Что объединяет понятия измерение наблюдение сравнение эксперимент. Методы эмпирического исследования: наблюдение, эксперимент, измерение, сравнение, описание, моделирование
Моделирование как метод эмпирического уровня познания
Эксперимент, планирование эксперимента
Наблюдение и измерение
ЛЕКЦИЯ 16
ТЕМА: МЕТОДЫ ЭМПИРИЧЕСКОГО УРОВНЯ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
Метод научного исследования – это способ познания объективной реальности. Способ представляет собой определенную последовательность действий, приемов, операций. В зависимости от уровня научного познания выделяют методы эмпирического и теоретического уровней. К методам эмпирического уровня относят наблюдение, описание, сравнение, счет, измерение, эксперимент. К методам теоретического уровня научного познания относят аксиоматический, гипотетический (гипотетико-дедуктивный) и формализацию. Выделяют методы, которые применяются на обоих уровнях научного познания такие как: моделирование, абстрагирование, обобщение, классификация и общелогические методы.
От рассматриваемого понятия метода следует отграничивать понятия техники, процедуры и методики научного исследования.
Под техникой исследования понимают совокупность специальных приемов для использования того или иного метода, а под процедурой исследования – определенную последовательность действий, способ организации исследования.
Методика - это совокупность способов и приемов исследования, порядок их применения и интерпретация полученных с их помощью результатов. Она зависит от характера объекта изучения, методологии, цели исследования, разработанных методов, общего уровня квалификации исследователя.
Наблюдение – это систематическое, целенаправленное восприятие каких-либо отдельных сторон объекта, либо объекта в целом.
По способу проведения различают наблюдения непосредственные и опосредованные. При непосредственных наблюдениях те или иные свойства, стороны объекта воспринимаются органами чувств человека. Опосредованные наблюдения проводятся с использованием технических средств.
В наблюдениях отсутствуют деятельность, направленная на преобразование, изменение объектов познания. Это обуславливается рядом обстоятельств:
Недоступностью этих объектов для практического воздействия;
Нежелательностью, исходя из целей исследования, вмешательства в наблюдаемый процесс;
Отсутствием технических, энергетических, финансовых и иных возможностей для воздействия.
В биологии непосредственные наблюдения подразделяют на:
1) полевые или экспедиционные;
2) лабораторные или стационарные.
При полевом обследовании различают методы:
Маршрутные;
Ключевые;
Площадные;
Комбинированные (для изучения площади различают маршруты, эти маршруты обследуются с помощью систем ключевых точек).
Лабораторные наблюдения отличаются от полевых большей повторяемостью наблюдений и тем, что аппаратура обычно закреплена на точке наблюдения. В лабораторных условиях возможность использования измерительной техники несравненно выше, чем в полевых условиях.
Результаты наблюдения могут фиксироваться в протоколах, дневниках, карточках, на кинопленках и другими способами.
Описание – это фиксация средствами естественного или искусственного языка признаков исследуемого объекта, которые устанавливаются путем наблюдения или измерения. Описание бывает:
1) непосредственным , когда исследователь непосредственно воспринимает и указывает признаки объекта;
2) опосредованным , когда исследователь отмечает признаки объекта, которые воспринимались другими лицами.
Счет – это определение количественных соотношений объектов исследования или параметров, характеризующих их свойства. Метод широко применяется в статистике для определения степени и типа изменчивости явления, процесса, достоверности полученных средних величин и теоретических выводов.
Большинство научных наблюдений включают в себя проведение разнообразных измерений.
Измерение – это определение численного значения некоторой величины путем сравнения ее с эталоном. Измерение есть процедура определения численного значения некоторой величины посредством единицы измерения. Ценность этой процедуры в том, что она дает точные, количественные определенные сведения об окружающей действительности.
Важнейшим показателем качества измерения, его научной ценности является точность, которая зависит от исследователя и от имеющихся измерительных приборов.
Выделяют следующие виды измерений:
1) по характеру зависимости измеряемой величины от времени:
Статические (измеряемая величина остается постоянной во времени);
Динамические (измеряемая величина в процессе измерения меняется во времени).
2) по способу получения результатов:
Прямые измерения (значение измеряемой величины получается путем непосредственного сравнения ее с эталоном или выдается измерительным прибором);
Косвенные измерения (величину определяют на основании известной математической зависимости между этой величиной и другими величинами, получаемых путем прямых измерений).
Сравнение – это сопоставление признаков, присущим двум или нескольким объектам, установление различия между ними или нахождение в них общего, осуществляемое как органами чувств, так и с помощью специальных устройств.
Сравнение и измерение
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В соответствии с двумя взаимосвязанными уровнями научного познания (эмпирическим и теоретическим) различают эмпирические методы научных исследований (наблюдение, описание, сравнение, измерение, эксперимент, индукция и др.), с помощью которых осуществляется накопление, фиксация, обобщение и систематизация опытных данных, их статистическая обработка, и теоретические (анализ и синтез, аналогия и моделирование, идеализация, дедукция и др.); с их помощью формируются законы науки, теории.
В процессе научного исследования целесообразно использовать многообразные методы, а не ограничиваться каким-то одним.
Наблюдение
Наблюдение – это целенаправленное систематическое восприятие объекта, доставляющее первичный материал для научного исследования. Наблюдение – это метод познания, при котором объект изучают без вмешательства в него. Целенаправленность – важнейшая характеристика наблюдения. Наблюдение характеризуется также систематичностью, которая выражается в восприятии объекта многократно и в разных условиях, планомерностью, исключающий пробелы в наблюдении, и активностью наблюдателя, его способностью к отбору нужной информации, определяемой целью исследования.
Непосредственные наблюдения в истории науки постепенно сменились наблюдениями с помощью все более совершенных приборов – телескопов, микроскопов, фотокамер и т.п. Затем появился еще более опосредованный метод наблюдений. Он позволил не только приближать, увеличивать или запечатлевать изучаемый объект, но и преобразовывать информацию, недоступную нашим органам чувств, в доступную для них форму. В этом случае прибор-посредник играет роль не только "посыльного", но и "переводчика". Так, например, радиолокаторы трансформируют улавливаемые радиолучи в световые импульсы, которые могут видеть и наши глаза.
Как метод научного исследования наблюдение дает исходную информацию об объекте, необходимую для его дальнейшего исследования.
Сравнение и измерение
Важную роль в научных исследованиях играют сравнение и измерение. Сравнение представляет собой метод сопоставления объектов с целью выявления сходства или различия между ними. Сравнение – это операция мышления, посредством которой классифицируется, упорядочивается и оценивается содержание действительности. При сравнении производят попарное сопоставление объектов в целях выявления их отношений, сходственных или отличительных признаков. Сравнение имеет смысл только применительно к совокупности однородных предметов, образующих класс.
Измерение – это нахождение физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Целью измерения является получение информации об исследуемом объекте.
Измерение может проводиться в следующих случаях:
– в чисто познавательных задачах, в которых осуществляется всестороннее изучение объекта, без четкого сформулированных идей по применению получаемых результатов в прикладной деятельности;
– в прикладных задачах, связанных с выявлением определенных свойств объекта, существенных для вполне конкретного применения.
Теорией и практикой измерения занимается метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Для точных наук характерна органическая связь наблюдений и экспериментов с нахождением числовых значений характеристик исследуемых объектов. По образному выражению Д. И. Менделеева, «наука начинается с тех пор, как начинают измерять.
Любое измерение может быть осуществлено в том случае, если имеются следующие элементы: объект измерения , свойство или состояние которого характеризует измеряемая величина ; единица измерения ; способ измерения ; технические средства измерения , проградуированные в выбранных единицах; наблюдатель или регистрирующее устройство , воспринимающее результат.
Различают прямое и косвенное измерения. При первом из них результат получают непосредственно из измерения (например, измерение длины линейкой, массы с помощью гирь). Косвенные измерения базируются на использовании известной зависимости между искомым значением величины и значениями непосредственно измеряемых величин.
К средствам измерений относят измерительный инструмент, измерительные приборы и установки. Измерительные средства делят на образцовые и технические.
Образцовые средства являются эталонами. Они предназначены для проверки для проверки технических, т. е. рабочих средств.
Передача размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам осуществляется государственными и ведомственными метрологическими органами, составляющими отечественную метрологическую службу, их деятельность обеспечивает единство измерений и единообразие средств измерений в стране. Основоположником метрологической службы и метрологии как науки в России был великий русский ученый Д. И. Менделеев, создавший в 1893 г. Главную Палату мер и весов, которой проведена, в частности, большая работа по внедрению метрической системы в стране (1918 – 1927).
Одной из важнейших задач при проведении измерений является установление их точности, т е. определение погрешностей (ошибок). Погрешностью или ошибкой измерения называют отклонение результата измерения физической величины от ее истинного значения.
Если погрешность мала, то ею можно пренебречь. Однако при этом неизбежно возникают два вопроса: во-первых, что понимать под малой погрешностью, и, во-вторых, как оценить величину погрешности.
Ошибка измерения обычно неизвестна, как неизвестно и истинное значение измеряемой величины (исключения составляют измерения известных величин, проведенные со специальной целью исследования ошибок измерения, например для определения точности измерительных приборов). Поэтому одной из основных задач математической обработки результатов эксперимента как раз и является оценка истинного значения измеряемой величины по получаемым результатам.
Рассмотрим классификацию погрешностей измерения.
Различают систематическую и случайную погрешности измерения.
Систематическая погрешность остается постоянной (или закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. К постоянно действующим причинам этой погрешности относятся следующие: недоброкачественные материалы, комплектующие изделия, применяемые для изготовления приборов; неудовлетворительная эксплуатации, неточная градуировка датчика, применение измерительных приборов невысокого класса точности, отклонение теплового режима установки от расчетного (обычно стационарного), нарушение допущений, при которых справедливы расчетные уравнения и т. п. Такие ошибки легко устраняются при отладке измерительной аппаратуры или введением специальных поправок к значению измеряемой величины.
Случайная погрешность изменяется случайным образом при повторных измерениях и обусловлена хаотическим действием множества слабых, и поэтому трудно выявляемых причин. Примером одной из этих причин является считывание показаний со шкалы стрелочного прибора – результат непредсказуемым образом зависит от угла зрения оператора. Оценить случайную погрешность измерения можно лишь методами теории вероятности и математической статистики. Если погрешность в эксперименте существенно превышает ожидаемую, то ее называют грубой ошибкой (промахом), результат измерения в этом случае отбрасывается. Грубые ошибки возникают вследствие нарушения основных условий измерения или в результате недосмотра экспериментатора (например, при плохом освещении вместо 3 записывают 8). При обнаружении грубой ошибки результат измерения следует сразу отбросить, а само измерение повторить (если это возможно). Внешним признаком результата, содержащего грубую ошибку, является его резкое отличие по величине от результатов остальных измерений.
Другой классификацией погрешностей является их разделение на методические и инструментальные погрешности. Методические погрешности обусловлены теоретическими ошибками выбранного метода измерений: отклонением теплового режима установки от расчетного (стационарного), нарушением условий, при которых справедливы расчетные уравнения и т.п. Инструментальные погрешности вызваны неточной градуировкой датчиков, погрешностями измерительных приборов и т.д. Если методические погрешности в тщательно поставленном опыте можно свести к нулю или учесть введением поправок, то инструментальные погрешности устранить в принципе невозможно – замена одного прибора другим, такого же типа, изменяет результат измерений.
Таким образом, наиболее трудно устраняемыми в эксперименте погрешностями являются случайные и систематические инструментальные погрешности.
Если измерения провести многократно в одних и тех же условиях, то результаты отдельных измерений одинаково надежны. Такую совокупность измерений x 1 , x 2 ...x n называют равноточными измерениями.
При многократных (равноточных) измерениях одной и той же величины x случайные погрешности приводят к разбросу получаемых значений x i , которые группируются вблизи истинного значения измеряемой величины Если проанализировать достаточно большую серию равноточных измерений и соответствующих случайных ошибок измерений, то можно выделить четыре свойства случайных ошибок:
1) число положительных ошибок почти равно числу отрицательных;
2) мелкие ошибки встречаются чаще, чем крупные;
3) величина наиболее крупных ошибок не превосходит некоторого определенного предела, зависящего от точности измерения;
4) частное от деления алгебраической суммы всех случайных ошибок на их общее количество близко к нулю, т.е.
На основе перечисленных свойств при учете некоторых допущений математически достаточно строго выводится закон распределения случайных ошибок, описываемый следующей функцией:
Закон распределения случайных ошибок является основным в математической теории погрешностей. Иначе его называют нормальным законом распределения измеряемых данных (распределением Гаусса). Этот закон в виде графика изображен на рис. 2
Рис. 2. Характеристики нормального закона распределения
р(x) – плотность вероятности получения отдельных значений x i (сама вероятность изображается площадью под кривой);
m – математическое ожидание, наиболее вероятное значение измеряемой величины x (соответствующее максимуму графика), стремящееся при бесконечно большом числе измерений к неизвестному истинному значению x; , где n – число измерений. Таким образом, математическое ожидание m определяется как среднее арифметическое от всех значений x i ,
s – среднее квадратическое отклонение измеряемой величины x от значения m; (x i - m) – абсолютное отклонение x i от m,
Площадь под кривой графика в каком-либо интервале значений x представляет собой вероятность получения случайного результата измерения в этом интервале. Для нормального распределения в интервал ±s (относительно m) попадают 0,62 всех проведенных измерений; в более широком интервале ±2s содержатся уже 0,95 всех измерений, а в интервал ±3s укладываются практически все результаты измерений (кроме грубых ошибок).
Среднее квадратическое отклонение s характеризует ширину нормального распределения. Если повысить точность измерения, разброс результатов резко уменьшится за счет уменьшения s (распределение 2 на рис. 4.3 б уже и острее, чем кривая 1).
Конечной целью эксперимента является определение истинной величины x, к которой при наличии случайных погрешностей можно лишь приблизиться, вычисляя математическое ожидание m для все большего числа экспериментов.
Разброс значений математического ожидания m, вычисленных для различного числа измерений n характеризуется величиной s m ; При сравнении с формулой для s видно, что разброс величины m, как средней арифметической, в Ön меньше разброса отдельных измерений x i . Приведенные выражения для s m и s отражают закон возрастания точности при росте числа измерений. Из него следует, что для повышения точности измерений в 2 раза необходимо сделать вместо одного - четыре измерения; чтобы повысить точность в 3 раза, нужно увеличить число измерений в 9 раз и т.д.
Для ограниченного числа измерений значение m все же отличается от истинного значения величины x, поэтому наряду с вычислением m необходимо указать доверительный интервал, в котором с заданной вероятностью находится истинное значение x. Для технических измерений вероятность 0,95 считают достаточной, поэтому доверительный интервал при нормальном распределении составляет ±2s m . Нормальное распределение справедливо для количества измерений n ³ 30.
В реальных условиях технический эксперимент редко проводится более 5 – 7 раз, поэтому недостаток статистической информации должен компенсироваться расширением доверительного интервала. В этом случае при (n < 30) доверительный интервал определяется как ± k s s m , где k s – коэффициент Стьюдента, определяемый по справочным таблицам
С уменьшением числа измерений n коэффициент k s увеличивается, что расширяет доверительный интервал, а при увеличении n значение k s стремится к 2, что соответствует доверительному интервалу нормального распределения ± 2s m .
Конечный результат многократных измерений постоянной величины всегда приводится к виду: m ± k s s m .
Таким образом, для оценки случайных погрешностей необходимо выполнить следующие операции:
1). Записать результаты x 1 , x 2 ...x n многократных измерений n постоянной величины;
2). Вычислить среднее значение из n измерений – математическое ожидание ;
3). Определить погрешности отдельных измерений х i -m;
4). Вычислить квадраты погрешностей отдельных измерений (х i -m) 2 ;
если несколько измерений резко отличаются по своим значениям от остальных измерений, то следует проверить не являются ли они промахом (грубой ошибкой). При исключении одного или нескольких измерений п.п. 1...4 повторить;
5). Определяется величина s m – разброс значений математического ожидания m;
6). Для выбранной вероятности (обычно 0,95) и числа проведенных измерений n определяется по справочной таблице коэффициент Стьюдента k s ;
Значения коэффициента Стьюдента k s в зависимости от числа измерений n для доверительной вероятности 0,95
7). Определяются границы доверительного интервала ± k s s m
8). Записывается окончательный результат m ± k s s m .
Инструментальные погрешности устранить в принципе невозможно. Все средства измерения основаны на определенном методе измерения, точность которого конечна.
Инструментальные погрешности устранить в принципе невозможно. Все средства измерения основаны на определенном методе измерения, точность которого конечна. Погрешность прибора определяется точностью деления шкалы прибора. Так, например, если шкала линейки нанесена через 1 мм, то точность отсчета (половина цены деления 0,5 мм) не изменить, если применить лупу для рассматривания шкалы.
Различают абсолютную и относительную погрешности измерения.
Абсолютная погрешность D измеряемой величины x равна разности измеренного и истинного значений:
D = x - x ист.
Относительная погрешность e измеряется в долях от найденной величины x:
Для простейших средств измерения – измерительных инструментов абсолютная погрешность измерения D равна половине цены деления. Относительная погрешность определяется по формуле.
Эмпирический уровень научного познания строится главным образом на живом созерцании исследуемых объектов, хотя рациональное познание присутствует в качестве обязательной компоненты, непосредственный контакт с объектом познания необходим для достижения эмпирического знания. На эмпирическом уровне исследователь применяет общелогические и общенаучные методы. К общенаучным методам эмпирического уровня относятся: наблюдение, описание, эксперимент, измерение и др. Ознакомимся с отдельными методами.
Наблюдение есть чувственное отражение предметов и явлений внешнего мира. Это исходный метод эмпирического познания, позволяющий получить некоторую первичную информацию об объектах окружающей действительности.
Научное наблюдение отличается от обыденного и характеризуется рядом особенностей:
целенаправленность (фиксация взглядов на поставленной задаче);
планомерность (действие по плану);
активность (привлечение накопленных знаний, технических средств).
По способу проведения наблюдения могут быть:
непосредственные,
опосредованные,
косвенные.
Непосредственные наблюдения - это чувственное отражение тех или иных свойств, сторон исследуемого объекта при помощи только органов чувств. Например, визуальное наблюдение положения планет и звезд на небе. Так делал Тихо Браге в течение 20 лет с непревзойденной для невооруженного глаза точностью. Он создал эмпирическую базу данных для открытия впоследствии Кеплером законов движения планет.
В настоящее время непосредственные наблюдения используются в космических исследованиях с бортов космических станций. Избирательная способность человеческого зрения и логический анализ - это те уникальные свойства метода визуальных наблюдений, которыми не обладает никакой набор аппаратуры. Другой областью применения метода непосредственного наблюдения является метеорология.
Опосредованные наблюдения - исследование объектов с использованием тех или иных технических средств. Появление и развитие таких средств во многом определило то громадное расширение возможностей метода, которое произошло за последние четыре столетия. Если в начале XVII столетия астрономы наблюдали за небесными телами невооруженным взглядом, то с изобретением в 1608 г. оптического телескопа перед исследователями открылся огромный облик Вселенной. Затем появились зеркальные телескопы, а в настоящее время на орбитальных станциях стоят рентгеновские, которые позволяют наблюдать такие объекты Вселенной, как пульсары, квазары. Другим примером опосредованного наблюдения служит изобретенный в XVII веке оптический микроскоп, а в XX веке - электронный.
Косвенные наблюдения - это наблюдение не самих исследуемых объектов, а результатов их воздействий на другие объекты. Особенно используется такое наблюдение в атомной физике. Здесь микрообъекты нельзя наблюдать ни с помощью органов чувств, ни приборов. То, что наблюдают ученые в процессе эмпирических исследований в ядерной физике, - это не сами микрообъекты, а результаты их действий на некоторые технические средства исследования. Например, при изучении свойств заряженных частиц с помощью камеры Вильсона эти частицы воспринимаются исследователем косвенно по их видимым проявлениям - трекам, состоящим из множества капелек жидкости.
Любое наблюдение, хотя и опирается на данные чувств, требует участия теоретического мышления, при помощи которого оформляется в виде определенных научных терминов, графиков, таблиц, рисунков. Кроме того, оно основывается и на определенных теоретических положениях. Это особенно наглядно видно на косвенных наблюдениях, поскольку установить связь между ненаблюдаемым и наблюдаемым явлением позволяет только теория. А. Эйнштейн в этой связи говорил: "Можно ли наблюдать данное явление или нет - зависит от вашей теории. Именно теория должна установить, что можно наблюдать, а что нельзя".
Наблюдения могут нередко играть важную эвристическую роль в научном познании. В процессе наблюдений могут быть открыты совершенно новые явления или данные, позволяющие обосновать ту или иную гипотезу. Научные наблюдения обязательно сопровождаются описанием.
Описание - это фиксация средствами естественного и искусственного языка сведений об объектах, полученных в результате наблюдения. Описание можно рассматривать как завершающий этап наблюдения. С помощью описания чувственная информация переводится на язык понятий, знаков, схем, рисунков, графиков, цифр, принимая тем самым форму, удобную для дальнейшей рациональной обработки (систематизации, классификации, обобщения).
Измерение - это метод, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических устройств.
Введение измерения в естествознание превратило последнее в строгую науку. Оно дополняет качественные методы познания природных явлений количественными. В основе операции измерения лежит сравнение объектов по каким-либо сходным свойствам или сторонам, а также введение определенных единиц измерения.
Единица измерения - это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления. Эталону присваивается числовое значение "1". Существует множество единиц измерения, соответствующее множеству объектов, явлений, их свойств, сторон, связей, которые приходится измерять в процессе научного познания. При этом единицы измерения подразделяются на основные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других единиц с помощью каких-то математических соотношений. Методика построения системы единиц как совокупности основных и производных была впервые предложена в 1832 г. К. Гауссом. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты 3 произвольные, не зависимые друг от друга основные единицы: длина (миллиметр), масса (миллиграмм) и время (секунда). Все остальные определялись при помощи этих трех.
В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенные по принципу Гаусса. Они базировались на метрической системе мер, но отличались друг от друга основными единицами.
Кроме названного подхода в физике появилась так называемая естественная система единиц. Ее основные единицы определялись из законов природы. Например, "естественная" система физических единиц, предложенная Максом Планком. В ее основу были положены "мировые постоянные": скорость света в пустоте, постоянная тяготения, постоянная Больцмана и постоянная Планка. Приравняв их к "1", Планк получил производные единицы длины, массы, времени и температуры.
Вопрос об установлении единообразия в измерении величин был принципиально важным. Отсутствие такого единообразия порождало существенные трудности для научного познания. Так, до 1880 г. включительно не существовало единства в измерении электрических величин. Для сопротивления, например, было 15 названий единиц измерения, 5 единиц названий электрического тока и т.д. Все это затрудняло расчеты, сравнения полученных данных и пр. Только в 1881 г. на первом международном конгрессе по электричеству была принята первая единая система: ампер, вольт, ом.
В настоящее время в естествознании действует преимущественно международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Международная система единиц построена на базе семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан) единиц. С помощью специальной таблицы множителей и приставок можно образовывать кратные и дольные единицы (например, 10-3 = милли - одна тысячная доля от исходной).
Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватывает физические величины механики, термодинамики, электродинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами.
Потребность в единой международной системе единиц измерения в условиях современной научно-технической революции очень велика. Поэтому такие международные организации как ЮНЕСКО и международная организация законодательной метрологии призвали государства, являющиеся членами этих организаций, принять систему СИ и градуировать в ней все измерительные приборы.
Существует несколько видов измерений: статические и динамические, прямые и косвенные.
Первые определяются характером зависимости определяемой величины от времени. Так, при статических измерениях величина, которую мы измеряем, остается постоянной во времени. При динамических измерениях измеряется величина, меняющаяся во времени. В первом случае - это размеры тела, постоянного давления и т.п., во втором случае - это измерение вибраций, пульсирующего давления.
По способу получения результатов различают измерения прямые и косвенные.
В прямых измерениях искомое значение измеряемой величины получается путем непосредственного сравнения ее с эталоном или выдается измерительным прибором.
При косвенном измерении искомую величину определяют на основании известной математической зависимости между этой величиной и другими, получаемыми путем прямых измерений. Косвенные измерения широко используются в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно, или когда прямое измерение дает менее точный результат.
Технические возможности измерительных приборов в значительной степени отражают уровень развития науки. Современные приборы значительно совершеннее тех, которыми ученые пользовались в XIX веке и ранее. Но это не помешало ученым прошлых веков сделать выдающиеся открытия. Например, оценивая измерение скорости света, проведенное американским физиком А. Майкельсоном, С.И. Вавилов писал: "На почве его экспериментальных открытий и измерений выросла теория относительности, развилась и рафинировалась волновая оптика и спектроскопия и окрепла теоретическая астрофизика".
С прогрессом науки продвигается вперед и измерительная техника. Создана даже целая отрасль производства - приборостроение. Хорошо развитое измерительное приборостроение, разнообразие методов и высокие характеристики средств измерения способствуют прогрессу в научных исследованиях. В свою очередь, решение научных проблем открывает нередко новые пути совершенствования самих измерений.
Несмотря на роль наблюдения, описания и измерения в научных исследованиях, у них есть серьезное ограничение - они не предполагают активного вмешательства субъекта познания в естественное протекание процесса. Дальнейший процесс развития науки предполагает преодоление описательной фазы и дополнения рассмотренных методов более активным методом - экспериментом.
Эксперимент (от лат. - проба, опыт) - это метод, когда путем изменения условий, направления или характера данного процесса создаются искусственные возможности изучения объекта в относительно "чистом" виде. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выяснения тех или иных сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов.
Эксперимент включает в себя предыдущие методы эмпирического исследования, т.е. наблюдение и описание, а также еще одну эмпирическую процедуру - измерение. Но к ним не сводится, а имеет свои особенности, отличающие его от других методов.
Во-первых, эксперимент позволяет изучать объект в "очищенном" виде, т.е. устраняя всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования. Например, эксперимент требует специальных помещений, защищенных от электромагнитных воздействий.
Во-вторых, при эксперименте могут создаваться специальные условия, например, температурный режим, давление, электрическое напряжение. В таких искусственных условиях удается обнаружить удивительные, порой неожиданные свойства объектов и тем самым постигать их сущность. Особо следует отметить эксперименты в космосе, где имеются и достигаются условия, невозможные в земных лабораториях.
В-третьих, многократная воспроизводимость эксперимента позволяет получать достоверные результаты.
В-четвертых, изучая процесс, экспериментатор может включать в него все, что считает нужным для получения истинного знания об объекте, например, менять химические агенты воздействия.
Проведение эксперимента предполагает следующие этапы:
выдвижение цели;
постановка вопроса;
наличие исходных теоретических положений;
наличие предположительного результата;
планирование путей ведения эксперимента;
создание экспериментальной установки, обеспечивающей необходимые условия для воздействия на изучаемый объект;
контролируемое видоизменение условий эксперимента;
точная фиксация следствий воздействия;
описание нового явления и его свойств;
10) наличие людей с должной квалификацией.
Научные эксперименты бывают следующих основных видов:
- - измерительные,
- - поисковые,
- - проверочные,
- - контрольные,
- - исследовательские
и другие в зависимости от характера поставленных задач.
В зависимости от того, в какой области проводятся эксперименты, их подразделяют на:
- - фундаментальные эксперименты в области естественных наук;
- - прикладные эксперименты в области естественных наук;
- - промышленный эксперимент;
- - социальный эксперимент;
- - эксперименты в области гуманитарных наук.
Рассмотрим некоторые из видов научного эксперимента.
Исследовательский эксперимент даёт возможность обнаружить у объектов новые, ранее неизвестные свойства. Результатом такого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имеющихся знаний об объекте исследования. Примером могут служить эксперименты, поставленные в лаборатории Э. Резерфорда, в ходе которых обнаружилось странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги. Большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество отклонялось и рассеивалось, а некоторые частицы не просто отклонялись, а отталкивались обратно, как мяч от сетки. Такая экспериментальная картина, согласно расчетам, получалась в том случае, если масса атома сосредотачивается в ядре, занимающем ничтожную часть его объема. Отскакивали обратно альфа-частицы, которые соударялись с ядром. Так исследовательский эксперимент, проведенный Резерфордом и его сотрудниками, привел к обнаружению ядра атома, а тем самым и к рождению ядерной физики.
Проверочный. Этот эксперимент служит для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений. Так, существование целого ряда элементарных частиц (позитрона, нейтрино) было вначале предсказано теоретически, а позднее они были обнаружены экспериментальным путём.
Качественные эксперименты являются поисковыми. Они не предполагают получения количественных соотношений, а позволяют выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление. Например, эксперимент по изучению поведения живой клетки под действием электромагнитного поля. Количественные эксперименты чаще всего следуют за качественным экспериментом. Они направлены на установление точных количественных зависимостей в исследуемом явлении. В качестве примера можно привести историю открытия связи электрических и магнитных явлений. Эту связь обнаружил датский физик Эрстед в процессе проведения чисто качественного эксперимента. Он поместил компас рядом с проводником, по которому пропускал электрический ток, и обнаружил, что стрелка компаса отклонялась от первоначального положения. Вслед за обнародованием Эрстедом своего открытия последовали количественные эксперименты ряда ученых, разработки которых закрепились в названии единицы силы тока.
Близки по своей сути к научным фундаментальным экспериментам прикладные. Прикладные эксперименты ставят своей задачей поиск возможностей практического применения того или иного открытого явления. Г. Герц ставил задачу экспериментальной проверки теоретических положений Максвелла, практическое применение его не интересовало. Поэтому эксперименты Герца, в ходе которых были получены электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, оставались естественнонаучными, носящими фундаментальный характер.
Попов же изначально ставил перед собой задачу практического содержания, и его эксперименты положили начало прикладной науке - радиотехнике. Более того, Герц вообще не верил в возможность практического применения электромагнитных волн, не видел никакой связи между своими экспериментами и нуждами практики. Узнав о попытках практического использования электромагнитных волн, Герц даже написал в Дрезденскую палату коммерции о необходимости запретить эти эксперименты как бесполезные.
Что касается промышленных и социальных экспериментов, а также в области гуманитарных наук, то они появились только в XX столетии. В гуманитарных науках особенно интенсивно развивается экспериментальный метод в таких областях как психология, педагогика, социология. В 20-е годы XX века развиваются социальные эксперименты. Они способствуют внедрению в жизнь новых форм социальной организации и оптимизации управления обществом.
Описание, сравнение, измерение - это исследовательские процедуры, входящие в состав эмпирических методов и являющиеся различными вариантами получения исходной информации об изучаемом объекте в зависимости от способа ее первичного структурирования и языкового выражения.
Действительно, исходные эмпирические данные для их фиксации и дальнейшего использования должны быть представлены в каком-то специальном языке. В зависимости от логико-концептуальной структуры этого языка возможно говорить о различных видах понятий, или терминов. Так, Р. Карнап делит научные понятия на три основные группы: классификационные, сравнительные, количественные. Отталкиваясь от вида используемых терминов, мы можем выделять, соответственно, описание, сравнение, измерение.
Описание. Описание - это получение и репрезентация эмпирических данных в качественных терминах.Как правило, описание опирается на повествователъные, или нарративные, схемы, использующие естественный язык. Отметим, что в определенном смысле изложение в терминах сравнения и в количественных показателях тоже является разновидностью описания. Но мы здесь употребляем термин «описание» в узком смысле - как первичную репрезентацию эмпирического содержания в виде утвердительных фактуальных суждений. Предложения подобного рода, фиксирующие наличие или отсутствие какого-либо признака у данного объекта, в логике называются атрибутивными, а термины, которые выражают те или иные свойства, приписываемые данному объекту, - предикатами.
Понятия, функционирующие как качественные, в общем случае характеризуют изучаемый предмет вполне естественным способом (например, когда мы описываем жидкость как «не имеющую запаха, прозрачную, с осадком на дне сосуда» и т.п.). Но они могут использоваться и более специальным образом, соотнося предмет с определенным классом. Именно так используются таксономические, т.е. проводящие определенную классификацию понятия в зоологии, ботанике, микробиологии. Это означает, что уже на стадии качественного описания происходит концептуальное упорядочение эмпирического материала (его характеризация, группировка, классификация).
В прошлом описательные (или дескриптивные) процедуры играли в науке достаточно важную роль. Многие дисциплины имели раньше сугубо описательный характер. Например, в новоевропейской науке вплоть до XVIII в. ученые-естественники работали в стиле «естественной истории», составляя объемистые описания всевозможных свойств растений, минералов, веществ и т.п., (причем с современной точки зрения часто несколько бессистемно), выстраивая длинные ряды качеств, сходств и отличий предметов между собой.
Сегодня описательная наука в целом потеснена в своих позициях направлениями, ориентированными на математические методы. Однако и сейчас описание как средство репрезентации эмпирических данных не потеряло своего значения. В биологических науках, где именно непосредственное наблюдение и дескриптивное представление материала явились их началом, и сегодня продолжают существенно использовать дескриптивные процедуры в таких дисциплинах, как ботаника и зоология. Важнейшую роль играет описание и в гуманитарных науках: истории, этнографии, социологии и др.; а также в географических и геологических науках.
Разумеется, описание в современной науке приняло несколько другой характер по сравнению с его прежними формами. В современных дескриптивных процедурах большое значение имеют стандарты точности и однозначности описаний. Ведь подлинно научное описание опытных данных должно иметь одно и то же значение для любых ученых, т.е. должно быть универсальным, постоянным по своему содержанию, имеющим интерсубъективную значимость. Это означает, что необходимо стремиться к таким понятиям, смысл которых уточнен и закреплен тем или иным признанным способом. Конечно, описательные процедуры изначально допускают некоторую вероятность неоднозначности и неточности изложения. Например, в зависимости от индивидуального стиля того или иного ученого-геолога описания одних и тех же геологических объектов оказываются порой значительно отличающимися друг от друга. То же происходит и в медицине при первичном обследовании пациента. Однако в целом эти расхождения в реальной научной практике корректируются, приобретая большую степень достоверности. Для этого используются специальные процедуры: сравнение данных из независимых источников информации, стандартизация описаний, уточнение критериев для использования той или иной оценки, контроль со стороны более объективных, инструментальных методов исследования, согласование терминологии и др.
Описание, как и все прочие процедуры, применяемые в научной деятельности, постоянно совершенствуется. Это позволяет ученым и сегодня отводить ему важное место в методологии науки и полноценно использовать его в современном научном познании.
Сравнение. При сравнении эмпирические данные репрезентируются, соответственно, в терминах сравнения. Это означает, что признак, обозначаемый сравнительным термином, может иметь различные степени выраженности, т.е. приписываться какому-то объекту в большей или меньшей степени по сравнению с другим объектом из той же изучаемой совокупности. Например, один предмет может быть теплее, темнее другого; один цвет может казаться испытуемому в психологическом тесте более приятным, чем другой и т.п. Операция сравнения с логической точки зрения репрезентируется суждениями отношения (или релятивными суждениями). Замечательно то, что операция сравнения выполнима и тогда, когда у нас нет четкого определения какого-либо термина, нет точных эталонов для сравнительных процедур. Скажем, мы можем не знать, как выглядит «совершенный» красный цвет, и не уметь его охарактеризовать, но при этом вполне можем сравнивать цвета по степени «удаленности» от предполагаемого эталона, говоря, что один из семейства похожих на красный цвет явно светлее красного, другой - темнее, третий - еще темнее, чем второй и т.п.
При попытке прийти к единому мнению в вопросах, вызывающих трудности, лучше использовать суждения отношения, чем простые атрибутивные предложения. Скажем, при оценке некоторой теории вопрос о ее однозначной характеризации как истинной может вызывать серьезные затруднения, в то время как гораздо легче прийти к единству в сравнительных частных вопросах о том, что эта теория лучше согласуется с данными, чем теория-конкурент, или же что она проще другой, интуитивно правдоподобнее и т.п.
Эти удачные качества релятивных суждений и способствовали тому, что сравнительные процедуры и сравнительные понятия заняли важное место в научной методологии. Значение терминов сравнения заключается еще и в том, что с их помощью удается добиться весьма заметного повышения точности в понятиях там, где методы прямого введения единиц измерения, т.е. перевода на язык математики, не срабатывают в силу специфики данной научной области. Это касается прежде всего гуманитарных наук. В таких областях благодаря использованию терминов сравнения удается построить определенные шкалы с упорядоченной структурой, подобной числовому ряду. И именно потому, что сформулировать суждение отношения оказывается легче, чем дать качественное описание в абсолютной степени, термины сравнения позволяют упорядочить предметную область без введения четкой единицы измерения. Типичным примером такого подхода является шкала Мооса в минералогии. Она используется для определения сравнительной твердости минералов. Согласно этой методике, предложенной в 1811 г. Ф. Моосом, один минерал считается тверже другого, если оставляет на нем царапину; на этой базе вводится условная 10-балльная шкала твердости, в которой твердость талька принимается за 1, твердость алмаза - за 10.
Шкалирование активно применяется и в гуманитарных науках. Так, важную роль оно играет в социологии. Примером распространенных методик шкалирования в социологии могут служить шкалы Терстоуна, Ликерта, Гуттмана, каждая из которых имеет как свои достоинства, так и недостатки. Шкалы могут сами быть классифицированы по их информативным возможностям. Например, С. Стивенс в 1946 г. предложил подобную классификацию для психологии, различая шкалу номинальную
(представляющую собой неупорядоченное множество классов), ранговую
(в которой разновидности признака расположены в восходящем или нисходящем порядке, по степени обладания признаком), пропорциональную
(позволяющую не только выразить отношение «больше - меньше», как ранговая, но и создающую возможности более детального измерения сходств и различий между признаками).
Введение шкалы для оценки тех или иных феноменов, пусть даже и недостаточно совершенной, уже создает возможность упорядочить соответствующую область явлений; введение же более или менее разработанной шкалы оказывается весьма эффективным приемом: ранговая шкала, несмотря на свою простоту, позволяет вычислять т.н. ранговые коэффициенты корреляции, характеризующие выраженность связи между различными явлениями. Кроме того, существует и такой усложненный метод, как использование многомерных шкал, структурирующих информацию сразу по нескольким основаниям и позволяющих более точно охарактеризовать какое-либо интегральное качество.
Для выполнения операции сравнения требуются определенные условия и логические правила. Прежде всего должна существовать известная качественная однородность сравниваемых объектов; эти объекты должны принадлежать к одному и тому же естественно сформированному классу (естественному виду), как, например, в биологии мы сравниваем строение организмов, относящихся к одной таксономической единице.
Далее, сравниваемый материал должен подчиняться определенной логической структуре, которая в достаточной мере может быть описана т.н. отношениями порядка. В логике эти отношения хорошо изучены: предложена аксиоматизация этих отношений с помощью аксиом порядка, описаны разнообразные порядки, например частичная упорядоченность, линейная упорядоченность.
В логике известны и специальные сравнительные приемы, или схемы. К их числу относятся прежде всего традиционные методы изучения взаимосвязи признаков, которые в стандартном курсе логики называются методами выявления причинной связи и зависимости явлений, или методами Бэкона-Милля. Эти методы описывают ряд простых схем исследовательского мышления, которые ученые применяют при выполнении процедур сравнения почти автоматически. Значительную роль при сравнительном исследовании играют и умозаключения по аналогии.
В том случае, когда операция сравнения выходит на первое место, становясь как бы смысловым ядром всего научного поиска, т.е. выступает ведущей процедурой в организации эмпирического материала, говорят о сравнительном методе в той или иной области исследований. Ярким примером этого служат биологические науки. Сравнительный метод сыграл важнейшую роль в становлении таких дисциплин, как сравнительная анатомия, сравнительная физиология, эмбриология, эволюционная биология и др. С помощью процедур сравнения осуществляют качественное и количественное изучение формы и функции, генезиса и эволюции организмов. С помощью сравнительного метода упорядочивается знание о многообразных биологических феноменах, создается возможность выдвижения гипотез и создания обобщающих концепций. Так, на основе общности морфологического строения тех или иных организмов естественным образом выдвигают гипотезу об общности и их происхождения или жизнедеятельности и т.п. Другим примером систематического развертывания сравнительного метода может служить проблема дифференциальной диагностики в медицинских науках, когда именно сравнительный метод становится ведущей стратегией анализа информации о сходных симптомокомплексах. Чтобы детально разобраться в многокомпонентных, динамичных массивах информации, включающих различного рода неопределенности, искажения, многофакторные феномены, применяют сложные алгоритмы сравнения и обработки данных, включая и компьютерные технологии.
Итак, сравнение как исследовательская процедура и форма репрезентации эмпирического материала является важным концептуальным средством, позволяющим добиваться значительного упорядочения предметной области и уточнения понятий, служит эвристическим инструментом для выдвижения гипотез и дальнейшего теоретизирования; оно может приобретать ведущее значение в тех или иных исследовательских ситуациях, выступая в роли сравнительного метода.
Измерение. Измерение - исследовательская процедура, являющаяся более совершенной по сравнению с качественным описанием и сравнением, но только в тех областях, где действительно возможно эффективно использовать математические подходы.
Измерение - это осуществляемый по определенным правилам способ приписывания количественных характеристик изучаемым объектам, их свойствам или отношениям. Сам акт измерения, несмотря на свою кажущуюся простоту, предполагает особую логико-концептуальную структуру. В ней различимы:
1) объект измерения, рассматриваемый как величина, подлежащая измерению;
2) метод измерения, включающий метрическую шкалу с фиксированной единицей измерения, правила измерения, измерительные приборы;
3) субъект, или наблюдатель, который осуществляет измерение;
4) результат измерения, который подлежит дальнейшей интерпретации. Результат процедуры измерения выражается, как и результат сравнения, в суждениях отношения, но в данном случае это отношение является численным, т.е. количественным.
Измерение осуществляется в определенном теоретико-методологическом контексте, включающем и необходимые теоретические предпосылки, и методологические установки, и инструментальное оснащение, и практические навыки. В научной практике измерение далеко не всегда представляет собой относительно простую процедуру; значительно чаще для его проведения требуются сложные, специально подготовленные условия. В современной физике сам процесс измерения обслуживается достаточно серьезными теоретическими конструкциями; они содержат, например, совокупность допущений и теорий об устройстве и действии самой измерительно-экспериментальной установки, о взаимодействии измерительного прибора и изучаемого объекта, о физическом смысле тех или иных величин, полученных в результате измерения. Концептуальный аппарат, поддерживающий процесс измерения, включает также специальные системы аксиом, касающиеся измерительных процедур (аксиомы А.Н. Колмогорова, теория Н. Бурбаки).
Для иллюстрации круга проблем, относящихся к теоретическому обеспечению измерения, можно указать на различие измерительных процедур для величин экстенсивных и интенсивных. Экстенсивные (или аддитивные) величины измеряются с помощью более простых операций. Свойством аддитивных величин является то, что при некотором естественном соединении двух тел значение измеряемой величины полученного объединенного тела будет равняться арифметической сумме величин составляющих тел. К таким величинам относятся, например, длина, масса, время, электрический заряд. Совершенно другой подход требуется для измерения величин интенсивных, или неаддитивных. К таким величинам относятся, например, температура, давление газа. Они характеризуют не свойства единичных объектов, а массовые, статистически фиксируемые параметры коллективных объектов. Для измерения подобных величин требуются особые правила, с помощью которых можно упорядочить область значений интенсивной величины, построить шкалу, выделить на ней фиксированные значения, задать единицу измерения. Так, созданию термометра предшествует совокупность специальных действий по созданию шкалы, пригодной для измерения количественного значения температуры.
Измерения принято делить на прямые и косвенные. При проведении прямого измерения результат достигается непосредственно, из самого процесса измерения. При косвенном же измерении получают значение каких-то других величин, а искомый результат достигается с помощью вычисления на основании определенной математической зависимости между данными величинами. Многие явления, недоступные прямому измерению, такие как объекты микромира, удаленные космические тела, могут быть измерены только косвенным способом.
Объективность измерения. Важнейшей характеристикой измерения является объективность достигаемого им результата. Поэтому нужно четко отличать собственно измерение от других процедур, поставляющих эмпирическим объектам какие-либо численные значения: арифметизации, представляющей собой произвольное количественное упорядочивание объектов (скажем, приписыванием им баллов, каких-либо номеров), шкалирования, или ранжирования, основанного на процедуре сравнения и упорядочивающего предметную область достаточно грубыми средствами, часто в терминах т.н. нечетких множеств. Типичным примером такого ранжирования является система школьных оценок успеваемости, которая, конечно, не является измерением.
Цель измерения - определить численное отношение изучаемой величины к другой, однородной с ней величине (принятой за единицу измерения). Эта цель предполагает обязательное наличие шкалы (как правило, равномерной) и единицы измерения. Результат измерения должен фиксироваться вполне однозначно, быть инвариантным относительно средств измерения (скажем, температура должна быть одинаковой независимо от субъекта, осуществляющего измерение, и от того, каким термометром она измеряется). Если исходная единица измерения выбирается относительно произвольно, в силу некоего соглашения (т.е. конвенционально), то результат измерения должен иметь действительно объективный смысл, выражаться определенным значением в выбранных единицах измерения. Измерение, т.о., содержит как конвенциональные, так и объективные составляющие.
Однако на практике добиться равномерности шкалы и стабильности единицы измерения часто оказывается не таким уж легким делом: так, обычная процедура измерения длины требует наличия жестких и строго прямолинейных измерительных шкал, а также стандартного эталона, не подверженного изменениям; в тех научных областях, где первостепенное значение приобретает максимальная точность измерения, создание таких измерительных инструментов может представить значительные трудности технического и теоретического плана.
Точность измерения. Понятие точности следует отличать от понятия объективности измерения. Конечно, часто эти понятия выступают синонимами. Однако между ними есть и определенное отличие. Объективность - это характеристика смысла измерения как познавательной процедуры. Измерять можно только объективно существующие величины, которые обладают свойством быть инвариантными к средствам и условиям измерения; наличие объективных условий для измерения - это принципиальная возможность создать ситуацию для измерения данной величины. Точность же - это характеристика субъективной стороны процесса измерения, т.е. характеристика нашей возможности зафиксировать значение объективно существующей величины. Поэтому измерение - это процесс, который, как правило, можно бесконечно совершенствовать. Когда имеются объективные условия для измерения, операция измерения становится выполнимой, но она практически никогда не может быть выполненной в совершенной мере, т.е. реально используемый измерительный прибор не может быть идеальным, абсолютно точно воспроизводящим объективную величину. Поэтому исследователь специально формулирует для себя задачу добиться требуемой степени точности, т.е. той степени точности, которая достаточна для решения конкретной задачи и дальше которой в данной исследовательской ситуации повышать точность просто нецелесообразно. Иными словами, объективность измеряемых величин является необходимым условием измерения, точность достигаемых значений - достаточным.
Итак, можно сформулировать соотношение объективности и точности: ученые измеряют объективно существующие величины, но измеряют их лишь с некоторой степенью точности.
Интересно отметить, что само требование точности, предъявляемое в науке к измерениям, возникло относительно поздно - лишь в конце XVI в., оно и было как раз связано со становлением нового, математически ориентированного естествознания. А. Койре обращает внимание на то, что предыдущая практика вполне обходилась без требования точности: так, чертежи машин строились на глазок, приблизительно, а в повседневной жизни не существовало единой системы мер - веса и объемы измерялись различными «местными способами», не существовало постоянного измерения времени. Мир стал меняться, становиться «более точным» лишь с XVII в., и этот импульс во многом шел из науки, в связи с ее возрастающей ролью в жизни общества.
Понятие точности измерения связано с инструментальной стороной измерения, с возможностями измерительных приборов. Измерительным прибором называют средство измерения, предназначенное для получения информации об изучаемой величине; в измерительном приборе измеряемая характеристика тем или иным способом преобразуется в показание, которое фиксируется исследователем. Технические возможности приборов приобретают решающее значение в сложных исследовательских ситуациях. Так, измерительные приборы классифицируются по стабильности показаний, чувствительности, пределам измерений и другим свойствам. Точность прибора зависит от многих параметров, являясь интегральной характеристикой измерительного инструмента. Величина создаваемого прибором отклонения от требуемой степени точности называется погрешностью измерения. Погрешности измерений принято делить на систематические и случайные. Систематическими называют такие, которые имеют постоянное значение во всей серии измерений (либо изменяются по известному закону).
Зная числовое значение систематических погрешностей, их можно учесть и нейтрализовать в последующих измерениях. Случайными же называются погрешности, которые имеют несистематический характер, т.е. вызываются разного рода случайными факторами, мешающими исследователю. Они не могут быть учтены и исключены, как систематические погрешности; однако в обширном массиве измерений с помощью статистических методов все же возможно выявить и учесть наиболее характерные случайные погрешности.
Отметим, что комплекс важных проблем, связанных с точностью и погрешностями измерения, с допустимыми интервалами погрешности, с методами повышения точности, учета ошибок и т.п., решается в специальной прикладной дисциплине - теории измерения. Более общие вопросы, касающиеся методов и правил измерения вообще, разбираются в науке метрологии. В России основоположником метрологии был Д.И. Менделеев. В 1893 г. им была создана Главная палата мер и весов, которая провела большую работу по организации и внедрению метрической системы в нашей стране.
Измерение как цель исследования. Точное измерение той или иной величины может само но себе иметь важнейшее теоретическое значение. В таком случае получение максимально точного значения изучаемой величины само становится целью исследования. В том случае, когда процедура измерения оказывается достаточно сложной, требующей специальных экспериментальных условий, говорят об особом измерительном эксперименте. В истории физики одним из самых известных примеров этого рода является знаменитый эксперимент А. Майкельсона, который на самом деле не был однократным, а представлял собой многолетнюю серию экспериментов но измерению скорости «эфирного ветра», проведенных А. Майкельсоном и его последователями. Зачастую совершенствование измерительной техники, применяемой в экспериментах, приобретает важнейшее самостоятельное значение. Так, А. Майкельсон получил в 1907 г. Нобелевскую премию не за свои экспериментальные данные, а за создание и применение высокоточных оптических измерительных приборов.
Интерпретация результатов измерения. Полученные результаты, как правило, не являются непосредственным завершением научного исследования. Они подлежат дальнейшему осмыслению. Уже в ходе самого измерения исследователь оценивает достигнутую точность результата, его правдоподобие и приемлемость, значение для теоретического контекста, в который включена данная исследовательская программа. Итогом такой интерпретации подчас становится продолжение измерений, причем часто это ведет к дальнейшему совершенствованию измерительной техники, корректировке концептуальных предпосылок. Теоретический компонент играет важную роль в измерительной практике. Примером сложности теоретико-интерпретационного контекста, окружающего сам процесс измерения, является серия опытов по измерению заряда электрона, проводимых Р.Э. Милликеном, с их изощренной интерпретационной работой и возрастающей точностью.
Принцип относительности к средствам наблюдения и измерения. Однако не всегда точность измерения может неограниченно повышаться с совершенствованием измерительных приборов. Существуют ситуации, где достижение точности измерения физической величины ограничено объективно. Этот факт был обнаружен в физике микромира. Он отражен в знаменитом принципе неопределенности В. Гейзенберга, согласно которому при повышении точности измерения скорости движения элементарной частицы растет неопределенность ее пространственной координаты, и наоборот. Результат В. Гейзенберга был осмыслен Н. Бором как важное методологическое положение. Позже известный отечественный физик В.А. Фок обобщил его как «принцип относительности к средствам измерения и наблюдения». Этот принцип на первый взгляд противоречит требованию объективности, согласно которому измерение должно быть инвариантно относительно средств измерения. Однако дело здесь в объективной же ограниченности самой процедуры измерения; например, сами исследовательские средства могут вносить возмущающий эффект в среду, и существуют действительные ситуации, где отвлечься от этого эффекта невозможно. Ярче всего влияние исследовательского прибора на изучаемое явление видно в квантовой физике, но этот же эффект наблюдается и, например, в биологии, когда при попытке изучить биологические процессы исследователь вносит в них необратимую деструктуризацию. Таким образом, измерительные процедуры имеют объективную границу применимости, связанную со спецификой изучаемой предметной области.
Итак, измерение - важнейшая исследовательская процедура. Для проведения измерений требуется специальный теоретико-методологический контекст. Измерение обладает характеристиками объективности и точности. В современной науке часто именно измерение, проведенное с требуемой точностью, служит мощным фактором прироста теоретического знания. Существенную роль в процессе измерения играет теоретическая интерпретация полученных результатов, с помощью которой осмысливаются и совершенствуются и сами измерительные средства, и концептуальное обеспечение измерения. В качестве исследовательской процедуры измерение далеко не универсально в своих возможностях; оно имеет границы, связанные со спецификой самой предметной области.
Наблюдение
Наблюдение - один из методов эмпирического уровня, имеющий общенаучное значение. Исторически наблюдение сыграло важнейшую роль в развитии научного познания, т.к. до становления экспериментального естествознания оно было главным средством получения опытных данных.
Наблюдение - исследовательская ситуация целенаправленного восприятия предметов, явлений и процессов окружающего мира. Существует и наблюдение внутреннего мира психических состояний, или самонаблюдение, применяемое в психологии и называемое интроспекцией.
Наблюдение как метод эмпирического исследования выполняет множество функций в научном познании. Прежде всего наблюдение дает ученому прирост информации, необходимой для постановки проблем, выдвижения гипотез, проверки теорий. Наблюдение сочетается с другими методами исследования: оно может выступать начальным этапом исследований, предшествовать постановке эксперимента, который требуется для более детального анализа каких-либо аспектов изучаемого объекта; оно может, наоборот, осуществляться после экспериментального вмешательства, приобретая важный смысл динамического наблюдения (мониторинга), как, например, в медицине важная роль отводится послеоперационному наблюдению, следующему за проведенной экспериментальной операцией.
Наконец, наблюдение входит в другие исследовательские ситуации как существенная составляющая: наблюдение осуществляется непосредственно в ходе эксперимента, составляет важную часть процесса моделирования на том этапе, когда проводится изучение поведения модели.
Наблюдение – метод эмпирического исследования, заключающийся в преднамеренном и целенаправленном восприятии исследуемого объекта (без вмешательства исследователя в исследуемый процесс).
Структура наблюдения
Наблюдение как исследовательская ситуация включает:
1) субъекта, осуществляющего наблюдение, или наблюдателя;
2) наблюдаемый объект;
3) условия и обстоятельства наблюдения, к которым относят конкретные условия времени и места, технические средства наблюдения и теоретический контекст, поддерживающий данную исследовательскую ситуацию.
Классификация наблюдений
Существуют различные способы классификации видов научного наблюдения. Назовем некоторые основания классификации. Прежде всего различают виды наблюдения:
1) по воспринимаемому объекту - наблюдение прямое (при котором исследователь изучает свойства непосредственно наблюдаемого объекта) и косвенное (при котором воспринимают не сам объект, а эффекты, которые он вызывает в среде или другом объекте. Анализируя эти эффекты, мы получаем информацию об исходном объекте, хотя, строго говоря, сам объект остается ненаблюдаемым. Например, в физике микромира судят об элементарных частицах по следам, которые частицы оставляют во время своего движения, эти следы фиксируются и теоретически интерпретируются);
2) по исследовательским средствам - наблюдение непосредственное (инструментально не оснащенное, осуществляемое непосредственно органами чувств) и опосредованное, или инструментальное (проводимое с помощью технических средств, т.е. особых приборов, часто весьма сложных, требующих специальных знаний и вспомогательного материально-технического оснащения), этот вид наблюдения является сейчас основным в естественных науках;
3) по воздействию на объект - нейтральное (не влияющее на структуру и поведение объекта) и преобразующее (при котором происходит некоторое изменение изучаемого объекта и условий его функционирования; такой вид наблюдения зачастую является промежуточным между собственно наблюдением и экспериментированием);
4) по отношению к общей совокупности изучаемых явлений - сплошное (когда изучаются все единицы исследуемой совокупности) и выборочное (когда обследуется только определенная часть, выборка из совокупности); это деление имеет важное значение в статистике;
5) по временным параметрам - непрерывное и прерывное; при непрерывном (которое также называется в гуманитарных науках нарративным) исследование ведется без перерывов в течение достаточно длительного промежутка времени, оно применяется в основном для изучения трудно-прогнозируемых процессов, например в социальной психологии, этнографии; прерывное имеет различные подвиды: периодическое и непериодическое и пр.
Существуют и иные виды классификации: например, по уровню детальности, по предметному содержанию наблюдаемого и др.
Основные характеристики научного наблюдения
Наблюдение имеет прежде всего активный, целеустремленный характер. Это означает, что наблюдатель не просто регистрирует эмпирические данные, а проявляет исследовательскую инициативу: он ищет те факты, которые его действительно интересуют в связи с теоретическими установками, производит их отбор, дает им первичную интерпретацию.
Далее, научное наблюдение хорошо организовано, в отличие от, скажем, обыденных, повседневных наблюдений: оно направляется теоретическими представлениями об изучаемом объекте, оснащено технически, часто строится по определенному плану, интерпретируется в соответствующем теоретическом контексте.
Техническая оснащенность является одной из важнейших черт современного научного наблюдения. Назначение технических средств наблюдения состоит в том, чтобы не только повысить точность получаемых данных, но и обеспечить саму возможность наблюдать познаваемый объект, т.к. многие предметные области современной науки обязаны своим существованием прежде всего наличию соответствующей технической поддержки.
Результаты научного наблюдения репрезентируются каким-либо специфически научным способом, т.е. в особом языке, использующем термины описания, сравнения или измерения. Иными словами, данные наблюдения сразу структурируются тем или иным образом (как результаты специального описания или же значения шкалы сравнения, или же итоги измерения). При этом данные фиксируются в виде графиков, таблиц, схем и т.п., так проводится первичная систематизация материала, пригодная для дальнейшей теоретизации.
Не существует «чистого» языка наблюдения, совершенно независимого относительно теоретического содержания. Язык, на котором фиксируются результаты наблюдения, сам уже является существенной составляющей того или иного теоретического контекста.
Подробнее речь об этом пойдет чуть ниже.
Итак, к характеристикам научного наблюдения следует отнести его целеустремленность, инициативность, концептуальную и инструментальную организованность.
Отличие наблюдения от эксперимента
Принято считать, что основной характеристикой наблюдения является его невмешательство в изучаемые процессы, в отличие от того активного внедрения в исследуемую область, какое осуществляется при экспериментировании. В целом это утверждение правильно. Однако при более детальном рассмотрении данное положение следует уточнить. Дело в том, что наблюдение тоже является в определенной степени активным.
Выше мы говорили, что, помимо нейтрального, имеет место и преобразующее наблюдение, ведь существуют и такие ситуации, когда без активного вмешательства в изучаемый объект будет невозможно само наблюдение (например, в гистологии без предварительной окраски и рассечения живой ткани будет просто нечего наблюдать).
Но вмешательство исследователя при наблюдении направлено на то, чтобы добиться оптимальных условий для самого же наблюдения. Задача наблюдателя - получить совокупность первичных данных об объекте; разумеется, в этой совокупности уже видны некоторые зависимости групп данных друг от друга, определенные регулярности и закономерности. Поэтому эта исходная совокупность подлежит дальнейшему изучению (и некоторые предварительные догадки и предположения возникают уже в ходе самого наблюдения). Однако исследователь не изменяет саму структуру этих данных, не вмешивается в регистрируемые им отношения между феноменами. Скажем, если явления А и В сопутствуют друг другу во всей серии наблюдений, то исследователь лишь фиксирует их сос
Наблюдение - это целенаправленное восприятие объекта, обусловленное задачей деятельности. Основное условие научного наблюдения - объективность, т.е. возможность контроля путем либо повторного наблюдения, либо применения других методов исследования (например, эксперимента) . Это наиболее элементарный метод, один из множества других эмпирических методов.
Сравнение - это соотношение между двумя целыми числами а и b, означающие, что разность (а - b) этих чисел делится на заданное целое число т, называемое модулем С; пишется а = b (mod, т) .
В исследовании сравнением называется установление сходства и различия предметов и явлений действительности. В результате сравнения устанавливается то общее, что присуще двум или нескольким объектам, а выявление общего, повторяющегося в явлениях, как известно, есть ступень на пути к познанию закона.
Для того чтобы сравнение было плодотворным, оно должно удовлетворять двум основным требованиям.
1. Сравниваться должны лишь такие явления, между которыми может существовать определенная объективная общность. Нельзя сравнивать заведомо несравнимые вещи, - это ничего не дает. В лучшем случае здесь можно только к поверхностным и потому бесплодным аналогиям.
2. Сравнение должно осуществляться по наиболее важным признакам Сравнение по несущественным признакам может легко привести к заблу^ дению.
Так, формально сравнивая работу предприятий, выпускающих один и тот же вид продукции, можно найти в их деятельности много общего. Если при этом будет упущено сравнение по таким важнейшим параметрам, как уровень производства, себестоимость продукции, различные условия, в которых функционируют сравниваемые предприятия, то легко прийти т методологической ошибке, ведущей к односторонним выводам. Если же учесть эти параметры, то станет ясным, в чем причина и где кроются действительные истоки методологической ошибки. Такое сравнение уже даст истинное, соответствующее реальному положению дел представление о рассматриваемых явлениях.
Различные интересующие исследователя объекты могут сравниваться непосредственно или опосредованно - через сравнение их с каким-либо третьим объектом. В первом случае обычно получают качественные результаты (больше - меньше; светлее - темнее; выше - ниже и т.д.). Однако уже при таком сравнении можно получить простейшие количественные характеристики, выражающие в числовой форме количественные различия между объектами (больше в 2 раза, выше в 3 раза и т.п.).
Когда же объекты сравниваются с каким-либо третьим объектом, выступающим в качестве эталона, количественные характеристики приобретают особую ценность, поскольку они описывают объекты безотносительно друг к другу, дают более глубокое и подробное знание о них (например, знать, что один автомобиль весит 1 т, а другой - 5 т, - это значит знать о них значительно больше того, что заключено в предложении: "первый автомобиль легче второго в 5 раз". Такое сравнение называется измерением. Оно будет подробно рассмотрено ниже.
С помощью сравнения информация об объекте может быть получена двумя различными путями.
Во-первых, она очень часто выступает в качестве непосредственного результата сравнения. Например, установление каких-либо соотношений между объектами, обнаружение различия или сходства между ними есть информация, получаемая непосредственно при сравнении. Эту информацию можно назвать первичной.
Во-вторых, очень часто получение первичной информации не выступает в качестве главной цели сравнения, этой целью является получение вторичной или производной информации, являющейся результатом обработки первичных данных. Наиболее распространенным и наиболее важным способом такой обработки является умозаключение по аналогии. Это умозаключение было обнаружено и исследовано (под названием "парадейгма") еше Аристотелем.
Сущность его сводится к следующему: если из двух объектов в результате сравнения обнаружено несколько одинаковых признаков, но у одного из них найден дополнительно еще какой-то признак, то предполагается, что этот признак должен быть присущ также и другому объекту. Коротко ход умозаключения по аналогии можно представить следующим образом:
А имеет признаки Х1, Х2, Х3, ..., Хп, Хп+ ,.
Б имеет признаки Х1, Х2, Х3, ..., Хп.
Вывод: "Вероятно, Б имеет признак Хп +1". Вывод на основе аналогии носит вероятностный характер, он может привести не только к истине, но и к заблуждению. Для того чтобы увеличить вероятность получения истинного знания об объекте, нужно иметь в виду следующее:
¨ умозаключение по аналогии дает тем более истинное значение, чем больше сходных признаков мы обнаружим у сравниваемых объектов;
¨ истинность вывода по аналогии находится в прямой зависимости от существенности сходных черт объектов, даже большое количество сходных, но не существенных признаков, может привести к ложному выводу;
¨ чем глубже взаимосвязь обнаруженных у объекта признаков, тем выше вероятность ложного вывода;
¨ общее сходство двух объектов не является основанием для умозаключения по аналогии, если у того из них, относительно которого делается вывод, есть признак, несовместимый с переносимым признаком. Иначе говоря, для получения истинного вывода надо учитывать не только характер сходства, но и характер различия объектов.
Измерение - совокупность действий, выполняемых при помощи средств измерений с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения. Различают прямые измерения (например, измерение длины проградуированной линейкой) и косвенные измерения, основанные на известной зависимости между искомой величиной и непоссредственно измеряемыми величинами .
Измерение предполагает наличие следующих основных элементов:
объекта измерения;
единицы измерения, т.е. эталонного объекта;
измерительного прибора (приборов);
метода измерения;
наблюдателя (исследователя).
При прямом измерении результат получается непосредственно из самого процесса измерения (например, в спортивных соревнованиях измерение длины прыжка при помощи рулетки, измерение длины ковровых покрытий в магазине и т.п.).
При косвенном измерении искомая величина определяется математическим путем на основе знания других величин, полученных прямым измерением. Например, зная размер и вес строительного кирпича, можно измерить удельное давление (при соответствующих расчетах), которое должен выдержать кирпич при строительстве многоэтажных домов.
Ценность измерений видна уже хотя бы из того, что они дают точные, количественно определенные сведения об окружающей действительности. В результате измерений могут быть установлены такие факты, сделаны такие эмпирические открытия, которые приводят к коренной ломке устоявшихся в науке представлений. Это касается в первую очередь уникальных, выдающихся измерений, представляющих собой очень важные вехи в истории науки. Подобную роль сыграли в развитии физики, например, знаменитые измерения А. Майкельсоном скорости света.
Важнейшим показателем качества измерения, его научной ценности является точность. Именно высокая точность измерений Т. Браге, помноженная на необыкновенное трудолюбие И. Кеплера (свои вычисления он повторил 70 раз), позволила установить точные законы движения планет. Практика показывает, что главными путями повышения точности измерений нужно считать:
совершенствование качества измерительных приборов, действующих на основе некоторых утвердившихся принципов;
создание приборов, действующих на основе новейших научных открытий. Например, сейчас время измеряется при помощи молекулярных генераторов с точностью до 11-го знака.
В числе эмпирических методов исследования измерение занимает при^ мерно такое же место, как наблюдение и сравнение. Оно представляет собой сравнительно элементарный метод, одну из составных частей эксперимента -наиболее сложного и значимого метода эмпирического исследования.
Эксперимент - исследование каких-либо явлений путем активного воздействия на них при помощи создания новых условий, соответствующих целям исследования, или же через изменение течения процесса в нужном направлении Это наиболее сложный и эффективный метод эмпирического исследования Он предполагает использование наиболее простых эмпирических методов - наблюдения, сравнения и измерения. Однако сущность его не в особой сложности, "синтетичности", а в целенаправленном, преднамеренном преобразовании исследуемых явлений, во вмешательстве экспериментатора в соответствии с его целями в течение естественных процессов.
Следует отметить, что утверждение экспериментального метода в науке - это длительный процесс, протекавший в острой борьбе передовых ученых Нового времени против античного умозрения и средневековой схоластики. (Например, английский философ-материалист Ф. Бэкон одним из первых выступил против эксперимента в науке, хотя ратовал за опыт.)
Основателем экспериментальной науки по праву считается Галилео Галилей (1564-1642), считавший основой познания опыт. Его некоторые исследования - основа современной механики: он установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, сложения движений, открыл изохронность колебания маятника. Он сам построил телескоп с 32-кратным увеличением и открыл горы на Луне, четыре спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. В 1657 г., после его смерти, возникла Флорентийская академия опыта, работавшая по его предначертаниям и ставившая своей целью проведение прежде всего экспериментальных исследований. Научный и технический прогресс требует все более широкого применения эксперимента. Что же касается современной науки, то без эксперимента ее развитие просто немыслимо. В настоящее время экспериментальное исследование стало настолько важным, что рассматривается как одна из основных форм практической деятельности исследователей.
Преимущества эксперимента по сравнению с наблюдением
1. В ходе эксперимента становится возможным изучение того или иного явления в "чистом" виде. Это означает, что всякого рода "юбочные" факторы, затемняющие основной процесс, могут быть устранены, и исследователь получает точное знание именно об интересующем нас явлении.
2. Эксперимент позволяет исследовать свойства объектов действитедь ности в экстремальных условиях:
при сверхнизких и сверхвысоких температурах;
при высочайших давлениях:
при огромных напряженностях электрических и магнитных полей и т п
Работа в этих условиях может привести к обнаружению самых неожиданных и удивительных свойств у обыкновенных вещей и тем самым позволяет значительно глубже проникнуть в их сущность. Примером такого рода "странных" явлений, открытых в экстремальных условиях, касающихся области управления, может служить сверхпроводимость.
3. Важнейшее достоинство эксперимента - его повторяемость. В процессе эксперимента необходимые наблюдения, сравнения и измерения могут быть проведены, как правило, столько раз, сколько нужно для получения достоверных данных. Эта особенность экспериментального метода делает его весьма ценным при исследовании.
Наиболее подробно все достоинства эксперимента будут рассмотрены ниже, при изложении некоторых специфических видов эксперимента.
Ситуации, требующие экспериментального исследования
1. Ситуация, когда необходимо обнаружить у объекта неизвестные ранее свойства. Результатом такого эксперимента являются утверждения, не вытекающие из имевшегося знания об объекте.
Классический пример - опыт Э. Резерфорда по рассеянию Х-частиц, в результате которого была установлена планетарная структура атома. Подобные эксперименты называются исследовательскими.
2. Ситуация, когда необходимо проверить правильность тех или иных утверждений или теоретических построений.
Мониторинг - систематический сбор и обработка информации, которая может быть использована для улучшения процесса принятия решения, а также, косвенно, для информирования общественности или прямо как инструмент обратной связи в целях осуществления проектов, оценки программ или выработки политики. Он несёт одну или более из трёх организационных функций:
· выявляет состояние критических или находящихся в состоянии изменения явлений окружающей среды, в отношении которых будет выработан курс действий на будущее;
· устанавливает отношения со своим окружением, обеспечивая обратную связь, в отношении предыдущих удач и неудач определенной политики или программ;
· устанавливает соответствия правилам и контрактным обязательствам.