Mokslinių tyrimų įrašai, duomenų valdymas ir atvirasis mokslas

Užrašykite klausimą ir atliktus veiksmus

Toliau pateikiama patikros užduotis yra originalus išgalvotas mokomosios medžiagos rinkinys CART-RECORD-v1. Šiai pamokai nebuvo naudojama jokia aparatūra ir nebuvo atlikta jokių matavimų. Rinkinio vertės ir ribos, pateiktos kaip matavimo duomenys, yra samprotavimui skirtos prielaidos, o ne patvirtintos matavimo prietaisų charakteristikos.

Mokslinio tyrimo įrašas turėtų leisti kitam žmogui patikrinti, koks klausimas buvo iškeltas, kas buvo padaryta ir kaip iš to išplaukia išvada. Pradinius įrašus laikykite atskirai nuo skaičiavimų, modelio prognozių ir interpretacijos. Aiškus dokumentavimas leidžia patikrinti teiginį, tačiau negarantuoja, kad jis teisingas.

Metaduomenys – tai įrašą apibūdinanti informacija, pavyzdžiui, jo kūrėjas, paskirtis, kintamieji, vienetai ir prieigos sąlygos. Kilmės ir apdorojimo istorijoje fiksuojama įrašo kilmė ir pakeitimai ar apdorojimo veiksmai, lėmę konkretų rezultatą. Skaičių stulpelis be tokio konteksto gali atsakyti į kitą klausimą, nei ketinote užduoti.

Apibrėžkite vežimėlio duomenų įrašą ir jo ribas

Pasirinkite vežimėlį kaip sistemą ir sekite vieną pažymėtą tašką tiesioje trasoje. Naudokite fiksuotą koordinačių pradžią trasoje, o teigiamą x kryptį nukreipkite į priekį. Laikas t matuojamas nuo nurodyto pradžios momento. Įraše pateikiamos užfiksuotos padėtys r, atitinkančios tikslias laiko žymas 0 s, 1 s, 2 s ir 3 s. Milimetrai, mm, ir metrai, m, išreiškia tą patį ilgio dydį: 1000 mm = 1 m.

Šiam išgalvotam atvejui pateikite šią informaciją apie neapibrėžties ribas: daroma prielaida, kad nagrinėjama padėtis kiekvienu nurodytu laiko momentu yra uždarajame intervale [r − 0.020 m, r + 0.020 m]. Šios nustatytos leistinų padėčių ribos neinterpretuojamos kaip standartinė neapibrėžtis ar pasikliautinasis intervalas, o tikimybių skirstinys nepateikiamas. Laiko žymų neapibrėžtis nevertinama – tai aiškiai įvardyta mokymo prielaida.

Lentelėje išsaugotos pateiktos vertės ir jų vienetų perskaičiavimas. Pateikta intervalo centro vertė nelaikoma tikslia fizine padėtimi. Intervalai apibūdina pagal mūsų prielaidas leistinas vertes; jie neatskleidžia, kuri vertė buvo tikroji. Vien šis įrašas taip pat neapibūdina tolydaus judėjimo tarp keturių laiko momentų.

Apibrėžkite modelį ir skaitykite jo grafiką

Pradėkite nuo siūlomo modelio M1: pažymėtas taškas juda tik pirmyn tiesiu takeliu pastoviu greičiu, o x_M1(t) = 0.200 m + (0.300 m/s)t visiems 0 ≤ t ≤ 3 s. Pradiniu greičiu pasirenkame nominalų pokytį tarp pirmosios ir trečiosios nurodytų centrinių verčių, (0.800 m − 0.200 m) / 2 s = 0.300 m/s. Tikrinant siūlomo modelio parametrai laikomi tiksliai nustatytais; šiuo skaičiavimu neįvertinama tikroji jų matavimo neapibrėžtis.

Kai t = 3 s, M1 prognozuoja 0.200 m + (0.300 m/s)(3 s) = 1.100 m. Padauginus greitį iš laiko gaunamas ilgis, o pridėjus pradinę padėtį gaunama kita padėtis. Tai apibrėžto modelio prognozė, kuri skiriasi nuo įraše nurodytos vertės 1.160 m.

Grafike horizontaliosios koordinatės rodo laiką sekundėmis (s), o vertikaliosios – padėtį metrais (m). Modelio linijos aukštis tam tikru laiko momentu rodo jo prognozuojamą padėtį. Nuo 0 s iki 2 s M1 pakyla 0.600 m per 2 s, todėl jo nuolydis yra 0.300 m/s. Jo linija brėžiama visame apibrėžtame intervale, nes numatytas tolygus judėjimas; vien keturių įrašo taškų nepakaktų pagrįsti jų sujungimui pagal šį dėsnį.

Grafike įrašo taškai paliekami atskiri, o nurodytos padėties ribos žymimos vertikaliomis atkarpomis. Šios atkarpos nėra judėjimo trajektorijos ar tikimybiniai paklaidų ruožai. Nė vieno siūlomo modelio linija nepratęsiama už 0–3 s intervalo: tai, kad pagal formulę galima apskaičiuoti skaičių ties 4 s, neišplečia mūsų apibrėžto fizikinio modelio.

Palyginkite su ribomis ir patikslinkite siūlomą modelį

Ties 0 s, 1 s ir 2 s M1 prognozuoja nurodytas centrines vertes. Ties 3 s jo prognozė 1.100 m yra mažesnė už leistino intervalo [1.140 m, 1.180 m] apatinę ribą. Skirtumas nuo nurodytos centrinės vertės yra 0.060 m, taigi didesnis už nustatytą ribą 0.020 m. Todėl šis siūlomas modelis su tiksliai nustatytais parametrais ir pateiktos ribos tuo laiko momentu yra nesuderinami, jei paliekame nepakeistą įrašą, vienetus, laiko žymas ir prielaidas apie ribas.

Tai nenustato priežasties. Realiu atveju gali reikėti tirti judėjimo modelį, padėties ar laiko interpretaciją, duomenų gavimo procesą arba deklaruotas ribas. Išsaugokite pateiktą įrašą ir pakeiskite išvadą: M1 šio patikrinimo nepraėjo. Naujiems matavimams reikėtų tinkamo patvirtinto matavimų plano; įrašytos vertės keitimas siekiant suderinti ją su M1 nėra modelio tikslinimas.

Kitas šiai pamokai sukurtas modelis M2 aprašomas formule x_M2(t) = 0.180 m + (0.320 m/s)t tame pačiame 0–3 s intervale, įskaitant jo galus. Jo prognozės yra 0.180 m, 0.500 m, 0.820 m ir 1.140 m. Visos keturios patenka į nurodytus intervalus, įskaitant ribines vertes. Tai pagrįstas pakeitimas, pasirenkant modelį, suderinamą su šiuo įrašu ir jo nustatytomis ribomis; jis nenustato tikrosios trajektorijos ir nepatvirtina, kad numanomos ribos yra teisingos.

Pakeitus tik M1 greitį į 0.320 m/s ir palikus pradinę padėtį 0.200 m, ties 2 s būtų prognozuojama 0.840 m vertė, nepatenkanti į [0.780 m, 0.820 m]. Tikrinkite kiekvieną išsaugotą stebėjimą ir prielaidą, o ne taisykite tik galutinį tašką. M1 nesėkmė neatmeta visų pastovaus greičio modelių, o M2 sėkmė neįrodo, kad tarp stebėjimų greitis buvo pastovus.

Išsaugokite apdorojimo istoriją ir duomenų kilmę

Išsaugokite pateiktus pradinius duomenis, dokumentuotą vienetų perskaičiavimą ir skaičiavimus bei išvadai padaryti naudotą modelio kandidato versiją. Pavyzdžiui, CART-PROCESS-v1 per klaidą padalija milimetrais išreikštas reikšmes iš 100 ir rezultatus pažymi kaip m. CART-PROCESS-v2 pataiso daliklį į 1000. Pirmąjį rezultatą išsaugokite kaip klaidingu pažymėtą išvestinį rezultatą, pirminius duomenis palikite nepakeistus ir užfiksuokite pataisą bei jos priežastį.

Paskutinio įrašo atveju 1160 mm × (1 m / 1000 mm) = 1.160 m. Jei milimetrais išreikšta skaitinė reikšmė būtų padalyta iš 100, o rezultatas pažymėtas kaip m, būtų gauta neteisingai pažymėta reikšmė 11.600 m. Vien matavimo vieneto simbolis neužtikrina, kad skaitinė reikšmė perskaičiuota teisingai. Ištaisius šią apdorojimo klaidą, M1 prognozė 1.100 m vis tiek nesutampa su pataisyta ataskaitoje pateikta reikšme 1.160 m ir jos ribomis.

Kilmės sąsaja turėtų nurodyti, iš kurių pradinių duomenų ir naudojant kurią apdorojimo versiją gautas rezultatas, kada užfiksuotas pakeitimas ir kodėl. Jei rezultatas pasikeičia, išsaugokite pakeitimų istoriją, užuot pateikę dabartinį failą taip, tarsi jame visada būtų buvęs naujasis rezultatas.

Planuokite saugojimą, atkūrimą ir ilgalaikį išsaugojimą

Duomenų valdymo plane dar iki projekto pabaigos nustatomi sprendimai ir atsakomybė. Skaitmeninių išteklių kuravimo centro (Digital Curation Centre) kontroliniame sąraše klausiama apie duomenis, dokumentaciją, formatus, saugojimą, atsargines kopijas, atkūrimą, dalijimąsi ir atsakomybę. Mūsų nedideliam rinkiniui užrašykite, kas prižiūri pateiktus pradinius duomenis, išvestines lenteles, modelių apibrėžtis ir paaiškinimą ir kur juos gali rasti prieigos teisę turintis skaitytojas.

Nurodykite darbinę kopiją ir atsarginę kopiją, iš kurios galima atkurti duomenis, kas jas prižiūri ir kaip bus tikrinamas atkūrimas. Išsaugojus tik naujausią perskaičiuotą lentelę, būtų prarasti pateikti milimetrais išreikšti įrašai ir klaidingo daliklio naudojimo istorija. Taip pat išsaugokite duomenims perskaityti reikalingą dokumentaciją; nukopijuotas failas be jame naudotų matavimo vienetų gali išsaugoti baitus, bet prarasti numatytą prasmę.

Numatykite suprantamą failo formatą ir jo laukų apibrėžtis, reikiamą prieigos apsaugą ir institucijai bei projektui tinkamą sprendimą dėl saugojimo. Atsarginių kopijų kūrimas, ilgalaikis išsaugojimas ir publikavimas yra skirtingos užduotys. Nei failas nešiojamajame kompiuteryje, nei vien vieša nuoroda nėra išsamus atkūrimo ar ilgalaikio išsaugojimo planas; šioje pamokoje nenustatomas universalus saugojimo terminas ar teisinė taisyklė.

Sudarykite sąlygas pakartotiniam naudojimui pagal FAIR principus

FAIR reiškia surandamumą, prieinamumą, sąveikumą ir pakartotinį panaudojamumą. Pradiniai principai apima tiek žmonių, tiek kompiuterinių sistemų atliekamą pakartotinį naudojimą, įskaitant identifikatorius, aprašomuosius metaduomenis, prieigos protokolus, naudojimo licencijas ir kilmę. Lentelėje pateikiamas šių principų taikymas nedideliam rinkiniui, o ne teigiama, kad mūsų pavyzdys išlaikė formalų FAIR vertinimą.

Prieinamumas nereiškia, kad kiekvienas failas turi būti prieinamas be apribojimų. FAIR aiškiai leidžia prireikus taikyti tapatumo nustatymą ir prieigos teisių suteikimą bei numato, kad metaduomenys turi likti prieinami, kai patys duomenys jau nebeprieinami. Įraše galima paaiškinti, kaip prašyti prieigos, neatskleidžiant saugomo turinio.

UNESCO rekomendacija dėl atvirojo mokslo apima dalijimąsi mokslo žiniomis, priemonėmis ir procesais, taikant pagrįstus prieigos apribojimus. Siekiant atvirumo būtina atsižvelgti į leidimus ir žmones ar bendruomenes, kuriems tai turi poveikį. Paviešinti failą be paaiškinimų nėra tas pats, kas sudaryti sąlygas atsakingai jį nagrinėti ir pakartotinai naudoti.

Bendrinkite ir cituokite konkrečią įrašo versiją

Prieš paskelbdami peržiūrėkite, kuo galima dalytis, kas gali tai daryti ir kokiomis sąlygomis. Dėl tikro projekto vardų ir pavadinimų, kontaktinės informacijos ar ribotos prieigos medžiagos reikia atskiro sprendimo dėl leidimų ir apsaugos; vien vardų ir pavadinimų pašalinimas nereiškia, kad įrašas yra anoniminis. Mūsų skaitinių duomenų paketas yra išgalvotas, tačiau numatytoje viešoje jo versijoje vis tiek turėtų būti tai nurodyta ir įvardyta jo kilmė, metodai ir ribos.

Talpykla gali suteikti įrašui nuolatinį identifikatorių, skirtą cituoti. „Zenodo“ dokumentacijoje atskiriami metaduomenys, failai ir įrašo identifikatorius, taip pat aprašomi atskiri įrašai ir identifikatoriai pakeistoms failų versijoms. Cituokite konkrečią analizei naudotą versiją. Jos įrašas talpykloje ir identifikatorius nurodo tą objektą, tačiau neįrodo jo mokslinės išvados.

Pasidalykite pakankamai kontekstinės informacijos, kurią leidžiama viešinti, kad būtų galima patikrinti įvesties duomenis, perskaičiavimus, modelio taikymo sritį, ribų reikšmę, pataisas ir išvadas. Tai, kad talpykla saugo failų turinį, savaime neužtikrina, jog jų formatas išliks perskaitomas; „Zenodo“ nurodo šį išsaugojimo apribojimą. Pataisytame pakete turėtų būti išlaikytas ryšys su ankstesne jo versija ir paaiškinta, kas pasikeitė.

Šis patikros etapas susieja klausimą, matavimo vienetus įvertinančią prognozę, palyginimą atsižvelgiant į ribas ir pataisą, kurią galima patikrinti. Kitoje mokymosi plano pamokoje „Mokslinis programavimas ir atkuriami skaičiavimai“ nagrinėjama, kaip skaičiavimais įgyvendinami ir tikrinami užfiksuoti metodai. Tas pats įrašas taip pat parengia nagrinėti padėties ir judėjimo klausimus Niutono mechanikoje.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Faile yra tik vertės 200, 500, 800 ir 1160. Kokio konteksto reikia prieš interpretuojant jas kaip šio vežimėlio duomenų įrašą?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Nurodykite duomenų rinkinį ir tai, kad jis išgalvotas, pažymėtą tašką ir fiksuotą ašį, milimetrų vienetus, laiko žymas ir atskaitos momentą, pateiktas ribas ir jų reikšmę, taip pat kilmę ir apdorojimo istoriją.

   Vien skaičiai neįvardija dydžio, neleidžia atskirti įrašo nuo prognozės ir neapibrėžia neapibrėžties. Metaduomenys ir duomenų kilmės informacija leidžia patikrinti tokią interpretaciją.

2. Ką M1 prognozuoja laiko momentu 2.5 s? Ar tas pats deklaruotas modelis leidžia pateikti prognozę laiko momentu 4 s?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Laiko momentu 2.5 s M1 prognozuoja 0.950 m padėtį. Deklaruotas 0–3 s intervalo modelis nepateikia fizikinės prognozės laiko momentu 4 s.

   0.200 m + (0.300 m/s)(2.5 s) = 0.200 m + 0.750 m = 0.950 m. Algebrinio reiškinio vertę galima apskaičiuoti ir už intervalo ribų, tačiau jį ten naudojant būtų įtraukta papildoma modelio prielaida, kuri čia nepateikta.

3. Atskirame išgalvotame palyginime laiko momentu 3 s nurodyta padėtis yra 1.120 m, o leistina riba yra ta pati nustatyta ±0.020 m. Ar M1 prognozuojama 1.100 m padėtis yra leistina?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Taip: leistinas intervalas yra [1.100 m, 1.140 m], o M1 prognozė tiksliai sutampa su į intervalą įtraukta apatine riba.

   Intervalo ribos gaunamos atimant ir pridedant 0.020 m. Atitiktis vienu pateiktu laiko momentu neįrodo nei trajektorijos, nei pasikliovimo lygmens, o šie atskiri įvesties duomenys neperrašo CART-RECORD-v1.

4. Ką prognozuoja M1 ir M2 laiko momentu 1.5 s ir kiek skiriasi jų prognozės?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   M1 prognozuoja 0.650 m, o M2 – 0.660 m; jų skirtumas yra 0.010 m.

   M1 duoda 0.200 m + 0.450 m. M2 duoda 0.180 m + 0.480 m. Tai du tikslūs modelių kandidatų rezultatai jų galiojimo srityse, o ne du matavimai ar matavimo paklaida.

5. Analitikas pakeičia 11.600 m į 1.160 m, bet ištrina pradinį failą, kuriame vertės pateiktos milimetrais, ir neužfiksuoja pakeitimo priežasties. Kas turėtų būti išsaugomame pakete?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Išsaugokite pradinį 1160 mm įrašą, aiškiai pažymėtus klaidingus ir pataisytus išvestinius duomenis, vienetų perskaičiavimo taisyklę, užfiksuotą pataisą ir jos priežastį bei peržiūrėtas išvadas, susietas su jų pradiniais duomenimis.

   Pataisyta vertė būtina, tačiau ji nėra visas įrašas. Be pradinių duomenų ir pakeitimų istorijos skaitytojas negali patikrinti, ar pakeitimas buvo vienetų pataisa, naujas matavimas, ar nepaaiškintas pakeitimas.

6. Tyrėjas teigia, kad pagal FAIR visi apsaugoti failai turi būti vieši ir kad saugyklos identifikatorius įrodo vežimėlio modelio teisingumą. Ar šios išvados pagrįstos?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne. FAIR prireikus leidžia prieigą tik įgaliotiems naudotojams, o nuolatinis identifikatorius nurodo įrašą, kad jį būtų galima cituoti, bet neįrodo jo turinio teisingumo.

   Peržiūrėkite leidžiamos prieigos ir naudojimo sąlygas, aprašykite įrašą ir jo kilmę, cituokite konkrečią versiją ir išsaugokite modelio sąlygas bei ribotumus. Surandamumas, leidimai, išsaugojimas ir mokslinis pagrįstumas tikrinami atskirai.

Ką verta įsidėmėti

• Pradinius įrašus saugokite atskirai nuo išvestinių verčių, prognozių ir interpretacijų.
• Nurodykite sistemą, stebimą tašką, ašis, vienetus, laiko atskaitą, galiojimo sritį ir informacijos apie neapibrėžtį reikšmę.
• Lyginkite prognozes esant aiškiai nurodytoms prielaidoms; teisingi aritmetiniai skaičiavimai ir suderinamas modelis kandidatas neįrodo fizikinės tiesos.
• Išsaugokite taisymų istoriją ir kiekvieną rezultatą susiekite su jo įvesties duomenimis, metodu ir modelio versija.
• Dar prieš projekto pabaigą suplanuokite atsakomybės paskirstymą, metaduomenis, prieigą, saugojimą, atkūrimą ir ilgalaikį išsaugojimą.
• FAIR ir atvirasis mokslas padeda užtikrinti pakartotinį naudojimą, kurį galima patikrinti ir kuriam suteikti tinkami leidimai; cituokite tikslią įrašo versiją ir nurodykite, kas dar nepatikrinta.