Теоретические и экспериментальные исследования. Виды экспериментальных исследований.

Теоретические исследования являются обязательной составной частью любой диссертации. Объем и глубина исследований по этому важному разделу определяется с учетом соответствующей научной специальности, а также возможностей самого соискателя и его способностей. Теоретические исследования основываются на аксиомах, законах, принципах, постулатах и теоремах, т.е. на логических построениях, которые сформулированы в результате развития науки и образования на протяжении истории человечества. Их значимость состоит в том, что они исключают необходимость в повторении ранее пройденных человечеством этапов по накоплению опыта и нового получения данных тех экспериментальных исследований, которые послужили основанием для установления вышеперечисленных логических построений, если им подчиняются исследуемые объекты.

Основной целью теоретических исследований является решение следующих задач:

1. изучение физической природы исследуемых объектов, явлений и процессов;

2. построение принципиальных моделей этих объектов исследований в целом или по отдельным характеристикам;

3. сравнение возможных эквивалентных моделей исследуемому объекту;

4. построение расчетных моделей функционирования объекта;

5. решение задач анализа, синтеза и оптимизации параметров исследуемых объектов.

При проведении теоретического исследования используются как общелогические методы познания, так и специальные. Из общелогических определим следующие:

1. сравнение – сопоставление однородных по существенным для данного рассмотрения признакам объекта (качественным и количественным);

2. анализ – мысленное или физическое расчленение целостного объекта на составляющие элементы (признаки, свойства, отношения) и исследование этих частей независимо от целого;

3. синтез – мысленное или физическое соединение отдельных составляющих элементов (признаков, свойств, отношений) объекта в единое целое с учетом знания, полученного при независимом изучении составляющих элементов;

4. абстрагирование – мысленное отвлечение от ряда признаков (свойств) объекта при одновременном выделении других признаков (свойств), представляющих интерес для исследователя при решении конкретной задачи;

5. аналогия – предположение о сходстве объектов в каких-то свойствах на основании выявленного сходства в других свойствах;

6. обобщение – установление признаков и свойств общих для некоей группы объектов;

7. индукция – выработка общего вывода на основе частных посылок;

8. дедукция – выведение заключений частного характера на основе общих посылок;

9. моделирование – создание и изучение модели, замещающей исследуемый объект, с последующим переносом полученной информации на оригинал.

Из методов, имеющих распространение при теоретическом исследовании, являются методы, основанные:

1. мысленный эксперимент – на комбинации образов, материальная реализация которых невозможна;

2. идеализация – на формировании мысленного представления об объекте путем исключения условия, необходимого для его реального существования;

3. формализация – на создании обобщенной знаковой модели, позволяющей путем операций со знаками представлять структуру объекта и закономерности протекающих процессов;

4. аксиоматический метод – на принимаемых в качестве истинных принимаемых без доказательства положений, из которых на основании формально-логических доказательств выводятся все остальные;

5. гипотетико-дедуктивный метод – на создании системы взаимосвязанных гипотез, из которых дедуктивным методом выводятся утверждения, непосредственно сопоставляемые с опытными данными;

6. математическая гипотеза – на экстраполяции определенной математической структуры с изученной области явлений на неизученную;

7. восхождение от абстрактного к конкретному – на выявлении исходной абстракции, воспроизводящей основное противоречие изучаемого объекта, в процессе теоретического разрешения которого выявляются более конкретные противоречия, вобравшие в себя более обширный эмпирический материал.

Экспериментальные исследования:

Эффективность исследований в целом повышается, если теоретические предпосылки уточняются опытным путем, а экспериментальные данные анализируются и обобщаются на базе теоретических положений соответствующих отраслей наук.

Эксперимент - это метод исследования, состоящий в целенаправленном воздействии на объект в заданных контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом его проведения с точным фиксированием значений заранее намеченных параметров исследуемого объекта с требуемой надежностью и точностью и воссоздать его каждый раз по мере необходимости при повторении тех же условий его проведения. При этом как условия, так и параметры исследуемого объекта (параметры рабочих органов машин и оборудования, отдельных операций технологических процессов, характеристики явлений и т.д.) могут меняться в заранее заданных интервалах варьирования.

При проведении эксперимента исследователь прибегает к другим (более простым) методам эмпирического исследования:

1. наблюдению, основанному на целенаправленном восприятии явлений (причем исследователю на основе имеющихся у него знаний известно, что и как наблюдать);

2. описанию, основанному на фиксации сведений, полученных на основе наблюдения;

3. измерению, заключающемуся в сравнении объектов по каким-либо сходным свойствам, признакам с эталоном и установлении количественных характеристик.

Основной задачей любого эксперимента является не только получение неизвестных ранее сведений об объекте исследования, но и достоверное установление закономерностей его поведения в изменяющихся условиях, совпадающих с условиями его функционирования в природе, технике, общественной жизни и т.д. С помощью эксперимента могут быть получены данные, обработка которых позволит получить математические модели, достоверно описывающие изучаемый объект, вскрыть закономерности его поведения в изменяющихся условиях, т.е. решить задачу идентификации.

В зависимости от особенностей объекта и поставленных целей экспериментальные исследования могут проводится в различных условиях. При этом различают лабораторные, лабораторно-полевые, заводские и т.д.

Для получения надежных и достоверных результатов экспериментальных исследований необходимо осуществить:

1. анализ характеристик исследуемого объекта во всем многообразии свойств, предусмотренных целью проведения диссертационного исследования, на основе имеющихся сведений, полученных другими исследователями и опубликованных в источниках информации;

2. разработку программы экспериментальных исследований;

3. обоснование выбора количественных параметров (критериев или измеряемых величин) оценки свойств объекта, выбрать их размерности и способы измерения в ходе эксперимента;

4. определение всех факторов, влияющих на выбранные на основе поисковых исследований (если в этом есть необходимость) для наблюдения параметры рассматриваемого объекта в условиях протекания изучаемых явлений и процессов;

5. рассмотрение причинно-следственных связей между параметрами оценки свойств объекта и выявленными факторами;

6. ранжирование факторов по степени их влияния на параметры (критерии) оценки свойств объекта и выделение из них основных (доминирующих);

7. определение рациональных интервалов варьирования выделенных факторов для установления соответствующих закономерностей, предусмотренных программой исследований по диссертации;

8. фиксирование остальных факторов на определенных (возможно, лучших) уровнях варьирования;

9. разработка конструктивно-технологических схем опытно-экспериментальных установок или стендов, обеспечивающих реализацию намеченной программы исследований;

10. изучение возможностей моделирования объекта;

11. подбор соответствующей существующей или разработка новой измерительной аппаратуры, фиксирующей во время проведения экспериментов измеряемые величины через исполнительные органы (датчики, усилители, компьютеры и т.д.);

12. разработка методики тарировки выбранных средств измерения, их установки для надежного измерения или регистрации контролируемых величин;

13. разработка методики обработки первичной документации, в том числе журналов наблюдений, протоколов или актов исследований, с обеспечением требований надежности, точности и достоверности результатов эксперимента.

Как правило, ответ на эти вопросы должен быть оформлен в виде отдельной главы диссертации, которую в соответствии с Инструкцией по оформлению диссертаций и автореферата, принято называть «Описание экспериментальной части, применяемого оборудования и техники эксперимента». Практически все диссертации прикладного значения имеют этот раздел.

Результаты экспериментальных наблюдений излагаются в виде отдельной главы (или нескольких глав, если в цели диссертации входила постановка обобщение нескольких разрозненных групп экспериментов). Анализ (обсуждение) и обобщение результатов эксперимента можно описывать как в этой же главе (главах), так и в отдельных главах. Состав, объем и содержание отдельных разделов и подразделов этих глав является авторским решением. Эта глава (главы) должна в полной мере раскрыть цель и задачи экспериментальных исследований, предусмотренные первоначальной программой.

В ходе обработки результатов эксперимента устанавливаются закономерности исследуемых явлений и процессов, происходящих с участием изучаемого объекта, которые позволяют получить достоверный ответ на интересующие исследователя задачи и вопросы. Для иллюстрации установленных закономерностей принято использовать таблицы, диаграммы, графики, математические модели и др.

 Этапы экспериментального исследования, план-программа эксперимента.

Экспериментальное исследование является в развитых дисциплинах обычно достаточно длительным процессом, в котором можно выделить несколько этапов.

1. Разработка программы эксперимента. Разумеется, эксперимен­тальное исследование должно выполняться только тогда, когда в этом есть необходимость, т.е. существует научная задача (или совокупность задач), решение которой может быть получено именно эксперименталь­ным методом. Поэтому на начальном этапе исследователь должен осо­знать и чётко сформулировать свою задачу. Как правило, это происходит в виде выдвижения рабочей гипотезы, после чего исследователь, ориен­тируясь на имеющиеся знания и материально-технические возможности, разрабатывает адекватную этой гипотезе программу эксперимента (экспе­риментов); в ходе экспериментов должны быть получены данные, подкреп­ляющие исходную гипотезу либо опровергающие её.

Круг работ, принадлежащих к этой стадии, достаточно обширен. Ис­следователю необходимо продумать цель, смысл, структуру эксперимен­тов, условия их проведения, подобрать адекватный объект исследования, учитывая и этическую сторону (в медико-биологических и гуманитарных науках), необходимые приборы и материалы. Особое значение имеет раз­работка адекватной методики. Методика исследования — это упорядо­ченная совокупность предписаний, необходимая и достаточная для дос­тижения цели исследования. Итогом подготовительной деятельности экспериментатора должна явиться программа эксперимента, в которой указаны все компоненты, требующиеся для проведения эксперименталь­ного исследования, описаны объем экспериментальных работ, материаль­но-техническое обеспечение, детально изложена методика, а также рас­считаны сроки выполнения. Важнейшим методологическим требованием к плану эксперимента является его реализуемость. Это означает, что ко­личество задач не должно быть слишком большим; проект должен обла­дать прозрачной логической структурой, отличаться максимальной простотой, наглядностью, удобством в применении. На стадии разработ­ки программы нет мелочей, все должно быть тщательно продумано и упоря­дочено.

 

План эксперимента — это определённая логическая схема, выбранная для достижения исследовательских целей. В англоязычной литературе также употребляется термин «дизайн» (design) эксперимента. Следует от­метить, что современная научная методология обеспечивает серьёзную концептуальную поддержку стадии планирования эксперимента. Так, су­ществует специальная прикладная математическая дисциплина — мате­матическая теория эксперимента. Среди массы источников, посвящён­ных этой теме, достаточно указать на работы В.В. Налимова, известного также своими философскими сочинениями. Математическая теория экспе­римента разрабатывает условия оптимального планирования исследова­ний. Она содержит ряд концепций последовательного эксперимента, мно­гофакторного эксперимента (вкратце описанного выше), рандомизации, оптимального использования факторного пространства и др. Эти теории совершенствуют стратегию исследователя, способствуют успешному до­стижению целей. Для иллюстрации назовём концепцию последователь­ного эксперимента, её предложил в 1943 г. А. Вальд. Это пошаговая страте­гия, главной идеей которой является деление исследовательской задачи на последовательные этапы; при выполнении этой стратегии каждый после­дующий шаг исследования зависит от результатов анализа предыдущего шага.

Для нужд исследователей сейчас имеются специальные каталоги пла­нов эксперимента, в которых приводятся сравнительные оценки различ­ных экспериментальных дизайнов и даются рекомендации по их выбору в соответствии с конкретными условиями исследований. Но в любой ситуа­ции, использует ли исследователь готовые схемы экспериментов или сталкивается с каким-то особым случаем, требующим от него самостоя­тельного планирования, ведущим принципом на стадии разработки про­граммы опытов остаётся прекрасное правило французского физиолога и патолога Клода Бернара (1813-1878): «Нужно заботиться не столько об увеличении числа экспериментов, сколько о том, чтобы свести их к небольшому количеству решающих опытов».

2. Проведение экспериментального исследования. Непосредственное проведение исследований является для экспериментатора наиболее на­пряжённым, динамичным этапом работы, требующим от учёного инициа­тивности, быстроты реакции и внимания. Будучи включённым в режим экспериментирования, исследователь должен следить за поддержанием стандартных условий эксперимента, систематически регистрировать, оценивать, осмысливать происходящие события и их характеристики ‒ их частоту, интенсивность, какие-либо количественные параметры и т.п.; оказывать, если это возможно, направленное воздействие на изучаемый объект, управляя независимыми переменными, варьируя и дозируя их. Разумеется, экспериментатор опирается на имеющийся у него план, но использует его с известной долей инициативы, т.к. вполне возможны не­ожиданные изменения ситуации.

Важную роль в ходе этой стадии работы имеет, как известно, составле­ние и ведение протокола исследования (лабораторного журнала). В протоколе фиксируется информация о ходе эксперимента, действиях экспери­ментатора, состоянии изучаемого объекта. Протокол является научной ос­новой для последующего анализа и обобщения результатов, а также не только фактическим, но даже юридическим доказательством правомерно­сти сделанных исследователем выводов (есть случаи, когда для присужде­ния учёной степени комиссии требовалась проверка фактических данных по первичным документам исследования). Поэтому к записям протокола приложимо требование точности и подробности: исследовательский про­токол должен быть изначально ориентирован на достижение интерсубъек­тивной значимости полученных результатов.

Вообще в работе экспериментатора как на предварительной стадии, так и в ходе проведения исследования должно быть внимательное отно­шение к деталям. Наблюдательность, точность, аккуратность, даже некоторая педантичность — важнейшие добродетели экспериментато­ра; эти качества отличают профессионала от дилетанта. И, конечно, для занятий экспериментальной наукой требуется особый талант экспери­ментатора. В экспериментальной науке, как, впрочем, и во всех других видах научной деятельности, многое зависит от личности исследовате­ля, ярко видна роль субъекта как непосредственного автора научной работы.

Не следует забывать и о том, что в ходе реализации программы экспе­римента исследователь не перестаёт мыслить теоретически. Уже на ста­дии проведения экспериментального исследования учёный осуществляет первичную обработку получаемых им результатов, даёт им оценку и ре­шает вопрос о дальнейшем ходе эксперимента. Предварительная обработ­ка данных позволяет исследователю адекватно откликаться на изменения си­туации, варьировать нужные параметры, активно управлять процессом. Уже на этой стадии учёный может столкнуться с данными, имеющими принци­пиальное теоретическое значение, поэтому уже здесь эксперимент не­посредственно встречается с теоретизированием.

3. Анализ и обобщение результатов эксперимента. Эта стадия завер­шает экспериментальное исследование. Здесь исследователь проводит общий анализ достигнутых результатов. В ходе непосредственной экспе­риментальной работы часто трудно бывает уяснить суть происходящего, увидеть ее за сочетанием факторов и изменением переменных, а ведь для науки важны не эмпирические данные сами по себе, в чистом виде, а стоя­щие за ними смыслы, их теоретическая ценность. Именно осмысление проведённого исследования, т.е. содержательная интерпретация пер­вичного материала, и составляет задачу третьей стадии. Прежде всего, ис­следователь оценивает сами полученные данные — насколько они отвеча­ют статистическим требованиям, не содержат ли они систематические ошибки и артефакты (искусственно произведённые лабораторные эффек­ты, не имеющие объективного значения). Далее исследователь производит сопоставление исходной гипотезы с полученными данными. В случае рас­хождения приходится решать вопрос либо о необходимости скорректиро­вать исходные теоретические положения, либо о достоверности эксперимен­тального исследования. Таким образом, исследователь принимает решение о дальнейшей экспериментальной деятельности: считать ли основную часть, работы завершённой, а цель эксперимента — достигнутой, или провести до­полнительный сбор информации и перейти к планированию новой серии исследований, а работу считать неудачной и требующей повторного выпол­нения и т.п.

На этой стадии изучаемый объект как бы восстанавливается во всей полноте связей тех его отдельных сторон, которые были искусственно вы­членены и разделены в эксперименте. Исследователь должен обобщить по­лученные данные и сформулировать выводы, которые станут основой для последующих исследований.

Следует отметить, что, хотя в нашем предыдущем изложении экспери­ментальное исследование было упрощённо представлено как линейная последовательность этапов, в реальности соотношение этих стадий меж­ду собой более сложное. Стадии экспериментального исследования не только логически связаны между собой, но и хронологически пересека­ются в реальной научной практике, часто плавно переходя один в другой, так что провести строгое разграничение этапов не всегда представляется возможным. Например, не такой уж редкой является та ситуация, когда учёный в ходе самого исследования, оказывается, вынужден менять его план и цели, т.е. возникает потребность пересмотреть стадию планирова­ния эксперимента. В целом экспериментальное исследование протекает скорее циклически:

Разработка программы → Проведениеисследований → Анализрезультатов → Дальнейшая разработка программы →...

Возможны и другие структурные соотношения, этапов, например те или иные группы экспериментов могут соединяться в определённые бло­ки, выполняться параллельно, иерархически организованно, с определён­ными интервалами и т.п.

Таким образом, в научной практике экспериментальное исследование представляет собой, как правило, не изолированный единичный эксперимент, а некоторую систему взаимосвязанных экспериментальных работ, объединённую общим замыслом и соотнесённую с определённым теоретическим контекстом.

Программа эксперимента – это представленная в форме текстов, схем, графиков модель экспериментальной работы, имеющая целью получение нового знания. Такая программа определяет:

1) темы эксперимента и основания ее выбора;

2) объект исследования;

3) предмет исследования;

4) цель и задачи эксперимента;

5) гипотезу, подлежащую проверке;

6) методы и методики исследования;

7) этапы проведения эксперимента;

8) план-график проведения эксперимента;

9) состав участников эксперимента и распределение функциональных обязанностей между ними;

10) ожидаемые результаты и методы их оценки;

11) форму представления результатов эксперимента.

Программа эксперимента как модель исследовательской работы должна соответствовать определенным требованиям. Со временем эти требования могут как-то измениться, но они отражают опыт экспериментирования, накопленный за многие годы.

Первое требование – актуальность темы экспериментальной работы. Так же как и в случае внедрения новшества, эксперимент актуален, если он направлен на решение значимой для школы проблемы. Но в случае исследования этого недостаточно, проблема должна быть актуальной для школьного образования вообще.

Второе требование – определенность и конкретность цели исследования. Цель должна соответствовать теме исследования и быть конкретизированной настолько, чтобы была принципиальная возможность оценить достигнута она или нет.

Третье требование – научная обоснованность гипотезы исследования и ее верифицируемость (проверяемость). Выдвижение гипотезы есть высказывание предположения. Поэтому нужно обоснованно отвечать на вопрос: почему предполагается увидеть в эксперименте именно это. Эксперимент имеет смысл, если гипотеза проверяема и не в принципе, а в конкретных условиях.

Четвертое требование – валидность эксперимента.

Пятое требование – надежность методики эксперимента.

Шестое требование – определенность логической последовательности действий и сроков проведения эксперимента.

Седьмое требование – ресурсная обеспеченность эксперимента.

Восьмое требование – контролируемость хода и результатов эксперимента.

Девятое требование – определенность процедуры обработки и анализа исходных данных эксперимента, ее соответствие цели и условиям исследования.