Методы экспериментальных исследований

Содержание

                                                                                                               стр

Введение………………………………………………………………………..3

1 Практическая направленность эксперимента...…………………………....4

2 Теоретические предпосылки экспериментов……………………………....8

3 Сочетание практических и теоретических знаний……………………….12

4 Специфика современных исследований…………………………………..14

5 Методы экспериментальных исследований………………………………17

Заключение…………………………………………………………………….22

Список литературы……………………………………………………………23

Введение

Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент — наиболее эффективное и действенное средство познания.

Именно об эксперименте, как основе естественнонаучного знания, мне  хотелось бы рассказать в своей работе.

Очевидно, что многие великие открытия стали возможными только благодаря  экспериментальному исследованию. Вот  почему, на мой взгляд, знания об основных принципах данного метода научного познания так важны и необходимы.

Конечно же, нельзя не коснуться других важнейших методов эмпирического  познания, таких как наблюдение и  измерение. На мой взгляд, разговор об эксперименте, как таковом, невозможен без раскрытия сущности этих методов  эмпирического познания. Дело здесь  в том, что измерение и наблюдение неразрывно связаны с экспериментом, и зачастую являются его частью, что обязывает меня упомянуть  о них достаточно подробно.

В своей работе мне, так же, хотелось бы подробно рассказать о значимости практических и теоретических знаний: их соотношении и взаимосвязанности. Так же, на мой взгляд, необходимо коснуться методов обработки  результатов полученных в процессе экспериментального исследования. Естественно, мне хотелось бы сделать обзор  основных современных средств естественнонаучного  исследования: их специфики и достижениях  достигнутых в этой области.

1 Практическая направленность эксперимента

Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления  которых основаны на достижениях  соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов  исследований, среди которых эксперимент  – наиболее эффективное и действенное  средство познания.

Для эксперимента сегодняшнего дня  характерны три основные особенности:

• возрастание роли теоретической базы эксперимента. Во многих случаях эксперименту предшествует теоретическая работа, концентрирующая громадный труд большого числа теоретиков и экспериментаторов;
• сложность технического оснащения эксперимента. Техника эксперимента, как правило, насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, прецизионными механическими устройствами, высокочувствительными приборами, высокоточными преобразователями и т. п. Большинство экспериментальных установок представляет собой полностью замкнутую систему автоматического регулирования, в которой технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с вполне определенной точностью, регистрируют промежуточные экспериментальные результаты и производят последовательную их обработку;
• масштабность эксперимента. Некоторые экспериментальные установки напоминают сложные объекты крупных масштабов. Строительство и эксплуатация таких объектов стоит больших финансовых затрат. Кроме того, экспериментальные объекты могут оказать активное действие на окружающую среду. ¹

Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый  объект и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к  качественным, описательным, но и к  количественным результатам, требующим  дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения эксперимент- разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения  знания. В процессе экспериментального естественнонаучного исследования в контролируемых и управляемых  условиях изучаются многообразные  свойства и явления природы.

Отличаясь от простого наблюдения активным воздействием на объект, в большинстве  случаев эксперимент осуществляется на основе той или иной теории, определяющей постановку экспериментальной задачи и интерпретацию результатов. Нередко  основная задача эксперимента - проверка гипотез и предсказаний теории, имеющих  фундаментальное, прикладное и принципиальное значение. Являясь критерием естественнонаучной истины, эксперимент представляет собой  основу научного познания действительности.

Эксперимент, как и наблюдение, относится к эмпирическим формам естественнонаучного познания. Однако между ними есть существенные различия: эксперимент - преобразующая внешний  мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В процессе эксперимента при  активном вмешательстве исследуемый  объект искусственно выделяются те или  иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях.

В процессе естественнонаучного эксперимента часто прибегают к физическому  моделированию как исследуемого объекта, так и различных управляемых условий, в которых находится объект. Для этого создаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т. п. С помощью их создаются сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование исследуемого объекта – единственное средство реализации эксперимента.

Многие экспериментальные исследования направлены не только на обоснование  естественнонаучной истины, но и на обработку технологий изготовления новых видов разнообразной высококачественной продукции. Именно в этом наиболее сильно проявляется практическая направленность эксперимента как прямого пути совершенствования  любого технологического цикла.

Экспериментальные средства по своей  сути не однородны: их можно разделить  на три основные, отличающиеся функциональным назначением системы:

• содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;
• обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;
• сложную приборную измерительную систему;

В зависимости от экспериментальной  задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении  магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при проведении экспериментов  с веществом, не встречающимся в  природе при обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных  средств играют важную роль. ²

Чем сложнее экспериментальная  задача, тем острее стоит вопрос чистоты эксперимента и достоверности  полученных результатов. Можно назвать  четыре пути решения данного вопроса:

• многократное повторение измерений;
• совершенствование технических систем и приборов; повышение их точности, чувствительности, разрешающей способности;
• более строгий учет основных и не основных факторов, влияющих на исследуемый объект;
• предварительное планирование эксперимента, позволяющее наиболее полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности приборного обеспечения.

Чем чище поставлен эксперимент, чем  тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта  и чем чувствительнее приборы, тем  точнее экспериментальные результаты и тем ближе они соответствуют  естественно - научной истине.

В любом естественно – научном  эксперименте можно выделить три  основных этапа:

• подготовительный;
• получение экспериментальных данных;
• обработка результатов эксперимента и их анализ;³

Подготовительный этап обычно включает теоретическую проработку проведения эксперимента, его планирование под  готовку исследуемого объекта, конструирование  и создание технической базы, включающей приборное обеспечение. На хорошо подготовленной экспериментальной базе полученные данные, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его либо с соответствующим теоретическим значением, либо с экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности полученных результатов.

2 Теоретические предпосылки экспериментов

Взаимная обусловленность эмпирических и теоретических знаний вряд ли вызывает сомнение Современные эксперименты и теория настолько сильно переплетены, что однозначно ответить на вопрос, какое из данных знаний можно рассматривать  в качестве абсолютного начала естественно  – научного познания, практически  не представляется возможным, хотя можно  привести многочисленные примеры научных  изысканий, когда эмпирические начала предвосхищают теорию, и наоборот.

В теоретические исследования все  больше внедряются наиболее абстрактные  разделы математики, и многие теоретические  расчеты выполняются с помощью  мощных вычислительных средств. Экспериментальное  исследование развивается за счет внедрения  новых методов с применением  сравнительно сложных технических  средств. Эксперимент все чаще приобретает  индустриальные, а в отдельных  случаях и гигантские масштабы. Вместе с тем возрастает роль и его  теоретического обеспечения, то есть можно  уверенно говорить о теоретической  обусловленности современных экспериментальных  исследований.

На всех этапах экспериментальных  исследований весьма важна мыслительная деятельность экспериментатора, которая  чаще всего носит философский  характер. Решая, например, вопросы: что  такое электрон, является ли он элементом  реального мира или чистой абстракцией, можно ли его наблюдать, в какой  мере знания об электроне истины и  тому подобное – ученый так или  иначе касается философских проблем  естествознания. Более глубокая связь  естествознания с философией свидетельствует  о более высоком уровне его  развития. Естественно, с течением времени  теоретическое мышление с философской  ориентацией меняется и приобретает  различные формы и содержание. Лучших результатов достигнет естествоиспытатель, свободно владеющий своими узкопрофессиональными  вопросами и достаточно легко  ориентирующийся в общих философских  вопросах, связанных прежде всего с диалектикой и теорией естественно – научного познания.

Стремление ученых создать научную  картину мира сближает естествознание с философией. Научная картина  мира обладает большей общностью, чем  теоретические схемы конкретных естественнонаучных утверждений. Она  образуется посредством особых связей отдельных элементов познания и  представляет собой весьма общую  идеальную модель реальных процессов, явлений и свойств вещества, исследуемых  в рамках узких отраслей естествознания. В широком понимании научная  картина мира выражает общее знание о природе, характерное для данного  этапа развития общества. Описание картины мира в общем представлении  создает понятия, более или менее  близкие к понятиям повседневного, обыденного языка.

В те периоды развития естествознания, когда на смену старой картины  мира приходит новая, при постановке эксперимента возрастает роль философских  идей в виде теоретических постулатов, на основе которых реализуется эксперимент. ⁴

В эпоху становления физики как  науки, когда специальных естественнонаучных теорий не существовало, ученые, как  правило, руководствовались общими философскими представлениями о  единстве и родстве материальных объектов и явлений природы. Например, Г. Галилей, закладывая основы классической механики, опирался на общую модель единства мира. Такая идея помогла  “земными глазами” взглянуть на небо и описать движение небесных тел  по аналогии с движением тел на Земле, что в свою очередь подтолкнуло  ученых к более тщательному изучению различных форм механического движения, в результате чего были открыты классические законы механики.

Философская идея материального единства мира питала многие экспериментальные  исследования и способствовала накоплению новых естественнонаучных фактов. Так, например, известный датский физик X. Эрстед, размышляя о связи между разными по физической природе явлениями - теплотой, светом, электричеством и магнетизмом, - в результате экспериментальных исследований открыл магнитное действие электрического тока.

Особенно важна роль теоретических  предпосылок эксперимента, когда  сложившиеся теоретические знания служат основой новых естественнонаучных проблем и гипотез, требующих  предварительного эмпирического обоснования.

В современных условиях возрастает роль теоретической работы на подготовительном этапе эксперимента, на каждой операции его по-разному включаются те или  иные теоретические и практические процедуры исследований. Можно назвать  четыре основные операции подготовительного  этапа эксперимента:

• постановка задачи эксперимента и выдвижение гипотетических вариантов её решения;
• разработка программы экспериментального исследования;
• подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки;
• качественный анализ хода эксперимента и корректировка программы исследования и приборного обеспечения.⁵

При кажущейся случайности эмпирические открытия вписываются в вполне определенную логическую схему, отправным элементом  которой выступает противоречие между известным теоретическим  знанием и новыми эмпирическими  данными. Такое противоречие является логическим основанием вновь возникшей  проблемы - своеобразной границы между  знанием и незнанием - первого  шага осмысления неизвестного. Следующий  шаг - выдвижение гипотезы как возможного решения проблемы.

Выдвинутая гипотеза вместе с выводимыми из неё следствиями служит основой, определяющей цели, задачи и практические средства эксперимента. В одних случаях  при сложившейся теоретической  схеме гипотеза может обладать высокой  степенью достоверности. Такая гипотеза жестко задает программу эксперимента и нацеливает его на поиск теоретически предсказанного результата. В других случаях, когда теоретическая схема  только-только зарождается, степень  достоверности гипотезы может быть не высокой. При этом теория лишь эскизно  задает схему эксперимента, увеличивается  число проб и ошибок.

На подготовительной стадии эксперимента огромную, неоценимую роль играет изобретательская и конструкторская работа как  научный творческий процесс. Успех  любой экспериментальной работы зависит от таланта ученого, определяемого  его прозорливостью, глубиной абстрактного мышления, оригинальностью решения  технических задач, способностью к  изобретательской деятельности, представляющей собой последовательный, целенаправленный переход от теоретического знания к  практическому поиску. ⁶

Таким образом, хотя эксперимент основывается на практической деятельности, но, будучи естественнонаучным методом познания действительности, он включает логические и теоретические средства, гармоническое  сочетание которых и позволяет  успешно решить поставленную задачу.

3 Сочетание практических и теоретических знаний

Подготовка исследуемого объекта  и создание экспериментальной установки - важные шаги реализации программы  исследований, после которых наступает  основной период проведения самой экспериментальной  работы. Такой период, казалось бы, характеризуется  чисто эмпирическими признаками: изменением управляемых условий, включением и выключением приборов и различных  механизмов, фиксированием тех или  иных свойств, эффектов и т. п. В ходе эксперимента как бы уменьшается  роль теории. Но на самом деле наоборот - без теоретического знания невозможны постановка промежуточных задач  и их решение. Экспериментальная  установка - овеществленное, материализованное  знание. Роль теории в ходе эксперимента предполагает выяснение механизма  формирования объекта познания и  взаимодействия субъекта, приборов и  объекта, измерения, наблюдения и регистрации  экспериментальных данных.

Теоретические предпосылки могут  содействовать получению позитивных сведений о мире, научному открытию либо мешать, уводить поиск в сторону  от верного пути - все зависит  от того, верны или не верны данные предпосылки. Иногда ученые в силу объективных  или субъективных обстоятельств  руководствуются ложными предпосылками, что, естественно, не способствует объективному отражению действительности. Например, ложное истолкование научных проблем  кибернетики и генетики привело  к существенному отставанию в  данных отраслях знания.

В истории естествознания прослеживается тенденция развития процесса познания от качественного изучения объекта  или явления к установлению их количественных параметров и выявлению  общих закономерностей, выраженных в строгой математической форме. Строгость и точность экспериментальных  сведений при этом зависит от совершенства методов измерений и чувствительности разрешающей способности и точности измерительной техники.

Современный эксперимент характеризуется  высокой точностью измерений. Можно  назвать несколько путей повышения  точности:

1) введение новых эталонов;

2) применение чувствительных приборов;

3) учет всех условий, влияющих  на объект;

4) сочетание разных видов измерений;

5) автоматизация процесса измерений. ⁷

Оптимальное сочетание данных путей  определяется субъективным свойством  естествоиспытателя и в большой  степени зависит от степени совершенства экспериментальной техники.

Организация постоянного взаимодействия наблюдения, измерения и количественного  описания в процессе эксперимента опосредуется теоретическими знаниями, включающими  философское представление о  картине мира, гипотезы и т. д.

Теоретические знания в ходе эксперимента лежат в основе:

• формирования сложного объекта исследований;
• перегруппировки элементов объекта, скрытых от непосредственного наблюдения;
• фиксации и регистрации экспериментальных данных;
• интерпретации полученных данных и их сопоставления с теоретическими.

При реализации данных процессов естествоиспытатель постоянно сверяет свои действия и результаты с теоретическими посылками. Когда эксперимент находится  в завершающейся стадии и собраны  основные экспериментальные результаты, теоретическая работа не прекращается - она направлена на обработку результатов  эксперимента.

4 Специфика современных исследований

На протяжении всех этапов эксперимента естествоиспытатель руководствуется  в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем столетии в  силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых  ученых стала исключительно теоретическая  работа. Одним из первых ученых, который  не проводил никаких экспериментов, был немецкий физик Макс Планк.

Произошло, таким образом, деление  естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические  направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой  процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние  времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.

Одна из существенных объективных  причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические  средства эксперимента значительно  усложнилась. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве  случаев целыми коллективом научных  работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т. п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании  теоретик не в состоянии проверить  на практике свои теоретические выводы и предложения.

Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли  естествознания находились на подъеме, академик П. Л. Капица с тревогой говорил  о разрыве между теорией и  экспериментом, между теорией и  жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической  науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое  качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.

Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается  на достаточно крупную экспериментальную  базу. А это означает, что для  экспериментатора нужна хорошая  материальная база: помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой  набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т. п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются  совершенством такой материальной базы. ⁸

Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит громадный ущерб  прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта  и жизни характерен не только для  естествоиспытателей, но и для философов, занимающихся философскими проблемами естествознания. Ярким примером может  служить отношение некоторых  философов к кибернетике в  конце 40-х - начале 50-х годов, когда  в отечественных философских  словарях кибернетика называлась реакционной  лженаукой. Если бы ученые руководствовались  таким определением кибернетики, то, очевидно, освоение космоса и создание современных наукоёмких технологий не стало бы реальностью, так как  сложные многофункциональные процессы, вне зависимости от их области  применения, управляются кибернетическими системами.

Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи  теории и эксперимента. Поэтому для  развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.

5 Экспериментальные методы

Экспериментальные методы – это  схемы последовательностей операций исследователя, определяемые строением  научного эксперимента.

Строение эксперимента можно изучать  на различных уровнях. В зависимости  от этого фиксируемые нами методы будут характеризоваться той  ил иной степенью детализации. Поскольку  мы рассмотрели общее строение эксперимента, это поможет нам установить схему  последовательностей операций исследователя, характерную для любого эксперимента. Это – наиболее общая и универсальная  схема. Последующая детализация  экспериментальных методов приведет лишь к выделению экспериментальных  процедур, характерных для определенных областей исследования.

В познавательном цикле наряду с  экспериментом в каждом элементарном акте осуществляются процессы счета  и измерения. В связи с этим возникают специфические методы счета и измерения. Хотя счет и  измерения являются необходимыми процессами в развитии науки, мы вынуждены абстрагироваться от них. Процедуры счета и измерения  дополняют процедуры эксперимента. Тот факт, что на основе установленных  количественных характеристик в  науке часто удается сделать  выводы относительно строения объекта  познания и законов его функционирования, не меняет дела. Действительно читаются и измеряются лишь конкретные элементы строения объекта познания. Следовательно, в процессе счета и измерения  всегда присутствует считаемый и  измеряемый объект. Кроме этого, методологические модели изучаемого объекта, созданные  на основе счета и измерений, должны быть подтверждены или опровергнуты экспериментом.

Особое место  в экспериментальных  исследованиях занимают математическая обработка результатов счета  и измерений, а также построение математических моделей предмета познания, которые играют важную роль в научных исследованиях. Однако, чтобы говорить об этих методах корректно, необходимо подвергнуть специальному анализу процесс познания в математике. В этих условиях математические методы можно описывать в терминах математики, что для целей методологического анализ совершенно недостаточно. Конечно, абстрагируясь от математических методов, упрощается решаемая проблема. Однако такое допущение допустимо и даже необходимо. Эксперимент надлежит исследовать независимо от математической обработки результатов счета и измерения. Изучение относительно самостоятельной процедуры исследования в методологии – предпосылка для изучения функционирующего комплекса методов в том или ином познавательном цикле.⁹

Экспериментальные методы определяются не только объектом познания, но и строением  процесса познания. Такая схема, определяемая строением эксперимента, является правильно  построенной схемой операций ученого  в эксперименте или экспериментальным  методом. Став фиксированным исследователем, такой метод становится алгоритмом его действий.

Если установленное общее строение эксперимента рассмотреть с методологической точки зрения, то экспериментальный  метод может быть описан следующей  цепочкой последовательных операций:

1 – Постановка задачи на конструирование  эксперимента как такой подсистемы, взаимодействия которой не определяются  человеком;

2 – Гипотетическое изменение  предмета познания соотносится  с имеющимися знаниями о природных  или общественных объектах, выбирается  элемент, преобразующий средство  познания, а также соответствующее  ему изменение. Результаты выбора  проверяются исследователем и  корректируются в зависимости  от контекста поставленной задачи;

3 – Разрабатывается  конструкция средств познания  для реализации взаимодействия  преобразующего элемента средства  познания с предметом познания, при этом решаются следующие  задачи:

а) разработка системы  подготовительных изменений средства познания и его конструкции,

б) включение  преобразующего элемента в средство познания,

в) исключение влияния  подготовительных изменений на преобразующие  изменения.

Если, осуществляя  эти (а, б, в) операции, ученый сталкивается с принципиальной, технической или  экономической неосуществимостью, тогда выбирается новый преобразующий  элемент, либо начинается новая познавательная задача;