2. Структурные уровни организации материи и структура естествознания

Важнейшими свойствами материи являются структурность и системность. Материя структурирована определенным образом на всех масштабно-временных уровнях: от элементарных частиц до Вселенной в целом. Системность означает упорядоченность множества связанных друг с другом элементов, обладающих целостностью по отношению к другим объектам или внешним условиям. Таким образом, система характеризуется внутренними связями более сильными, чем связи с окружающей средой.

Отсюда вытекает необходимость не просто систематизировать, классифицировать различные объекты природы, но и изучать связи между ними, или взаимодействия. Наиболее интересными с принципиальной точки зрения являются так называемые фундаментальные взаимодействия, лежащие в основе всего многообразия видимых и известных науке сил действия одного тела на другое. Каждому из них соответствует свое физическое поле. Их число невелико (в настоящее время три: гравитационное, электрослабое и сильное), и есть надежда, что в результате создания общей теории (суперобъединения) их можно будет свести к одной Универсальной Силе Природы. Эта глобальная проблема стоит на повестке дня со времен А. Эйнштейна, гения которого не хватило для ее решения, хотя он и потратил на это около 30 последних лет жизни. Надежды на такую возможность связаны с тем, что уже существует один универсальный подход к описанию всех видов фундаментальных взаимодействий, а именно, квантово-полевой. Схематически любое взаимодействие двух частиц (тел) в вакууме (т.е. без каких-либо передающих сред) можно описать как обмен этих частиц квантами соответствующего поля, испускаемых одной из них и поглощаемой другой. При этом кванты поля, распространяясь с конечной скоростью (в вакууме со скоростью света), переносят энергию и импульс, что ощущается частицами, поглощающими их, как действие силы. В связи с конечной скоростью распространения квантов поля в пространстве утвердилась концепция «близкодействия». Это означает, что любое действие, любая информация передается от одного тела к другому не мгновенно, а последовательно от точки к точке с конечной скоростью. Господствовавшая до этого противоположная точка зрения – «дальнодействие» – интуитивно, a priori предполагавшая, что информация о положении любой частицы и ее положении распространяется по всей Вселенной мгновенно, не выдержала испытаний опытом и представляет сейчас только историческую ценность.

Частицам присуща масса покоя, в то время как кванты поля ее не имеют. Частицы локализованы в той или иной области пространства, а поля распределены в нем. Но при этом и те и другие одновременно обладают и свойствами волн и свойствами частиц (так называемый «корпускулярно-волновой дуализм»). Возможность превращений вещество - поле - вещество в мире элементарных частиц отражает внутреннее единство материи.

Структура естествознания. Наиболее важные структурные единицы материи можно выстроить в ряд согласно их характерным размерам. Здесь важно понять, что речь идет лишь о порядках величин, характеризующих протяженность типичного представителя в пространстве и продолжительность типичных процессов в нем. Несмотря на общеметодологическое единство естествознания (см. следующий модуль) при изменении характерных размеров и времен на колоссальное число порядков величин возникает необходимость вырабатывать специфические приемы исследования и анализа. Укрупненно и очень условно (в смысле положения границ) природу можно разбить на три «этажа» (или «мира»): микро-, макро- и мега- .

Первый – это мир элементарных частиц, фундаментальных полей и систем, содержащих небольшое число таких частиц. Это - корни естествознания, и в них сосредоточены наиболее принципиальные проблемы мироздания. Макромир - это привычный нам уровень окружающих нас предметов и явлений. Даже он кажется огромным и чрезвычайно разнообразным, хотя это всего лишь небольшая часть природы. Наконец, мегамир составляют объекты, сопоставимые по размерам с Вселенной, размеры которой пока не установлены даже по порядку величины. Более детальное и тоже весьма условное деление этих уровней привело к появлению соответствующих наук в естествознании: физика, химия, биология и т.д. Каждая из них содержит около сотни еще более узких конкретных дисциплин (например, механика, термодинамика, органическая химия, зоология, ботаника, физиология растений и т.д.). Существуют и междисциплинарные разделы науки, например, синергетика (от греческого слова совместный, согласованно действующий) – теория самоорганизации в открытых неравновесных системах, охватывающая все уровни структуры материи и рассматривающая природу как комплексную самоорганизующуюся систему.

Макромир доступен прямому наблюдению, события в нем привычны нам, мы контактируем и взаимодействуем с ним каждый момент времени. Он изучается человеком много тысячелетий и знания о нем имеют прямую практическую полезность. Тем не менее, и в нем существует множество не разгаданных загадок природы и в этой области неуки продолжает трудиться подавляющая часть современных ученых.

Явления в микро- и мегамирах практически не проявляются на бытовом уровне, поэтому множество людей и не подозревают об их существовании. Другим кажется, что в практическом смысле они не имеют никакого значения. Отчасти эту точку зрения можно понять, поскольку действительно, не только влияние, но и само существование элементарных частиц или, скажем, черных дыр в глубинах Вселенной, невозможно установить без сложных приборов. Даже качественные представления о них невозможно вывести из бытового опыта, по аналогии с известными макроскопическими событиями. Тем не менее, мы сами, будучи макроскопическими объектами, состоим на 100% из совокупности элементарных частиц, организованных и связанных между собой определенным образом, и являемся частью гигантской Вселенной. Так что новые знания о микро- и мегамирах важны не только в познавательном или мировоззренческом смысле, но и ведут к боле глубокому и ясному пониманию сущности процессов, протекающих в макромире.

3. Методология и методы естествознания

Методология – это система наиболее важных принципов и способов организации и осуществления какого-либо вида деятельности, а также учение об этой системе. У каждого вида деятельности имеется своя методология, существующая в явном или неявном виде, сформулированная и зафиксированная в каких-либо формах или применяемая стихийно-интуитивно. Принципы – это ключевые положения методологии, а методы – набор конкретных приемов, с помощью которых осуществляется тот или иной вид деятельности (с греческого «методос» – путь к чему-либо).

Методология науки в целом и все научные методы исходят из принципа причинности . Его содержание менялось по мере развития науки, но ключевое положение, на котором зиждется научный подход, остается неизменным: все, что бы не происходило в природе, обусловлено своими причинами. Глобальная задача науки и заключается в выяснении всех значимых причинно – следственных связей в окружающем мире. Они могут быть неодномерны, сложны, непознанны, но это не отменяет их существования. Никакого места произволу, сверхъестественному вмешательству потусторонних сил природа не оставляет.

Очень важно понять, что принцип причинности является основополагающим не только для «точных» наук, но и для истории, социологии, юриспруденции и т.д. Действительно, трудно себе представить, к примеру, следователя, расследующего уголовное преступление и допускающего «чудеса» в виде беспричинного появления или исчезновения улик с места преступления, «сверхъестественного» чутья на завоз денег в банк или внезапного падения курса определенных акций.

Известный французский философ, физик, математик и физиолог 17 века Р. Декарт формулировал понятие метода следующим образом «Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых … без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно». В наше время такому пониманию скорее соответствует термин «алгоритм».

Обычно выделяют несколько групп (уровней) методов познания , в частности, практически во всех классификациях присутствуют:

 Общенаучные методы

 Частнонаучные методы

 Специальные методы

По другим признакам их можно разделить на эмпирические, теоретические и методы моделирования .

В свою очередь, все их можно дифференцировать и дальше. Так, общенаучные эмпирические методы включают наблюдение, эксперимент, измерение.

Наблюдение – простейший их них. На начальных стадиях развития любой науки наблюдения играют важнейшую роль и образуют эмпирический базис науки. Он позволяет провести поиск, сравнение, классификацию объектов и т.п., однако по мере развития науки его ценность падает. Более информативен эксперимент – целенаправленное воздействие на объект в строго контролируемых условиях и изучение его поведения в этих условиях.

Искусство экспериментатора в первую очередь как раз и заключается в создании таких условий эксперимента, которые позволяют «очистить» ситуацию от влияния большого числа побочных факторов и оставить один – два, которыми можно сознательно управлять и целенаправленно воздействовать на объект, изучая его отклики на эти контролируемые воздействия. При этом, зачастую заранее не известно, какие факторы являются важными, а какие – менее важными, все ли неконтролируемые воздействия исключены и не создают ли они помех, сопоставимых или даже больших, чем реакция объекта на контролируемое воздействие. В самой постановке опыта, ограничивающего степени свободы объекта и набор факторов на него действующих, заложена большая опасность «с пеной выплеснуть ребенка из ванночки».

Эксперименты могут быть качественными и количественными. Первые могут помочь в решении принципиальных вопросов: существует ли такой эффект в природе? растет или падает скорость процесса при увеличении давления? постоянна ли данная величина в действительности при изменении условий в широких пределах (например, заряд электрона, скорость света в вакууме и т.п.)? и т.д. Гораздо более информативны количественные эксперименты, включающие измерения. Так, известный английский физик В. Томсон (лорд Кельвин), именем которого названа шкала абсолютных температур, писал «каждая вещь известна лишь настолько, насколько ее можно измерить». Измерение – есть процесс определения количественных характеристик объекта или процесса, выраженных в заранее принятых единицах измерения данной величины (например, в метрах, секундах, граммах, Вольтах, градусах и т.д.).

Среди общенаучных теоретических методов можно выделить абстрагирование, мысленный эксперимент, индукцию, дедукцию и др. Абстрагирование состоит в мысленном упрощении объекта путем игнорирования ряда его несущественных (в данной постановке задачи) признаков и наделении его несколькими (иногда одним, двумя) наиболее существенными, например, материальная точка, береза, неустойчивое состояние. В первом примере игнорируются все геометрические и физические характеристики реального тела (объем, форма, материал и его физические свойства) кроме массы, мысленно сосредотачиваемой в центре масс. Во втором, несмотря на то, что в мире нет двух абсолютно одинаковых берез, - мы все-таки ясно понимаем, что речь идет о разновидности дерева со своими характерными особенностями архитектуры, формы и строения листочков и т.д., в третьем примере подразумевается некоторая абстрактная система (без рассмотрения ее устройства и состава), которая под действием ничтожно малых случайных причин может выйти из своего исходного состояния, характеризующегося некоторым набором параметров, и самопроизвольно перейти в другое, с другим набором характеристик. Конечно, мы теряем при таком рассмотрении множество деталей, характеризующих реальный объект, но взамен получаем простую схему, допускающую широкие обобщения. И впрямь, не можем же мы ставить перед собой задачу изучить каждую березу на Земле, хотя все они чем-то и отличаются друг от друга.

Под материальной точкой в разных задачах может подразумеваться молекула, автомобиль, Луна, Земля, Солнце и т.д. Такая абстракция удобна для описания механического движения, но совершенно непродуктивна при анализе, скажем, физических или химических свойств реального твердого тела. Многие исключительно полезные абстракции пережили века и тысячелетия (атом, геометрическая точка и прямая линия) хотя и наполнялись разными смыслом в разные эпохи. Другие - (теплород, мировой эфир) не выдержали испытания временем и опытом.

Другим методом теоретического анализа является мысленный эксперимент . Он проводится с идеализированными объектами, отражающими наиболее существенные свойства реальных, и в ряде случаев позволяет путем логических умозаключений получить некоторые предварительные результаты, помогающие упростить, сузить фронт дальнейших детальных исследований. Таким методом было решено много принципиальных задач в естествознании. Так, Галилей открыл закон инерции, мысленно понижая, а затем и вовсе исключая силы трения при движении, а Максвелл прояснил суть важнейшего для понимания природы закона – второго начала термодинамики – путем мысленного расположения на пути летящих молекул гипотетического «демона», сортирующего их по скоростям.

Индукция (от латинского inductio – наведение, побуждение, возбуждение) – это метод познания, заключающийся в получении, выведении общих суждений, правил, законов на основании отдельных фактов. Т.е. индукция – это движение мысли от частного к общему и более универсальному. Строго говоря, большая часть наиболее общих законов природы получена методом индукции, т.к. изучить досконально абсолютно все объекты данного типа совершенно нереально. Обычно вопрос заключается лишь в том, сколько же частных случаев необходимо рассмотреть и потом учесть, чтобы на этом основании сделать убедительный обобщающий вывод. Скептики считают, что достоверно доказать этим способом ничего невозможно, поскольку ни тысяча, ни миллион, ни миллиард фактов, подтверждающих общий вывод не гарантируют, что тысяча первый или миллион первый факт не будет противоречить ему.

Метод противоположный по направлению движения мысли – от общего к частному – называется дедукция (от латинского deductio – выведение). Вспомните знаменитый дедуктивный метод сыска Шерлока Холмса. Т.е. дедукция и индукция – взаимодополняющие методы построения логических умозаключений.

Примерно в таком же соотношении между собой находятся методы анализа и синтеза , используемые как в эмпирических так и теоретических исследованиях. Анализ – мысленное или реальное расчленение объекта на составные части и исследование их порознь. Вспомните обычную поликлинику – учреждение для диагностики и лечения болезней человека и ее структуру, представленную кабинетами окулиста, невропатолога, кардиолога, уролога и т.д. Ввиду исключительной сложности человеческого организма гораздо легче научить врача распознавать болезни отдельных органов или систем, а не всего организма в целом. В ряде случаев этот подход дает желаемый результат, в более сложных – нет. Поэтому методы анализа дополняются методом синтеза, т.е. сведения всех знаний о частных фактах в единое связанное целое.

В течение нескольких последних десятилетий интенсивно развивались методы моделирования , являющиеся младшими, но более развитыми братьями метода аналогий . Вывод «по аналогии» осуществляют переносом результатов, полученных на одном объекте, на другой – «аналогичный». Степень этой аналогичности определяют различными критериями, наиболее систематично вводимыми в так называемой «Теории подобия».

Моделирование обычно подразделяют на мысленное, физическое и численное (компьютерное). Мысленное моделирование реального объекта или процесса посредством идеальных объектов и связей – важнейший метод науки. Без мысленной модели невозможно понять, проинтерпретировать результаты эксперимента, «сконструировать» математическую или компьютерную модели явления, поставить сложный натурный эксперимент. Известный по не только блестящим результатам в физике, но и остроумным высказываниям, академик А. Мигдал сказал как-то: «Если математика – это искусство избегать вычислений («чистая», неприкладная математика, как правило, не имеет дел с вычислениями), то теоретическая физика – это искусство вычислять без математики». Конечно же здесь слово «вычислять» не имеет буквального смысла – проведение тщательных, точных вычислений. Подразумевается искусство предвидеть результат в рамках удачной, адекватной модели по порядку величины, или в виде соотношения: если одна величина достигнет какого-то значения, то другая будет равна тому-то, или искомая величина обязана быть больше некоторой критической, или лежать в определенном интервале значений. Как правило, в большинстве задач и реальных проблем высококвалифицированный ученый может прийти к таким заключениям не проводя никаких опытов, а просто построив в уме некоторую качественную модель явления. Искусство в том и состоит, чтобы модель была реалистичной и в то же время простой.

Физическое (предметное) моделирование проводят в тех случаях, когда невозможно или затруднительно (по технологическим или финансовым причинам) провести эксперимент на оригинальном объекте. Например, для определения трудно поддающегося расчетам аэродинамического сопротивления самолета, автомобиля, поезда или гидродинамического сопротивления корабля на стадии проектирования обычно строят модель уменьшенных размеров и продувают ее в специальных аэродинамических трубах или гидравлических каналах. В известном смысле любой натуральный эксперимент можно рассматривать как физическую модель некоторой более сложной ситуации.

Математическое моделирование является важнейшей разновидностью символического моделирования. (К ним так же относятся разнообразные графовые и топологические представления, символьные записи структуры молекул и химических реакций и много другое). В сущности, математическая модель – это система уравнений, дополненная начальными и граничными условиями и другими данными, взятыми из опыта. Для того, чтобы такое моделирование было результативным, необходимо, во-первых, составить адекватную изучаемому явлению мысленную модель, отражающую все существенные стороны явления, а во-вторых, решить чисто математическую задачу, зачастую имеющую очень высокий уровень сложности.

Наконец, в последние десятилетия большую популярность приобрели компьютерные методы моделирования. Обычно – это численные методы, т.е. не дающие решения задачи в общем виде, как в математическом моделировании. Это означает, что каждый конкретный численный вариант одной и той же задачи требует нового расчета.

Частные и специальные методы представляют интерес для представителей конкретных научных дисциплин, и мы их рассматривать не будем.

Методологические основы естествознания. Перейдем теперь к обсуждению наиболее важных и общих для естествознания методологических принципов научного творчества, идеалов, критериев и норм науки . Важнейшими из них являются следующие:

1. Материалистическая основа мировоззрения, объективность, убежденность в познаваемости природы рациональными методами. В свою очередь, эти требования напрямую связаны с важнейшей методологической концепцией обусловленности всего происходящего в действительности причинно-следственными связями.

2. Использование строго определенных понятий, характеристик, величин. Вместе с тем, необходимо понимать, что абсолютно строго определить ни один объект или процесс невозможно. Что такое шариковая ручка, которой Вы сейчас подчеркиваете текст? Где граница между ней и окружающим воздухом снаружи и между ней и чернилами внутри на бумаге? Что такое процесс подчеркивания текста? Это физический процесс переноса чернил на бумагу, или химический процесс взаимодействия молекул чернил с молекулами бумаги, или интеллектуальный процесс отбора и выделения наиболее значимых фрагментов текста? Очевидно выбор зависит от характера задачи и спектра ожидаемых результатов. Здесь таятся большие опасности субъективизма, поскольку в самой постановке задачи уже закладывается ограниченный набор возможных решений.

3. Воспроизводимость результатов в аналогичных условиях. Этот принцип подразумевает, что если условия наблюдения некоего явления воссоздать в другом месте (лаборатории, производстве) или в одном и том же, но спустя некоторое время, то явление или процесс повторится снова. Т.е. вопрос заключается лишь в строгости условий опыта, точности воспроизведения всех обстоятельств. Как уже говорилось, абсолютно точно ничего воспроизвести и измерить невозможно, но абстрагируясь от несущественных деталей, можно сколько угодно раз повторить главный, принципиальный результат.

4. Последней инстанцией в борьбе теорий, идей, концепций является опыт (эксперимент). Лишь он – верховный судья в вопросе, что есть Истина, а не самые изящные, логичные или авторитетные суждения. Не стоит здесь усматривать противопоставления теории и опыта. Чисто теоретически было открыто множество объектов, законов (например, электромагнитные волны, многие элементарные частицы, астрономические объекты и т.д.), но все эти открытия получили статус строгих научных фактов только после экспериментального подтверждения. Такое понимание соотношения роли теории и практики в естествознании возникло не сразу. Лишь в раннем Средневековье в борьбе со схоластическими методами укрепилось требование экспериментальной проверки любых умозаключений, какими бы авторитетами они не высказывались и логически стройными и безупречными не казались. Наиболее ярко и кратко этот принцип сформулировал, пожалуй, английский мыслитель 16-17 вв Фрэнсис Бэкон: «Критерий истины – практика» в своем труде «Новый Органон» (1620 г.), написанном, как бы, в продолжение и развитие знаменитого труда Аристотеля, точнее, сборника логических и методологических трудов «Органон» (от латинского инструмент, орудие) в 4 веке до н.э. В более художественной форме этот же принцип выражен в знаменитой фразе И.Гете: «Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо».

5. В предыдущем модуле уже шла речь о стремлении количественно охарактеризовать и описывать окружающую действительность. В современном естествознании количественные методы, математический аппарат играют большую и все возрастающую роль. Так что «математизацию» знаний о природе можно считать практически обязательным требованием.

6. В начале этого модуля обсуждалась роль моделирования как общенаучного метода изучения Природы. В связи с желанием «математизировать» естествознание, создание моделей того или того характера становится практически обязательным на всех стадиях исследования, будь то обдумывание идеи или мысленного эксперимента, натурной экспериментальной установки и опыта, обработки и интерпретации полученных результатов. Пытаясь выразить эту ситуацию в лаконичной форме афоризма, можно утверждать «Современное естествознание – это мир количественных моделей». Без разумного, осторожного, квалифицированного упрощения реальной ситуации, процесса, объекта никаких результативных математических подходов сделать невозможно.

7. Уже в Средние Века было очевидно, что лавинное нарастание различных фактов, данных, теорий требует их систематизации и обобщения. Иначе поток информации захлестнет и утопит принципиальные, ключевые положения в море частностей. Вместе с тем, новые понятия, объекты, принципы, «сущности» необходимо вводить в науку с величайшей осторожностью, тщательно проверяя, не сводятся ли они к известным, не являются ли всего лишь их разновидностями. Этот строгий фильтр оберегает науку от неоправданного распухания, делает ее в широком смысле «интернациональной», прозрачной, доступной для понимания и освоения разными слоями общества. Опасность противоположного подхода стала очевидной тоже на заре классического естествознания, и в присущей тому времени афористичной форме требование лаконизма, общности, универсальности сформулировал английский философ 14 в. Оккам: «сущности не следует умножать без крайней необходимости» или в более вольном переводе «не изобретай лишних сущностей ». Часто этот важнейший методологический принцип науки называют «бритвой Оккама », отсекающей лишние, непродуктивные и загромождающие науку искусственно введенные «сущности».

8. Необходимость интеграции, универсализации знаний, сведение их к как можно меньшему числу фундаментальных принципов – идеал, к которому стремились мыслители, начиная со времен Древней Греции. Одновременно в этом усматривали и высшую эстетичность науки, отражающую гармоничность устройства мира. «Сведение множества к единому – в этом первооснова красоты» - так лаконично формулировал этот принцип еще Пифагор за 5 веков до н.э.

9. Поскольку наука – это не свод закостеневших правил, законов, теорий, а динамически развивающийся и непрерывно обновляющийся живой организм, регулярно возникает вопрос о соотношении устоявшегося «старого» знания и появляющегося «нового». С одной стороны, если некоторый закон, теория, учение путем многочисленных проверок, контрольных экспериментов, приложений к практическим задачам получили статус не гипотезы, а достоверной истины, то они уже вошли в золотой фонд науки. С другой стороны, если появились новые данные или теории, противоречащие старым, но описывающие родственные явления лучше, полнее или те, которые не могли быть объяснены в рамках старых представлений, последние должны уступить место новому. Но как уступить? Просто тихо удалиться в архивы истории науки, освободив нишу, или оставаться в строю, но в другом качестве, определенным образом взаимодействуя с новыми представлениями? Трудно себе представить, чтобы, скажем, такая могучая теория как классическая механика сэра И. Ньютона, три века доказывавшая свою справедливость и плодотворность (как в мире движения пылинок, шариков, паровых двигателей, кораблей, так и в мире планет) оказалась ошибочной или ненужной после создания квантовой механики. Нильс Бор – гениальный датский физик – один из создателей квантовой механики, обдумывая эту проблему, сформулировал в 1918 г. важнейший методологический подход: принцип соответствия . Вкратце он заключается в том, что более универсальная новая концепция, теория (если она не спекулятивна, а справедлива в действительности), не должна перечеркивать хорошо освоенное и многократно проверенное старое учение, а вобрать его в виде частного случая (рис. 3.3). При этом обычно легко можно сформулировать условия (границы применимости) внутри которыхи старая (обычно более простая теория) будет давать правильные результаты. Их, конечно, можно получить и из более общей, но более сложной новой теории, но это не оправдано с точки зрения трудозатрат. В таком соотношении находится не только классическая и квантовая механика, но и, например, термодинамика равновесных систем и синергетика (теория самоорганизации в открытых неравновесных системах), классический электромагнетизм Фарадея – Максвелла и квантовая электродинамика, механика движения с небольшими (сравнительно со скоростью света) скоростями и специальная теория относительности Эйнштейна (механика движения с околосветными скоростями), дарвинизм и генетика и многое другие разделы естествознания. Это конечно не исключает отмирания и забвения идей, понятий, теорий, не выдержавших испытаний экспериментом (например, теория теплорода, вечный двигатель и т.д.), но в подавляющем большинстве случаев противоречия в науке снимаются в согласии с принципом соответствия.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

• Глава 1. Роль диалектического метода в научном творчестве 3
• Глава 2. Психология научного творчества 8
• Глава 3. Общенаучные методы исследования 12
• Глава 4. Основные этапы выполнения и прогнозирования научных исследований 20
• Глава 5. Применение математических методов исследования 23
• в естествознании 23
• История математики 23
• Математика -- язык науки 26
• Использование математического метода и математического результата 28
• Математика и окружающая среда 30
• Библиографический список 35

Глава 1. Роль диалектического метода в научном творчестве

Понятие "метод" (от греч. "методос" -- путь к чему-либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение методом означает для человека знание того, каким образом, в какой последовательности совершать те или иные действия для решения тех или иных задач, и умение применять это знание на практике. Учение о методе начало развиваться еще в науке Нового времени. Ее представители считали правильный метод ориентиром в движении к надежному, истинному знанию. Так, видный философ XVII в. Ф. Бэкон сравнивал метод познания с фонарем, освещающим дорогу путнику, идущему в темноте. А другой известный ученый и философ того же периода Р. Декарт изложил свое понимание метода следующим образом: "Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно". Существует целая область знания, которая специально занимается изучением методов и которую принято именовать методологией. Методология дословно означает "учение о методах" (этот термин от двух греческих слов: "методос" -- метод и "логос" -- учение). Изучая закономерности человеческой познавательной деятельности, методология вырабатывает на этой основе методы ее осуществления. Важнейшей задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.

Развитие науки на современном этапе представляет собой революционный процесс. Происходит ломка старых научных представлений, формируются новые понятия, которые наиболее полно отражают свойства и связи явлений. Повышается роль синтеза, системного подхода.

Понятие наука охватывает все области научного знания, взятые в их органическом единстве. Техническое творчество отличается от научного. Особенность технического знания - практическое применение объективных законов природы, изобретение искусственных систем. Техническими решениями являются: корабль и самолет, паровая машина и атомный реактор, современные кибернетические устройства и космические корабли. В основе таких решений лежат законы гидро -, аэро - и термодинамики, ядерной физики и многие другие, открытые в результате научных исследований.

Наука в своей теоретической части - сфера духовной (идеальной) деятельности, которая возникает из материальных условий, из производства. Но наука оказывает и обратное воздействие на производство - познанные законы природы воплощаются в различных технических решениях.

На всех этапах научной работы используется метод диалектического материализма, дающий основное направление исследования. Все другие методы делятся на общие методы научного познания (наблюдение и эксперимент, аналогия и гипотеза, анализ и синтез и др.) и частно - научные (специфические) методы, применяющиеся в узкой области знаний или в отдельной науке. Диалектический и частно - научные методы взаимосвязаны в различных приемах, логических операциях.

Законы диалектики раскрывают процесс развития, его характер и направление. В научном творчестве методологическая функция законов диалектики проявляется в обосновании и интерпретации научного исследования. Она обеспечивает всесторонность, последовательность и четкость анализа всей рассматриваемой ситуации. Законы диалектики позволяют исследователю разрабатывать новые методы и средства познания, облегчают ориентировку в ранее неизвестном явлении.

Категории диалектики (сущность и явление, форма и содержание, причина и следствие, необходимость и случайность, возможность и действительность) фиксируют важные стороны реального мира. Они показывают, что для познания характерно выражение всеобщего, постоянного, устойчивого, закономерного. Через философские категории в конкретных науках мир выступает единым, все явления взаимосвязаны. Например, взаимосвязь категорий причины и следствия помогает исследователю правильно ориентироваться в задачах построения математических моделей по заданным описаниям входного и выходного процессов, а взаимосвязь категорий необходимости и случайности - в массе событий и фактов с помощью статистических методов. В научном творчестве категории диалектики никогда не выступают изолированно. Они взаимосвязаны, взаимообусловлены. Так, категория сущности важна при выявлении закономерностей в ограниченном числе наблюдений, полученных при дорогостоящем эксперименте. При обработке результатов эксперимента особый интерес представляет выяснение причин действующих закономерностей, установление необходимых связей.

Знание причинно-следственных связей позволяет уменьшить средства и трудозатраты при проведении экспериментов.

Проектируя экспериментальную установку, исследователь предусматривает действие различных случайностей.

Роль диалектики в научном познании раскрывается не только через законы и категории, но и через методологические принципы (объективности, познаваемости, детерминизма). Эти принципы, ориентируя исследователей на наиболее полное и всестороннее отражение в разрабатываемых научных проблемах объективных свойств, связей, тенденций и законов познания, имеют исключительное значение для формирования мировоззрения исследователей.

Проявление диалектического метода в процессе развития науки и научного творчества можно проследить на связи новых статистических методов с принципом детерминизма. Возникнув как один из существенных аспектов материалистической философии, детерминизм получил дальнейшее развитие в концепциях И. Ньютона и П. Лапласа. На базе новых достижений науки эта система совершенствовалась, и вместо однозначной связи между объектами и явлениями установлена статистическая детерминированность, допускающая случайный характер связей. Идея статистического детерминизма широко используется в самых различных сферах научного знания, знаменуя собой новый этап развития науки. Именно благодаря принципу детерминизма научная мысль обладает, по словам И. П. Павлова, "предсказанием и властностью", объясняя многие события в логике научного исследования.

Важный аспект диалектики научного творчества - предвидение, являющееся творческим развитием теории отражения. В результате предвидения создается новая система действий или открываются неизвестные ранее закономерности. Предвидение позволяет сформировать на базе накопленной информации модель новой ситуации, которой еще нет в реальности. Правильность предвидения проверяется практикой. На данном этапе развития науки представить строгую схему, моделирующую возможные пути мышления при научном предвидении, не представляется возможным. Тем не менее, при выполнении научных работ надо стремиться к тому, чтобы построить модель хотя бы отдельных, наиболее трудоемких фрагментов исследования, с тем, чтобы передать часть функций машине.

Выбор конкретной формы теоретического описания физических явлений в научном исследовании определяется некоторыми исходными положениями. Так, при изменении единиц измерения изменяются и численные значения определяемых величин. Изменение используемых единиц измерения приводит к появлению других численных коэффициентов

в выражениях физических законов, связывающих различные величины. Инвариантность (независимость) этих форм описания очевидна. Математические соотношения, описывающие наблюдаемое явление, независимы от конкретной системы отсчета. Используя свойство инвариантности, исследователь может проводить эксперимент не только с реально существующими объектами, но и с системами, которых нет еще в натуре и которые созданы воображением конструктора.

Особое внимание диалектический метод уделяет принципу единства теории и практики. Являясь побудителем и источником познания, практика служит одновременно и критерием достоверности истины.

Требования критерия практики не следует понимать буквально. Это не только прямой эксперимент, позволяющий проверить выдвигаемую гипотезу, модель явления. Результаты исследования должны отвечать требованиям практики, т.е. помогать достижению целей, к которым стремится человек.

Открывая свой первый закон, И. Ньютон понимал трудности, с которыми связано толкование этого закона: во Вселенной не существует условий, чтобы на материальное тело не действовали силы. Многолетняя практическая проверка закона подтвердила его безупречность.

Таким образом, положенный в основу методологии научного исследования диалектический метод проявляется не только во взаимодействии с другими частно - научными методами, но и в процессе познания. Освещая путь научному исследованию, диалектический метод указывает направление эксперимента, определяет стратегию науки, способст-вуя в теоретическом аспекте формулировке гипотез, теории, а в практическом - способов реализации целей познания. Направляя науку на использование всего богатства познавательных приемов, диалектический метод позволяет осуществлять анализ и синтез решаемых проблем и делать обоснованные прогнозы на будущее.

В заключение приведем слова П. Л. Капицы, в которых прекрасно выражено сочетание диалектического метода и характера научного исследования: "...применение диалектики в области естественных наук требует исключительно глубокого знания экспериментальных фактов и их теоретического обобщения. Без этого диалектика сама по себе не может дать решения вопроса. Она как бы является скрипкой Страдивари, самой совершенной из скрипок, но чтобы на ней играть, надо быть музыкантом и знать музыку. Без этого она будет так же фальшивить, как и обычная скрип-ка".Глава 2. Психология научного творчества

Рассматривая науку как сложную систему, диалектика не ограничивается изучением взаимодействия её элементов, а выявляет основы этого взаимодействия. Научная деятельность как отрасль духовного производства включает в себя три основных структурных элемента: труд, объект познания и познавательные средства. В своей взаимной обусловленности данные компоненты образуют единую систему и не существуют вне этой системы. Анализ связей между компонентами позволяет раскрыть структуру научной деятельности, центральным пунктом которой является исследователь, т.е. субъект научного познания.

Несомненный интерес при изучении процесса исследования представляет вопрос о психологии научного творчества. Познавательный процесс осуществляется конкретными людьми, и между этими людьми существуют определенные социальные связи, которые проявляются по - разному. Труд научного работника неотделим от труда предшественников и современников. В трудах отдельного ученого, как в капле воды, преломляются особенности науки его времени. Специфика научного творчества требует определенных качеств ученого, свойственных именно этому виду познавательной деятельности.

Силой, побуждающей к знанию, должна быть бескорыстная жажда знаний, наслаждение процессом исследования, стремление быть полезным обществу. Главное в научной работе не стремиться к открытию, а глубоко и всесторонне исследовать избранную область познания. Открытие возникает как побочный элемент исследования.

План действий учёного, своеобразие принимаемых им решений, причины успехов и неудач зависят во многом от таких факторов, как наблюдательность, интуиция, трудолюбие, творческое воображение и т.п. Но главное - это иметь мужество поверить в свои результаты, как бы они ни расходились с общепринятыми. Яркий пример ученого, умевшего ломать любые "психологические барьеры", - создатель первой космической техники С. П. Королев.

Движущей силой научного творчества должно быть не стремление совершить переворот, а любознательность, способность удивляться. Известно много случаев, когда удивление, сформулированное в виде парадокса, приводило к открытиям. Так, например, было при создании теории тяготения А. Эйнштейном. Интересно также высказывание А. Эйнштейна о том, как делаются открытия: все знают, что чего-то делать нельзя, а один человек случайно не знает этого, вот он-то и делает открытие.

Исключительное значение для научного творчества имеет способность радоваться каждой малой удаче, а также ощущение красоты науки, заключающейся в логической стройности и богатстве связей в изучаемом явлении. Понятие красоты играет важную роль для проверки правильности результатов, для отыскания новых законов. Оно представляет собой отражение в нашем сознании гармонии, существующей в природе.

Научный процесс есть проявление всей совокупности перечисленных факторов, функция личности исследователя.

Задача науки - найти объективные законы природы, и поэтому окончательный результат не зависит от личных качеств ученого. Однако способы познания могут быть различными, каждый ученый приходит к решению своим путем. Известно, что М.В. Ломоносов, не пользуясь матема-тическим аппаратом, без единой формулы, смог открыть фундаментальный закон сохранения вещества, а его современник Л. Эйлер мыслил математическими категориями. А. Эйнштейн предпочитал гармонию логических построений, а Н. Бор пользовался точным расчетом.

Современному ученому необходимы такие качества, как способность переходить от одного типа задач к другому, способность предсказывать будущее состояние исследуемого объекта или значимость каких-либо методов, а главное - способность диалектически отрицать (с сохранением всего положительного) старые системы, мешающие качественному изменению знания, ибо без ломки устаревших представлений нельзя создать более совершенные. В познании сомнение выполняет две прямо противоположные функции: с одной стороны, оно - объективное основание для агностицизма, с другой - мощный стимул познания.

Успех в научном исследовании часто сопутствует тому, кто смотрит на старое знание как на условие движения вперед. Как показывает развитие науки последних лет, каждое новое поколение ученых творит большую часть знаний, накопленных человечеством. Научное соперничество с учителями, а не слепое подражание им, способствует прогрессу науки. Для ученика должно быть идеалом не столько содержание знаний, полученных от научного руководителя, сколько его качества как личности, которой хочется подражать.

К научному работнику предъявляют особые требования, поэтому он должен стремиться по возможности скорее сделать полученное им знание доступным для коллег, но не допускать поспешных публикаций; быть чутким, восприимчивым к новому и защищать свои идеи, сколь бы ни была велика оппозиция. Он должен использовать труды своих предшественников и современников, уделяя скрупулезное внимание деталям; воспринимать как свою первую обязанность воспитание нового поколения научных работников. Молодые ученые считают счастьем, если им удается пройти школу ученичества у мастеров науки, но в то же время они должны стать самостоятельными, добиться независимости и не остаться в тени своих учи-телей.

Прогресс науки, свойственный нашему времени, привел к новому стилю работы. Возникла романтика коллективного труда, а главный принцип организации современных научных исследований заключается в их комплексности. Новый тип учёного - это учёный-организатор, руководитель крупного научного коллектива, способный управлять процессом решения сложных научных проблем.

Показателями чистоты морального облика выдающихся учёных всегда были: исключительная добросовестность, принципиальное отношение к выбору направления исследований и полученным результатам. Поэтому окончательный авторитет в науке это общественная практика, результаты которой выше мнений самых больших авторитетов.

Глава 3. Общенаучные методы исследования

Процесс познания как основа любого научного исследования представляет собой сложный диалектический процесс постепенного воспроизведения в сознании человека сущности процессов и явлений окружающей его действительности. В процессе познания человек осваивает мир, преобразует его для улучшения своей жизни. Движущей силой и конечной целью познания является практика, преобразующая мир на основе его собственных законов.

Теория познания представляет собой учение о закономерности процесса познания окружающего мира, методах и формах этого процесса, об истине, критериях и условиях её достоверности. Теория познания является философско-методологической основой любого научного исследования и поэтому основы этой теории должен знать каждый начинающий исследователь. Методология научного исследования представляет собой учение о принципах построения, формах и способах научного познания.

Непосредственное созерцание является первым этапом процесса познания, его чувственной (живой) ступенью и направлено на установление фактов, опытных данных. С помощью ощущений, восприятий и представлений создается понятие о явлениях и объектах, которое проявляется как форма знания о нем.

На этапе абстрактного мышления широко используются математический аппарат, логические умозаключения. Этот этап позволяет науке заглядывать вперед, в область неизведанного, делать важные научные открытия, получать полезные практические результаты.

Практика, производственная деятельность человека являются высшей функцией науки, критерием достоверности выводов, полученных на этапе абстрактно-теоретического мышления, важной ступенью процесса познания. Она позволяет установить область применения полученных результатов, скорректировать их. На её основе создается более правильное представление. Рассмотренные этапы процесса научного познания характеризуют общие диалектические принципы подхода к изучению законов развития природы и общества. В конкретных случаях этот процесс осуществляется с помощью определенных методов научного исследования. Метод исследования -- это совокупность приемов или операций, способствующих изучению окружающей действительности или практическому осуществлению какого-либо явления или процесса. Применяемый в научных исследованиях метод зависит от характера исследуемого объекта, например, метод спектрального анализа используется для изучения излучающих тел.

Метод исследования определяется имеющимися на данный период средствами исследования. Методы и средства исследования тесно связаны между собой, стимулируют развитие друг друга.

В каждом научном исследовании можно выделить два основных уровня: 1) эмпирический, на котором происходит процесс чувственного восприятия, установление и накопления фактов; 2) теоретический, на котором достигается синтез знания, проявляющийся чаще всего в виде создания научной теории. В связи с этим общенаучные методы исследования подразделяются на три группы:

1) методы эмпирического уровня исследования;

2) методы теоретического уровня исследования;

3)методы эмпирического и теоретического уровней исследования - всеобщие научные методы.

Эмпирический уровень исследования связан с выполнением экспериментов, наблюдений, и поэтому здесь велика роль чувственных форм отражения окружающего мира. К основным методам эмпирического уровня исследования относятся наблюдение, измерение и эксперимент.

Наблюдение - это целенаправленное и организованное восприятие объекта исследования, позволяющее получить первичный материал для его изучения. Этот метод используется как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами. В процессе наблюдения непосредственного воздействия наблюдателя на объект исследования не происходит. При наблюдениях широко применяются различные приборы и инструменты.

Чтобы наблюдение было плодотворным, оно должно удовлетворять ряду требований.

1.Оно должно вестись для определенной четко поставленной задачи.

2.В первую очередь должны рассматриваться интересующие исследователя стороны явления.

3. Наблюдение должно быть активным.

4. Надо искать определенные черты явления, нужные объекты.

5. Наблюдение необходимо вести по разработанному плану (схеме).

Измерение - это процедура определения численного значения характеристик исследуемых материальных объектов (массы, длины, скорости, силы и т.д.). Измерения выполняются с помощью соответствующих измерительных приборов и сводятся к сравнению измеряемой величины с эталонной величиной. Измерения дают достаточно точные количественные определения описания свойств объектов, существенно расширяя познания об окружающей действительности.

Измерение с помощью приборов и инструментов не может быть абсолютно точным. В связи с этим при измерениях большое значение уделяется оценке погрешности измерений.

Эксперимент - система операций, воздействий и наблюдений, направленных на получение информации об объекте при исследовательских испытаниях, которые могут осуществляться в естественных и искусственных условиях при изменении характере протекания процесса.

Эксперимент используется на заключительной стадии исследования и является критерием истинности теорий и гипотез. С другой стороны, эксперимент во многих случаях является источником новых теоретических представлений, развиваемых на основе данных проведенного опыта.

Эксперименты могут быть натурными, модельными и компьютерными. Натурный эксперимент изучает явления и объекты в их естественном состоянии. Модельный - моделирует эти процессы, позволяет изучать более широкий диапазон изменения определяющих факторов.

В машиностроении широко применяют как натурные, так и компьютерные эксперименты. Компьютерный эксперимент основывается на исследовании математических моделей, описывающих реальный процесс или объект.

На теоретическом уровне исследования используются такие общенаучные методы, как идеализация, формализация, принятие гипотезы, создание теории.

Идеализация - это мысленное создание объектов и условий, которые не существуют в действительности и не могут быть созданы практически. Она дает возможность лишить реальные объекты некоторых присущих им свойств или мысленно наделить их нереальными свойствами, позволяя получить решение задачи в окончательном виде. Например, в технологии машиностроения широко применяют понятие абсолютно жесткой системы, идеальный процесс резания и т.д. Естественно, любая идеализация правомерна лишь в определенных пределах.

Формализация - это метод изучения различных объектов, при котором основные закономерности явлений и процессов отображаются в знаковой форме с помощью формул или специальных символов. Формализация обеспечивает обобщенность подхода к решению различных задач, позволяет формировать знаковые модели предметов и явлений, устанавливать закономерные связи между изучаемыми фактами. Символика искусственных языков придаёт краткость и четкость фиксации значений и не допускает двусмысленных толкований, что невозможно в обычном языке.

Гипотеза - научно обоснованная система умозаключений, посредством которой на основе ряда факторов делается вывод о существовании объекта, связи или причины явления. Гипотеза является формой перехода от фактов к законам, переплетением всего достоверного, принципиально проверяемого. Ввиду своего вероятностного характера гипотеза требует проверки, после которой она видоизменяется, отвергается или становится научной теорией.

В своем развитии гипотеза проходит три основные стадии. На этапе эмпи-рического познания происходит накопление фактического материала и высказывание на его основе некоторых предположений. Далее на основе сделанных предположений развертывается предположительная теория -формируется гипотеза. На заключительном этапе осуществляется проверка гипотезы, её уточнение. Таким образом, основу превращения гипотезы в научную теорию составляет практика.

Теория представляет собой наиболее высокую форму обобщения и систе-матизации знаний. Она описывает, объясняет и предсказывает совокупность явлений в некоторой области действительности. Создание теории основывается на результатах, полученных на эмпирическом уровне исследований. Затем эти результаты на теоретическом уровне исследования упорядочиваются, приводятся в стройную систему, объединенную общей идеей. В дальнейшем, с использованием этих результатов, выдвигается гипотеза, которая после успешной проверки практикой становится научной теорией. Таким образом, в отличие от гипотезы теория имеет объективное обоснование.

К новым теориям предъявляется несколько основных требований. Научная теория должна быть адекватной описываемому объекту или явлению, т.е. должна правильно их воспроизводить. Теория должна удовлетворять требованию полноты описания некоторой области действительности. Теория должна соответствовать эмпирическим данным. В противном случае она должна быть усовершенствована или отвергнута.

В развитии теории могут быть два самостоятельных этапа: эволюционный, когда теория сохраняет свою качественную определенность, и революционный, когда осуществляется изменение ее основных исходных начал, компонент математического аппарата и методологии. По существу, этот скачок есть создание новой теории, он совершается тогда, когда возможности старой теории исчерпаны.

В качестве исходной мысли, объединяющей в целостную систему входящие в теорию понятия и суждения, выступает идея. В ней отражается фундаментальная закономерность, лежащая в основе теории, в то время как в других понятиях отображены те или иные существенные стороны и аспекты этой закономерности. Идеи могут не только служить основой теории, но и связывать ряд теорий в науку, отдельную область знаний.

Законом называется теория, обладающая большой надежностью и подтвержденная многочисленными экспериментами. Закон выражает общие отношения и связи, которые характерны для всех явлений данного ряда, класса. Он существует независимо от сознания людей.

На теоретическом и эмпирическом уровнях исследования используется анализ, синтез, индукция, дедукция, аналогия, моделирование и абстрагирование.

Анализ - метод познания, заключающийся в мысленном расчленении предмета исследования или явления на составные, более простые, части и выделении его отдельных свойств и связей. Анализ не конечная цель исследования.

Синтез - метод познания, состоящий в мысленном соединении связей отдельных частей сложного явления и познания целого в его единстве. Понимание внутренней структуры объекта достигается с помощью синтеза явления. Синтез дополняет анализ и находится с ним в неразрывном единстве. Без изучения частей нельзя познать целое, без изучения целого с помощью синтеза нельзя познать до конца функции частей в составе целого.

В естественных науках анализ и синтез могут осуществляться не только теоретически, но и практически: исследуемые предметы фактически расчленяются и соединяются, устанавливаются их состав, связи и т.д.

Переход от анализа фактов к теоретическому синтезу осуществляется с помощью особых методов, среди которых наиболее важное значение имеет индукция и дедукция.

Индукция представляет собой метод перехода от знания отдельных фактов к знанию общего, эмпирическому обобщению и установлению общего положения, отражающего закон или другую существенную связь.

Индуктивный метод широко применяется при выводе теоретических и эм-пирических формул в теории металлообработки.

Индуктивный метод движения от частного к общему можно успешно при-менять только при условии возможностей проверки полученных результатов или проведения специального контрольного эксперимента.

Дедукция - метод перехода от общих положений к частным, получение из известных истин новых истин с использованием законов и правил логики. Важным правилом дедукции является следующее: "Если из высказывания А следует высказывание В и высказывание А истинно, то высказывание В также истинно".

Индуктивные методы имеют важное значение в науках, где преобладают эксперимент, его обобщение, разработка гипотез. Дедуктивные методы в первую очередь применяются в теоретических науках. Но научные показания могут быть получены только при наличии тесной связи между индукцией и дедукцией. Ф. Энгельс, в связи с этим указывал: "Индукция и дедукция связаны между собой столь же необходимым образом, как синтез и анализ... Надо стараться применять каждую на своем месте, не упускать из виду их связь между собой, их взаимное дополнение друг друга".

Аналогия - метод научного исследования, когда знания о неизвестных предметах и явлениях достигаются на основе сравнения с общими признаками предметов и явлений, которые исследователю известны.

Сущность заключения по аналогии состоит в следующем: пусть явление А имеет признаки X1, Х2, Х3, ..., Хn, Xn+1, а явление В признаки X1, Х2, ХЗ, ..., Хn. Следовательно, можно предположить, что явление В тоже имеет признак Xn+1. Такой вывод вносит вероятностный характер. Увеличить вероятность получения истинного вывода можно при большом числе сходных признаков у сравниваемых объектов и наличии глубокой взаимосвязи этих признаков.

Моделирование - метод научного познания, заключающийся в замене при исследовании изучаемого предмета или явления специальной моделью, воспроизводящей главные особенности оригинала, и её последующим исследованием. Таким образом, при моделировании эксперимент проводят на модели, а результаты исследования с помощью специальных методов распространяют на оригинал.

Модели могут быть физическими и математическими. В связи с этим различают физическое и математическое моделирование.

При физическом моделировании модель и оригинал имеют одинаковую физическую природу. Любая экспериментальная установка является физической моделью какого-либо процесса. Создание экспериментальных установок и обобщение результатов физического эксперимента осуществляются на основе теории подобия.

При математическом моделировании модель и оригинал могут иметь одинаковую и различную физическую природу. В первом случае какое-либо явление или процесс исследуется на основе их математической модели, представляющей собой систему уравнений с соответствующими условиями однозначности, во втором - используют факт одинакового по внешней форме математического описания явлений различной физической природы.

Абстрагирование - метод научного познания, заключающийся в мысленном отвлечении от ряда свойств, связей, отношений предметов и выделении нескольких интересующих исследователя свойств или признаков.

Абстрагирование позволяет заменить в сознании человека сложный про-цесс, который характеризует, тем не менее, наиболее существенные признаки предмета или явления, что особенно важно для образования многих понятий.Глава 4. Основные этапы выполнения и прогнозирования научных исследований

Рассматривая научно-исследовательскую работу, можно выделить фунда-ментальные и прикладные исследования, а также опытно-конструкторские разработки.

Первым этапом научного исследования является подробный анализ совре-менного состояния рассматриваемой проблемы. Он выполняется на основе информационного поиска с широким применением ЭВМ. По результатам анализа составляются обзоры, рефераты, делается классификация основных направлений, и ставятся конкретные задачи исследования.

Второй этап научного исследования сводится к решению поставленных на первом этапе задач с помощью математического или физического моделиро-вания, а также сочетания этих методов.

Третьим этапом научного исследования являются анализ полученных ре-зультатов и их оформление. Производится сравнение теории и эксперимента, дается анализ эффективности выполнения исследования, возможность расхождений.

На современном этапе развития науки особую важность приобретает прогнозирование научных открытий и технических решений.

В научно-техническом прогнозировании выделяют три интервала: прогнозы первого, второго и третьего эшелона. Прогнозы первого эшелона рассчитаны на 15-20 лет и составляются исходя из определившихся тенденций развития науки и техники. За этот период происходит резкое увеличение количества научных работников и объема научно-технической информации, завершается цикл наука - производство, на передовые рубежи выйдет новое поколение ученых. Прогнозы второго эшелона охватывают период 40-50 лет на базе качественных оценок, поскольку за эти годы произойдет практически удвоение объема принятых в современной науке концепций, теорий и методов. Цель этого прогноза, основанного на широкой системе научных представлений, - не экономические возможности, а фундаментальные законы и принципы естествознания. Для прогнозов третьего эшелона, носящих гипотетический характер, определяются сроки продолжительностью 100 лет и более. За такой период может произойти коренное преобразование науки, и появятся научные представления, многие аспекты которых еще не известны. В основе этих прогнозов - творческая фантазия крупных ученых, учитывающая наиболее общие законы естествознания. История донесла до нас достаточно примеров, когда люди могли предвидеть возникновение важных событий.

Предвидения М.В. Ломоносова, Д.И. Менделеева, К.Э. Циолковского и других крупнейших ученых основывались на глубоком научном анализе.

Выделяют три части прогноза: распространение уже внедренных новшеств; внедрение достижений, вышедших за стены лабораторий; направление фундаментальных исследований. Прогноз науки и техники дополняется оценкой социальных и экономических последствий от их развития. При прогнозировании используются статистические и эвристи-ческие методы прогноза экспертных оценок. Статистические методы заключаются в построении на базе имеющегося материала модели прогноза, позволяющей экстраполировать на будущее тенденции, наблюдавшиеся в прошлом. Полученные при этом динамические ряды применяются в практике благодаря своей простоте и достаточной надежности прогноза на небольшие периоды времени. То есть статистические методы, позволяющие определять средние значения, характеризующие всю совокупность изучаемых предметов. "Применяя статистический метод, мы не можем предсказать поведение отдельного индивидуума совокупности. Мы можем предсказать только вероятность того, что он будет вести себя некоторым определённым образом. Статистические законы можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам, образующим эти совокупности" (А. Эйнштейн, Л. Инфельд).

Эвристические методы основаны на прогнозе путём опроса высококвалифицированных специалистов (экспертов) в узкой области науки, техники, производства.

Характерной особенностью современного естествознания является также то, что методы исследования всё в большей степени влияют на его результат.

Глава 5. Применение математических методов исследования

в естествознании

Математика представляет собой науку, расположенную как бы на границах естествознания. Вследствие этого ее иногда рассматривают в рамках концепций современного естествознания, но большинство авторов выносит ее за эти рамки. Математику следует рассматривать вместе с другими естественно - научными концепциями, поскольку она уже много веков играет объединительную роль для отдельных наук. В этой своей роли математика способствует образованию устойчивых связей также между естествознанием и философией.

История математики

За тысячелетия своего существования математика прошла большой и сложный путь, на протяжении которого неоднократно изменялся ее характер, содержание и стиль изложения. Из примитивного искусства счета математика сформировалась в обширную научную дисциплину с собственным предметом изучения и специфическим методом исследования. Она выработала собственный язык, очень экономный и точный, который оказался исключительно эффективным не только внутри математики, но и в многочисленных областях ее применений.

Примитивный математический аппарат тех далеких времен оказался недостаточным, когда начала развиваться астрономия и далекие путешествия потребовали методов ориентации в пространстве. Жизненная практика, в том числе и практика развивающихся естественных наук, стимулировала даль-нейшее развитие математики.

В Древней Греции существовали школы, в которых математика изуча-лась, как развитая в логическом отношении наука. Она, как писал Платон в своих трудах, должна быть направлена на познание не "бытного", а "сущего". Человечество осознало важность математического познания, как такового, безотносительного к задачам конкретной практики.

Предпосылки к новому бурному всплеску и последующему все возрас-тающему прогрессу математических знаний создала эпоха морских путеше-ствий и развития мануфактурного производства. Эпоха Возрождения, давшая миру изумительный расцвет искусства, вызвала также развитие точных наук, в том числе и математики, появилось учение Коперника. Церковь яростно боролась с прогрессом естествознания.

Последние три столетия внесли в математику много идей и результатов, а также возможность для более полного и глубокого изучения явлений природы. Содержание математики постоянно меняется. Это естественный процесс, поскольку по мере изучения природы, развития техники, экономики и других областей знаний возникают новые задачи, для решения которых не-достаточно прежних математических понятий и методов исследования. Воз-никает потребность в дальнейшем совершенствовании математической нау-ки, расширение арсенала ее средств исследования.

Прикладная математика

Астрономы и физики раньше других поняли, что математические методы для них не только способы вычисления, но и один из основных путей проникновения в существо изучаемых ими закономерностей. В наше время многие науки и области естествознания, до последнего времени находив-шиеся вдали от использования математических средств, теперь усиленно

Устремятся наверстать упущенное. Причина такого внимания к математике в том, что качественное изучение явлений природы, техники, экономики зачастую оказывается недостаточным. Как можно создать автоматически работающую машину, если имеются только общие представления о длительности последействия передаваемых импульсов на элементы? Как можно автомати-зировать процесс выплавки стали или крекинга нефти без знания точных ко-личественных закономерностей этих процессов? Вот почему автоматизация вызывает дальнейшее развитие математики, оттачивание ее методов для ре-шения огромного числа новых и трудных проблем.

Роль математики в развитии других наук и в практических областях деятельности человека невозможно установить на все времена. Изменяются не только те вопросы, которые требуют скорейшего разрешения, но и харак-тер решаемых задач. Создавая математическую модель реального процесса, мы неизбежно упрощаем его и изучаем лишь приближенную его схему. По мере уточнения наших знаний и выяснения роли ранее неуточненных факто-ров удается сделать более полным математическое описание процесса. Про-цедуру уточнения нельзя ограничить, как нельзя ограничить развитие самого знания. Математизация науки состоит не в том, чтобы исключить из процесса познания наблюдение и эксперимент. Они являются непременными состав-ными частями полноценного изучения явлений окружающего нас мира. Смысл математизации знаний состоит в том, чтобы из точно сформулиро-ванных исходных предпосылок выводить следствия, недоступные непосредственному наблюдению; с помощью математического аппарата не только описывать установленные факты, но и предсказывать новые закономерности, прогнозировать течение явлений, а тем самым получать возможность управления ими.

Математизация наших знаний состоит не только в том, чтобы исполь-зовать готовые математические методы и результаты, а в том, чтобы начать поиски того специфического математического аппарата, который позволил бы наиболее полно описывать интересующий нас круг явлений, выводить из этого описания новые следствия, чтобы уверенно использовать особенности этих явлений на практике. Так случилось в период, когда изучение движения стало насущной необходимостью, а Ньютон и Лейбниц завершили создание начал математического анализа. Этот математический аппарат до сих пор яв-ляется одним из основных орудий прикладной математики. В наши дни раз-работка теории управления привела к ряду выдающихся математических ис-следований, в которых заложены основы оптимального управления детерминированными и случайными процессами.

Двадцатый век резко изменил представления о прикладной математике. Если раньше в арсенал средств прикладной математики входили арифметика и элементы геометрии, то восемнадцатый и девятнадцатый века добавили к ним мощные методы математического анализа. В наше время трудно назвать хотя бы одну значительную ветвь современной математики, которая в той или иной мере не находила бы применений в великом океане прикладных проблем. Математика является орудием познания природы, ее законов.

При решении практических задач разрабатывают общие приемы, позволяющие освещать широкий круг различных вопросов. Такой подход особенно важен для прогресса науки. От этого выигрывает не только данная область приложений, но и все остальные, а в первую очередь сама теоретическая математика. Именно такой подход к математике заставляет искать новые методы, новые понятия, способные охватить новый круг про-блем, он расширяет область математических исследований. Последние деся-тилетия дают нам множество примеров подобного рода. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить появление в математике таких, теперь централь-ных, ее ветвей, как теория случайных процессов, теория информации, теория оптимального управления процессами, теория массового обслуживания, ряд областей, связанных с электронными вычислительными машинами.

Математика -- язык науки

Впервые четко и ярко о математике, как языке науки сказал четыреста лет назад великий Галилео Галилей: "Философия написана в грандиозной книге, которая открыта всегда для всех и каждого, - я говорю о природе. Но понять ее может лишь тот, кто научился понимать ее язык и знаки, которыми она написана. Написана же она на математическом языке, а знаки - ее математические формулы". Несомненно, что с тех пор наука добилась огромных успехов и математика была ее верной помощницей. Без мате-матики многие успехи науки и техники были бы просто невозможны. Неда-ром один из крупнейших физиков В. Гейзенберг так охарактеризовал место математики в теоретической физике: "Первичным языком, который выраба-тывают в процессе научного усвоения фактов, является в теоретической физике обычно язык математики, а именно математическая схема, позволяющая физикам предсказывать результаты будущих экспериментов".

Для общения и для выражения своих мыслей люди создали величайшее разговорное средство - живой разговорный язык и письменную его запись. Язык не остается неизменным, он приспосабливается к условиям жизни, обогащается словарным запасом, вырабатывает новые средства для выраже-ния тончайших оттенков мысли.

В науке особенно важна ясность и точность выражения мыслей. Научное изложение должно быть кратким, но вполне определенным. Именно поэтому наука обязана разрабатывать собственный язык, способный максимально точно передавать свойственные ей особенности. Прекрасно сказал известный французский физик Луи де Бройль: "... где можно применить математический подход к проблемам, наука вынуждена пользоваться особым языком, символическим языком, своего рода стенографией абстрактной мысли, формулы которой, когда они правильно записаны, по-видимому не остав-ляют места ни для какой неопределенности, ни для какого неточного истол-кования". Но к этому нужно добавить, что математическая символика не только не оставляет места для неточности выражения и расплывчатого истолкования, - математическая символика позволяет вдобавок автоматизиро-вать проведение тех действий, которые необходимы для получения выводов.

Математическая символика позволяет снижать запись информации, де-лать ее обозримой и удобной для последующей обработки.

В последние годы появилась новая линия в развитии формализованных языков, связанная с вычислительной техникой и использованием электрон-ных вычислительных машин для управления производственными процесса-ми. Необходимо общение с машиной, надо представить ей возможность в каждый момент самостоятельно выбирать правильное в данных условиях действие. Но машина не понимает обычную человеческую речь, с ней нужно "разговаривать" на доступном ей языке. Этот язык не должен допускать раз-ночтений, неопределенности, недостаточности или чрезмерной избыточности сообщаемой информации. В настоящее время разработано несколько систем языков, с помощью которых машина однозначно воспринимает сообщаемую ей информацию и действует с учетом создавшейся обстановки. Именно это и делает электронные вычислительные машины столь гибкими при выполне-нии сложнейших вычислительных и логических операций.

Использование математического метода и математического результата

Не существует таких явлений природы, технических или социальных процессов, которые были бы предметом изучения математики, но при этом не относились бы к явлениям физическим, биологическим, химическим, ин-женерным или социальным. Каждая естественно - научная дисциплина: биоло-гия и физика, химия и психология - определяется материальной особенностью своего предмета, специфическими чертами той области реального мира, которую она изучает. Сам предмет или явление может изучаться разными методами, в том числе и математическими, но, изменяя методы, мы все же остаемся в пределах данной дисциплины, поскольку содержанием данной науки является реальный предмет, а не метод исследования. Для математики же материальный предмет исследования не имеет решающего значения, важен применяемый метод. Например, тригонометрические функции можно использовать и для исследования колебательного движения, и для определения высоты недоступного предмета. А какие явления реального мира можно исследовать с помощью математического метода? Эти явления определяются не их материальной природой, а исключительно формальными структурными свойствами и, прежде всего, теми количественными соотношениями и пространственными формами, в которых они существуют.

Математический результат обладает тем свойством, что его можно не только применять при изучении какого-то одного определенного явления или процесса, но и использовать для исследования других явлений, физическая природа которых принципиально отлична от ранее рассмотренных. Так, пра-вила арифметики применимы и в задачах экономики, и в технологических процессах, и при решении задач сельского хозяйства, и в научных исследованиях.

Математика как творческая сила имеет своей целью разработку общих правил, которыми следует пользоваться в многочисленных частных случаях. Тот, кто создает эти правила, создает новое, творит. Тот, кто применяет уже готовые правила в самой математике, уже не творит, но создает с помощью математических правил новые ценности в других областях знания. В наши дни, данные дешифровки космических снимков, а также сведения о составе и возрасте горных пород, геохимических, географических и геофизических аномалиях обрабатываются с помощью ЭВМ. Несомненно, что применение ЭВМ в геологических исследованиях оставляет эти исследования геологиче-скими. Принципы же работы ЭВМ и их математическое обеспечение разра-батывались без учета возможности их использования в интересах геологической науки. Сама эта возможность определяется тем, что структурные свойства геологических данных находятся в соответствии с логикой определенных программ работы ЭВМ.

Математические понятия берутся из реального мира и с ним связаны. В сущности, этим и объясняется поразительная применимость результатов ма-тематики к явлениям окружающего нас мира.

Математика, прежде чем изучать своими методами какое-нибудь явление, создает его математическую модель, т.е. перечисляет все те особенности явления, которые будут приниматься во внимание. Модель принуждает ис-следователя выбирать те математические средства, которые позволят вполне адекватно передать особенности изучаемого явления и его эволюции.

В качестве примера возьмем модель планетной системы. Солнце и пла-неты рассматриваются как материальные точки с соответствующими масса-ми. Взаимодействие каждых двух точек определяется силой притяжения ме-жду ними. Модель проста, но она в течение вот уже более трехсот лет с огромной точностью передает особенности движения планет Солнечной сис-темы.

Математические модели используются при исследовании биологических и физических явлений природы.

Математика и окружающая среда

Повсюду нас окружают движение, переменные величины и их взаимо-связи. Различные виды движения и их закономерности составляют основной объект изучения конкретных наук: физики, геологии, биологии, социологии и других. Поэтому точный язык и соответствующие методы описания и изуче-ния переменных величин оказались необходимыми во всех областях знания примерно в той же степени, в какой числа и арифметика необходимы при описании количественных соотношений. Математический анализ составляет основу языка и математических методов описания переменных величин и их взаимосвязей. В наши дни без математического анализа невозможно не толь-ко рассчитать космические траектории, работу ядерных реакторов, бег океанской волны и закономерности развития циклона, но и экономично управлять производством, распределением ресурсов, организацией технологических процессов, прогнозировать течение химических реакций или изменение чис-ленности различных взаимосвязанных в природе видов животных и растений, потому что всё это - динамические процессы.

Одно из наиболее интересных применений современной математики называется теорией катастроф. Её создатель - один из выдающихся математиков мира Рене Том. Теория Тома - по сути, математическая теория процессов со "скачками". В ней показано, что возникновение "скачков" в непрерывных системах можно описать математически и изменения вида можно предсказать качественно. Модели, строящиеся на основе теории катастроф, уже привели к полезному проникновению в суть множества случаев из реальной жизни: в физику (примером может служить разрушение волн на воде), физиологию (действие сердечных сокращений или нервных импульсов) и социальные науки. Перспективы применения этой теории, вероятнее всего в биологии, огромны.

Математика дала возможность заниматься и другими практическими вопросами, которые требовали не только применения уже имеющихся мате-матических средств, но и развития самой математической науки.

Подобные документы

Эмпирическая, теоретическая и производственно-техническая формы научного познания. Применение особенных методов (наблюдение, измерение, сравнение, эксперимент, анализ, синтез, индукция, дедукция, гипотеза) и частных научных методов в естествознании.

реферат , добавлен 13.03.2011


Сущность принципа системности в естествознании. Описание экосистемы пресного водоема, лиственного леса и его млекопитающих, тундры, океана, пустыни, степи, овражистых земель. Научные революции в естествознании. Всеобщие методы научного познания.

контрольная работа , добавлен 20.10.2009


Изучение понятия научной революции, глобального изменения процесса и содержания системы научного познания. Геоцентрическая система мира Аристотеля. Исследования Николая Коперника. Законы движения планет Иоганна Кеплера. Основные достижения И. Ньютона.

презентация , добавлен 26.03.2015


Основные методы вычленения и исследования эмпирического объекта. Наблюдение эмпирического научного познания. Приемы получения количественной информации. Методы, предполагающие работу с полученной информацией. Научные факты эмпирического исследования.

реферат , добавлен 12.03.2011


Методология естествознания как система познавательной деятельности человека. Основные методы научного изучения. Общенаучные подходы как методологические принципы познания целостных объектов. Современные тенденции развития естественно-научного изучения.

реферат , добавлен 05.06.2008


Синергетика как теория самоорганизующихся систем в современном научном мире. История и логика возникновения синергетического подхода в естествознании. Влияние этого подхода на развитие науки. Методологическая значимость синергетики в современной науке.

реферат , добавлен 27.12.2016


Сравнение, анализ и синтез. Основные достижения НТР. Концепция ноосферы Вернадского. Происхождение жизни на земле, основные положения. Экологические проблемы Курганской области. Значение естествознания для социально–экономического развития общества.

контрольная работа , добавлен 26.11.2009


Сущность процесса естественнонаучного познания. Особые формы (стороны) научного познания: эмпирическая, теоретическая и производственно–техническая. Роль научного эксперимента и математического аппарата исследования в системе современного естествознания.

доклад , добавлен 11.02.2011


Применение математических методов в естествознании. Периодический закон Д.И. Менделеева, его современная формулировка. Периодические свойства химических элементов. Теория строения атомов. Основные типы экосистем по их происхождению и источнику энергии.

реферат , добавлен 11.03.2016


Развитие науки ХХ в. под влиянием революции в естествознании на рубеже ХIХ–ХХ вв.: открытия, их практическое применение - телефон, радио, кинематограф, изменения в физике, химии, развитие междисциплинарных наук; Психика, интеллект в философских теориях.

Cмотрите так же...
Шпаргалки по философии для кандидатского минимума Часть 1
Философия и естествознание: концепции взаимоотношений (метафизическая, трансцендентальная, антиметафизическая, диалектическая).
Природа как объект философствования. Особенности познания природы.
Естествознание: его предмет, сущность, структура. Место естествознания в системе наук
Научная картина мира и её исторические формы. Естественнонаучная картина природы
Проблема объективности знания в современных естественных науках
Современная наука и изменение формирования мировоззренческих установок техногенной цивилизации
Взаимодействие естественных наук друг с другом. Науки о неживой природе и науки о живой природе
Конвергенция естественнонаучного и социально-гуманитарного знания в неклассической науке
Методы естествознания и их классификация.
Математика и естествознание. Возможности применения математики и компьютерного моделирования
Эволюция понятий пространства и времени в истории естествознания
Философия и физика. Эвристические возможности натурфилософии
Проблема дискретности материи
Идеи детерминизма и индетерминизма в естествознании
Принцип дополнительности и его философские интерпретации. Диалектика и квантовая механика
Антропный принцип. Вселенная как «экологическая ниша» человечества.
Проблема происхождения Вселенной. Модели Вселенной.
Проблема поиска внеземных цивилизаций как междисциплинарное направление научного поиска. Концепции ноокосмологии (И. Шкловский, Ф. Дрейк, К. Саган).
. Философские проблемы химии. Соотношение физики и химии.
. Проблема законов биологии
Эволюционная теория: ее развитие и философские интерпретации.
Философия экологии: предпосылки становления.
Этапы развития научной теории биосферы.
Взаимодействие человека и природы: пути его гармонизации.
Философия медицины и медицина как наука. Философские категории и понятия медицины
Проблема происхождения и сущности жизни в современной науке и философии
Понятие информации. Теоретико-информационный подход в современной науке.
Искусственный интеллект и проблема сознания в современной науке и философии
Кибернетика и общая теория систем, их связь с естествознанием.
Роль идей нелинейной динамики и синергетики в развитии современного естествознания.
Роль современного естествознания в преодолении глобальных кризисов.
Постнеклассическое естествознание и поиск нового типа рациональности. Исторически развивающиеся, человекоразмерные объекты, комплексные системы как объекты исследования в постнеклассическом естествознании
Этические проблемы современного естествознания. Кризис идеала ценностно-нейтрального научного исследования
Естествознание, технические науки и техника
All Pages

Методы естествознания и их классификация.

С появлением потребности получения знаний возникла потребность в анализе и оценке различных методов – т.е. в методологии.

Конкретные научные методы отражают тактику исследования, а общенаучные – стратегию.

Метод познания – способ организации средств, приемов теоретической и практической деятельности.

Метод является основным теоретическим инструментом получения и упорядочения научного знания.

Виды методов естествознания:

– общие (касаются любой науки) – единство логического и исторического, восхождение от абстрактного к конкретному;

– особенные (касаются только одной стороны изучаемого объекта) – анализ, синтез, сравнение, индукция, дедукция и др.;

– частные, которые действуют только в определенной области знаний.

Методы естествознания:

наблюдение – начальный источник информации, целенаправленный процесс восприятия предметов или явлений, используется там, где нельзя поставить прямой эксперимент, например в космологии (частные случаи наблюдения – сравнение и измерение);

анализ – основан на мысленном или реальном расчленении предмета на части, когда от цельного описания объекта переходят к его строению, составу, признакам и свойствам;

синтез – основан на соединении различных элементов предмета в единое целое и обобщении выделенных и изученных особенностей объекта;

индукция – состоит в формулировании логического умозаключения на основе обобщений данных эксперимента и наблюдений; логические рассуждения идут от частного к общему, обеспечивая лучшее осмысление и переход на более общий уровень рассмотрения проблемы;

дедукция – метод познания, состоящий в переходе от некоторых общих положений к частным результатам;

гипотеза – предположение, выдвигаемое для разрешения неопределенной ситуации, она призвана объяснить или систематизировать некоторые факты, относящиеся к данной области знания или находящиеся за ее пределами, но при этом не противоречить уже существующим. Гипотеза должна быть подтверждена или опровергнута;

метод сравнений – применяется при количественном сопоставлении исследуемых свойств, параметров объектов или явлений;

эксперимент – опытное определение параметров исследуемых объектов или предметов;

моделирование – создание модели интересующего исследователя предмета или объекта и проведение над ним эксперимента, наблюдения и дальнейшее наложение полученных результатов на изучаемый объект.

Общие методы познания касаются любой дисциплины и дают возможность соединить все этапы процесса познания. Эти методы используются в любой области исследования и позволяют выявлять связи и признаки исследуемых объектов. В истории науки исследователи к таким методам относят метафизический и диалектический методы. Частные методы научного познания – это методы, применяющиеся только в отдельной отрасли науки. Различные методы естествознания (физики, химии, биологии, экологии и т. д.) являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Иногда частные методы могут использоваться за пределами тех отраслей естествознания, в которых они возникли. Например, физические и химические методы используются в астрономии, биологии, экологии. Часто исследователи применяют комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, экология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, биологии. Частные методы познания связаны с особенными методами. Особенные методы исследуют определенные признаки изучаемого объекта. Они могут проявляться на эмпирическом и на теоретическом уровнях познания и быть универсальными.

Наблюдение представляет собой целенаправленный процесс восприятия предметов действительности, чувственное отражение объектов и явлений, в ходе которого человек получает первичную информацию об окружающем мире. Поэтому исследование чаще всего начинается с наблюдения, и лишь потом исследователи переходят к другим методам. Наблюдения не связаны с какой-либо теорией, но цель наблюдения всегда связана с некой проблемной ситуацией. Наблюдение предполагает наличие определенного плана исследования, предположение, подвергаемое анализу и проверке. Наблюдения используются там, где нельзя поставить прямой эксперимент (в вулканологии, космологии). Результаты наблюдения фиксируются в описании, отмечающем те признаки и свойства изучаемого объекта, которые являются предметом изучения. Описание должно быть максимально полным, точным и объективным. Именно описания результатов наблюдения составляют эмпирический базис науки, на их основе создаются эмпирические обобщения, систематизация и классификация.

Измерение – это определение количественных значений (характеристик) изучаемых сторон или свойств объекта с помощью специальных технических устройств. Большую роль в исследовании играют единицы измерения, с которыми сравниваются полученные данные.

Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он представляет собой целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на интересующий объект или явление для изучения его различных сторон, связей и отношений. В ходе экспериментального исследования ученый вмешивается в естественный ход процессов, преобразует объект исследования. Специфика эксперимента состоит также в том, что он позволяет увидеть объект или процесс в чистом виде. Это происходит за счет максимального исключения воздействия посторонних факторов.

Абстрагирование – мысленное отвлечение от всех свойств, связей и отношений изучаемого объекта, которые считают несущественными. Таковы модели точки, прямой линии, окружности, плоскости. Результат процесса абстрагирования называется абстракцией. Реальные объекты в каких-то задачах могут быть заменены этими абстракциями (Землю при движении вокруг Солнца можно считать материальной точкой, но нельзя при движении по ее поверхности).

Идеализация представляет операцию мысленного выделения какого-то одного важного для данной теории свойства или отношения, мысленного конструирования объекта, наделенного этим свойством (отношением). В результате идеальный объект обладает только этим свойством (отношением). Наука выделяет в реальной действительности общие закономерности, которые существенны и повторяются в различных предметах, поэтому приходится идти на отвлечения от реальных объектов. Так образуются такие понятия, как «атом», «множество», «абсолютно черное тело», «идеальный газ», «сплошная среда». Полученные таким образом идеальные объекты в действительности не существуют, так как в природе не может быть предметов и явлений, имеющих только одно свойство или качество. При применении теории необходимо вновь сопоставить полученные и использованные идеальные и абстрактные модели с реальностью. Поэтому важны выбор абстракций в соответствии с их адекватностью данной теории и последующее исключение их.

Среди особенных универсальных методов исследований выделяют анализ, синтез, сравнение, классификацию, аналогию, моделирование.

Анализ – одна из начальных стадий исследования, когда от цельного описания объекта переходят к его строению, составу, признакам и свойствам. Анализ – метод научного познания, в основе которого лежит процедура мысленного или реального разделения объекта на составляющие его части и их отдельное изучение. Невозможно познать сущность объекта, только выделяя в нем элементы, из которых он состоит. Когда путем анализа частности исследуемого объекта изучены, он дополняется синтезом.

Синтез – метод научного познания, в основе которого лежит объединение выделенных анализом элементов. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единственных знаний, полученных с помощью анализа. Он показывает место и роль каждого элемента в системе, их связь с другими составными частями. Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга, синтез – обобщает аналитически выделенные и изученные особенности объекта. Анализ и синтез берут свое начало в практической деятельности человека. Человек научился мысленно анализировать и синтезировать лишь на основе практического разделения, постепенно осмысливая то, что происходит с объектом при выполнении практических действий с ним. Анализ и синтез являются компонентами аналитико-синтетического метода познания.

Сравнение – метод научного познания, позволяющий установить сходство и различие изучаемых объектов. Сравнение лежит в основе многих естественнонаучных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов. Сравнивая объекты между собой, человек получает возможность правильно познавать их и тем самым правильно ориентироваться в окружающем мире, целенаправленно воздействовать на него. Сравнение имеет значение, когда сравниваются действительно однородные и близкие по своей сущности объекты. Метод сравнения выделяет отличия исследуемых объектов и составляет основу любых измерений, то есть основу экспериментальных исследований.

Классификация – метод научного познания, который объединяет в один класс объекты, максимально сходные друг с другом в существенных признаках. Классификация позволяет свести накопленный многообразный материал к сравнительно небольшому числу классов, типов и форм и выявить исходные единицы анализа, обнаружить устойчивые признаки и отношения. Как правило, классификации выражаются в виде текстов на естественных языках, схем и таблиц.

Аналогия – метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-либо объекта, на другой, менее изученный, но схожий с первым по каким-то существенным свойствам. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, причем сходство устанавливается в результате сравнения предметов между собой. Таким образом, в основе метода аналогии лежит метод сравнения.

Метод аналогии тесно связан с методом моделирования, который представляет собой изучение каких-либо объектов с помощью моделей с дальнейшим переносом полученных данных на оригинал. В основе этого метода лежит существенное сходство объекта-оригинала и его модели. В современных исследованиях используют различные виды моделирования: предметное, мысленное, символическое, компьютерное.

Методы науки – совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.

Методы исследований оптимизируют деятельность человека, вооружают его наиболее рациональными способами организации деятельности. А. П. Садохин кроме выделения уровней познания при классификации научных методов учитывает критерий применяемости метода и выделяет общие, особенные и частные методы научного познания. Выделенные методы часто сочетаются и комбинируются в процессе исследования.

Общие методы познания касаются любой дисциплины и дают возможность соединить все этапы процесса познания. Эти методы используются в любой области исследования и позволяют выявлять связи и признаки исследуемых объектов. В истории науки исследователи к таким методам относят метафизический и диалектический методы. Частные методы научного познания – это методы, применяющиеся только в отдельной отрасли науки. Различные методы естествознания (физики, химии, биологии, экологии и т. д.) являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Иногда частные методы могут использоваться за пределами тех отраслей естествознания, в которых они возникли.

Например, физические и химические методы используются в астрономии, биологии, экологии. Часто исследователи применяют комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, экология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, биологии. Частные методы познания связаны с особенными методами. Особенные методы исследуют определенные признаки изучаемого объекта. Они могут проявляться на эмпирическом и на теоретическом уровнях познания и быть универсальными.

Среди особенных эмпирических методов познания выделяют наблюдение, измерение и эксперимент.

Наблюдение представляет собой целенаправленный процесс восприятия предметов действительности, чувственное отражение объектов и явлений, в ходе которого человек получает первичную информацию об окружающем мире. Поэтому исследование чаще всего начинается с наблюдения, и лишь потом исследователи переходят к другим методам. Наблюдения не связаны с какой-либо теорией, но цель наблюдения всегда связана с некой проблемной ситуацией.

Наблюдение предполагает наличие определенного плана исследования, предположение, подвергаемое анализу и проверке. Наблюдения используются там, где нельзя поставить прямой эксперимент (в вулканологии, космологии). Результаты наблюдения фиксируются в описании, отмечающем те признаки и свойства изучаемого объекта, которые являются предметом изучения. Описание должно быть максимально полным, точным и объективным. Именно описания результатов наблюдения составляют эмпирический базис науки, на их основе создаются эмпирические обобщения, систематизация и классификация.

Измерение – это определение количественных значений (характеристик) изучаемых сторон или свойств объекта с помощью специальных технических устройств. Большую роль в исследовании играют единицы измерения, с которыми сравниваются полученные данные.

Эксперимент - метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, то есть активностью по отношению к нему. Проводя эксперимент, исследователь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс.

Развитие естествознания выдвигает проблему строгости наблюдения и эксперимента. Дело в том, что они нуждаются в специальных инструментах и приборах, которые последнее время становятся настолько сложными, что сами начинают оказывать влияние на объект наблюдения и эксперимента, чего по условиям быть не должно. Это, прежде всего, относится к исследованиям в области физики микромира (квантовой механике, квантовой электродинамике и т.д.).

Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного в ходе рассмотрения какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный и в данный момент изучаемый. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, что позволяет получить вполне достоверные знания об изучаемом предмете.

Применение метода аналогии в научном познании требует определенной осторожности. Здесь чрезвычайно важно четко выявить условия, при которых он работает наиболее эффективно. Однако в тех случаях, когда можно разработать систему четко сформулированных правил переноса знаний с модели на прототип, результаты и выводы по методу аналогии приобретают доказательную силу.

Анализ - метод научного познания, в основу которого положена процедура мысленного или реального расчленения предмета на составляющие его части. Расчленение имеет целью переход от изучения целого к изучению его частей и осуществляется путем абстрагирования от связи частей друг с другом.

Синтез - это метод научного познания, в основу которого положена процедура соединения различных элементов предмета в единое целое, систему, без чего невозможно действительно научное познание этого предмета. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных с помощью анализа. В синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта. Положения, получаемые в результате синтеза, включаются в теорию объекта, которая, обогащаясь и уточняясь, определяет пути нового научного поиска.

Индукция - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента.
Дедукция - метод научного познания, который заключается в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам-следствиям.
Решение любой научной проблемы включает выдвижение различных догадок, предположений, а чаще всего более или менее обоснованных гипотез, с помощью которых исследователь пытается объяснить факты, не укладывающиеся в старые теории. Гипотезы возникают в неопределенных ситуациях, объяснение которых становится актуальным для науки. Кроме того, на уровне эмпирических знаний (а также на уровне их объяснения) нередко имеются противоречивые суждения. Для разрешения этих проблем требуется выдвижение гипотез.

Гипотеза представляет собой всякое предположение, догадку или предсказание, выдвигаемое для устранения ситуации неопределенности в научном исследовании. Поэтому гипотеза есть не достоверное знание, а вероятное, истинность или ложность которого еще не установлены.
Любая гипотеза должна быть обязательно обоснована либо достигнутым знанием данной науки, либо новыми фактами (неопределенное знание для обоснования гипотезы не используется). Она должна обладать свойством объяснения всех фактов, которые относятся к данной области знания, систематизации их, а также фактов за пределами данной области, предсказывать появление новых фактов (например, квантовая гипотеза М. Планка, выдвинутая в начале XX в., привела к созданию квантовой механики, квантовой электродинамики и др. теорий). При этом гипотеза не должна противоречить уже имеющимся фактам. Гипотеза должна быть либо подтверждена, либо опровергнута.

в) частные методы - это методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли естествознания, либо за пределами той отрасли естествознания, где они возникли. Таков метод кольцевания птиц, применяемый в зоологии. А методы физики, использованные в других отраслях естествознания, привели к созданию астрофизики, геофизики, кристаллофизики и др. Нередко применяется комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, молекулярная биология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, кибернетики.

Моделирование – метод научного познания, основанный на изучении реальных объектов посредством изучения моделей этих объектов, т.е. посредством изучения более доступных для исследования и (или) вмешательства объектов-заместителей естественного или искусственного происхождения, обладающих свойствами реальных объектов.

Свойства любой модели не должны, да и не могут, точно и полностью соответствовать абсолютно всем свойствам соответствующего реального объекта в любых ситуациях. В математических моделях любой дополнительный параметр может привести к существенному усложнению решения соответствующей системы уравнений, к необходимости применения дополнительных допущений, отбрасывания малых членов и т.п., при численном моделировании непропорционально вырастает время обработки задачи компьютером, нарастает ошибка счета.

Разнообразие методов научного познания создает трудности в их применении и понимании их роли. Эти проблемы решаются особой областью знания – методологией. Основной задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности, развития методов познания.



Методы естествознания могут быть подразделены на следующие группы:

Общие методы, касающиеся любого предмета, любой науки. Это различные формы метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени, например, метод восхождения от абстрактного к конкретному, единства логического и исторического. Это, скорее, общефилософские методы познания.

Особенные методы касаются лишь одной стороны изучаемого предмета или же определенного приема исследования: анализ, синтез, индукция, дедукция. К числу особенных методов также относятся наблюдение, измерение, сравнение и эксперимент. В естествознании особенным методам науки придается чрезвычайно важное значение, поэтому в рамках нашего курса необходимо более подробно рассмотреть их сущность.

Наблюдение - это целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены. Исторически метод наблюдения развивается как составная часть трудовой операции, включающей в себя установление соответствия продукта труда его запланированному образцу. Наблюдение как метод познания действительности применяется либо там, где невозможен или очень затруднен эксперимент (в астрономии, вулканологии, гидрологии), либо там, где стоит задача изучить именно естественное функционирование или поведение объекта (в этологии, социальной психологии и т.п.). Наблюдение как метод предполагает наличие программы исследования, формирующейся на базе прошлых убеждений, установленных фактов, принятых концепций. Частными случаями метода наблюдения являются измерение и сравнение.

Эксперимент - метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, то есть активностью по отношению к нему. Проводя эксперимент, исследователь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс. Специфика эксперимента состоит также в том, что в обычных условиях процессы в природе крайне сложны и запутанны, не поддаются полному контролю и управлению. Поэтому возникает задача организации такого исследования, при котором можно было бы проследить ход процесса в «чистом» виде. В этих целях в эксперименте отделяют существенные факторы от несущественных и тем самым значительно упрощают ситуацию. В итоге такое упрощение способствует более глубокому пониманию явлений и создает возможность контролировать немногие существенные для данного процесса факторы и величины. Развитие естествознания выдвигает проблему строгости наблюдения и эксперимента. Дело в том, что они нуждаются в специальных инструментах и приборах, которые последнее время становятся настолько сложными, что сами начинают оказывать влияние на объект наблюдения и эксперимента, чего по условиям быть не должно. Это прежде всего относится к исследованиям в области физики микромира (квантовой механике, квантовой электродинамике и т.д.).

Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного в ходе рассмотрения какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный и в данный момент изучаемый. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, что позволяет получить вполне достоверные знания об изучаемом предмете. Применение метода аналогии в научном познании требует определенной осторожности. Здесь чрезвычайно важно четко выявить условия, при которых он работает наиболее эффективно. Однако в тех случаях, когда можно разработать систему четко сформулированных правил переноса знаний с модели на прототип, результаты и выводы по методу аналогии приобретают доказательную силу.

Моделирование - метод научного познания, основанный на изучении каких- либо объектов посредством их моделей. Появление этого метода вызвано тем, что иногда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для прямого вмешательства познающего субъекта или такое вмешательство по ряду причин является нецелесообразным. Моделирование предполагает перенос исследовательской деятельности на другой объект, выступающий в роли заместителя интересующего нас объекта или явления. Объект-заместитель называют моделью, а объект исследования - оригиналом, или прототипом. При этом модель выступает как такой заместитель прототипа, который позволяет получить о последнем определенное знание. Таким образом, сущность моделирования как метода познания заключается в замещении объекта исследования моделью, причем в качестве модели могут быть использованы объекты как естественного, так и искусственного происхождения. Возможность моделирования основана на том, что модель в определенном отношении отображает какие-либо стороны прототипа. При моделировании очень важно наличие соответствующей теории или гипотезы, которые строго указывают пределы и границы допустимых упрощений.

Современной науке известно несколько типов моделирования :

1) предметное моделирование, при котором исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта-оригинала;

2) знаковое моделирование, при котором в качестве моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Важнейшим видом такого моделирования является математическое моделирование, производимое средствами математики и логики;

3) мысленное моделирование, при котором вместо знаковых моделей используются мысленно-наглядные представления этих знаков и операций с ними. В последнее время широкое распространение получил модельный эксперимент с использованием компьютеров, которые являются одновременно и средством, и объектом экспериментального исследования, заменяющими оригинал. В таком случае в качестве модели выступает алгоритм (программа) функционирования объекта.

Анализ - метод научного познания, в основу которого положена процедура мысленного или реального расчленения предмета на составляющие его части. Расчленение имеет целью переход от изучения целого к изучению его частей и осуществляется путем абстрагирования от связи частей друг с другом. Анализ - органичная составная часть всякого научного исследования, являющаяся обычно его первой стадией, когда исследователь переходит от нерасчлененного описания изучаемого объекта к выявлению его строения, состава, а также его свойств и признаков.

Синтез - это метод научного познания, в основу которого положена процедура соединения различных элементов предмета в единое целое, систему, без чего невозможно действительно научное познание этого предмета. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных с помощью анализа. В синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта. Положения, получаемые в результате синтеза, включаются в теорию объекта, которая, обогащаясь и уточняясь, определяет пути нового научного поиска.

Индукция - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента. Непосредственной основой индуктивного умозаключения является повторяемость признаков в ряду предметов определенного класса. Заключение по индукции представляет собой вывод об общих свойствах всех предметов, относящихся к данному классу, на основании наблюдения достаточно широкого множества единичных фактов. Обычно индуктивные обобщения рассматриваются как опытные истины, или эмпирические законы. Различают полную и неполную индукцию. Полная индукция строит общий вывод на основании изучения всех предметов или явлений данного класса. В результате полной индукции полученное умозаключение имеет характер достоверного вывода. Суть неполной индукции состоит в том, что она строит общий вывод на основании наблюдения ограниченного числа фактов, если среди последних не встретились такие, которые противоречат индуктивному умозаключению. Поэтому естественно, что добытая таким путем истина неполна, здесь мы получаем вероятностное знание, требующее дополнительного подтверждения.

Дедукция - метод научного познания, который заключается в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам-следствиям. Умозаключение по дедукции строится по следующей схеме; все предметы класса «А» обладают свойством «В»; предмет «а» относится к классу «А»; значит «а» обладает свойством «В». В целом дедукция как метод познания исходит из уже познанных законов и принципов. Поэтому метод дедукции не позволяет получить содержательно нового знания. Дедукция представляет собой лишь способ логического развертывания системы положений на базе исходного знания, способ выявления конкретного содержания общепринятых посылок. Решение любой научной проблемы включает выдвижение различных догадок, предположений, а чаще всего более или менее обоснованных гипотез, с помощью которых исследователь пытается объяснить факты, не укладывающиеся в старые теории. Гипотезы возникают в неопределенных ситуациях, объяснение которых становится актуальным для науки. Кроме того, на уровне эмпирических знаний (а также на уровне их объяснения) нередко имеются противоречивые суждения. Для разрешения этих проблем требуется выдвижение гипотез. Гипотеза представляет собой всякое предположение, догадку или предсказание, выдвигаемое для устранения ситуации неопределенности в научном исследовании. Поэтому гипотеза есть не достоверное знание, а вероятное, истинность или ложность которого еще не установлены. Любая гипотеза должна быть обязательно обоснована либо достигнутым знанием данной науки, либо новыми фактами (неопределенное знание для обоснования гипотезы не используется). Она должна обладать свойством объяснения всех фактов, которые относятся к данной области знания, систематизации их, а также фактов за пределами данной области, предсказывать появление новых фактов (например, квантовая гипотеза М. Планка, выдвинутая в начале XX в., привела к созданию квантовой механики, квантовой электродинамики и др. теорий). При этом гипотеза не должна противоречить уже имеющимся фактам. Гипотеза должна быть либо подтверждена, либо опровергнута. Для этого она должна обладать свойствами фальсифицируемости и верифицируемости. Фальсификация- процедура, устанавливающая ложность гипотезы в результате экспериментальной или теоретической проверки. Требование фальсифицируемости гипотез означает, что предметом науки может быть только принципиально опровергаемое знание. Неопровержимое знание (например, истины религии) к науке отношения не имеет. При этом сами по себе результаты эксперимента опровергнуть гипотезу не могут. Для этого нужна альтернативная гипотеза или теория, обеспечивающая дальнейшее развитие знаний. В противном случае отказа от первой гипотезы не происходит. Верификация - процесс установления истинности гипотезы или теории в результате их эмпирической проверки. Возможна также косвенная верифицируемость, основанная на логических выводах из прямо верифицированных фактов.

Частные методы - это специальные методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли науки, либо за пределами той отрасли, где они возникли. Таков метод кольцевания птиц, применяемый в зоологии. А методы физики, использованные в других отраслях естествознания, привели к созданию астрофизики, геофизики, кристаллофизики и др. Нередко применяется комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, молекулярная биология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, кибернетики.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Методы научных исследований

Методы научных исследований.. содержание основные понятия научно исследовательской работы..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: