БИК СФУ

Подписано в свет 17.09.2012 г. Заказ 9351. Тиражируется на машиночитаемых носителях.

Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79

Тел/факс (391)206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru http://rio.sfu-kras.ru

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………….. 4

1Организация КНИР……………………………………………….. 4

2Виды и содержание КНИР……………………………………...... 5

3Планирование и построение эксперимента……………………... 6

4Структура и содержание отчета………………………………….. 12

4.1Литературный обзор………………………………………………. 12

4.2Методическая часть отчета………………………………………. 13

5.1Требования к оформлению отчета……………………………….. 13

5.2Защита отчета……………………………………………………… 14

3

Введение

В соответствии с учебным планом для специальности 150103.65 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» в 9 семестре предусмотрено выполнение курсовой научно-исследовательской работы (КНИР).

Настоящие методические указания содержат рекомендации по подготовке и проведению исследований, обработке и анализу полученных результатов и требования к выполнению отчета о научно-исследовательской работе согласно ГОСТам.

Целью курсовой научно-исследовательской работы является закрепление и углубление знаний по изученным дисциплинам, творческое освоение учебного материала, освоение технических приемов исследовательской деятельности, подготовка к выполнению дипломного проекта.

Основными задачами КНИР являются:

-умение использовать полученные знания при решении конкретных исследовательских задач;

-освоение методики поиска научной литературы, работы со справочноинформационными реферативными изданиями;

-освоение методики проведения эксперимента, обработки и обобщению результатов проведенных исследований.

-приобретение навыков логично и грамотно формулировать свои

мысли.

1. Организация КНИР

Студенты выполняют КНИР в лабораториях выпускающей кафедры, по тематике, соответствующей научным направлениям и специализациям кафедры, возможна организация КНИР на производстве.

Руководство КНИР осуществляется преподавателями и аспирантами кафедры, научными сотрудниками и ведущими специалистами производства. Руководители КНИР назначаются заведующим кафедрой и утверждаются на заседании кафедры. Работа может выполняться группой студентов или индивидуально.

Руководитель готовит задание каждому студенту или группе с указанием разделов, выполняемым каждым студентом.

Перед началом работы студент обязан пройти вводный инструктаж по технике безопасности на рабочем месте с обязательной регистрацией в журнале. Студент обязан соблюдать правила внутреннего распорядка института, обеспечивать сохранность лабораторного оборудования и инструментов.

4

При выполнении работы рекомендуется пользоваться рабочей тетрадью, где необходимо описать используемое оборудование, методики проведения эксперимента и произвести обработку результатов эксперимента.

По результатам КНИР студент составляет отчет, выступает с докладом на научных семинарах, конференциях. Наиболее ценные с точки зрения научной новизны работы могут быть оформлены в виде статьи, тезисов и т.д. При выполнении всех видов работ студенты могут пользоваться материальной базой и лабораторными площадями кафедры, компьютерным классом кафедры и библиотечным фондом университета.

При выполнении КНИР руководитель консультирует студента в соответствии с графиком.

2. Виды и содержание КНИР

Тематика КНИР определяется научным направлением кафедры. Темы КНИР могут быть предложены научными руководителями в соответствии с тематикой их работ по плану НИР института. Тема КНИР может быть предложена студентом. Она должна быть актуальной и связанной с решением принципиальных задач. Тематика курсовых научноисследовательских работ может быть связана с работой студентов на практике или определяется заданием промышленного предприятия с целью решения конкретного вопроса.

В соответствии с планами НИР кафедры тематика курсовых научноисследовательских работ может определяться следующими научными направлениями:

1.Исследование огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

2.Разработка конструкций металлургических печей.

3.Исследование теплообменных процессов в футеровке печей.

4.Исследование теплообменных процессов в рабочем пространстве тепловых агрегатов.

5.Разработка экспериментальных установок по исследованию теплообменных процессов.

6.Разработка установок по топливоподготовке.

7.Разработка основ конструкций новых типов печей и режимов тепловой обработки новых видов материалов и изделий.

8.Исследование тепловых процессов при высокотемпературной обработке различных материалов.

9.Разработка систем газоочистки отходящих газов от печей.

10.Разработка технологий и печных аппаратов по созданию новых материалов и изделий на основе использования отходов производства.

5

11. Исследования по использованию отходов производства в различных отраслях промышленности.

Курсовые научно-исследовательские работы могут носить

библиографический, теоретический и экспериментальный характер.

В первом случае работа должна содержать новейшую техническую информацию о разработке научной проблемы по периодическим изданиям и технической литературе, а также патентный поиск по материалам фондов отечественных и зарубежных изданий.

Теоретический характер работы предполагает участие студентов в НИР кафедры по совершенствованию работы и конструкции тепловых устройств и снижению вредного воздействия на окружающую среду, а также разработку математических моделей при исследовании теплообменных процессов и решение теплотехнических задач с помощью компьютерных программ.

При экспериментальном характере работы КНИР включает:

-работы по тематике НИР кафедры;

-работы по созданию макетов печей;

-разработка и конструирование новых лабораторных установок;

-обработка материалов для промышленных предприятий.

3. Планирование и построение эксперимента

В процессе научного наблюдения исследователь руководствуется некоторыми гипотезами и теоретическими представлениями о тех или иных фактах. В гораздо большей степени эта зависимость от теории проявляется в эксперименте. Прежде чем поставить эксперимент, надо не только располагать его общей идеей, но и тщательно продумать его план, а также возможные результаты.

Выбор того или иного типа эксперимента, так же как и конкретный план его осуществления, в существенной степени зависит от той научной проблемы, которую ученый намеревается разрешить с помощью опыта. Одно дело, когда эксперимент предназначен для предварительной оценки и проверки гипотезы, и совсем другое, когда речь идет о количественной проверке той же самой гипотезы. В первом случае ограничиваются общей, качественной констатацией зависимостей между существенными факторами или свойствами исследуемого процесса, во втором - стремятся количественно выразить эти зависимости, когда осуществление эксперимента требует не только привлечения значительно большего количества регистрирующих и измерительных приборов и средств, но гораздо большей аккуратности и точности в контроле над изучаемыми характеристиками и свойствами. Все это неизбежно должно сказаться на общем плане построения эксперимента.

6

В еще большей мере планирование эксперимента связано с характером величин, которые приходится оценивать в ходе опыта. В этом отношении гораздо более сложными являются эксперименты, в которых изучаемые величины заданы статистическим образом. К чисто экспериментальным трудностям здесь присоединяются трудности математического характера. Поэтому в последние годы в математической статистике возникло самостоятельное направление планирования эксперимента, которое ставит своей задачей выяснение закономерностей построения статистических экспериментов, т. е. экспериментов, в которых не только окончательные результаты, но и сам процесс требуют привлечения статистических методов.

Поскольку каждый эксперимент призван решать определенную теоретическую проблему: будь то предварительная оценка гипотезы или ее окончательная проверка, постольку при его планировании следует учитывать не только наличие той или иной экспериментальной техники, но и уровень развития соответствующей отрасли знания, что особенно важно при выявлении тех факторов, которые считаются существенными для эксперимента.

Все это говорит о том, что план проведения каждого конкретного эксперимента обладает своими специфическими чертами и особенностями. Не существует единого шаблона или схемы, с помощью которых можно было бы строить эксперимент для решения любой проблемы в любой отрасли экспериментальных наук. Самое большее, что можно здесь выявить,это наметить общую стратегию и дать некоторые общие рекомендации по построению и планированию эксперимента.

Всякий эксперимент начинается с проблемы, которая требует экспериментального разрешения. Чаще всего с помощью эксперимента осуществляется эмпирическая проверка какой-либо гипотезы или теории. Иногда он используется для получения недостающей информации, чтобы уточнить или построить новую гипотезу.

Как только научная проблема точно сформулирована, возникает необходимость выделить факторы, которые оказывают существенное влияние на эксперимент, и факторы, которые можно не принимать во внимание.

Если имеется достаточно разработанная теория исследуемых явлений, то выделение существенных факторов достигается сравнительно легко. Когда же исследование только начинается, а область изучаемых явлений совершенно новая, тогда выделить факторы, существенным образом влияющие на процесс, оказывается весьма трудно. В принципе любой фактор может оказаться важным, поэтому заранее нельзя исключить ни один из них без предварительного обсуждения и проверки. Поскольку такая проверка неизбежно связана с обращением к опыту, возникает трудная проблема отбора именно таких факторов, которые являются существенными для изучаемого процесса. Обычно невозможно фактически проверить все

7

предположения о существенных факторах. Поэтому ученый больше полагается на свой опыт и здравый смысл, но они не гарантируют его от ошибок.

Кроме того, следует помнить, что фактор, который является несущественным в одном эксперименте, может стать существенным в другом. Следовательно, само понятие существенного фактора является относительным, ибо оно зависит от задач и условий эксперимента, а также от уровня развития научного знания.

Следующим этапом в осуществлении эксперимента является изменение одних факторов при сохранении других относительно неизменными и постоянными. Пожалуй, в этом наиболее ярко проявляется отличие эксперимента от наблюдения, так как именно возможность создания некоторой искусственной среды позволяет исследователю наблюдать явления «при условиях, обеспечивающих ход процесса в чистом виде»1. Допустим, известно, что изучаемое явление зависит от некоторого числа существенных свойств или факторов. Чтобы установить роль каждого из них, а также их взаимосвязь друг с другом, надо выбрать сначала два каких-либо свойства. Сохраняя все другие существенные свойства или факторы постоянными, заставляем одно из выбранных свойств изменяться и наблюдаем, как ведет себя другое свойство или фактор. Таким же способом проверяется зависимость между другими свойствами. В результате экспериментально устанавливается зависимость, которая характеризует отношение между исследуемыми свойствами явления. После обработки данных эксперимента эта зависимость может быть представлена в виде некоторой математической формулы или уравнения.

Если в планировании эксперимента предусматривается только выявление существенных факторов, влияющих на процесс, то такого рода эксперименты часто называют факторными. В большинстве случаев, в особенности в точном естествознании, стремятся не только выявить существенные факторы, но и установить формы количественной зависимости между ними: последовательно определяют, как с изменением одного фактора или величины соответственно изменяется другой фактор. Иными словами, в основе указанных экспериментов лежит идея о функциональной зависимости между некоторыми существенными факторами исследуемых явлений. Такие эксперименты получили название функциональных.

Однако какой бы эксперимент ни планировался, его проведение требует точного учета тех изменений, которые экспериментатор вносит в изучаемый процесс. Это требует тщательного контроля, как объекта исследования, так и средств наблюдения и измерения.

Эксперимент представляет собой систему операций, воздействий и наблюдений, направленных на получение информации об объекте при исследовательских испытаниях.

Опыт – отдельная элементарная часть эксперимента.

8

От сравнительно пассивного наблюдения эксперимент отличается активным воздействием исследователя на объект изучения.

В ходе эксперимента должны быть выполнены следующие операции: определение цели эксперимента; теоретическое обоснование условий эксперимента, способствующих наиболее полному и всестороннему проявлению заданных свойств и связей изучаемого объекта; разработка методики эксперимента; разработка экспериментальных средств исследования; наблюдение и измерение изучаемых характеристик объекта; статистическая обработка результатов экспериментов, вывод математических зависимостей, построение диаграмм, графиков, схем; анализ экспериментальных результатов, их обобщение.

Планирование эксперимента – это процедура определения числа опытов и условий их проведения, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью.

Различают однофакторный и многофакторный эксперименты. Однофакторный эксперимент заключается в изучении поведения

каждого фактора в отдельности и включает: выделение нужных факторов; стабилизацию мешающих факторов; поочередное варьирование интересующих исследователя факторов.

Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том, что варьируются все переменные сразу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.

Пример матрицы планирования для трех факторов приведен в таблице 1.

Таблица - 1 Матрица планирования при многофакторном эксперименте

Здесь “+1” и “-1” обозначают, что каждый из факторов варьируется на двух уровнях.

Планирование эксперимента позволяет либо сократить трудоемкость, либо повысить точность по сравнению с непродуманным экспериментом.

Математическое планирование дает наибольший эффект в тех многофакторных экспериментах, в которых ведется поиск оптимальных решений. Математический аппарат теории планирования эксперимента включает теорию вероятностей, математическую статистику и

9

математическое программирование. Мощным импульсом теории и практики планирования эксперимента являются успехи вычислительной техники и появление автоматизированных систем обработки результатов эксперимента.

В общем виде планирование эксперимента включает следующие этапы:

-сбор и анализ априорной информации;

-выбор входных и выходных переменных, области экспериментирования; выбор математической модели, с помощью которой будут представляться экспериментальные данные;

-выбор критерия оптимальности (если требуется по условию задачи исследования) и плана эксперимента;

-определение метода анализа данных эксперимента; проведение эксперимента;

-проверка статистических предпосылок для полученных экспериментальных данных;

-обработка результатов, интерпретация и рекомендации.

Планирование эксперимента начинается с постановки задачи и выбора объекта исследования.

Объектом исследования называется объект, обладающий определенными свойствами и качествами, подлежащими изучению в соответствии с задачей эксперимента. Объектами исследования могут быть реальные физические объекты, процессы и явления, их физические и математические модели и т.п.

Объекты исследования должны обладать двумя обязательными качествами: позволять при тщательно отработанной методике испытаний получать воспроизводимые результаты и быть управляемыми.

Эксперимент называется воспроизводимым, если разброс результатов опыта контролируется и не превышает заранее заданного значения. Объект является управляемым, если на нем возможен активный эксперимент. Различают пассивный и активный эксперимент. Если экспериментатор не может влиять на ход эксперимента, находится в роли пассивного наблюдателя, то речь идет о пассивном эксперименте (наблюдении). Если эксперимент подчинен воле экспериментатора, может проводиться по заданной программе, то имеет место активный эксперимент. Планировать можно только активный эксперимент.

Все переменные, определяющие состояние объекта, разделяют на четыре основные группы. Это три группы способов воздействия на объект исследования: 1) контролируемые и управляемые переменные Х, значения которых экспериментатор может варьировать в процессе эксперимента; 2) контролируемые, но неуправляемые переменные Z; 3) неконтролируемые и неуправляемые переменные E. К четвертой группе переменных относят переменные выхода Y, которые характеризуют поведение или свойства объекта в процессе эксплуатации.

10

Переменные Е отражают влияние случайных эффектов, которые являются причиной возникновения шумового поля и непредсказуемого дрейфа изучаемых характеристик объекта.

Контролируемые переменные X и Z называются факторами. Факторы могут быть детерминированные (чаще факторы Х) и случайные (чаще факторы Z). Далее рассматриваем только влияние детерминированных факторов Х.

К факторам предъявляются требования дискретности, совместимости и некоррелированности. Дискретность позволяет поддерживать значение фактора на заданном уровне или же осуществлять переход на другой уровень воздействий. Совместимость означает, что в эксперименте имеется возможность задавать такие сочетания факторов, которые не искажают исследуемый процесс. Выполнение требования некоррелированности позволяет в эксперименте значения каждого из факторов изменять независимо друг от друга. В общем случае, если между факторами наблюдается нелинейная связь, то факторы являются некоррелированными.

Выходные показатели Y называют откликом объекта исследования на воздействие факторов Х, зависимость отклика от факторов – функцией отклика, а ее геометрическую интерпретацию – поверхностью отклика.

Математическая модель объекта исследования – это система уравнений или неравенств, которая отражает содержание, структуру и количественные связи, характеризующие объект исследования. В теории планирования эксперимента наибольшее распространение получили полиномиальные регрессионные модели.

Поиск плана эксперимента производится в так называемом факторном пространстве.

Факторное пространство – это множество внешних и внутренних параметров модели, значения которых исследователь может контролировать в ходе подготовки и проведения модельного эксперимента. Область возможных значений факторов называется областью планирования эксперимента.

Каждый из факторов имеет верхний и нижний уровни, расположенные симметрично относительно некоторого нулевого уровня. Точка в факторном пространстве, соответствующая нулевым уровням всех факторов, называется

центром плана.

Интервалом варьирования фактора называется некоторое число x, прибавление которого к нулевому уровню дает верхний уровень, а вычитание

– нижний.

Как правило, план эксперимента строится относительно одного (основного) выходного скалярного параметра Y, который называется наблюдаемой переменной. Если моделирование используется как инструмент принятия решения, то в роли наблюдаемой переменной выступает показатель эффективности.

11