Експеримент - це метод вивчення об'єкта, при якому дослідник активно, цілеспрямовано впливає на нього шляхом створення штучних або природних умов, необхідних для виявлення відповідних властивостей, коли свідомо змінюється рух природних процесів. Експеримент є методом комплексним і передбачає використання інших наукових методів: спостереження, порівняння і вимірювання тощо. Експериментальний метод у науці вперше утвердив Галілей. Він провів низку класичних експериментів.
Перевагою експериментального вивчення об'єкта порівняно зі спостереженням є, по-перше, можливість вивчення явища в "чистому" вигляді з усуненням побічних факторів; по-друге, можливість досліджувати властивості об'єктів в екстремальних умовах, що дозволяють значно глибше осягнути сутність явищ і об'єктів; по-третє, його повторюваність, тобто можливість проведення потрібної кількості досліджень.
Наприклад, при підготовці до космічних польотів дуже важливо встановити вплив гравітації (її збільшення при перевантаженнях на зльоті і зменшення в польоті) на людину і на різні біологічні об'єкти. Проведення експериментів на спеціальних установках або літаках дозволяє вивчити характер цього впливу перед польотом у космос і підготуватися до можливих наслідків зміни гравітації.
Класичний експеримент містить зазвичай чотири основних етапи: підготовчий, констатувальний, формувальний і контрольно-узагальнювальний.
На підготовчому етапі визначаються об'єкти експериментування, незалежні та залежні змінні, формулюється гіпотеза, розробляється програма експерименту.
Незалежна змінна (експериментальний фактор) - це те, з допомогою чого дослідний впливає на досліджувані об'єкти.
Залежна змінна - це те, на що дослідник впливає у досліджуваних об'єктах.
Констатувальний етап передбачає визначення контрольних і експериментальних об'єктів (сукупностей), порівняння їх за рівнем прояву залежної змінної.
На формувальному етапі передбачається реалізація впливу експериментального фактора на експериментальні об'єкти (сукупності).
Контрольно-узугальнювальний етап призначений для порівняння контрольних і експериментальних об'єктів (сукупностей) за рівнем прояву залежної змінної після впливу експериментального фактора.
Абстрагування. Сутність абстрагування полягає в уявному відмежуванні від несуттєвих властивостей, зв'язків, відносин предметів і виділенні цікавих для дослідника аспектів. Це уявне конструювання об'єктів, що не існують у дійсності. Наприклад, абсолютно чорне тіло, нескінченна лінія тощо.
Мета ідеалізації:
- позбавити реальні об'єкти деяких властивостей;
- надати цим об'єктам певних нереальних гіпотетичних властивостей.
Процес абстрагування проходить два ступені: перший - вичленовування найбільш важливого в явищах і встановлення незалежності досліджуваних явищ від визначених факторів; друга - реалізація можливостей абстрагування. Сутність цього процесу полягає в тому, що здійснюється заміщення одного об'єкта іншим, який виступає в якості "моделі" першого.
Абстрагування може застосовуватися як до реальних, так і до абстрактних об'єктів. Поетапне абстрагування веде до абстракції зростаючого ступеня спільності. Наприклад, чоловік - людина - жива істота - матеріальний об'єкт. Позитивний прояв абстрагування в тому, що воно дозволяє замінити складне простим, але таким, що виражає основне в цьому складному.
Існують наступні види абстракції:
- ототожнення - утворення понять шляхом об'єднання предметів, пов'язаних відносинами рівності, в особливий клас (без урахування індивідуальних властивостей предметів);
- ізолювання - виділення властивостей і відношень, нерозривно пов'язаних із предметами, позначення їх визначеними "іменами", що додає абстракціям статус самостійних предметів ("надійність", "технологічність");
- конструктивізація - відмежування від реальних об'єктів, "огрубіння" дійсності;
- абстракція актуальної нескінченності - це одна з основних абстракцій математики. Сутність її у відмежуванні від незавершеності процесу утворення нескінченної множини, від неможливості задати її повним списком усіх елементів;
- абстракція потенційної створюваності знаходить найбільше застосування в математиці та логіці. Суть її у абстрагуванні від реальних людських можливостей, обумовлених обмеженістю життя в часі та просторі. Нескінченність поступає не як безпосередньо дане, актуальне, а як потенційно здійсненне.
Абстрагування є специфічним методом дослідження, елементом більш складних за своєю структурою методів виміру, експерименту, аналізу, моделювання. Безумовно, будь-яка ідеалізація правомірна лише у певних межах.
Аналіз і синтез. Аналіз - це метод пізнання, що дозволяє мислено розподілити предмети дослідження на складові частини (природні елементи об'єкта, його властивості та відносини). Синтез, навпаки, дозволяє здійснити мислене поєднання окремих частин предмета в єдине ціле. Аналіз і синтез взаємозалежні, вони формують нерозривну єдність протилежностей. Аналіз, як і синтез, буває:
- прямий, або емпіричний - передбачає виділення окремих частин об'єкта, виявлення його властивостей, найпростіші виміри тощо;
- зворотній, або елементарно-теоретичний - базується на теоретичному розумінні причинно-наслідкового зв'язку різних явищ або дії будь-якої закономірності. При цьому виділяються і об'єднуються явища, що є істотними, а ймовірні - ігноруються;
- структурно-генетичний - вимагає вичленовування у складному явищі таких елементів, що впливають на всі інші сторони об'єкта сутності.
Індукція і дедукція. Індукція - спосіб міркування від часткового до загального, від фактів до узагальнень. Наукова індукція є результатом попереднього вивчення матеріалу і ґрунтується на цьому вивченні. Утворення найпростішого поняття може бути лише результатом руху пізнання від дослідження фактів до узагальнень.
Дедукція - спосіб міркування від загальних положень до часткових висновків. Дедуктивним називають такий умовивід, у якому висновок про певний елемент множини робиться на підставі знання властивостей усієї множини. Змістом дедукції як методу пізнання є використання загальних наукових положень при вивченні конкретних явищ.
Наочним прикладом співвідношення індукції та дедукції в науковому пізнанні є створення періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва.
Нагромадження фактичних даних про окремі елементи на індуктивному рівні не розкривали зв'язку між елементами і не сприяли їх систематизації. Отже, результатом попереднього індуктивного вивчення цих фактичних даних, їх узагальнення стало створення періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва.
Шляхом наукових дедукцій Менделєєв передбачив існування невідомих ще елементів і докладно описав їх властивості. Надалі ці елементи дійсно були відкриті. Слід зазначити, що тільки на підставі індукції неможливо було зробити такий висновок. Саме використання індукції та дедукції, аналогічно аналізу і синтезу, дозволяє творити наукове знання.
Вивчення методів роботи учених наочно показує, як своєрідність і оригінальність методу дає результати найчастіше у несподіваних напрямках. Проте слід зазначити і те, що у наукових дослідженнях є багато прийомів, що стали стандартом. Знайшли застосування загальноприйняті, шаблонні методи роботи, з якими необхідно бути ознайомленим кожному досліднику, аби наукове дослідження було проведено успішно.
Наукова методологія ґрунтується на досвіді використання методик, розроблених іншими вченими. Однак, не слід вважати ці методи роботи обов'язковими. У всіх випадках, коли це виправдано, потрібно змінювати підходи, винаходити свої методи.
Під науковим методом розуміють процедури, що використовуються у процесі отримання знань і ґрунтуються на:
- розпізнаванні та чіткому формулюванні проблеми;
- зборі даних за допомогою спостереження і експерименту;
- формулюванні гіпотез за допомогою логічних міркувань;
- перевірці цих гіпотез.
Спроби систематизації методів побудови теорій, їхньої розробки відповідно до логічних законів мислення здійснювалися неодноразово. Проте досвід показує, що істотна роль належить інтуїції. Відкриття відбувається тоді, коли несвідомий інтуїтивний процес передує керованій свідомістю логіці. У таких випадках дослідження має лише прикладний характер і методи добираються відповідні. Але в будь-якому випадку наукова праця - це індивідуальна діяльність, тому організація дослідження, підбір групи співробітників або лабораторії повинні відповідати особистості керівника.
Існує невелика кількість загальних правил організації дослідження. За кількістю співробітників оптимальним вважається варіант, коли добирається не максимально можлива кількість працівників, апаратури і приміщень, а враховується можливість збільшення кількості персоналу по мірі розвитку дослідження. Основним і вирішальним фактором в організації дослідження є його ідея.
При розгляді методології дослідження важливо визначити ступінь спеціалізації. Чим вище ступінь спеціалізації, тим вужче коло досліджуваних питань. Співвідношення між широтою і глибиною знань фахівців, що залучаються до дослідження, встановлюється відповідно до індивідуальних здібностей і нахилів людини. Необхідне залучення фахівців широкого профілю, які можуть інтегрувати інформацію, виявляти взаємозв'язки і визначати широкі перспективи розвитку, зможуть опанувати методи глибокого вивчення проблеми.
Сьогодні з'явилися прилади, що володіють високою точністю і роздільною здатністю; вони дозволяють фіксувати одночасно кілька вимірюваних параметрів зразка; прилади, що можуть автоматично (за програмою) проводити математичну обробку вимірів, унаслідок чого надається перевага заглибленню у предмет дослідження. Такий метод при правильному використанні досить ефективний.
Після виникнення ідея потребує теоретичного обґрунтування і перевірки досвідом, у зв'язку з чим проводиться систематичне дослідження. У дослідника обов'язково має бути план роботи. Серед учених немає чітко прийнятого для всіх плану і звіту. Деякі з них заперечують план у будь-якому вигляді. Вчені вважають, що наукова праця це творча діяльність, а творчість не підлягає плануванню, вона повинна розвиватися абсолютно вільно. Для підтвердження цього можна навести приклади. Ньютон, наприклад, не міг би за планом відкрити закон тяжіння.
Планування фундаментальних і прикладних досліджень істотно відрізняється. Вважається, що фундаментальні дослідження не можна планувати на визначений проміжок часу. Прогноз фундаментальних досліджень різко звужує діапазон пошуку, наприклад, програма використання нових видів енергії (ядерної, енергії Сонця тощо), програма лікування захворювань (СНІДу, раку, спадкових хвороб), видобування мінеральних скарбів Світового океану.
Розходження підходів до планування пов'язане з тією обставиною, що фундаментальна наука має яскравіше виражений характер індивідуальності, ніж прикладна. Для прикладних досліджень характерна значно менша невизначеність, вони дають вигоду суспільству миттєво і супроводжують життя більшості підприємств, колективів і організацій.
У той час результати науково-технічної творчості не можуть бути заздалегідь передбачені в їхній повноті і конкретності, бо це перестало б бути творчістю. Звичайно, ймовірність досягнення тих або інших результатів має різну величину і залежить не тільки від предмета, але і від характеру дослідника. Відповідно визначається і підхід до планування роботи.
В останні роки наукова творчість має колективний характер. Проблеми вирішуються великими колективами, у яких зовнішньому спостерігачеві важко виділити окремі особи або групи тих, хто запропонував вирішення завдань окремого етапу. Слід зазначити, що поява вирішення в даний момент часу є явищем випадковим з певною ймовірністю.
Отже, особливо цінним в науці є те, що складає основу і не може плануватися, оскільки воно досягається творчим процесом, успіх якого визначається талантом ученого. Тому розумним вважається підхід, в основу якого покладений принцип: у науці найціннішим є творчий елемент, тому план і звіт повинні складатися так, щоб не обмежувати творчість, а підтримувати її.
Вчені, які вважають, що наукова праця зовсім не піддається плануванню, помиляються. Якщо ми звернемося до досягнень відомих учених, наприклад, Ньютона, то побачимо, що його творча робота у галузі небесної механіки враховувала запити світової науки та інтереси Англії того часу. Його праці з небесної механіки, як показують сучасні історичні дослідження, пов'язані з потребами колоніальної політики, що розвивалася в Англії і вимагала розвитку судноплавства. Історія науки свідчить, що творчість завжди була спрямованою, а її напрямок можна заздалегідь визначити за запитами світової науки та культури країни.
Завжди необхідно планувати свої дії - це полегшує проведення досліджень. Ідею плану треба розуміти правильно: не перебільшувати і не доводити до абсурду, інакше план буде не допомагати, а перешкоджати роботі.
Приблизний план наукової роботи має такі частини:
1) вивчення літератури (стану розробленості проблеми);
2) зіставлення висновків вивчення з власними уявленнями;
3) виявлення задач, що вимагають експериментального вирішення;
4) розробка методичного, матеріального і апаратурного забезпечення, перевірка на відомих об'єктах і проведення пробних експериментів;
5) уточнення методики дослідження;
6) проведення дослідження і одержання основних результатів;
7) зведення та математична обробка отриманих результатів;
8) аналіз результатів і формулювання висновків.
Планування наукової роботи передбачає керівництво нею. Питання це досить делікатне, і думки вчених з цього приводу різноманітні. Наприклад, у Великобританії, розділяється ідейне (наукове) керівництво наукою і її адміністративне управління. Академія наук Великобританії - Лондонська королівська спілка - проводить обмежену кількість засідань на рік, на яких обговорюються актуальні питання, що викликають інтерес у наукової громадськості. За традицією, разом з офіційним доповідачем запрошують для виступу двох опонентів, які забезпечують жваву дискусію. Лондонська королівська спілка не має адміністративних органів, наукових інститутів, але видає ряд наукових журналів, що розсилаються її членам. Отже, уся її діяльність - це ідейне керівництво наукою.
Для видання наукових праць створене Управління науково-промислових досліджень. Воно фінансує і контролює значну частину наукової роботи в країні, має у своєму розпорядженні ряд наукових інститутів, а також організовує і забезпечує наукову роботу за певними темами у вищих навчальних закладах. Аналогічно побудоване планування і управління наукою в США, де Академія наук здійснює ідейний вплив на науку, а адмініструванням займається інший орган.
Якісно нові завдання, що постають перед наукою, вимагають удосконалення її методологічних засобів і нових форм організації. Істотне значення має вибір теми дослідження. Вибір проблеми дослідження істотно відрізняється при проведенні прикладних і фундаментальних робіт. При виборі проблеми і теми фундаментального дослідження потрібно оцінювати різні фактори. Суть роботи вченого в галузі фундаментальних наук - в умінні абстрагуватися від прагнення отримати миттєву користь і зосередити сили на відкритті фундаментальних законів. Практичні наслідки часто стають очевидними через багато років.
Предметно-дисциплінарний принцип організації наукових досліджень, що домінував раніше, стає більш вразливим, тому що не об'єднує окремі науки, а фактично розділяє їх. Це перешкоджає розвиткові нових напрямів науки, посилює інформаційну кризу, утрудняє синтез фундаментальних і прикладних досліджень.
Найбільш істотними особливостями співвідношення фундаментальної науки й експерименту є:
по-перше, універсальний характер впливу загальних ідей на техніку, технологію й організацію виробничих процесів. Результати теоретичних досліджень ведуть до радикальних зрушень у виробництві, до заміни однієї ідеальної схеми іншою. При цьому нова схема може бути основою різноманітних технічних засобів або технологічних прийомів, що застосовуються в інших галузях, тобто здійснюється перехід не від менш до більш досконалої техніки, а на основі від принципово нової ідеї до нової техніки. У результаті відбувається "прорив" з переходом на якісно новий рівень розвитку системи галузей виробництва. Наприклад, використання парової машини на судах замість вітрил якісно змінило суднобудівельну галузь, і експериментальна діяльність стала ґрунтуватися на основі іншої парадигми;
по-друге, підхід до теоретичних досліджень з погляду можливості швидкого відшкодування витрат найчастіше виявляється помилковим. Слід зазначити, що ефект теоретичних досліджень має різнобічний, багатоаспектний характер. Ефект досягнень фундаментальної науки постає як система корисних результатів, що буде реалізована у майбутньому, куди входить і економічна значущість відкриття. Необхідно також враховувати наукову цінність (зворотній вплив на процес пізнання), моральну цінність і прогресивність нового наукового досягнення. При такому комплексному підході можна оцінити ефект фундаментальних досліджень.
Особливістю фундаментальних (абстрактних) ідей є те, що теорія і експериментальна або прикладна науково-дослідна розробка розділені в часі. Є певний проміжок часу (інкубаційний період) між виникненням абстрактної ідеї та комплексом експериментальних і науково-технічних робіт, проведених для її реалізації. Він розподіляє весь інноваційний процес на дві стадії: період пошукових досліджень і період розробок, орієнтованих на конкретне практичне використання.
Як приклад зіставлення часу появи теорії і її практичного застосування, можна навести дві хронології:
І. 1831 р. - відкриття електромагнітної індукції,
1873 р. - створення електродинаміки;
1891 р. - перша лінія електропередачі трифазного струму.
ІІ. 1896 р. - відкриття радіоактивності;
1905 р. - створення спеціальної теорії відносності;
1938 р. - відкриття спонтанного розпаду урану-235;
1942 р. - перший ядерний реактор;
1954 р. - перша ядерна електростанція.
Слід зазначити, що фундаментальні теоретичні дослідження все частіше перетворюються в елемент єдиного науково-технічного потенціалу. Розвиваються нові принципи побудови дослідницької роботи. Одним із таких принципів є всебічний розвиток фундаментальних досліджень. Нові принципи створюють основу для перетворення техніки і технологій і визначаються тривалим періодом їх розвитку. Прикладами таких робіт є вивчення атомної енергії, теорія, що викликала появу лазера і його широке використання у практиці в різних галузях, теоретичні дослідження і практичне здійснення клонування біологічних об'єктів.
Лівінський О.М., Курок О.І., Гридякін В.О., Зінченко В.П.
Методологія і методи наукових досліджень
Навчальний посібник