Глава 1. Проблема математического сопровождения  психологического исследования

Министерство ОБРАЗОВАНИЯ и НАУКИ Российской федерации

федеральное агентство по образованию

Технологический институт

Федерального государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет» в г. Таганроге

Факультет информационной безопасности

 

Кафедра Психологии и безопасности жизнедеятельности

 

К защите допустить: Зав. кафедрой _____________ Непомнящий А.В. "____"_________2007 г.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

на тему: Комплекспрограмм для автоматизации исследований в экспериментальной психологии

 

Руководитель дипломного проекта	Непомнящий А.В.  (фамилия, имя, отчество) Зав. кафедрой ПиБЖ, к.т.н, д.п.н, профессор (должность, ученая степень и звание) ____________________________________ (подпись)
Консультанты по психологии: зав. кафедры ПиБЖ, д.п.н, профессор Непомнящий А.В. по безопасности и экологичности: к.т.н., доц. кафедры ПиБЖ Компаниец В.С. по технико-экономическому обоснованию: доц. кафедры экономики, к.э.н. Корсаков М.Н.
Дипломант Картавенко Михаил Валерьевич, ПСВ-161                                            (фамилия, имя, отчество, группа) " ____ " ________________ 2007 г. _____________________________ (подпись)

 

Таганрог 2007

УДК 681.3.06:15

Картавенко М.В. Комплекс программ для автоматизации исследований

в экспериментальной психологии

Дипломный проект. - Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2007. – 105 с.

АННОТАЦИЯ

Дипломный проект посвящен разработке программного средства для автоматизации исследований в экспериментальной психологии. Объектом автоматизации стали математические процедуры обработки данных, используемые психологами в практических исследованиях. Были разработаны механизмы создания математических процедур и их верификации. Разработанное программное средство учитывает особенности работы психолога и позволяет ему самому разрабатывать математические процедуры обработки данных. Созданный механизм позволяет создавать решения, не зависящие от математических пакетов и используемых средств разработки.

В результате разработки дипломного проекта были реализованы все задачи, поставленные в техническом задании. В пояснительной записке подробно описаны все этапы проектирования информационной системы.

В дипломном проекте также рассмотрены вопросы безопасности и экологичности системы, а также экономическое обоснование разработки программного продукта.

Общий объем дипломной работы составил 105 с. (вместе с приложениями, без приложений 85 c.). Дипломная работа содержит 30 рисунков, 9 таблиц, 48 источников литературы, 6 приложений.

ABSTRACT

 

The diploma project is intended to development of software tool to automation exploration in experimental psychology. Automation object became the mathematical procedures of data processing used by psychologists in practical researches. Mechanisms of creation of mathematical procedures and their verifications have been developed. The developed software considers features of operation of the psychologist and allows him to develop mathematical procedures of data processing. The created mechanism allows to create solutions, not dependent on mathematical packages and used development tools.

As a result of development of the degree project all tasks put in the technical project have been realized. In the present note the basic design stages developed.

During work problems of safety and ecological compatibility of a created product also have been mentioned, its economic substantiation is done.

The diploma includes 105 pages, 30 pictures, 48 references, 9 tables, 6 appendix.

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ. 6

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА МАТЕМАТИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.. 9

1.1. Экспериментальная психология как набор инструментов и принципов психологического исследования. 9

1.2. Математическое обеспечение психологического исследования. 15

1.3. Обзор существующих аналогов. 22

1.4. Выводы.. 28

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ.. 30

2.1. Постановка технического задания. 30

2.2. Используемые программные технологии. 31

2.3. Архитектурное проектирование программного средства. 34

2.4. Обоснование выбора средств разработки. 40

2.5. Проектирование интерфейсов. 44

2.5.1. Проектирование внутренних интерфейсов. 44

2.5.2. Проектирование пользовательского интерфейса. 49

2.6. Реализация и эксплуатация программного средства. 51

2.7. Модернизация программного средства. 64

ГЛАВА 3. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА.. 66

3.1. Анализ безопасности. 66

3.1.1. Описание трудового процесса при использовании программного средства 66

3.1.2. Анализ и оценка напряженности трудового процесса пользователя. 67

3.1.3. Разработка защитных и профилактических мероприятий. 71

3.1.4. Анализ надежности программного средства на этапе эксплуатации. 72

3.2. Анализ экологичности. 74

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА.. 75

4.1. Актуальность разработки. 75

4.2. Расчет затрат на разработку программного средства. 75

4.3. Расчет капитальных вложений. 78

4.4. Расчет и сопоставление эксплуатационных расходов. 79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 81

Список использованных источников.. 82

ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 86

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 88

ПРИЛОЖЕНИЕ В.. 90

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. 99

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.. 102

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. 103

ВВЕДЕНИЕ

    Возникновение психологии как научной дисциплины связанно с применением естественнонаучной парадигмы при исследовании психологической реальности. Психология, которая долгое время была разделом философии и относилась к гуманитарному знанию, стала частью естественной науки. Такая перемена стала возможна благодаря переносу в психологию методов и принципов, применяемых в «строгих» науках, таких как физика, химия, биология и т.д. К принципам, пришедшим в психологию из «строгих» наук можно отнести верифицируемость и фальсифицируемость, повторяемость и проверяемость получаемых результатов. Основным методом исследований стал эксперимент, который позволил применять принципы естественной науки на практике.

    Применение эксперимента и его принципов внесло в психологию необходимость поверять все получаемые результаты математическими процедурами. Это привело к появлению таких научных дисциплин, как математическая психология, психодиагностика, психометрика и экспериментальная психология. Для использования в психологии были адаптированы такие математические методы как факторный, кластерный и дисперсионный анализ. В качестве отдельных направлений психологии разрабатывались разделы, посвященные математической обработки данных психологических экспериментов, психометрика и моделирование психических процессов. Математическое сопровождение психологических исследований стало массовым и обязательным, его применение стало критерием научности получаемых данных и залогом их повторяемости.

       Важным этапом экспериментальных исследований в психологии стало появление ЭВМ, которые позволили автоматизировать сложные расчеты и позволили строить сложные математические модели различных психических процессов. Дальнейшее развитие технических средств, сделали применение математических средств повсеместными, позволило получать ряд преимуществ:

־ повышение эффективности работы психолога, за счет уменьшение времени на обработку результатов экспериментальных процедур;

־ автоматизация всех рутинных операций и возможность специалиста сконцентрироваться на решениях профессиональных задач;

־ увеличение точности регистрируемых данных и уменьшение ошибок при их обработке, неизбежных при «ручных» методах сбора и обработки данных;

־ увеличение стандартизации условий психодиагностического исследования за счет единообразного инструктирования испытуемых и предъявления заданий вне зависимости от индивидуальных особенностей исследуемого и экспериментатора;

־ возможность систематически накапливать и хранить данные об испытуемом, результаты его тестирования.

Все эти преимущества позволяют профессиональному психологу не задумываться над математическими и техническими составляющими своего исследования и работать на уровне методологии исследования, его психологической эксперименталики и интерпретации исследуемой психологической реальности. Однако процесс компьютеризации и автоматизации математического обеспечения психологических исследований имеет и ряд проблем:

־ большое количество ошибок в популярных пакетах обработки данных (таких как Statistica, SPSS, Stadia и т.д.);

־ отсутствие специализированных пакетов, специализированных для анализа и обработки именно психологических данных. Как следствие, необходимость создавать сложные процедуры в известных пакетах на основе языков программирования или с помощью составления различных наборов процедур;

־ невозможность полностью верифицировать используемые математические алгоритмы;

־ высокая стоимость лицензионных программ применяемых при математическом обеспечении психологических исследований;

־ уменьшение квалификации профильных специалистов при планировании и использовании различных математических процедур в психологических исследованиях.

Таким образом, существует задача построения программного средства[1], которое бы частично или полностью компенсировало бы указанные недостатки. Такой программное средство актуально в связи с существующими техническими и социальными проблемами: увеличением стоимости исследовательских работ, необходимость быть уверенным в получаемых результатах, увеличение сложности программных продуктов и т.д. При этом, существует необходимость создания программного средства, который бы учитывал особенности применения математических методов в психологических исследованиях.

Таким образом, целью нашей работы является создание программного средства, позволяющего психологу с минимальными затратами создавать и использовать различные математические процедуры для сопровождения исследовательской деятельности в психологии. Для достижения данной цели нами были поставлены следующие задачи:

1. разработать простой и наглядный способ создания математических процедур, необходимых для работы психолога;

2. разработать процедуры верификации созданных процедур;

3. реализовать возможность использования полученных процедур в среде, программно-независимой от коммерческих пакетов обработки и анализа данных.

Итак, в соответствии с целями и задачами работы, нам необходимо разработать программное средство для «математического сопровождения психологических исследований».

Обзор существующих аналогов

Анализ литературы по математической обработке данных в психологических исследованиях и результаты анкетирования позволили выделить четыре основных программы, применяемых психологами. К ним относятся такие программные продукты как Statistica, SPSS, Stadia и MS Excel. Такие известные математические программы как MatLab, Maple, Mathematica и Mathcad практические не используются в психологических исследованиях из-за своей сложности. Рассмотрим особенности каждой из программ и выделим ее сильные и слабые стороны.

1) SPSS («Statistical Package for the Social Sciences»)

SPSS является комплексной системой анализа данных. SPSS может использовать данные почти из всех типов файлов и генерировать табличные отчёты, графики, рисунки распределений и трендов, описательную статистику и проводить сложные виды статистического анализа.

Программа предоставляет полный набор методов анализа данных, начиная с описательной статистики и заканчивая сложными видами анализа (дисперсионный, факторный, спектральный и т.д.). Представление результатов происходит при помощи различных видов диаграмм и гистограмм. При этом пользователя предоставляется возможность самому создавать шаблоны диаграмм. Но главной особенностью SPSS является ее интеграция с большим количеством внешних программ (MS Excel, dBASE, Lotus, SQL, SYSTAT и т.д.) и форматов (XML, HTML, PC, SAS и т.д.). Еще одной важной особенностью программы является поддержка современных программных решений. Так, последняя версия программ SPSS строится на основе клиент-серверной архитектуры, объявлено, что новая версия программы будет полностью совместима с Windows Vista (Ю.Н. Тюрин, 1995).  

Системные требования, необходимые для работы SPSS:

־ операционная система - Microsoft Windows 98, Me, NT 4.0, 2000 или XP;

־ процессор - не менее Pentium 500 МГц;

־ место на жестком диске - 200 Мб;

־ ОЗУ – не менее 128 Мб.

    Цена на SPSS сильно меняется, в зависимости от используемых модулей и количества лицензий. Цены на SPSS приведены на таблице 1.1.

 

 

Таблица 1.1 - Цены на различные модули SPSS.

	Количество пользователей (цены за одного пользователя в $)
	1-2	3-4	5-9	10-25	более 25
SPSS Base	1390	1180	980	740	560
SPSS Tables	750	640	530	400	300
SPSS Advanced Models	690	590	490	370	280
SPSS Complex Samples	690	590	490	370	280
SPSS Classification Trees	690	590	490	370	280
SPSS Regression Models	690	590	490	370	280
SPSS Categories	690	590	490	370	280
SPSS Trends	690	590	490	370	280
SPSS Conjoint	590	500	420	320	240
SPSS Missing Value Analysis	590	500	420	320	240
SPSS Exact Tests	590	500	420	320	240
SPSS Maps	590	500	420	320	240
SPSS Data Preparation	590	500	420	320	240

Анализ таблицы позволяет рассчитать минимальную, максимальную и среднюю цену. Максимальная цена полного пакета программ на одного пользователя (с учетом всех скидок) составляет 6000 $ (156 тыс. руб.), на 25 пользователей – 60775 (1580 тыс. руб.). Базовая программа, необходимая для основных расчетов с лицензией на одного пользователя стоит 1390 $ (36 тыс. руб.), на 25 пользователей – 14000 $ (364 тыс. руб.).

Можно говорить о том, что программа SPSS является наиболее функциональной и поддерживает самые современные технологий. Однако ее цена и модульная структура приводит к тому, что SPSS является ориентированной на применение в коммерческих проектах.

2) Statistica.

Statistica - это система для статистического анализа данных, включающая широкий набор аналитических процедур и методов: более 100 различных типов графиков, описательные и внутригрупповые статистики, разведочный анализ данных, корреляции, быстрые основные статистики и блоковые статистики, интерактивный вероятностный калькулятор, T-критерии (и другие критерии групповых различий), таблицы частот, сопряженности, анализ многомерных откликов, множественная регрессия, непараметрические статистики, общая модель дисперсионного и ковариационного анализа, подгонка распределений и многое другое.

Помимо общих статистических и графических средств в системе имеются специализированные модули, например, для проведения социологических или биомедицинских исследований, решения технических и промышленных задач: карты контроля качества, анализ процессов и планирование эксперимента. Работа со всеми модулями происходит в рамках единого программного пакета, для которого можно выбирать один из нескольких предложенных интерфейсов пользователя (В.П. Боровиков, 1998).

Программа Statistica продается в двух модификациях – Quick Statistica, которая содержит ограниченную функциональность и стоит 920 $ (24 тыс. руб.), и основной пакет программы, которая стоит 1500 $ (39 тыс. руб.).

Системные требования, необходимые для работы программы Statistica:

־ операционная система - Microsoft Windows 98, 2000 или XP;

־ процессор - не менее Pentium 300 МГц;

־ место на жестком диске - 150 Мб;

־ ОЗУ – не менее 128 Мб.

3) Stadia.

Программа Stadia разработана в России и за 12 лет своего развития стала аналитическим инструментом, используемым в различных областях науки, техники, планирования, управления, производства, бизнеса, маркетинга, образования, медицины и др. Программа предоставляет следующие возможности (А.П. Кулаичев,1999)):

־ анализ данных, осуществляемый с помощью следующих методов: описательная статистика, критерии различия, различные виды анализа данных (категориальный, дисперсионный, корреляционный, дискриминантный, кластерный и факторный), фильтрация, прогнозирование, регрессия (простая, множественная, пошаговая и нелинейная), шкалирование, методы контроля качества, вычисление и согласие распределений и т.д.

־ визуализация данных при помощи 2-ух и 3-ех мерных графиков, гистограмм, диаграмм, поверхностей и карт;

־ экспорт и импорт данных и результатов;

־ интерактивная помощь, советы и интерпретация результатов.

Системные требования, необходимые для работы программы Stadia:

־ операционная система - Microsoft Windows 3.11, 98, Me, NT 4.0, 2000 или XP;

־ процессор - не менее 286;

־ место на жестком диске – не менее 10 Мб;

־ ОЗУ – не менее 8 Мб.

Программа Stadia выпускается в трех основных модификациях, отличающихся только объемом обрабатываемых данных (чисел в матрице данных):

־ версия для учебных классов на 10 ПЭВМ (до 400 чисел) стоит 3 тыс. руб.;

־ базовая версия (до 4000 чисел) стоит 6 тыс. руб.;

־ профессиональная версия (до 20000 чисел) стоит 9 тыс. руб.

Таким образом, можно говорить о том, что программа Stadia предназначена для индивидуального использования и применения в научных исследованиях. 

4) MS Excel.

Программа MS Excel входит в пакет программ Microsoft Office и предназначена для работы с электронными таблицами. Не являясь специализированной программой для математической обработки данных, MS Excel предоставляет возможность проводить большое количество преобразований над ячейками таблицы и визуализировать получаемые результаты. Программа позволяет проводить весь набор описательной статистики, использовать критерии сравнения, проводить некоторые виды анализа (регрессионный, дискриминационный).

К положительных свойствам системы можно отнести: большое количество диаграмм и графиков, легкость в обучении (основанную на едином интерфейсе всех продуктов Microsoft), возможность создавать свои собственные процедуры обработки на основе уже имеющихся. К отрицательным сторонам программы можно отнести отсутствие сложных видов анализа данных и отсутствие специализации для исследований в психологии. К «минусам» программы следует отнести большое количество ошибок и неточностей, свойственное и самой программе и всей продукции компании Microsoft.

Системные требования, необходимые для работы MS Excel:

־ операционная система Windows 95, 98, Me, NT, 2000, XP (в зависимости от версии программы);

־ процессор  - не менее Pentium II;

־ место на жестком диске – не менее 250 Мб;

־ ОЗУ – не менее 32 Мб (для MS Excel 2007 не менее 128 Мб).

Различные версии программы (входящие в Microsoft Office) стоят 250-400 $ (6,5-10,5 тыс. руб.). Для ВУЗов существует ограниченная версия ценой 60 $ (1,5 тыс. руб.).

Можно говорить о том, что MS Excel является наиболее доступной программой и позволяет пользователю создавать свои методы обработки данных. Это позиционирует ее для применения частными лицами и в научных исследованиях.

Таблица 1.2 – Сравнение различных программ математической обработки данных

Критерий сравнения	Statistica	SPSS	Stadia	MS Excel
1	2	3	4	5
Визуализация результатов	да	да	да	да
Наличие основных статистических методов	да	да	да	да
Наличие сложных методов анализа	да	да	частично	частично
Учет особенностей психологических исследований	нет	нет	частично	нет

 

Продолжение таблицы 1.2

1	2	3	4	5
«Открытость» методов	нет	нет	нет	да
Цена, в тыс. руб.	24-39	36-364	3-9	6,5-10,5
Наличие скидки для ВУЗов	Скидки для образовательных учреждений – 65%	Ограниченная версия программы за 500 т.р. на пол года без ограничение на лицензии	нет	Цена для ВУЗов 1,5 т.р.

 

    Проведенный сравнительный анализ (см. таблицу 1.2) показал, что все используемые программы имеют достаточно маленькие требования к системным ресурсам ПЭВМ. Также все эти программы предоставляют возможность воспользоваться статистическими методами обработки данных и визуализацией полученных результатов. С точки зрения цены предпочтение отдается программам Stadia и MS Excel, в то время как цена программ Statistica и SPSS позиционирует их для использования в коммерческих проектах. Специализацию для использования в психологических исследованиях имеет только программа Stadia, а «открытую» архитектуры только программа MS Excel.

    Однако у всех программ имеется ряд ограничений: не существует методов верификации используемых методов обработки,

Выводы

    Проведенный анализ позволил сделать следующие выводы:

־ Математические методы составляют основу экспериментальной психологии, обеспечивая реализацию ее основных принципов и критериев научности, являются основой третьего и четвертого уровня методологии.

־ Выделяют три сферы применения математических методов в психологии: математическая обработка данных, психометрика и моделирование в психологии.

־ Проведенное нами анкетирование выявило основные методы, применяемые в психологических исследованиях: меры центральной тенденции; коэффициенты корреляции Спирмена и Пирсона; критерии Стьюдента (для анализа независимых выборок), Фишера, Манна-Уитни, Крускала-Уоллиса и Хи-квадрат Пирсона.

־ На основе анализ литературы по проектированию тестовых методик была построена типовая схема применения математических методов при расчете психометрических показателей тесов.

־ Проведенный анализ программ, используемых психологами для обработки данных, показал, что в подавляющем большинстве случаев используются четыре программы: Statistica, SPSS, Stadia и MS Excel. По показателям цены лучшими являются программы Stadia и MS Excel, по показателям надежности – SPSS, по учету особенностей психологических исследований – Stadia. При этом все программы обеспечивают наличие основных статистических методов обработки данных и визуализации результатов.

Проектирование интерфейсов

В данном разделе, нами будут рассмотрены вопросы проектирования интерфейсов программного продукта. Существуют два уровня проектирования интерфейсов: проектирование пользовательских интерфейсов и проектирование внутренних интерфейсов.

Анализ безопасности

Данный раздел посвящен анализу безопасности пользователя при работе с разработанным нами программным средством. В нем будут рассмотрены такие вопросы, как анализ рабочего процесса пользователя, оценка напряжённости трудового процесса, разработка защитных и профилактических мероприятий, снижающих воздействие вредных факторов. Также будет проведен анализ надежности информационной системы и рассмотрены вопросы экологичности применения программных средств.

Интеллектуальные нагрузки