Specyfika wspomaganych komputerowo badań eksperymentalnych w naukach przyrodniczych

Sławomir Leciejewski Specyfika wspomaganych komputerowo badań eksperymentalnych w naukach przyrodniczych Studia Philosophiae Christianae 45/1, 119-131 2009 Studia Philosophiae Christianae UKSW 45(2009)1 SŁAWOMIR LECIEJEWSKI Instytut Filozofii UAM, Poznań SPECYFIKA WSPOMAGANYCH KOMPUTEROWO BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH W NAUKACH PRZYRODNICZYCH 1. Wprowadzenie. 2. „Odległość” pomiędzy podmiotem a przedmiotem eksperymentu z kwbd. 3. Interpretacja wyników eksperymentów z kwbd. 4. Metody numeryczne w układach empirycznych – uzasadnianie numeryczne. 5. Podsumowanie. 1. WPROWADZENIE Zastosowanie komputera w laboratoryjnych układach badawczych prowadzi na ogół do znacznego zwiększenia możliwości pomiarowych. Komputer pozwala na prowadzenie pomiarów w sposób nieprzerwany przez długi czas, analizę dowolnej liczby danych doświadczalnych napływających z dużą szybkością i jednocześnie kontrolę wielu urządzeń laboratoryjnych. Dane wprowadzone do pamięci komputera poddawać można dowolnemu przetwarzaniu, między innymi cyfrowej redukcji szumów, filtracji czy uśrednianiu. Ułatwiony jest proces znajdowania widma sygnału (szybka transformata Fouriera), dopasowania rezultatów pomiarowych do przewidywań teoretycznych, analizy statystycznej. Analizę danych doświadczalnych można przeprowadzić w trakcie pomiaru i na bieżąco wpływać na warunki doświadczenia. W przypadku eksperymentu wykorzystującego współczesne techniki informatyczne mamy do czynienia z trzema wzajemnie na siebie oddziałującymi czynnikami: eksperymentatorem (podmiotem – P) projektującym eksperyment i interpretującym jego wyniki, badanym obiektem (O), tj. przedmiotem badań doświadczalnych (np. zjawiskiem, procesem itp.) oraz z tym, co pośredniczy pomiędzy P i O, studia_philoso_2009_1_srodki.ind119 119 03-09-2009 17:04:31 120 SŁAWOMIR LECIEJEWSKI [2] tj. z systemem automatyzacji badań doświadczalnych (abd)1. Wiele może być powodów wprowadzenia takiego ogniwa pośredniczącego. System automatyzacji badań doświadczalnych może: • chronić organizm eksperymentatora przed szkodliwym oddziaływaniem obiektu badanego, • odciążyć eksperymentatora od zbyt żmudnych i bardzo czasochłonnych czynności, • zwiększyć dokładność pomiarów lub/i ich liczbę wykonanych w jednostce czasu, • ułatwić operowanie dużymi zbiorami danych, • umożliwić koordynację wielu czynności związanych z wykonywaniem złożonego doświadczenia, • zapewnić optymalne warunki wykonywania doświadczeń zgodnie z założonymi kryteriami ich efektywności, • pomóc w przedstawieniu wyników badań w sposób bardziej poglądowy, • pomóc w selekcji wyników oraz w ich syntezie. Częścią abd może być tzw. komputerowe wspomaganie badań doświadczalnych (kwbd). Jest to „ogół metod i środków służących usprawnieniu, zgodnie z założeniami eksperymentu (naukowego, technicznego, medycznego itd.), procesów pobierania informacji o badanym obiekcie i jej przetwarzania za pomocą środków techniki komputerowej (…). Środki sprzętowe i programowe zastosowane do tego celu w określonym eksperymencie (…) tworzą system kwbd. System ten (…) jest integralną (a niekiedy główną) częścią składową systemu abd. Ten ostatni, rozumiany szeroko, może ponadto obejmować, z jednej strony – środki pobierania danych doświadczalnych (a więc: czujniki, urządzenia pomiarowe, manipulatory laboratoryjne itp.), z drugiej zaś strony – środki udostępniania danych (służące do ich wizualizacji, archiwizowania, rozpowszechniania itp.)”2. W swoim artykule omówię specyfikę współczesnego sposobu eksperymentowania, która wynika z coraz powszechniejszego stosowania technik informatycznych. Wpływa ono na zmianę relacji 1 Terminy „automatyzacja badań doświadczalnych” i „komputerowe wspomaganie badań doświadczalnych” zaczerpnięto z: J. Kulkowski, Komputery w badaniach doświadczalnych, Warszawa 1993. 2 Tamże, 8. studia_philoso_2009_1_srodki.ind120 120 03-09-2009 17:04:31 [3] KOMPUTERY W BADANIACH EKSPERYMENTALNYCH 121 pomiędzy podmiotem eksperymentu (P) a jego przedmiotem, tj. badanym obiektem (O), co wywiera wpływ na wyniki badań przeprowadzanych z użyciem komputerów. W artykule spróbuję odpowiedzieć na następujące pytania. Czy zastosowanie komputerowego wspomagania badań doświadczalnych wprowadza do eksperymentów tylko niepodlegające dyskusji zmiany ilościowe, czy także mamy tu do czynienia ze zmianami jakościowymi? Czy zmienia się „odległość” pomiędzy podmiotem (P) a przedmiotem (O) eksperymentu dzięki zastosowaniu sprzęgów (interface)? Czy interpretacja wyników eksperymentów z kwbd różni się od interpretacji wyników klasycznych badań empirycznych? Czy zastosowanie metod numerycznych wprowadza inny rodzaj uzasadniania hipotez naukowych (uzasadnianie numeryczne)? Czy zatem status eksperymentatora w naukach empirycznych zmienia się w sposób jakościowy w przypadku, gdy eksperyment czy teoretyczne badanie naukowe jest wspomagane przez współczesne techniki informatyczne? Czy zatem wspomagane komputerowo badania eksperymentalne mają swoją specyfikę? Czy różnią się jakościowo od badań eksperymentalnych przeprowadzanych bez wspomagania komputerowego? 2. „ODLEGŁOŚĆ” POMIĘDZY PODMIOTEM A PRZEDMIOTEM EKSPERYMENTU Z KWBD Możliwości maszyn cyfrowych w dziedzinie przetwarzania informacji są wykorzystywane w laboratoriach do zbierania i przetwarzania danych oraz analizy i kontroli parametrów eksperymentu3. Komputery są szczególnie niezbędne w tych eksperymentach, w których dane napływają z dużą szybkością, z wielu źródeł, jak również gdy zachodzi konieczność bieżącej kontroli wielu parametrów, gdy w dodatku doświadczenie jest przeprowadzane przez długi czas. Ogólny schemat układu eksperymentalnego wykorzystującego komputer przedstawiono na rysunku: 3 Kwestie poruszane w niniejszym paragrafie omawiam, wykorzystując ustalenia poczynione w pracach: J. L. Kulikowski, dz. cyt; T. Stacewicz, A. Kotlicki, Elektronika w laboratorium naukowym, Warszawa 1994, 278–300; H. Szydłowski, Pomiary fizyczne za pomocą komputera, Poznań 1999, 11–26. studia_philoso_2009_1_srodki.ind121 121 03-09-2009 17:04:31 122 SŁAWOMIR LECIEJEWSKI [4] Schemat układu eksperymentalnego wykorzystującego komputer W wyniku zjawisk przyrodniczych w detektorach (czujnikach) powstają sygnały elektryczne odpowiadające wielkościom fizycznym (jak: temperatura, ciśnienie, naprężenie, natężenie promieniowania, natężenie pola magnetycznego, potencjał elektrochemiczny itp.). Zwykle sygnały te nie mogą być przekazane bezpośrednio do komputera i wymagają przetworzenia w urządzeniach pomiarowych (jak: dyskryminator, analizator amplitudy, woltomierz fazowy itp.). Urządzenia pomiarowe łączą się z urządzeniem cyfrowym za pomocą sprzęgów (interface). Również za pośrednictwem sprzęgów komputer steruje regulatorami, co umożliwia kontrolę parametrów eksperymentu za pomocą urządzeń wykonawczych (jak np. grzejniki, zawory dozujące, silniki, zasilacze, regulatory natężenia promieniowania itp.). Większość detektorów i urządzeń pomiarowych reaguje na oddziaływania fizyczne, takie jak: ciśnienie, temperat (...truncated)