Тема 5. Основные характеристики и уровни научных исследований.

Эмпирический и теоретический уровни познания; фундаментальные и прикладные исследования.

Методы, используемые в естествознании можно разделить на:

Метод научного познания.

Научный метод стал неотделим от научной теории, ее применения и развития. Истинно научный метод – это теория в действии. Квантовая механика есть не только отражение свойств и закономерностей физических процессов атомного масштаба, но и важнейший метод дальнейшего познания микропроцессов. Генетика – не только отражение свойств и закономерностей явлений наследственности и изменчивости в развитии живых систем, но и важнейший метод познания глубинных основ жизни.

Чтобы выполнить функцию метода, теория должна удовлетворять таким требованиям:

1) быть принципиально проверяемой;

2) обладать максимальной общностью;

3) обладать предсказательной силой;

4) быть принципиально простой;

5) обладать системностью.

Самые простые научные методы – сравнение и измерение.

Сравнение. Сущность этого способа может быть раскрыта следующим образом. Сравнение – это научный метод познания, в процессе его неизвестное (изучаемое) явление, предметы сопоставляются с уже известными, изучаемыми ранее, с целью определения общих черт либо различий между ними.

Сравнение – это процесс установления сходства или различия у предметов и явлений действительности, а также нахождения общего, что присуще двум или нескольким объектам.

С помощью сравнения определяется общее и специфическое в явлениях, изучаются изменения исследуемых объектов, тенденции и закономерности их развития.

Метод сравнения будет плодотворным, если выполняются следующие требования (Огурцов, 2008, с. 23-24):

1. могут сравниваться только такие явления, между которыми может существовать определенная объективная общность;

2. сравнение должно осуществляться по наиболее важным, существенным (в плане конкретной задачи) признакам.

Различают по характеру сравнения (по направлению):

1. горизонтальный сравнительный анализ, который применяется для определения абсолютных и относительных отклонений фактического уровня исследуемых показателей от базового;

2. вертикальный сравнительный анализ, используемый для изучения структуры экономических явлений; трендовый анализ, применяемый при изучении относительных темпов роста и прироста показателей за ряд лет к уровню базисного года, т.е. при исследовании рядов динамики.

Различные объекты или явления могут сравниваться непосредственно или опосредованно через их сравнение с каким-либо третьим объектом (эталоном).

В первом случае обычно получают качественные результаты (больше – меньше; выше – ниже). Сравнения же объектов с эталоном дают возможность получить количественные характеристики. Такие сравнения называются измерением.

Измерение – совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины.

Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений – мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т. д.

Измерение физической величины включает в себя несколько этапов:

1) сравнение измеряемой величины с единицей;

2) преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации).

Стоит различать:

· Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.

· Метод измерений – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Характеристикой точности измерения является его погрешность или неопределённость. Примеры измерений:

1. В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают её размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

2. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчёт.

В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая, или не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам, например, Шкала Рихтера интенсивности землетрясений, Шкала Мооса — шкала твёрдости минералов (бальная оценка).

Наука, предметом изучения которой являются все аспекты измерений, называется метрологией.

Различают методы измерений по видам измерений:

· Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

· Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

· Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними.

· Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

По методам измерений

· Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

· Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

· Нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

· Метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

· Метод измерений дополнением – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

· Дифференциальный метод измерений – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

Современное естествознание характеризуется усилением в нем роли наблюдения. Основные причины этого явления такие:

1) развитие самого метода наблюдения: создаваемая для наблюдения аппаратура может длительное время работать в автоматическом режиме, управляться на расстоянии; ее подключение к ЭВМ дает возможность быстро и надежно обрабатывать данные наблюдений;

2) осознание научным сообществом того, что эксперименты над объектами, жизненно необходимыми для человечества, ставить нельзя. Это, в первую очередь, – океан и земная атмосфера. Их можно изучать только методом наблюдения;

3) возникновение новых возможностей наблюдения Земли с развитием космической техники. Наблюдения Земли из космоса позволяют получать информацию о целостных земных образованиях в интегративном виде, которые нельзя получить в условиях нахождения субъекта наблюдения на Земле. Они позволяют наблюдать целостные картины взаимодействий сразу нескольких подсистем Земли, наблюдать динамику ряда процессов на Земле;

4) вынос средств наблюдения за пределы атмосферы Земли и даже за пределы поля ее тяготения расширил возможность астрономических наблюдений. Так, с помощью автоматов удалось увидеть обратную сторону Луны, обозреть поверхность и окружение иных планет солнечной системы. Дело в том, что за пределами земной атмосферы отсутствует поглощение электромагнитного космического излучения в широком диапазоне частот атмосферой. После выноса инструментов за пределы земной атмосферы возникла и стала бурно развиваться рентгеновская и гамма-астрономия.

Что же такое научное наблюдение?

Наблюдение – это преднамеренное, планомерное восприятие какого-либо явления, осуществляемое с целью выявить его существенные свойства и отношения.

Наблюдение – это активная форма научной деятельности субъекта! Оно требует постановки задачи наблюдения, разработки методики его проведения, разработки способов фиксации результатов наблюдения и их обработки.

Возникающие задачи наблюдения вызваны внутренней логикой развития естествознания и запросами практики.

Научное наблюдение всегда связано с теоретическим знанием. Именно оно показывает, что наблюдать и как наблюдать. Оно задает и степень точности наблюдения.

Наблюдения могут быть:

- непосредственными – свойства и стороны объекта воспринимаются органами чувств человека;

- опосредованными – выполняемые с помощью технических средств (микроскопа, телескопа);

- косвенными – при которых наблюдаются не объекты, а результаты их воздействия на какие-то другие объекты (поток электронов, который фиксируется свечением экрана со специальным покрытием).

Условия наблюдения должны обеспечивать:

а) однозначность замысла наблюдения;

б) возможность контроля либо путем повторного наблюдения, либо путем применения новых, иных методов наблюдения. Результаты наблюдения должны быть воспроизводимыми. Конечно, абсолютной воспроизводимости результатов наблюдений нет. Результаты наблюдений фиксируются лишь в рамках определенных научных знаний.

Особенность метода наблюдения – В процессе наблюдения субъект не вмешивается в природу наблюдаемого явления. Это порождает недостатки наблюдения как научного метода познания:

1. Нельзя изолировать наблюдаемое явление от влияния затемняющих его сущность факторов. Понятие затемняющего фактора легко понять на примере свободного падения тел. Действительно, свободное падение тел показывает, что сопротивление воздуха явно влияет на характер движения тела, но оно не оказывает никакого влияния на зависимость этого движения от силы тяжести. Таким образом, затемняющий фактор – это фактор, от которого изучаемое явление не зависит, но который видоизменяет форму проявления изучаемого явления.

2. Нельзя воспроизводить явление столько раз, сколько требуется для этого изучения; необходимо ждать, когда оно повторится само.

3. Нельзя исследовать поведение явления в различных условиях, т.е. невозможно его всесторонне изучить.

Именно эти недостатки наблюдения и заставляют исследователя переходить к эксперименту. В заключение этого вопроса отметим, что в современном естествознании наблюдение все больше приобретает форму измерения количественной величины свойств системы. Результаты наблюдения фиксируются в протоколах. Ими выступают таблицы, графики, словесные описания и т.д. Получив протоколы наблюдения, исследователь пытается установить зависимости между теми или иными свойствами: количественные, следования во времени, сопутствия, взаимоисключения и т.д.

Эксперимент– это метод познания, базирующийся на управлении поведением объекта с помощью ряда факторов, контроль за действием которых находится в руках исследователя.

Эксперимент не вытеснил полностью наблюдение. Наблюдение в условиях эксперимента фиксирует воздействие на объект и реакцию объекта. Без этого эксперимент идет вхолостую.

Например, закон Ома для участка цепи гласит: для металлов и электролитов сила тока в цепи пропорциональна приложенному напряжению. Чтобы эту закономерность проверить экспериментально, надо менять напряжение в цепи и наблюдать (фиксировать), как при этом меняется сила тока.

Главное отличие эксперимента от наблюдения заключается в том, что даже в самом простом эксперименте создается искусственная система элементов, ранее не встречающаяся в практике человека. Эта искусственная система будет экспериментальной установкой.

Главное требование к эксперименту – воспроизводимость его результатов. Это означает, что эксперимент, проведенный в разные моменты времени, при прочих равных условиях, должен давать один и тот же результат. Тем не менее, не всякий биологический эксперимент, например, можно повторить сколько угодно раз (пересадка сердца и т.д.). Такой повтор возможен в принципе. Но есть еще и вопрос о целесообразности повтора.

В зависимости от предмета исследования эксперимент подразделяют на естественнонаучный, технический и социальный. Выбор то или иного вида эксперимента, как и план его осуществления, зависит от исследовательской задачи. В этой связи эксперименты подразделяют на: поисковые, измерительные, контрольные, проверочные.

Поисковые эксперименты ставятся для обнаружения неизвестных объектов или свойств. Измерительные – для установления количественных параметров изучаемого предмета или процесса.

Контрольные – для проверки полученных ранее результатов.

Проверочные – для подтверждения или опровержения определенной гипотезы или некоторого теоретического утверждения.

Современный эксперимент теоретически нагружен. Действительно:

- в эксперименте используются приборы, а они представляют собой материализованный результат предшествующей теоретической деятельности;

- всякий эксперимент строится на основе какой-то теории, и если теория разработана хорошо, то заранее известно, к какому результату приведет эксперимент;

- эксперимент, как правило, дает не непрерывную картину процесса, а лишь его узловые точки. Только теоретическое мышление способно восстанавливать по ним весь процесс;

- при обработке данных экспериментов надо проводить усреднения, применять теорию ошибок.

Научное исследование начинается с постановки проблемы. Понятие проблемы связывается с непознанным. Возникает вопрос: вся ли область непознанного составляет научную проблему? Нет. Проблема – это не непознанное как таковое, но уже некоторое знание о нем. Проблема – это знание о незнании, это незнание, которое можно сформулировать в виде вопроса. Проблемы вырастают из предшествующего знания как своеобразное логическое следствие. Существующего знания достаточно, чтобы поставить проблему, но не решить ее. Примерами проблем могут служить проблема управляемой термоядерной реакции, проблема фотосинтеза и т.д. Проблема тесно связана с предметом исследования.

Итак, для постановки проблемы нужно знание. Ими являются научные факты. Решение проблемы ведет к возникновению теории. Необходимым путем к созданию теорий является гипотеза.

Гипотезой называется выдвигаемое на основе известных фактов предположение о непосредственно ненаблюдаемых формах связи явлений или внутренних механизмах, обуславливающих эти явления и присущие им формы связи (ненаблюдаемым будем считать явление, которое нельзя воспринять ни с помощью органов чувств, ни с помощью известных нам приборов).

Научная гипотеза должна удовлетворять следующим условиям:

1. Обязательное согласие с тем фактическим материалом, для объяснения которого она выдвигается. Однако в науке часто бывает и так, что появляющаяся гипотеза противоречит некоторым данным. Это еще не значит, что сделанное предположение непременно неверно. Возможно, неверно то, что мы считаем непреложным фактом. Примером такой ситуации может служить открытие Д.И. Менделеевым периодического закона. Ряд химических элементов ему “не подчинялся”. Д.И. Менделеев предположил, что их атомные веса были определены неправильно, и это подтвердилось более точными экспериментами.

2. Принципиальная проверяемость. Общий метод проверки гипотез – это вывод из них следствий, которые доступны опытной проверке. Если из гипотезы нельзя вывести ни одного подобного рода следствия, она не имеет права на существование. Это хорошо знают физики и такого рода гипотез не выдвигают. Однако нельзя путать фактическую непроверяемость и принципиальную непроверяемость. Фактическая существует в тех случаях, когда в силу математических трудностей нельзя получить из гипотезы количественно определенные следствия, допускающие однозначное сопоставление с опытом, или когда выводимые следствия недоступны проверке в силу недостаточных технических возможностей эксперимента. Фактически непроверяемая гипотеза со временем становится проверяемой. Примером фактически непроверяемой гипотезы на современном этапе развития физики может служить гипотеза кварков, хотя уже сегодня некоторые ее следствия могут быть экспериментально проверены.

3. Логическая простота. Действительная простота гипотезы заключается в ее способности, исходя из единого основания, осмыслить по возможности более широкий круг явлений, не прибегая при этом к искусственным построениям, произвольным допущениям. Принцип логической простоты используется в тех случаях, когда для объяснения одних и тех же фактов выдвигается ряд гипотез. Причем они одинаково подтверждаются экспериментом. Для примера можно сравнить гипотезы Птолемея и Коперника. Согласно Птолемею центром солнечной системы является Земля, а согласно Копернику – Солнце. Обе гипотезы хорошо объясняют результаты наблюдений. Но вот чтобы объяснить петли, которые делают планеты на небосводе в течение года, с точки зрения гипотезы Коперника никаких дополнительных допущений делать не надо, а гипотеза Птолемея требует их ввода. В этом смысле гипотеза Коперника логически проще, чем гипотеза Птолемея.

Нельзя забывать, что большая или меньшая сложность математического аппарата, большая или меньшая непривычность развиваемых идей к оценке логической простоты гипотезы никакого отношения не имеют.

4. Надежность гипотезы – это ее способность не разрушаться при введении в нее новых фактов, при расширении ее предметной области. Гипотеза считается надежной, если она не ведет к противоречиям формально-логического характера, не противоречит законам природы, ведет к предсказанию новых явлений.

Теория.Теория в отличие от гипотезы представляет собой уже не вероятное, а достоверное знание (система знаний, переведенная из ранга гипотезы в теорию при помощи эксперимента).

Научная теория – это система знаний, описывающая и объясняющая определенную совокупность явлений, дающая обоснование всех выдвинутых положений и сводящая открытые в данной области законы к единому основанию. Например, теория относительности, квантовая теория, теория государства и права и т.д.

Обозначим основные черты научной теории:

1. Научная теория – это знание об определенном предмете или строго определенной, органически связанной группе явлений. Объединение знания в теорию определяется ее предметом.

2. Теорию в качестве важнейшего ее признака характеризует объяснение известной совокупности фактов, а не простое их описание, вскрытие закономерностей их функционирования и развития.

3. Теория должна обладать прогностической силой, предсказывать течение процессов.

4. В развитой теории все ее главные положения должны быть объединены общим началом, основанием.

5. Наконец, все входящие в содержание теории положения должны быть обоснованы.

Что же касается структуры научной теории, то она включает:

- во-первых, основания теории (аксиомы геометрии Евклида, принципы диалектики);

- во-вторых, законы, выступающие в качестве костяка научной теории, ее базы;

- в-третьих, узловые понятия, категориальный аппарат теории, с помощью которого выражается и излагается основное содержание теории;

- в-четвертых, идеи, в которых органически слиты отражение объективной реальности и постановка практических задач перед людьми.

Научные теории подразделяются на:

1. эмпирические – обеспечиваются большим количеством эмпирики, а их законы формулируются путем упорядочения фактов и генерализации исследовательского материала. Содержание эмпирических теорий выражается естественным языком (низкий уровень формализации) с введением специальных терминов.

2. математизированные теории – основаны на математическом аппарате (теория элементарных частиц, теория ядра и т.д.). Здесь реальный объект замещается идеальным (модель!).

3. дедуктивные теории – результат исследования определенных классов объектов, которые строятся из выходящих утверждений методом дедукции. Такие выходящие утверждения в математике называются постулатами и аксиомами, в физике – началами и принципами. Выводы из них создают в математике систему теорем, в физике – систему законов. Дедуктивные теории излагаются терминами специальных формальных языков и имеют высокую меру обобщения.

Высокая роль и растущее значение науки в жизни современного общества, с одной стороны, а с другой – опасные негативные социальные следствия бездумности, а порой и откровенно преступного использования достижений науки повышают в наши дни требования к нравственным качествам ученых, к этической, если ставить вопрос шире, стороне научной деятельности. Наметим хотя бы пунктирно некоторые из этих этических требований.

1. Прежде всего ученый должен соблюдать общечеловеческие нормы нравственности, и спрос с него в этом отношении должен быть выше, чем в среднем, и в силу важности его функций, и в силу высокой ответственности за социальные результаты его деятельности.

2. Второе требование - требование бескорыстного поиска истины без каких бы то ни было уступок конъюнктуре, внешнему давлению и т.д.

3. Третье - нацеленность на поиск нового знания и его до конца честного, досконального обоснования, не допуская подлога, погони за дешевой сенсацией, а тем более плагиата.

4. Четвертый устой этики науки – обеспечение свободы научного поиска.

5. Наконец, последний, пятый по счету, но первостепенный по значимости устой этики науки и этики ученого – высокая социальная ответственность и за результаты своих исследований, и в еще большей степени за их практическое использование. О необходимости повышения ответственности ученых и работников инженерной мысли за свои решения свидетельствует тяжелый груз Чернобыля.