Научное познание можно разделить на два уровня: теоретический и эмпирический. Первый основывается на умозаключениях, второй - на опытах и взаимодействии с исследуемым объектом. Несмотря на различную природу, эти методы обладают одинаково большим значением для развития науки.
В основе эмпирического познания лежит непосредственное практическое взаимодействие исследователя и изучаемого им объекта. Оно состоит из экспериментов и наблюдений. Эмпирическое и теоретическое познание противоположны - в случае с теоретическими исследованиями человек обходится лишь собственными представлениями о предмете. Как правило, такой способ является уделом гуманитарных наук.
Эмпирические же исследования не могут обойтись без приборов и приборных установок. Это средства, связанные с организацией наблюдений и экспериментов, но помимо них есть еще и понятийные средства. Их используют в качестве специального научного языка. Он обладает сложной организацией. Эмпирическое и теоретическое познание ориентированы на исследование явлений и возникающих между ними зависимостей. Проводя эксперименты, человек может выявить объективный закон. Этому также способствует изучение явлений и их корреляции.
Согласно научному представлению эмпирическое и теоретическое познание состоит из нескольких методов. Это совокупность шагов, необходимых для решения определенной задачи (в данном случае речь идет о выявлении неизвестных прежде закономерностей). Первый эмпирический метод — это наблюдение. Оно представляет собой целенаправленное исследование предметов, которое в первую очередь опирается на различные органы чувств (восприятия, ощущения, представления).
На своем начальном этапе наблюдение дает представление о внешних характеристиках объекта познания. Однако конечная цель этого заключается в определении более глубоких и внутренних свойств предмета. Распространенное заблуждение заключается в идее о том, что научное наблюдение представляет собой пассивное далеко не так.
Эмпирическое наблюдение отличается детальным характером. Оно может быть как непосредственным, так и опосредованным разными техническими устройствами и приборами (например, фотокамерой, телескопом, микроскопом и т. д.). По мере развития науки наблюдение становится все более комплексным и сложным. У этого метода есть несколько исключительных качеств: объективность, определенность и однозначность замысла. При использовании приборов дополнительную роль играет расшифровка их показаний.
В социальных и гуманитарных науках эмпирическое и теоретическое познание приживается неоднородно. Наблюдение в этих дисциплинах отличается особенной сложностью. Оно становится зависимым от личности исследователя, его принципов и жизненных установок, а также степени заинтересованности в предмете.
Наблюдение не может осуществляться без определенной концепции или идеи. Оно должно основываться на некой гипотезе и регистрировать определенные факты (при этом показательными будут только связанные между собой и репрезентативные факты).
Теоретические и эмпирические исследования отличаются друг от друга в деталях. Например, у наблюдения есть свои конкретные функции, которые не характерны для других методов познания. В первую очередь это обеспечение человека информацией, без которой невозможно дальнейшее исследование и выдвижение гипотез. Наблюдение - это топливо, на котором работает мышление. Без новых фактов и впечатлений не будет и новых знаний. Кроме того, именно с помощью наблюдения можно сопоставить и проверить истинность результатов предварительных теоретических исследований.
Разные между собой теоретические и эмпирические методы познания отличаются еще и степенью своего вмешательства в изучаемый процесс. Человек может наблюдать за ним строго со стороны, а может проанализировать его свойства на собственном опыте. Эту функцию осуществляет один из эмпирических методов познания - эксперимент. По важности и вкладу в итоговый результат исследований он ничуть не уступает наблюдению.
Эксперимент — это не только целенаправленное и активное вмешательство человека в протекание исследуемого процесса, но и его изменение, а также воспроизведение в специально подготовленных условиях. Данный метод познания требует гораздо больше усилий, чем наблюдение. Во время эксперимента объект изучения изолируется от любого постороннего влияния. Создается чистая и незамутненная среда. Условия эксперимента полностью задаются и контролируются. Поэтому этот метод, с одной стороны, соответствует естественным законам природы, а с другой стороны, отличается искусственной, определенной человеком сущностью.
Все теоретические и эмпирические методы имеют определенную идейную нагрузку. Не является исключением и эксперимент, который осуществляется в несколько стадий. В первую очередь происходят планирование и пошаговое построение (определяются цель, средства, тип и т. д.). Затем наступает этап осуществления эксперимента. При этом он происходит под совершенным контролем человека. По завершении активной фазы наступает очередь интерпретации результатов.
И эмпирическое, и теоретическое познание отличается определенной структурой. Для того чтобы состоялся эксперимент, требуются сами экспериментаторы, объект эксперимента, приборы и другое необходимое оборудование, методика и гипотеза, которая подтверждается или опровергается.
С каждым годом научные исследования становятся все сложнее. Им требуется все более современная техника, которая позволяет изучать то, что недоступно простым человеческим органам чувств. Если раньше ученые ограничивались собственным зрением и слухом, то теперь в их распоряжении есть невиданные прежде экспериментальные установки.
В ходе использования прибора он может оказать негативное воздействие на изучаемый объект. По этой причине результат эксперимента иногда расходится с его первоначальными целями. Некоторые исследователи пытаются нарочно достичь таких результатов. В науке подобный процесс называется рандомизацией. Если эксперимент принимает случайный характер, то его последствия становятся дополнительным объектом анализа. Возможность рандомизации — это еще одна черта, которой отличается эмпирическое и теоретическое познание.
Сравнение - третий эмпирический метод познания. Эта операция позволяет выявлять различия и сходства объектов. Эмпирический, теоретический анализ не может осуществляться без глубоких знаний о предмете. В свою очередь, многие факты начинают играть новыми красками, после того как исследователь сопоставляет их с другой известной ему фактурой. Сравнение объектов проводится в рамках признаков, существенных для конкретного эксперимента. При этом предметы, которые сопоставляются по одной черте, могут быть несравнимыми по другим своим характеристикам. Данный эмпирический прием основывается на аналогии. Он лежит в основе важного для науки
Методы эмпирического и теоретического познания могут комбинироваться между собой. Но почти никогда исследование не обходится без описания. Эта познавательная операция фиксирует результаты ранее проведенного опыта. Для описания используются научные системы обозначения: графики, схемы, рисунки, диаграммы, таблицы и т. д.
Последний эмпирический метод познания - измерение. Оно осуществляется посредством специальных средств. Измерение необходимо для определения числового значения искомой измеряемой величины. Такая операция обязательно проводится согласно принятым в науке строгим алгоритмам и правилам.
В науке теоретическое и эмпирическое знание имеет разные фундаментальные опоры. В первом случае это отстраненное использование рациональных методов и логических процедур, а во втором - прямое взаимодействие с объектом. Теоретическое познание использует интеллектуальные абстракции. Одним из важнейших его методов является формализация - отображение знания в символическом и знаковом виде.
На первом этапе выражения мышления используется привычный человеческий язык. Он отличается сложностью и постоянной изменчивостью, из-за чего не может быть универсальным научным инструментом. Следующая ступень формализации связана с созданием формализованных (искусственных) языков. У них есть конкретное предназначение - строгое и точное выражение знания, которого нельзя достичь с помощью естественной речи. Такая система символов может принимать формат формул. Он очень популярен в математике и других где нельзя обойтись без цифр.
С помощью символики человек исключает неоднозначное понимание записи, делает ее короче и яснее для дальнейшего использования. Без быстроты и простоты в применении своих инструментов не может обойтись ни одно исследование, а значит, и все научное познание. Эмпирическое и теоретическое изучение одинаково нуждается в формализации, но именно на теоретическом уровне она принимает исключительно важное и фундаментальное значение.
Искусственный язык, созданный в узких научных рамках, становится универсальным средством обмена мыслей и коммуникации специалистов. В этом заключается принципиальная задача методологии и логики. Эти науки необходимы для передачи информации в понятном, систематизированном виде, избавленном от недостатков естественного языка.
Формализация позволяет уточнять, анализировать, разъяснять и определять понятия. Эмпирический и теоретический уровни познания не могут обойтись без них, поэтому система искусственных символов всегда играла и будет играть большую роль в науке. Обыденные и выражаемые в разговорном языке понятия кажутся очевидными и ясными. Однако в силу своей неоднозначности и неопределенности они не подходят для научных исследований.
Особенно важна формализация при анализе предполагаемых доказательств. Последовательность формул, основанных на специализированных правилах, отличается необходимой для науки точностью и строгостью. Кроме того, формализация необходима для программирования, алгоритмизации и компьютеризации знаний.
Еще один метод теоретического исследования - аксиоматический метод. Он является удобным способом дедуктивного выражения научных гипотез. Теоретические и эмпирические науки невозможно представить без терминов. Очень часто они возникают благодаря построению аксиом. Например, в эвклидовой геометрии в свое время были сформулированы основополагающие термины угла, прямой, точки, плоскости и т. д.
В рамках теоретического познания ученые формулируют аксиомы - постулаты, которые не требуют доказательства и являются исходными утверждениями для дальнейшего построения теорий. Примером такого положения может послужить идея о том, что целое всегда больше части. С помощью аксиом строится система вывода новых терминов. Следуя правилам теоретического познания, ученый может из ограниченного числа постулатов получить уникальные теоремы. В то же время намного эффективнее применяется для преподавания и классификации, чем для открытия новых закономерностей.
Хотя теоретические, эмпирические научные методы отличаются друг от друга, они часто используются совместно. Примером такого применения является С помощью него строятся новые системы тесно переплетенных гипотез. Ни их основе выводятся новые утверждения, касающиеся эмпирических, экспериментально доказанных фактов. Метод выведения заключения из архаичных гипотез называется дедукцией. Этот термин многим знаком благодаря романам о Шерлоке Холмсе. Действительно, популярный литературный персонаж в своих расследованиях часто пользуется дедуктивным методом, с помощью которого из множества разрозненных фактов строит стройную картину преступления.
В науке действует такая же система. У подобного способа теоретического познания есть своя четкая структура. В первую очередь происходит ознакомление с фактурой. Затем выдвигаются предположения о закономерностях и причинах изучаемого явления. Для этого используются всевозможные логические приемы. Догадки оцениваются согласно своей вероятности (из этого вороха выбирается наиболее вероятная). Все гипотезы проверяются на непротиворечивость логике и совместимость с основными научными принципами (например, законами физиками). Из предположения выводятся следствия, которые затем проверяются путем эксперимента. Гипотетико-дедуктивный метод - это не столько способ нового открытия, сколько метод обоснования научных знаний. Этим теоретическим инструментом пользовались такие великие умы, как Ньютон и Галилей.
Эмпирический уровень познания - это процесс мыслительной - языковой - переработки чувственных данных, вообще информации, полученной с помощью органов чувств. Такая переработка может состоять в анализе, классификации, обобщении материала, получаемого посредством наблюдения. Здесь образуются понятия, обобщающие наблюдаемые предметы и явления. Таким образом, формируется эмпирический базис тех или иных теорий.
Теоретический уровень познания – это процесс, который характеризуется преобладанием рационального момента - понятий, теорий, законов и других форм мышления и «мыслительных операций». Живое созерцание, чувственное познание здесь не устраняется, а становится подчиненным (но очень важным) аспектом познавательного процесса. Теоретическое познание отражает явления и процессы со стороны их универсальных внутренних связей и закономерностей, постигаемых путем рациональной обработки данных эмпирического знания. Эта обработка осуществляется с помощью систем абстракций «высшего порядка» - таких как понятия, умозаключения, законы, категории, принципы и др.
Эмпирические методы включают в себя:
Наблюдение - целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Научные наблюдения проводятся для сбора фактов, укрепляющих или опровергающих ту или иную гипотезу и являющихся основой для определенных теоретических обобщений. Результатом наблюдения является описание объекта, зафиксированное с помощью языка, схем, графиков, диаграмм, рисунков, цифровых данных и т.д. Различают два основных вида наблюдения - качественное и количественное. Первое направлено на качественное описание явлений, а второе имеет целью установить и описать количественные параметры объектов. В основе количественного наблюдения лежит процедура измерения.
Описание - фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах.
Измерение - это материальный процесс сравнения какой-либо величины с эталоном, единицей измерения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением этой величины.
Эксперимент - способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером. Это наблюдение в специальных контролируемых условиях. Эксперимент позволяет, во-первых, изолировать исследуемый объект от влияния побочных несущественных для него явлений. Во-вторых, в ходе эксперимента многократно воспроизводится ход процесса. В-третьих, эксперимент позволяет планомерно изменять само протекание изучаемого процесса и состояния объекта изучения.
Ценность экспериментального метода состоит в том, что он применим не только к познавательной, но и к практической деятельности человека. Эксперименты проводятся с целью апробирования каких-либо проектов, программ, новых форм организации и т.д. Результаты любого эксперимента подлежат интерпретации с точки зрения теории, задающей его рамочные условия.
Теоретические методы включают в себя:
Формализацию – построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность изучаемых явлений.
Аксиоматизация - способ построения научной теории, при котором в основу его кладутся некоторые исходные положения - аксиомы или постулаты, из которых все остальные утверждения теории выводятся дедуктивно чисто логическим путем, посредством доказательства. Этот метод построения теории предполагает широкое использование дедукции. Классическим образцом построения теории аксиоматическим методом может служить геометрия Евклида.
Гепотико-дедуктивный метод – создание системы дедуктивно связанных между собой гипотез, из которых выводят утверждение об эмпирических фактах. Знание носит вероятностный характер. Включает соотношение между гипотезами и фактами.
Арсенал частных методов рассмотрим на примере методов системного анализа. Наиболее часто применяются следующие: графические методы, метод сценариев (пытается дать описание системы); метод дерева целей (есть конечная цель, она разбивается на подцели, подцели на проблемы и т.д., т.е. декомпозиция до задач, которые мы можем решить); метод морфологического анализа (для изобретений); методы экспертных оценок; вероятностно-статистические методы (теория математического ожидания, игр и т.д.); кибернетические методы (объект в виде черного ящика); методы векторной оптимизации; методы имитационного моделирования; сетевые методы; матричные методы; методы экономического анализа и др.
Рассмотрим некоторые из них:
Графические методы. Понятие графа первоначально было введено Л.Эйлером. Графические представления позволяют наглядно отображать структуры сложных систем и процессов, происходящих в них. С этой точки зрения они могут рассматриваться как промежуточные между методами формализованного представления систем и методами активизации исследователей. Действительно, такие средства, как графики, диаграммы, гистограммы, древовидные структуры, можно отнести к средствам активизации интуиции исследователей. В то же время есть и возникшие на основе графических представлений методы, которые позволяют ставить и решать вопросы оптимизации процессов организации, управления, проектирования, и являются математическими методами в традиционном смысле. Таковы, в частности, геометрия, теория графов и возникшие на основе последней прикладные теории сетевого планирования и управления, а позднее и ряд методов статистического сетевого моделирования с использованием вероятностных оценок графов.
Метод «мозговой» атаки . Концепция мозговой атаки или мозгового штурма получила широкое распространение с начала 1950-х гг. как метод систематической тренировки творческого мышления, направленный на открытие новых идей и достижение согласия группы людей на основе интуитивного мышления. Мозговая атака основана на гипотезе, что среди большого числа идей имеется по меньшей мере несколько хороших, полезных для решения проблемы, которые нужно выявить. Методы этого типа известны также под названием коллективной генерации идей, конференций идей, метода обмена мнениями.
В зависимости от принятых правил и жёсткости их выполнения различают прямую мозговую атаку, метод обмена мнениями, методы типа комиссий, судов (в последнем случае создаются две группы: одна группа вносит как можно больше предложений, а вторая старается максимально их раскритиковать). Мозговую атаку можно проводить в форме деловой игры, с применением тренировочной методики стимулирования наблюдения, в соответствии с которой группа формирует представление о проблемной ситуации, а эксперту предлагается найти наиболее логичные способы решения проблемы.
Метод сценариев . Методы подготовки и согласования представлений о проблеме или анализируемом объекте, изложенных в письменном виде, получили название методов сценариев. Первоначально этот метод предполагал подготовку текста, содержащего логическую последовательность событий или возможные варианты решения проблемы, развёрнутые во времени. Однако позднее обязательное требование временных координат было снято, и сценарием стал называться любой документ, содержащий анализ рассматриваемой проблемы и предложения по её решению или по развитию системы, независимо от того, в какой форме он представлен. Как правило, на практике предложения для подготовки подобных документов пишутся экспертами вначале индивидуально, а затем формируется согласованный текст.
Сценарий предусматривает не только содержательные рассуждения, помогающие не упустить детали, которые невозможно учесть в формальной модели (в этом собственно и заключается основная роль сценария), но и содержит, как правило, результаты количественного технико-экономического или статистического анализа с предварительными выводами. Группа экспертов, подготавливающая сценарий, пользуется обычно правом получения необходимых сведений и консультаций от заказчика.
Роль специалистов по системному анализу при подготовке сценария – помочь привлекаемым ведущим специалистам соответствующих областей знаний выявить общие закономерности развития системы; проанализировать внешние и внутренние факторы, влияющие на её развитие и формулирование целей; провести анализ высказываний ведущих специалистов в периодической печати, научных публикациях и других источниках научно-технической информации; создать вспомогательные информационные фонды, способствующие решению соответствующей проблемы.
Сценарий позволяет создать предварительное представление о проблеме (системе) в ситуациях, которые не удаётся сразу отобразить формальной моделью. Однако сценарий - это всё же текст со всеми вытекающими последствиями (синонимия, омонимия, парадоксы), обусловливающими возможность неоднозначного его толкования. Поэтому его следует рассматривать как основу для разработки более формализованного представления о будущей системе или решаемой проблеме.
Метод структуризации . Структурные представления разного рода позволяют разделить сложную проблему с большой неопределённостью на более мелкие, лучше поддающиеся исследованию, что само по себе можно рассматривать как некоторый метод исследования, именуемый иногда системно-структурным. Методы структуризации являются основой любой методики системного анализа, любого сложного алгоритма организации проектирования или принятия управленческого решения.
Метод «дерева целей». Идея метода дерева целей впервые была предложена У.Черчменом в связи с проблемами принятия решений в промышленности. Термин дерево подразумевает использование иерархической структуры, получаемой путём расчленения общей цели на подцели, а их, в свою очередь, на более детальные составляющие, которые в конкретных приложениях называют подцелями нижележащих уровней, направлениями, проблемами, а начиная с некоторого уровня - функциями. При использовании метода дерева целей в качестве средства принятия решений часто применяют термин дерево решений. При применении метода для выявления и уточнения функций системы управления говорят о дереве целей и функций. При структуризации тематики научно-исследовательской организации пользуются термином дерево проблемы, а при разработке прогнозов – дерево направлений развития (прогнозирования развития) или прогнозный граф.
Метод типа «Делфи». Метод Дельфи или метод дельфийского оракула первоначально был предложен О.Хелмером и его коллегами как итеративная процедура при проведении мозговой атаки, которая способствовала бы снижению влияния психологических факторов при проведении заседаний и повышению объективности результатов. Однако почти одновременно Дельфи-процедуры стали средством повышения объективности экспертных опросов с использованием количественных оценок при сравнительном анализе составляющих деревьев целей и при разработке сценариев. Основные средства повышения объективности результатов при применении метода Дельфи – использование обратной связи, ознакомление экспертов с результатами предшествующего тура опроса и учёт этих результатов при оценке значимости мнений экспертов.
В конкретных методиках, реализующих процедуру Дельфи, эта идея используется в разной степени. Так, в упрощённом виде организуется последовательность итеративных циклов мозговой атаки. В более сложном варианте разрабатывается программа последовательных индивидуальных опросов с использованием методов анкетирования, исключающих контакты между экспертами, но предусматривающих ознакомление их с мнениями друг друга между турами.
Методы экспертных оценок . Одним из представителей данных методов является голосование. Традиционным является принятие решений по большинству голосов: принимается то из двух конкурирующих решений, за которое поданы, по крайней мере, 50% голосов и еще один голос.
Методы организации сложных экспертиз . Рассмотренные выше недостатки экспертных оценок привели к необходимости создания методов, повышающих объективность получения оценок путём расчленения большой первоначальной неопределённости проблемы, предлагаемой эксперту для оценки, на более мелкие, лучше поддающиеся осмыслению. В качестве простейшего из этих методов может быть использован способ усложнённой экспертной процедуры, предложенный в методике ПАТТЕРН. В этой методике выделяются группы критериев оценки, и рекомендуется ввести весовые коэффициенты критериев. Введение критериев позволяет организовать опрос экспертов более дифференцированно, а весовые коэффициенты – повышают объективность результирующих оценок.
К методам эмпирического исследования в науке и технике относятся, наряду с некоторыми другими, наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент.
Под наблюдением понимается систематическое и целенаправленное восприятие интересующего нас почему-то объекта: вещи, явления, свойства, состояния, аспектов целого - как материальной, так и идеальной природы.
Это наиболее простой метод, выступающий, как правило, в составе других эмпирических методов, хотя в ряде наук он выступает самостоятельно или в роли главного (как в наблюдении погоды, в наблюдательной астрономии и др.). Изобретение телескопа позволило человеку распространить наблюдение на ранее недоступную область мегамира, создание микроскопа ознаменовало вторжение в микромир. Рентгеновский аппарат, радиолокатор, генератор ультразвука и много других технических средств наблюдения привели к невиданному росту научной и практической ценности этого метода исследова- ния. Существуют также способы и методики самонаблюдения и самоконтроля (в психологии, медицине, физкультуре и спорте и др.).
Само понятие наблюдения в теории познания обобщенно выступает в форме понятия "созерцания", оно связано с категориями деятельности и активности субъекта.
Чтобы быть плодотворным и продуктивным, наблюдение должно удовлетворять следующим требованиям: -
быть преднамеренным, то есть вестись для решения вполне определенных задач в рамках общей цели (целей) научной деятельности и практики; -
планомерным, то есть состоять из наблюдений, идущих по определенному плану, схеме, вытекающих из характера объекта, а также целей и задач исследования; -
целенаправленным, то есть фиксировать внимание наблюдателя лишь на интересующих его объектах и не останавливаться на тех, которые выпадают из задач наблюдения. Наблюдение, направленное на восприятие отдельных деталей, сторон, аспектов, частей объекта называют фиксирующим, а охватывающее целое при условии повторного наблюдения (возвратного) - флуктуирующим. Соединение этих видов наблюдения в итоге и дает целостную картину объекта; -
быть активным, то есть таким, когда наблюдатель целенаправленно ищет нужные для его задач объекты среди некоторого их множества, рассматривает отдельные интересующие его стороны свойства, аспекты этих объектов, опираясь при этом на запас собственных знаний, опыта и навыков; -
систематическим, то есть таким, когда наблюдатель ведет свое наблюдение непрерывно, а не случайно и спорадически (как при простом созерцании), по определенной, продуманной заранее схеме, в разнообразных или же строго оговоренных условиях.
Наблюдение как метод научного познания и практики дает нам факты в форме совокупности эмпирических утверждений об объектах. Эти факты образуют первичную информацию об объектах познания и изучения. Заметим, что в самой действительности никаких фактов нет: она просто существует. Факты - в головах людей. Описание научных фактов происходит на основе определенного научного языка, идей, картин мира, теорий, гипотез и моделей. Именно они и определяют первичную схематизацию представления о данном объекте. Собственно, именно при таких условиях и возникает "объект науки" (который не надо путать с объектом самой действительности, так как второй есть теоретическое описание первого!).
Многие ученые специально развивали у себя способность к наблюдению, то есть наблюдательность. Ч.Дарвин говорил, что он обязан своими успехами тому, что усиленно развивал в себе это качество.
Сравнение - это один из наиболее распространенных и универсальных методов познания. Известный афоризм: "Все познается в сравнении" - лучшее тому доказательство. Сравнением называют установление сходства (тождества) и различия предметов и явлений разного рода, их сторон и др., во- обще - объектов исследования. В результате сравнения устанавливается то общее, что присуще двум и более объектам - в данный момент или в их истории. В науках исторического характера сравнение было развито до уровня основного метода исследования, который получил название сравнительно- исторического. Выявление общего, повторяющегося в явлениях, как известно, - ступень на пути к познанию закономерного.
Для того, чтобы сравнение было плодотворным, оно должно удовлетворять двум основным требованиям: сравниваться должны лишь такие стороны и аспекты, объекты в целом, между которыми существует объективная общность; сравнение должно идти по наиболее важным, существенным в данной исследовательской или другой задаче признакам. Сравнение по несущественным признакам может привести лишь к заблуждениям и ошибкам. В этой связи надо осторожно относиться к умозаключениям "по аналогии". Французы даже говорят, что "сравнение - не доказательство!".
Интересующие исследователя, инженера, конструктора объекты могут сравниваться или непосредственно или опосредованно - через третий объект. В первом случае получают качественные оценки типа: больше - меньше, светлее - темнее, выше - ниже, ближе - дальше и др. Правда, и здесь можно получить простейшие количественные характеристики: "выше в два раза", "тяжелее в два раза" и др. Когда же имеется еще и третий объект в роли эталона, мерки, масштаба, то получают особо ценные и более точные количественные характеристики. Такое сравнение через посредствующий объект называю измерением. Сравнение подготавливает основу и для ряда теоретических методов. Само оно опирается часто на умозаключения по аналогии, о которых мы будем говорить дальше.
Измерение исторически развивалось из наблюдений и сравнения. Однако в отличие от простого сравнения оно более результативно и точно. Современное естествознание, начало которому было положено Леонардо да Винчи, Галилеем и Ньтоном. Своим расцветом обязано применению измерений. Именно Галилей провозгласил принцип количественного подхода к явлениям, согласно которому описание физических явлений должно опираться на величины, имеющие количественную меру - число. Он говорил, что книга природы написана на языке математики. Инженерия, проектирование и конструирование в своих методах продолжают эту же линию. Мы будем здесь рассматривать измерение в отличие от других авторов, объединяющих измерение с экспериментом, как самостоятельный метод.
Измерение - это процедура определения численного значения некоторой характеристики объекта посредством сравнения ее с единицей измерения, принятой как стандарт данным исследователем или всеми учеными и практиками. Как известно, существуют международные и национальные единицы измерения основных характеристик различных классов объектов, такие как час, метр, грамм, вольт, бит и др.; день, пуд, фунт, верста, миля и др. Измерение предполагает наличие следующих основных элементов: объ- екта измерения, единицы измерения, то есть масштаба, мерки, эталона; измерительного устройства; метода измерения; наблюдателя.
Измерения бывают прямые и косвенные. При прямом измерении результат получается непосредственно из самого процесса измерения (например, используя меры длины, времени, веса и т.д.). При косвенном измерении искомая величина определяется математическим путем на основе других величин, полученных ранее прямым измерением. Так получают, например, удельный вес, площадь и объем тел правильной формы, скорость и ускорение тела, мощность и др.
Измерение позволяет находить и формулировать эмпирические законы и фундаментальные мировые константы. В связи с этим оно может служить источником формирования даже целых научных теорий. Так, многолетние измерения движения планет Тихо де Браге позволили потом Кеплеру создать обобщения в виде известных трех эмпирических законов движения планет. Измерение атомных весов в химии явилось одной из основ формулирования Менделеевым своего знаменитого периодического закона в химии и т.п. Измерение дает не только точные количественные сведения о действительности, но и позволяет вносить новые качественные соображения в теорию. Так произошло в итоге с измерением скорости света Майкельсоном в ходе развития Эйнштейновской теории относительности. Примеры можно продолжить.
Важнейшим показателем ценности измерения является его точность. Благодаря ей могут быть открыты факты, которые не согласуются с ныне существующими теориями. В свое время, например, отклонения в величине перигелия Меркурия от расчетного (то есть согласного с законами Кеплера и Ньютона) на 13 секунд в столетие смогли объяснить, только создав новую, релятивистскую концепцию мира в общей теории относительности.
Точность измерений зависит от имеющихся приборов, их возможностей и качества, от применяемых методов и самой подготовки исследователя. На измерения часто тратятся большие средства, нередко их готовят длительное время, в них участвует множество людей, а результат может оказаться или нулевым или неубедительным. Нередко, к полученным результатам исследователи бывают не готовы, потому что разделяют определенную концепцию, теорию, а она не может включить этот результат. Так, в начале XX века ученый Ландольт очень точно проверил закон сохранения веса веществ в химии и убедился в его справедливости. Если бы его методика была бы усовершенствована (и точность увеличена на 2 - 3 порядка), то можно было бы вывести известное соотношение Эйнштейна между массой и энергией: E = mc . Но было ли бы это убедительным для научного мира того времени? Вряд ли! Наука еще не была готова к этому. В XX веке, когда, определяя массы радиоактивных изотопов по отклонению ионного пучка, английский физик Ф. Ас- тон подтвердил теоретический вывод Эйнштейна, это было воспринято в науке как естественный результат.
Следует иметь в виду, что существуют определенные требования к уровню точности. Он должен находиться в соответствии с природой объек- тов и с требованиями познавательной, проектировочной, конструкторской или инженерной задачи. Так, в технике и строительстве постоянно имеют дело с измерением массы (то есть веса), длиной (размером) и др. Но в большинстве случаев прецизионная точность здесь не требуется, более того, она выглядела бы вообще смешно, если бы, скажем, вес опорной колонны для здания проверялся до тысячных или ещё меньших долей грамма! Существует и проблема измерения массовидного материала, связанного со случайными отклонениями, как это бывает в больших совокупностях. Подобные явления характерны для объектов микромира, для биологических, социальных, экономических и других подобных объектов. Здесь применимы поиски статистического среднего и методы, специально ориентированные на обработку случайного и его распределений в виде вероятностных методов и др.
Для исключения случайных и систематических ошибок измерения, выявления ошибок и погрешностей, связанных с природой приборов и самого наблюдателя (человека), развита специальная математическая теория ошибок.
Особое значение в XX веке приобрели в связи с развитием техники методы измерения в условиях быстрого протекания процессов, в агрессивных средах, где исключается присутствие наблюдателя, и т.п. На помощь здесь пришли методы авто- и электрометрии, а также компьютерной обработки информации и управления процессами измерения. В их разработке выдающуюся роль сыграли разработки ученых Новосибирского института автоматики и электрометрии СО РАН, а также НГТУ (НЭТИ). Это были результаты мирового класса.
Измерение, наряду с наблюдением и сравнением, широко используется на эмпирическом уровне познания и деятельности человека вообще, оно входит в состав наиболее развитого, сложного и значимого метода - экспериментального.
Под экспериментом понимается такой метод изучения и преобразования объектов, когда исследователь активно воздействует на них путем создания искусственных условий, необходимых для выявления каких-либо интересующих его свойств, характеристик, аспектов, сознательно изменяя течение естественных процессов, ведя при этом регулирование, измерения и наблюдения. Основным средством создания таких условий являются разнообразные приборы и искусственные устройства, о которых мы еще поговорим ниже. Эксперимент представляет собой наиболее сложный, комплексный и эффективный метод эмпирического познания и преобразования объектов разного рода. Но сущность его не в сложности, а в целенаправленности, преднамеренности и вмешательстве путем регулирования и управления в течение изучаемых и преобразуемых процессов и состояний объектов.
Основателем экспериментальной науки и экспериментального метода считается Галилей. Опыт как главный путь для естествознания обозначил впервые в конце XVI, начале XVII века английский философ Френсис Бэкон. Опыт - главный путь и для инженерии, технологий.
Отличительными признаками эксперимента считают возможность изучения и преобразования того или иного объекта в относительно чистом виде, когда все побочные факторы, затемняющие суть дела, устраняются почти целиком. Это даёт возможность исследования объектов действительности в экстремальных условиях, то есть при сверхнизких и сверхвысоких температурах, давлениях и энергиях, величинах скорости процессов, напряженности электрических и магнитных полей, энергиях взаимодействия и др.
В этих условиях можно получить неожиданные и удивительные свойства у обычных объектов и, тем самым, глубже проникнуть в их сущность и механизмы преобразований (экстремальный эксперимент и анализ).
Примерами явлений, открытых в экстремальных условиях, являются сверхтекучесть и сверхпроводимость при низких температурах. Важнейшим достоинством эксперимента является его повторяемость, когда наблюдения, измерения, испытания свойств объектов проводятся многократно при варьировании условий, чтобы повысить точность, достоверность и практическую значимость ранее полученных результатов, убедиться вообще в существовании нового явления.
К эксперименту обращаются в следующих ситуациях: -
когда пытаются обнаружить у объекта ранее неизвестные свойства и характеристики - это исследовательский эксперимент; -
когда проверяют правильность тех или иных теоретических положений, выводов и гипотез - проверочный к теории эксперимент; -
когда проверяют правильность ранее произведенных экспериментов - проверочный (к экспериментам) эксперимент; -
учебно-демонстрационный эксперимент.
Любой из этих видов эксперимента может быть проведен как непосредственно с обследуемым объектом, так и с его заместителем - моделями разного рода. Эксперименты первого типа называют натурными, второго - модельными (моделирование). Примерами экспериментов второго типа являются исследования гипотетической первичной атмосферы Земли на моделях из смеси газов и паров воды. Опыты Миллера и Абельсона подтвердили возможность образования при электрических разрядах в модели первичной атмосферы органических образований, соединений, а это, в свою очередь, стало проверкой теории Опарина и Холдейна о происхождении жизни. Другим примером являются модельные эксперименты на компьютерах, получающие все большее распространение во всех науках. В этой связи физики сегодня говорят о возникновении "вычислительной физики" (работа компьютера базируется на математических программах и вычислительных операциях).
Достоинством эксперимента является возможность изучения объектов в более широком диапазоне условий, чем это допускает оригинал, что особенно заметно в медицине, где нельзя вести опыты, нарушающие здоровье человека. Тогда прибегают к помощи живых и неживых моделей, повторяющих или имитирующих особенности человека и его органов. Эксперименты можно вести как над вещественно-полевыми и информационными объектами, так и с их идеальными копиями; в последнем случае перед нами мысленный эксперимент, в том числе вычислительный как идеальная форма реального эксперимента (компьютерное моделирование эксперимента).
В настоящее время усиливается внимание к социологическим экспериментам. Но здесь существуют особенности, ограничивающие возможности подобных экспериментов согласно законам и принципам гуманности, которые находят отражение в концепциях и соглашениях ООН и международного права. Так, никто, кроме преступников, не станет планировать экспериментальные войны, эпидемии и т.п., чтобы изучить их последствия. В этой связи сценарии ракетно-ядерной войны и следствия из нее в виде "ядерной зимы" проигрывались на компьютерах у нас и в США. Вывод из этого эксперимента: ядерная война принесет неизбежно гибель всего человечества и всего живого на Земле. Велико значение экономических экспериментов, но и здесь безответственность и политическая ангажированность политиков может привести и приводит к катастрофическим результатам.
Наблюдения, измерения и эксперименты в основном базируются на различных приборах. Что же такое прибор с точки зрения его роли для исследования? В широком смысле слова под приборами понимают искусственные, технические средства и разного рода устройства, которые позволяют вести исследование какого-либо интересующего нас явления, свойства, состояния, характеристики с количественной и/или качественной стороны, а также создавать строго определенные условия для их обнаружения, реализации и регулирования; устройства, позволяющие вместе с тем вести наблюдение и измерение.
Не менее важно при этом выбрать систему отсчета, создать ее специально в приборе. Под системами отсчета понимают объекты, которые мысленно принимают за исходные, базисные и физически покоящиеся, неподвижные. Наиболее понятно это видно при измерении при помощи разных шкал для отсчета. В астрономических наблюдениях - это Земля, Солнце, другие тела, неподвижные (условно) звезды и др. Физики называют "лабораторной" ту систему отсчета, объект, которые совпадают с местом наблюдения и измерения в пространственно-временном смысле. В самом приборе система отсчета - это важная часть измерительного устройства, условно про- градуированная на шкале отсчета, где наблюдателем фиксируется, например, отклонение стрелки или светового сигнала от начала шкалы. В цифровых системах измерения мы все равно имеем начало отсчета, известное наблюдателю на основе знания особенностей применяемого здесь счетного множества единиц измерения. Простые и понятные шкалы, например, у линеек, часов с циферблатом, у большинства электро- и теплоизмерительных приборов.
В классический период науки среди требований к приборам были, во- первых, чувствительность к воздействию внешнего измеряемого фактора для измерения и регулирования условий эксперимента; во-вторых, так называемая "разрешающая способность" - то есть границы точности и поддержания заданных условий для изучаемого процесса в экспериментальном устройстве.
При этом молчаливо считалось, что в ходе прогресса науки их все удастся улучшить и увеличить. В XX веке, благодаря развитию физики микромира, нашли, что существует нижний предел делимости вещества и поля (кванты и др.), имеется нижнее значение величины электрического заряда и т. п. Все это вызвало пересмотр прежних требований и привлекло особое внимание к системам физических и других единиц, известных каждому из школьного курса физики.
Важным условием объективности описания объектов считалась также принципиальная возможность абстрагироваться, отвлечься от систем отсчета путем или выбора так называемой "естественной системы отсчета", или путем обнаружения таких свойств у объектов, которые не зависят от выбора систем отсчета. В науке их называют "инвариантами"В самой природе не так уж и много подобных инвариантов: это вес атома водорода (и он стал мерой, единицей для измерения веса других химических атомов), это электрический заряд, так называемое "действие" в механике и в физике (его размерность - энергия х время), Планковский квант действия (в квантовой механике), гравитационная постоянная, скорость света и др. На рубеже XIX и XX веков наука выяснила, казалось, парадоксальные вещи: масса, длина, время - относительны, они зависят от скорости движения частиц вещества и полей и, конечно, от положения наблюдателя в системе отсчета. В специальной теории относительности в итоге был найден особый инвариант - "четырехмерный интервал".
Значение и роль исследований систем отсчета и инвариантов в течение всего XX века нарастало, особенно при изучении экстремальных условий, характера и скорости протекания процессов, таких как сверхвысокие энергии, низкие и сверхнизкие температуры, быстропротекающие процессы и т.п. Остается важной и проблема точности измерения. Все приборы, применяемые в науке и технике, можно разделить на наблюдательные, измерительные и экспериментальные. Их несколько видов и подвидов по их назначению и функциям в исследовании:
1. Измерительные проборы разного рода с двумя подвидами:
а) прямого измерения (линейки, мерные сосуды и др.);
б) косвенного, опосредованного измерения (например, пирометры, измеряющие температуру тела через измерение энергии излучения; тензометри- ческие приборы и датчики - давление через электрические процессы в самом приборе; и др.). 2.
Усиливающие естественные органы человека, но не меняющие сущности и природы наблюдаемой и измеряемой характеристики. Таковы оптические приборы (от очков до телескопа), многие акустические приборы и др. 3.
Преобразующие естественные процессы и явления из одного вида в другой, доступный наблюдателю и/или его наблюдательным и измерительным устройствам. Таковы рентгеновский аппарат, сцинтилляционные датчики и т. п.
4. Экспериментальные приборы и устройства, а также их системы, включающие наблюдательные и измерительные приборы как свою неотъемлемую часть. Диапазон таких приборов простирается до размеров гигантских ускорителей частиц, вроде Серпуховского. В них процессы и объекты разного рода относительно изолированы от среды, они регулируются, управляются, а явления выделяются в максимально чистом виде (то есть, без других, посторонних явлений и процессов, помех, возмущающих факторов и т.п.).
5. Демонстрационные приборы, которые служат для наглядного показа разных свойств, явлений и закономерностей разного рода при обучении. К ним можно отнести также испытательные стенды и тренажеры разного рода, поскольку они обладают наглядностью, а также часто имитируют те или иные явления, как бы обманывая обучающихся.
Различают также приборы и устройства: а) исследовательского назначения (для нас здесь они главное) и, б) массового потребительского назначения. Прогресс приборостроения - это забота не только ученых, но также конструкторов и инженеров-приборостроителей в первую очередь.
Можно различить также приборы-модели, как бы продолжение всех предыдущих в виде их заместителей, а также уменьшенные копии и макеты реальных приборов и устройств, природных объектов. Примером моделей первого рода будут кибернетические и компьютерные имитации реальных, позволяющие изучать и проектировать реальные объекты, часто в широком диапазоне сходных в чем-то систем (в управлении и связи, проектировании систем и коммуникаций, сетей разного рода, в САПР). Примеры моделей второго рода - вещественные модели моста, самолета, плотины, балки, машины и ее узлов, любого устройства.
В широко смысле прибор - это не только некоторое искусственное образование, но это и среда, в которой протекает какой-нибудь процесс. В роли последней может выступать и компьютер. Тогда говорят, что перед нами вычислительный эксперимент (при оперировании числами).
У вычислительного эксперимента как метода большое будущее, так как часто экспериментатор имеет дело с многофакторными и коллективными процессами, где нужна огромная статистика. Экспериментатор также имеет дело с агрессивными средами и процессами, опасными для человека и живого вообще (в связи с последним существуют экологические проблемы научного и инженерного эксперимента).
Развитие физики микромира показало, что в своем теоретическом описании объектов микромира мы в принципе не можем избавиться от влияния прибора на искомый ответ. Более того, здесь мы в принципе не можем одновременно измерять координаты и импульсы микрочастицы и др.; после измерения приходится строить взаимодополнительные описания поведения частицы за счет показаний разных приборов и неодновременных описаний данных измерений (принципы неопределенностей В.Гейзенберга и принцип дополнительности Н. Бора).
Прогресс в приборостроении нередко создает подлинную революцию в той или иной науке. Классическими являются примеры открытий, сделанными благодаря изобретению микроскопа, телескопа, рентгеновского аппарата, спектроскопа и спектрометра, создания спутниковых лабораторий, вынос приборов в космос на спутниках и т.п. Расходы на приборы и эксперименты во многих НИИ составляют часто львиную долю их бюджетов. Сегодня много примеров, когда эксперименты не по карману целым немаленьким странам, и поэтому они идут на научную кооперацию (как ЦЕРН в Швейцарии, в космических программах и др.).
В ходе развития науки роль приборов нередко искажается, преувеличивается. Так в философии, в связи с особенностями эксперимента в микромире, о чем говорилось чуть выше, возникла идея, что в этой области все наши знания целиком приборного происхождения. Прибор, как бы продолжая субъекта познания, вмешивается в объективный ход событий. Отсюда делается вывод: все наше знание об объектах микромира субъективно, оно приборного происхождения. В итоге в науке XX века возникло целое направление философии - приборный идеализм или операционализм (П.Бриджмен). Конечно, последовала ответная критика, но подобная идея встречается среди ученых до сих пор. Во многом она возникла из-за недооценки теоретического знания и познания, а также его возможностей.
Методы научных исследований - это те приемы и средства, с помощью которых ученые получают достоверные сведения, используемые далее для построения научных теорий и выработки практических рекомендаций.
Принято выделять два основных уровня научного познания: эмпирический и теоретический. Это деление связано с тем, что субъект может получать знания опытным путем (эмпирическим) и путем сложных логических операций, то есть теоретически.
Эмпирический уровень познания включает в себя
Наблюдение явлений,
Накопление и отбор фактов
Установление связей между ними.
Эмпирический уровень - это этап сбора данных (фактов) о социальных и природных объектах. На эмпирическом уровне изучаемый объект отражается преимущественно со стороны внешних связей и проявлений. Главным для этого уровня является фактифицирующая деятельность. Эти задачи решаются с помощью соответствующих методов.
Теоретический уровень познания связан с преобладанием мыслительной деятельности, с осмыслением эмпирического материалв, его переработкой. На теоретическом уровне раскрывается
Внутренняя структура и закономерности развития систем и явлений
Их взаимодействие и обусловленность.
Эмпирическое исследование (от греч. empeiria - опыт) - это “установление и обобщение социальных фактов посредством прямой или косвенной регистрации свершившихся событий, характерных для изучаемых социальных явлений, объектов и процессов” }
