Эмпирические методы исследования

К методам эмпирического исследования в науке и технике относятся, наряду с некоторыми другими, наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент.

Наблюдение. Под наблюдением понимается систематическое и целенаправленное восприятие интересующего нас объекта: вещи, явления, свойства, состояния чего-либо. Это наиболее простой метод, выступающий, как правило, в составе других эмпирических методов, хотя в ряде наук также и самостоятельно или в роли главного, как в наблюдении погоды, в наблюдательной астрономии и т. п. Изобретение телескопа позволило человеку распространить наблюдение на ранее недоступную область мегамира, создание микроскопа ознаменовало вторжение в микромир. Рентгеновский аппарат, радиолокатор, генератор ультразвука и много других технических средств наблюдения привели к невиданному росту научной и практической ценности этого метода исследования. Существуют также способы и методики самонаблюдения и самоконтроля в психологии, медицине, физкультуре и спорте. Само понятие наблюдения в теории познания обобщенно выступает в форме понятия созерцания, оно связано с категориями деятельности и активности субъекта.

Чтобы быть плодотворным и продуктивным, наблюдение должно удовлетворять следующим требованиям.

Быть преднамеренным, т. е. вестись для решения вполне определенных задач в рамках общей цели научной деятельности и инженерной практики.

Быть планомерным, т. е. состоять из наблюдений, идущих по определенному плану, схеме, вытекающих из характера объекта, а также целей и задач исследования.

Быть целенаправленным, т. е. фиксировать внимание наблюдателя лишь на интересующих его объектах и не останавливаться на тех, которые выпадают из задач наблюдения. Наблюдение, направленное на восприятие отдельных деталей, сторон, аспектов, частей объекта, на­зывают фиксирующим, а охватывающее целое при условии повторного наблюдения – соответственно, флуктуирующим. Соединение этих видов наблюдения в итоге и дает целостную картину объекта.

Быть активным, т. е. таким, когда наблюдатель целенаправленно ищет нужные для его задач объекты среди некоторого их множества, рассматривает отдельные интересующие его стороны, свойства, аспекты этих объектов, опираясь при этом на запас собственных знаний, опыта и навыков.

Быть систематическим, т. е. таким, когда наблюдатель ведет свое наблюдение непрерывно, а не случайно и спорадически, по определенной, продуманной заранее схеме, в разнообразных или же строго оговоренных условиях.

Сравнение – это один из наиболее распространенных и универсальных методов познания. Известный афоризм «Все познается в сравнении» – лучшее тому доказательство. Сравнением называют установление сходства и различия предметов и явлений разного рода, их сторон и аспектов, вообще – объектов исследования. В результате сравнения устанавливается то общее, что присуще двум и более объектам – в данный момент или в их истории. В науках исторического характера сравнение было развито до уровня основного метода исследования, который получил название сравнительно-исторического. Выявление общего, повторяющегося в явлениях, – ступень на пути к познанию закономерного.

Для того чтобы сравнение было плодотворным, оно должно удовлетворять двум основным требованиям: сравниваться должны лишь такие стороны и аспекты, объекты в целом, между которыми существует объективная общность; сравнение должно идти по наиболее важным, существенным в данной исследовательской или другой задаче признакам. Сравнение по несущественным признакам может привести лишь к заблуждениям и ошибкам. В этой связи надо осторожно относиться к умозаключениям «по аналогии». Французы даже говорят, что «сравнение – не доказательство!».

Интересующие исследователя, инженера, конструктора объекты могут сравниваться или непосредственно, или опосредованно – через третий объект. В первом случае они получают качественные оценки: больше – меньше, светлее – темнее, выше – ниже, ближе – дальше, и т. д. Правда, и здесь можно получить простейшие количественные характеристики: «выше в два раза», «тяжелее в два раза» и т. п. Когда же имеется еще и третий объект в роли эталона, мерки, масштаба, то они получают особо ценные и более точные количественные характеристики.

Измерение исторически развивалось из наблюдений и сравнения. Однако в отличие от простого сравнения оно более результативно и точно. Современное естествознание, начало которому было положено Леонардо да Винчи, Галилео Галилеем и Исааком Ньютоном, своим расцветом обязано применению измерений. Именно Галилей провозгласил принцип количественного подхода к явлениям, согласно которому описание физических явлений должно опираться на величины, имеющие количественную меру – число. Он считал, что книга природы написана на языке математики. Инженерия, проектирование и конструирование в своих методах продолжают эту же линию.

Измерение – это процедура определения численного значения некоторой характеристики объекта посредством сравнения ее с единицей измерения, принятой как стандарт данным исследователем или всеми учеными и практиками. Как известно, существуют международные и национальные единицы измерения основных характеристик различных классов объектов, такие как час, метр, грамм, вольт, бит и др.; день, пуд, фунт, верста, миля и др. Измерение предполагает наличие следующих основных элементов: объекта измерения, единицы измерения, т. е. масштаба, мерки, эталона; измерительного устройства; метода измерения; наблюдателя.

Измерения бывают прямые и косвенные. При прямом измерении результат получается непосредственно из самого процесса измерения (например, используя меры длины, времени, веса и т. д.). При косвенном измерении искомая величина определяется математическим путем на основе других величин, полученных ранее прямым измерением. Так получают, например, удельный вес, площадь и объем тел правильной формы, скорость и ускорение тела, мощность и т. д.

Измерение позволяет находить и формулировать эмпирические законы и фундаментальные мировые константы. В связи с этим оно может служить источником формирования даже целых научных теорий. Так, многолетние измерения движения планет Тихо Браге позволили потом Иоганну Кеплеру создать обобщения в виде известных трех эмпирических законов движения планет. Измерение атомных весов в химии явилось одной из основ формулирования Дмитрием Менделеевым своего знаменитого периодического закона в химии и т. п. Измерение дает не только точные количественные сведения о действительности, но и позволяет вносить новые качественные соображения в теорию. Так произошло в итоге с измерением скорости света в опыте Майкельсона–Морли для создания Эйнштейном теории относительности. Примеры можно продолжать.

Важнейший показатель ценности измерения – его точность.

Точность измерений зависит от имеющихся приборов, их возможностей и качества, от применяемых методов и самой подготовки исследователя. Следует иметь в виду, что существуют определенные требования к уровню точности. Он должен находиться в соответствии с природой объектов и с требованиями познавательной, проектировочной, конструкторской или инженерной задачи. Так, в технике и строительстве постоянно имеют дело с измерением массы, длины и пр. Но в большинстве случаев абсолютная точность здесь не требуется, более того, она выглядела бы вообще смешно, если бы, скажем, вес опорной колонны для здания проверялся до тысячных долей грамма. Существует и проблема измерения массовидного материала, связанного со случайными отклонениями, как это бывает в больших совокупностях. Такие явления характерны для объектов микромира, для биологических, социальных, экономических и других подобных объектов. Здесь применимы поиски статистического среднего и методы, специально ориентированные на обработку случайного и его распределений в виде вероятностных методов. Для исключения случайных и систематических ошибок измерения, выявления ошибок и погрешностей, связанных с природой приборов и самого наблюдателя, развита специальная математическая теория ошибок.

В связи с развитием техники особое значение в XX веке приобрели методы измерения в условиях быстрого протекания процессов в агрессивных средах, где исключается присутствие наблюдателя. На помощь здесь пришли методы авто- и электрометрии, а также компьютерной обработки информации и управления процессами измерения. В их создании выдающуюся роль сыграли разработки ученых Новосибирского института автоматики и электрометрии СО РАН, а также НГТУ. Это были результаты мирового класса.

Измерение наряду с наблюдением и сравнением широко используется на эмпирическом уровне познания и деятельности человека вообще, оно входит в состав наиболее развитого, сложного и значимого метода – экспериментального.

Эксперимент. Под экспериментом понимается такой метод изучения и преобразования объектов, когда исследователь активно воздействует на них путем создания искусственных условий, необходимых для выявления каких-либо интересующих его свойств, характеристик, аспектов, сознательно изменяя течение естественных процессов, ведя при этом регулирование, измерение и наблюдение. Основным средством создания таких условий служат разнообразные приборы и искусственные устройства. Эксперимент представляет собой наиболее сложный, комплексный и эффективный метод эмпирического познания и преобразования объектов разного рода. Но сущность его не в сложности, а в целенаправленности, преднамеренности и вмешательстве путем регулирования и управления в течение изучаемых и преобразуемых процессов и состояний объектов.

Отличительными признаками эксперимента считают возможность изучения и преобразования того или иного объекта в относительно чистом виде, когда все побочные факторы, затемняющие суть дела, устраняются почти целиком. Это дает возможность исследования объектов действительности в экстремальных условиях, т. е. при сверхнизких и сверхвысоких температурах, давлениях и энергиях, величинах скорости процессов, напряженности электрических и магнитных полей, энергиях взаимодействия. В этих условиях можно выявить неожиданные и удивительные свойства обычных объектов и тем самым глубже проникнуть в их сущность и механизмы преобразований.

Примерами явлений, открытых в экстремальных условиях, служат сверхтекучесть и сверхпроводимость при низких температурах. Важнейшим достоинством эксперимента стала его повторяемость, когда наблюдения, измерения, испытания свойств объектов проводятся многократно при варьировании условий, чтобы повысить точность, достоверность и практическую значимость ранее полученных результатов, убедиться вообще в существовании нового явления.

К эксперименту обращаются в следующих ситуациях: когда пытаются обнаружить у объекта ранее неизвестные свойства и характеристики – это исследовательский эксперимент; когда проверяют правильность тех или иных теоретических положений, выводов и гипотез – проверочный к теории эксперимент; когда проверяют правильность ранее произведенных экспериментов – проверочный к эмпирии эксперимент; учебно-демонстрационный эксперимент.

Наблюдения, измерения и эксперименты в основном базируются на различных приборах. Что же такое прибор с точки зрения его роли для исследования? В широком смысле слова под приборами понимают искусственные, технические средства и разного рода устройства, которые позволяют вести исследование какого-либо интересующего нас явления, свойства, состояния, характеристики с количественной стороны, а также создавать строго определенные условия для их обнаружения, реализации и регулирования; устройства, позволяющие вместе с тем вести наблюдение и измерение.

Не менее важно при этом выбрать систему отсчета, создать ее специально в приборе. Под системами отсчета понимают объекты, которые мысленно принимают за исходные, базисные и физически покоящиеся, неподвижные. Это хорошо видно при измерениях, осуществляющихся с помощью разных шкал для отсчета. Например, в астрономических наблюдениях – это Земля, Солнце, условно неподвижные звезды. Физики называют «лабораторной» ту систему отсчета, которая совпадает с местом наблюдения и измерения. В самом приборе система отсчета – это важная часть измерительного устройства, условно проградуированная на шкале мерная линейка, где наблюдателем фиксируется, например, отклонение стрелки или светового сигнала от начала шкалы. В цифровых системах измерения мы все равно имеем начало отсчета, известное наблюдателю на основе знания особенностей применяемого здесь счетного множества единиц измерения. Простые и понятные шкалы имеются у линеек, часов с циферблатом, у большинства электроизмерителей и термометров.

Создание приборов и изобретение новых как для измерений, так и для экспериментов – это издавна особая область деятельности ученых и инженеров, требующая огромного опыта и таланта. Сегодня – это также и современная, все более активно развивающаяся отрасль производства, торговли и соответствующего маркетинга. Сами приборы и устройства как продукты технологий, научного и технического приборостроения, их качество и количество – по сути дела показатель степени развитости той или иной страны и ее экономики.