Основы научных исследований

 
 
 
 
 
 
 
 
 

С. Х. Галеев 

 
 
 

ОСНОВЫ  
НАУЧНЫХ  

ИССЛЕДОВАНИЙ 

 
 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

2018 

УДК 001.89(075.8) 
ББК  72я7 

Г 15 

 

Рецензенты: 

С. Я. Алибеков, доктор технических наук, профессор, заведующий   

кафедрой машиностроения и материаловедения ПГТУ; 

А. И. Павлов, доктор технических наук, профессор, заведующий  

кафедрой транспортных и технологических машин ПГТУ 

 
 
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 
 
 
 
 

Галеев, С. Х. 

Г 15        Основы научных исследований: учебное пособие / С. Х. Гале
ев. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2018. – 132 с. 
ISBN 978-5-8158-1970-2 

 

В учебном пособии подробно изложены основные сведения, необ
ходимые для постановки, организации и проведения научных исследований. 

Для студентов направлений 35.03.06 «Агроинженерия», 23.04.03 

«Эксплуатация транспортно-технологических машин». 

 

УДК 001.89(075.8) 

ББК  72я7 

 
 
ISBN 978-5-8158-1970-2 
© Галеев С. Х., 2018 

 
© Поволжский государственный  

 
технологический университет, 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие .................................................................................................. 5 
 
Введение ........................................................................................................ 6 
 
Глава 1. Общие сведения о науке и научных исследованиях.  
Наука и ее роль  в современном обществе ............................................. 8 

1.1. Общие сведения о науке ............................................................... 8 
1.2. Научные исследования................................................................ 10 
1.3. Научно-техническая информация .............................................. 12 
1.4. Современная наука. Основные концепции ............................... 15 
1.5. Роль науки в современном обществе ......................................... 17 

 
Глава 2. Организация научных исследований .................................... 20 

2.1. Законодательная основа управления наукой  
и ее организационная структура ....................................................... 20 
2.2. Научно-технический потенциал и его составляющие.............. 28 
2.3. Подготовка научных и научно-педагогических  
работников .......................................................................................... 29 
2.4. Ученые степени и ученые звания ............................................... 33 
2.5. Научная работа студентов и повышение качества  
подготовки специалистов .................................................................. 38 

 
Глава 3. Выбор направления и обоснование темы  
научного исследования ............................................................................ 40 

3.1. Планирование научного исследования ...................................... 40 
3.2. Прогнозирование научного исследования ................................ 42 
3.3. Выбор темы научного исследования ......................................... 47 
3.4. Технико-экономическое обоснование темы  
научного исследования ...................................................................... 50 

 
Глава 4. Методы теоретических исследований ................................... 53 

4.1. Структура и основные определения в теории ........................... 53 
4.2. Моделирование ............................................................................ 56 
4.3. О выборе метода исследования .................................................. 58 

 
Глава 5. Методы экспериментальных исследований ........................ 62 
 
Глава 6. Методика  экспериментальных исследований .................... 69 

Глава 7. Теория планирования эксперимента .................................... 74 

7.1. Планирование эксперимента ...................................................... 74 
7.2. Основные понятия и определения ............................................. 76 

 
Глава 8. Приборы и оборудование для измерений  
исследуемых величин ............................................................................... 86 

8.1. Приборы для измерения угловых перемещений ...................... 86 

8.1.1. Абсолютный энкодер ....................................................... 87 
8.1.2. Инкрементальный энкодер.............................................. 87 
8.1.3. Сравнение абсолютного и инкрементального 
энкодеров .................................................................................... 88 
8.1.4. Датчик угловой скорости оборотов ................................ 89 

8.2. Приборы для измерения расхода топлива ................................. 90 

8.2.1. Назначение и классификация .......................................... 90 
8.2.2. Методы измерения расхода топлива .............................. 91 
8.2.3. Принцип действия и конструкция расходомеров ......... 93 
8.2.4. Дифференциальный датчик расхода топлива   
DFM 250D ................................................................................... 95 

8.3. Приборы для измерения силы и давления ................................ 96 

8.3.1. Типы тензорезисторов ..................................................... 96 
8.3.2. Основные характеристики тензорезисторов  .............. 101 
8.3.3. Схемы включения тензорезисторов  
в измерительный мост ............................................................ 103 
8.3.4. Датчик силы 363YH на основе тензорезистора .......... 107 

8.4. Размещение измерительных датчиков в измерительном  
оборудовании ................................................................................... 107 

 
Глава 9. Внедрение и эффективность научных исследований ...... 112 

9.1. Внедрение научных исследований ......................................... 112 
9.2. Эффективность научных исследований ................................. 113 

 
Глава 10. Оформление научной работы ............................................ 121 
 
Заключение ............................................................................................... 129 
 
Список литературы .................................................................................. 130 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Учебное пособие по дисциплине «Основы научных исследований», 

являющейся одной из основных при подготовке молодых ученных в 
области технических наук, адресовано студентам, магистрантам, аспирантам технических направлений подготовки. 

Цель  учебного пособия – изложение основ дисциплины – от общих 

сведений до обработки результатов исследований и оформления научной работы.  

В результате изучения курса «Основы научных исследований» сту
дент должен:  

знать современные методы научных исследований, применяемые в 

отрасли; теоретические основы методики, постановки, организации и 
выполнения научных исследований, планирования и организации научного эксперимента, обработки научных данных; базовые методы математической обработки экспериментальных и статистических данных; 

уметь грамотно поставить задачу исследований; выбрать измери
тельную аппаратуру;  оценить погрешности измерений; составить план 
эксперимента, провести его и обработать результаты его с применением 
ЭВМ; сделать выводы о принятии наилучшего технического решения; 
выбирать методики исследований и планировать и проводить экспериментальные исследования; 

владеть навыками выполнения нетиповых заданий научно-иссле
довательского характера; использования научных исследований в профессиональной деятельности, применения методов анализа и экспериментального исследования; работы с лабораторным оборудованием, 
техническими средствами измерений, современными методиками измерений; обработки экспериментальных и статистических данных, оценки 
результатов исследований с использованием ЭВМ; использования научно-технической и патентной литературы, применения нормативных документов и баз данных. 

Знания и умения, полученные при изучении основных научных ис
следований, используются на протяжении всего срока обучения при 
освоении других дисциплин и написании диссертации. 

 Материал, содержащийся в пособии, может служить методическим 

и практическим руководством для выполнения научных работ. 

Учебное пособие отвечает современным требованиям подготовки 

специалистов высшей квалификации, изложенным в федеральном государственном образовательном стандарте высшего образования. 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Развитие научно-технического прогресса,  конкуренция в усло
виях рынка и рыночных отношений ставят перед специалистами  
задачи по овладению основами научных исследований.  

При современных темпах развития технических средств и техно
логических процессов возникает необходимость решения сложных 
задач, связанных с оптимизацией режимов работы эксплуатируемых 
машин и комплексов. Для принятия правильных решений необходимо владение методами системного анализа, знание теории планирования эксперимента и обработки результатов экспериментальных 
исследований. 

Для получения информации об исследуемом объекте большую 

роль играет эксперимент. Экспериментальное исследование представляет собой  запланированное  на строго научной основе испытание изучаемого объекта. При этом объект необходимо поставить в 
определенные условия, позволяющие наблюдать изучаемое явление 
с одновременной  фиксацией необходимых показателей и критериев 
оценок. Проведение эксперимента возможно на специальных стендах или моделях, в лабораторных условиях или непосредственно на 
производстве. Для наблюдения и фиксации исследуемых параметров 
процесса экспериментальная установка или изучаемый объект оснащаются необходимыми датчиками и приборами. 

Развитие математических методов обработки получаемой ин
формации, широкое проникновение их в технику и во многие сферы 
науки дало возможность создать математическую теорию планирования эксперимента. При помощи математических методов решаются многие вопросы экспериментальных исследований, в том числе 
планирование результатов эксперимента, создание математической 
модели исследуемых объектов, оптимизации технологических процессов и др.  

При этом использование словосочетания «планирование экспе
римента» не означает организацию проведения экспериментальной 
части исследования в общепринятом смысле, предусматривающую 
выполнение определенного объема работ по периодам времени. Под 

понятием «планирование эксперимента» следует понимать  метод 
построения математических моделей различных управляемых процессов, позволяющий повысить производительность труда исследователей за счет значительного сокращения числа опытов. Это обеспечивает сокращение времени и средств на проведение эксперимента [31]. Сущность метода математического планирования многофакторного эксперимента заключается в том, что на основе ограниченного количества проведенных экспериментов устанавливается корреляционная зависимость между независимыми показателями процесса и выходными параметрами. Определение области оптимума 
достигается путем последовательного проведения небольших серий 
опытов, в которых по специальным правилам варьируются все факторы. Каждая последующая серия опытов планируется на основе 
результатов математической обработки предыдущей.  

Формально основной задачей планирования эксперимента явля
ется получение статической математической модели объекта исследования в виде полинома (уравнение регрессии), обычно первой или 
второй степени.  

В общем виде математическая модель представляет собой урав
нение, выражающее зависимость критерия оценки  от независимых 
факторов. Получаемое итоговое уравнение получило название 
«функции отклика».  

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАУКЕ  

И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.  

РОЛЬ НАУКИ В СОВРЕМЕННОМ ОБЩЕСТВЕ 

 

1.1. Общие сведения  о науке 

 

Научно-технический прогресс (НТП) в настоящее время пред
ставляет собой процесс развития науки и техники, позволяющий 
воздействовать на окружающую среду с целью получения материальных и духовных благ. НТП проявляется в форме научнотехнической революции (НТР). 

Особенностями НТР являются:   
1) возрастающая роль науки;  
2) возможность автоматизации труда (физического, умственного);  
3) бурный рост и обновление научно-технической информации;  
4) быстрая смена предметов труда, технологий, приводящая к 

возникновению  разновидностей инженерных решений. 

Наука представляет собой непрерывно развивающуюся систему 

знаний об объективных законах природы, общества и мышления. 
Науку можно рассматривать как форму общественного сознания, в 
основе которой система знаний, процесс познания закономерностей 
объективного мира и процесс производства знаний и их использования в практике. 

Одна из главных функций науки и ее целей – познание объек
тивного мира. Наука создана для непосредственного выявления существенных сторон всех явлений природы, общества и мышления 
Прогресс общества в значительной мере зависит от развития науки – 
в этом ее активная роль. Нельзя считать научными те знания, которые человек получает на основе простого наблюдения. Хотя они и 
важны, но не раскрывают сущности явлений, взаимосвязи между 
ними, не отвечают на вопрос, почему данное явление протекает таким образом, а не иначе. Пока законы не открыты, человек может 
лишь описывать явления, собирать, систематизировать факты, но он 
ничего не может объяснить и предсказать. Развитие науки идет от 

сбора фактов, их изучения и систематизации, обобщения и раскрытия отдельных закономерностей к связанной, логически стройной 
системе научных знаний, которая позволяет объяснить уже известные факты и предсказать новые. 

Важная форма знаний – принципы (постулаты), аксиомы. Под 

принципами понимают исходные положения какой-либо отрасли 
науки [11]. Они являются начальной формой систематизации знаний. Важнейшим звеном в системе научных знаний являются научные законы, отражающие наиболее существенные, устойчивые, повторяющиеся объективные внутренние связи в природе, обществе и мышлении. 

Наиболее важной формой обобщения и систематизации знаний 

является теория. Под теорией понимают учение об обобщенном 
опыте, формулирующее научные принципы и методы, которые позволяют обобщить, познать существующие процессы и явления, проанализировать действие на них различных факторов и предложить 
рекомендации по использованию их в практической деятельности 
людей. 

В случае, когда исследователи не располагают достаточным 

фактическим материалом, в качестве средства достижения научных 
результатов они используют гипотезы – научно обоснованные 
предположения, выдвигаемые для объяснения какого-либо процесса. Гипотезы после проверки могут оказаться истинными или ложными. 

Гипотеза часто выступает как первоначальная формулировка, 

черновой вариант открываемого закона. Как показывает история, 
большинство научных законов и теорий было сформулировано на 
основе ранее высказанных гипотез, предположений. 

Основной формой осуществления и развития науки являет
ся научное исследование, т.е. изучение явлений и процессов, анализ 
влияния на них различных факторов, а также изучение взаимодействия между явлениями с целью получения убедительно доказанных 
и полезных решений для науки и практической реализации. 

 
 

1.2. Научные исследования 

 

Цель научного исследования – определение и выбор конкретного 

объекта и всестороннее, достоверное изучение его структуры, характеристик, связей на основе разработанных в науке принципов и методов познания, а также получение полезных для деятельности человека результатов и дальнейшее внедрение в производство.  

Основой разработки каждого научного исследования является 

методология, т. е. совокупность методов, способов, приемов и их 
определенная последовательность, принятая при разработке научного исследования. В конечном счете методология – это план решения 
поставленной научно-исследовательской задачи 

Научное исследование должно рассматриваться в непрерывном 

развитии, базироваться на взаимосвязи  теории с практикой. Важную 
роль в научном исследовании играют возникающие при решении 
научных проблем задачи, наибольший интерес из которых представляют эмпирические и теоретические. 

Эмпирические задачи направлены на выявление, точное описа
ние и тщательное изучение взаимовлияния различных факторов рассматриваемых явлений и процессов. В научных исследованиях они 
решаются с использованием таких методов познания, как наблюдение и эксперимент. Наблюдение – это метод познания, при котором 
объект изучают без вмешательства в него; фиксируют, измеряют 
свойства объекта, характер его изменения во времени и пространстве. Эксперимент является наиболее общим эмпирическим методом 
познания. С помощью которого можно выявить закономерности  
влияния одного фактора на другой. Эмпирические методы познания 
играют большую роль в научном исследовании. Они не только являются основой для подкрепления теоретических предпосылок, но 
часто составляют предмет нового открытия, научного исследования.  

Теоретические задачи направлены на изучение и выявление 

причин, связей, зависимостей, позволяющих установить поведение 
объекта, определить и изучить его структуру, характеристику на основе разработанных в науке принципов и методов познания. В результате полученных знаний формулируются законы, разрабатыва

ются теоретические положения. Теоретические задачи формулируются таким образом, чтобы их можно было проверить эмпирическими методами. 

В решении эмпирических и теоретических задач научного ис
следования важная роль принадлежит логическому методу познания, 
позволяющему объяснять явления и процессы, выдвигать различные 
предположения и идеи, устанавливать пути их решения. Этот метод 
базируется на результатах эмпирических исследований. 

Одним из важнейших требований, предъявляемых к научному 

исследованию, является научное обобщение, которое позволяет 
установить зависимость и связь между изучаемыми явлениями и 
процессами и делать необходимые выводы.  

По целевому назначению научные исследования бывают теоре
тические и прикладные. 

Теоретические исследования направлены на создание новых 

принципов. Это обычно фундаментальные исследования. Целью их 
является расширение знаний об обществе, наиболее полное изучение 
законов природы. Такие разработки используют в основном для 
дальнейшего развития новых теоретических исследований, которые 
могут быть долгосрочными, бюджетными и др. 

Прикладные исследования направлены на создание новых мето
дов, на основе которых разрабатывается  новое оборудование, а также новые машины и материалы, способы производства и организации работ. Они должны удовлетворять потребность общества в развитии и создании конкурентоспособной отечественной продукции в 
конкретных отраслях производства. Прикладные разработки могут 
быть долгосрочными и краткосрочными, бюджетными или хоздоговорными. 

Исследовательские работы выполняются в строго определенной 

последовательности в соответствии с принятой методикой. Процесс 
выполнения включает несколько этапов: 

1) выбор и формулирование темы; 
2) постановка целей и задач исследования; 
3) теоретические исследования; 
4) экспериментальные исследования; 

5) анализ и оформление научных исследований; 
6) практическая реализация и расчет экономической эффектив
ности научных исследований. 

Каждое научное исследование имеет тему. Темой могут быть 

различные вопросы науки и техники. Обоснование темы – это важный этап в разработке научного исследования. 

 

1.3. Научно-техническая информация 

 
Характерной особенностью развития современной науки являет
ся лавинообразное увеличение потока новых научных данных, получаемых в результате исследований. Ежегодно в мире издается 
огромное количество книг и журналов по различным вопросам.  

Отыскание новой, передовой научной информации при разра
ботке конкретной темы является достаточно сложной задачей вследствие того, что она быстро устаревает на фоне новых появляющихся 
данных об исследуемом объекте. Использование глобальной  мировой информационной базы облегчает вышеприведенную задачу. 
Каждый шаг на пути прогресса и развития науки достигается все 
большим трудом, все более дорогой ценой. Для ускорения отбора 
необходимой документации из общего объема и повышения эффективности труда работников создаются государственные службы 
научно-технической информации (НТИ). Общегосударственная 
служба НТИ  включает в себя отраслевые информационные центры. 

Носителями информации могут быть различные документы:  
- книги (учебники, учебные пособия, монографии);  
- периодические издания (журналы, бюллетени, труды институ
тов, научные сборники);  

- нормативные документы (стандарты, ОСТы, ГОСТы, ТУ, ин
струкции, временные указания, нормативные таблицы и др.);  

- каталоги и прейскуранты;   
- патентная документация (патенты, изобретения);  
- отчеты о научно-исследовательских и опытно-конструктор
ских работах;