Эксперимент

Экспериментальный метод дает возможность установления отношений причинности между явлениями.

Эксперимент (англ. experiment) – испытание изучаемых явлений в контролируемых и управляемых условиях. В эксперименте стремятся выделить изучаемое явление в чистом виде, с тем чтобы было как можно меньше препятствий в получении искомой информации.

Эксперимент означает научно поставленный опыт и наблю­дение вызванного явления в точно учитываемых условиях, по­зволяющих следить за его ходом, управлять им, воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.

Эксперимент — более сложный метод эмпирического позна­ния по сравнению с наблюдением. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие иссле­дователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искус­ственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов.

«В общей структуре научного исследования эксперимент занимает особое место. С одной стороны, именно эксперимент является связу­ющим звеном между теоретическим и эмпирическим этапами и уров­нями научного исследования. По своему замыслу эксперимент всегда опосредован предварительным теоретическим знанием: он задумыва­ется на основании соответствующих теоретических знаний и его целью зачастую является подтверждение или опровержение научной теории или гипотезы. Сами результаты эксперимента нуждаются в определен­ной теоретической интерпретации. Вместе с тем метод эксперимента по характеру используемых познавательных средств принадлежит к эмпирическому этапу познания. Итогом экспериментального исследо­вания прежде всего является достижение фактуального знания и уста­новление эмпирических закономерностей»²³.

Экспериментально ориентированные ученые утверждают, что умно продуманный и мастерски поставленный эксперимент выше теории: теория может быть напрочь опровергнута, а достоверно добытый опыт — нет!

Эксперимент включает в себя другие методы эмпирического исследования (наблюдения, измерения). В то же время он обла­дает рядом важных, присущих только ему особенностей.

Основное преимущество экспериментального метода состоит в том, что экспериментатор имеет возможность манипулировать управляемыми переменными, что позволяет получить функцию отклика с достаточной точностью.

Эксперимент позволяет изучать объект в «очи­щенном» виде, т. е. устранять всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования.

В ходе эксперимента объект может быть постав­лен в некоторые искусственные, в частности, экстремальные условия, т. е. изучаться при сверхнизких температурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наоборот, в вакууме, при огромных напряженностях электромагнитного поля и т. п. В таких искусственно созданных условиях удается обнаружить удивительные порой неожиданные свойства объектов и тем са­мым глубже постигать их сущность.

Академик И. П. Павлов говорил: «опыт как бы берет явле­ния в свои руки и пускает в ход то одно, то другое и таким образом в искусственных, упрощенных комбинациях определя­ет истинную связь между явлениями. Иначе говоря, наблюде­ние собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет»²⁴.

Важным достоинством многих экспериментов является их воспроизводимость. Это означает, что условия экс­перимента, а соответственно и проводимые при этом наблюде­ния, измерения могут быть повторены столько раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов.

Условия подготовки и проведения эксперимента

Научный эксперимент:

— предполагает наличие чет­ко сформулированной цели исследования;

— базируется на каких-то исходных теоретических положениях. Без идеи в голове, говорил И.П.Павлов, вообще не увидишь факта;

—проводится планово, предварительно ис­следователь намечает пути его проведения;

— требует определенного уровня развития технических средств познания, необходимого для его реализации;

— должен проводиться людьми, имеющими достаточно высо­кую квалификацию.

Только совокупность всех этих условий определяет успех в экспериментальных исследованиях.

В зависимости от характера проблем, решаемых в ходе экс­периментов, последние обычно подразделяются на исследовательские и проверочные.

Исследовательские эксперименты дают возможность обнару­жить у объекта новые, неизвестные свойства. Результатом та­кого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имев­шихся знаний об объекте исследования. Примером могут слу­жить эксперименты, поставленные в лаборатории Э. Резерфорда, которые при­вели к обнаружению ядра атома, а тем самым и к рождению ядерной физики.

Проверочные эксперименты служат для проверки, подтвер­ждения тех или иных теоретических построений. Так, суще­ствование целого ряда элементарных частиц (позитрона, нейт­рино и др.) было вначале предсказано теоретически, и лишь позднее они были обнаружены экспериментальным путем.

Исходя из методики проведения и получаемых результатов, эксперименты можно разделить на качественные и количествен­ные. Качественные эксперименты носят поисковый характер и не приводят к получению каких-либо количественных соотношений. Они позволяют лишь выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление. Количественные эксперименты направлены на установление точных количественных зави­симостей в исследуемом явлении. В реальной практике экспе­риментального исследования оба указанных типа эксперимен­тов реализуются, как правило, в виде последовательных этапов развития познания.

Как известно, связь между электрическими и магнитными явлениями была впервые открыта датским физиком Эрстедом в результате чисто качественного эксперимента (поместив магнит­ную стрелку компаса рядом с проводником, через который про­пускался электрический ток, он обнаружил, что стрелка откло­няется от первоначального положения). После опубликования Эрстедом своего открытия последовали количественные эксперименты французских ученых Био и Савара, а также опыты Ампера, на основе которых была выведена соответствующая ма­тематическая формула.

Все эти качественные и количественные эмпирические ис­следования заложили основы учения об электромагнетизме.

В зависимости от области научного знания, в которой ис­пользуется экспериментальный метод исследования, различа­ют естественнонаучный, прикладной (в технических науках, медицине и т. д.) и социально-экономичес­кий эксперименты.

Применение метода эксперимента требует от исследователя соблюдения определенных требований, предъявляемых к такого рода исследовательской деятельности – построение ортогональной системы факторных переменных, выбор способа измерения факторов и реакций испытуемого объекта, контроль за ходом эксперимента (за факторами, которые могут влиять на изучаемое явление), выбор метода математической обработки результатов и т.д.

Эксперимент является одним из основных способов познания и преобразования действительно­сти. От обычного, сравнительно пассивного наблюдения экспе­римент отличается активным воздействием исследователя на объект изучения. В силу этого эксперимент является важней­шим условием практической деятельности человека.

Эксперимент является лабораторным или производственным (натурным) в зависимости от того, проводится ли он на специальных стендах, моделях, в лаборатории или на производстве, в натуральных условиях заводской или фабричной технологии, в условиях лечебного учреждения, совхоза и т. п. В области общественной жизни позволительно говорить о социальном эксперименте.

Различают эксперимент естественный и искусственный.

Естественный эксперимент применяется чаще всего в психо­логии для изучения психических процессов у людей в их обыч­ной обстановке производства, обучения или быта. Искусст­венный эксперимент широко применяется во многих науках. Характерной особенностью искусственного эксперимента является изучение какой-то отдельной части целого, взятой как бы в изолированном виде, чтобы иметь возможность измерить его, оценить в количественном и качественном отношениях.

Искусственный эксперимент неизбежно связан с искажением действительности. Но с этим мирятся, поскольку этот недостаток, во-первых, может быть измерен и учтен при формулировании выводов, во-вторых, допускает снижение различными методами, приближающими искусственный эксперимент к натурному.

Эффективность эксперимента чрезвычайно велика. Можно привести такой пример. Специалисты по ремонту автомобилей не могли выявить причину вибрации автомобиля. Владелец автомобиля измучился, почти год используя автомобиль, у которого на скоростях 80-110 км/час наблюдалось явление резонанса. Помог случайно поставленный эксперимент. Владельцу не нравилось «плавание» напряжения генератора, и он для обеспечения долговечности аккумулятора сменил генератор. Вибрация исчезла.

Поэтому не удивительно широкое применение в научных, опытно-конструкторских и даже просто в производственных и ремонтных работах стендовых испытаний.

Д. И. Менделеев рекомендовал молодежи не довольство­ваться простым описанием или созерцанием, а развивать дух пытливости, «возбуждающий и приучающий к упорному труду и стремящийся везде, где можно, мысли проверять опытами»²⁵.

Ранее мы говорили о развитии и внедрении оптимального планирования экспериментов, в частности, примененном одним из авторов данной работы для выявления оптимальных условий выращивания сырья для производства биопрепаратов в Новосибирском производственном объединении «Биофарм» (г. Бердск). Здесь уместно пояснить суть метода:

1. Ставится серия опытов с варьированием управляемых параметров.

2. По результатам опытов вычисляется градиент целевой функции (вектор, в направлении которого быстрее всего растет значение целевой функции).

3. В направлении градиента с определенным шагом ставится серия опытов, пока целевая функция не перестанет улучшаться (в нашем случае – возрастать, иначе (при желательной минимизации) надо было идти против градиента).

4. В точке с наилучшим значением целевой функции снова повторяются пункты 1 и 2, с целью выявления направления следующего улучшения.

5. Если не существует направления улучшения, значит достигли локального оптимума, который в биологических исследованиях чаще всего оказывается и глобальным. Иначе на п. 3.

Методические варианты, применяемые исследователями при выполнении экспериментальных научных и дру­гих работ, исключительно разнообразны.

При экспериментальном исследовании возможны, хотя и редки, случаи, когда исследователь, делает неправильные выводы на основе случайных результатов. Случайные результаты принимаются за желаемые. Обсуждение таких результатов с коллегами или науч­ным руководителем, повторение опытов обычно позволяет своевременно направить исследование в нужное русло.

Результаты экспериментов всегда требуют осмысления, анализа, понимания. Поэтому в целом подход с использованием экспериментов чаще всего является экспериментально-аналитическим.

Экспериментально-аналитические исследования в полном варианте требуют не только получения опытным путем точных и достоверных научных фактов, но и математического осмысливания процес­сов и результатов исследования.

Разработка экспериментальной методи­ки и постановка эксперимента, — это творческая и очень индивидуальная часть в работе ученого. Но даже в ней есть общие принципы, которых целесообразно придерживаться.

Исследуя стоящую перед нами про­блему, мы принимаем некоторую гипотезу, а эксперимент используется для проверки гипотезы.

Гипотеза (англ. Hypothesis, от греч. hypothesis – предположение) – научное предположение, выдвигаемое для объяснения каких-либо явлений и процессов и требующее проверки на опыте или научных (например, математических, логических и др.) доказательств на основе полученных фактов для того, чтобы стать научной теорией.

Выдвижение гипотез часто предопределяет логику процесса исследования, поскольку исследование строится на предварительных, явно или неявно выраженных предположениях о характере и причинах возникновения изучаемой проблемы. Выдвигаемые гипотезы должны обладать таким свойством как научная новизна.

В ходе доказательства выдвинутых гипотез одни из них становятся истинной теорией, другие видоизменяются, уточняются и конкретизируются, либо отвергаются, если проверка дает отрицательный результат. Проверкой ис­тинности гипотезы является практика. Проверенная и доказанная гипоте­за переходит в разряд достоверных истин, становится научной теорией.

Д.И. Менделеев писал: "… лучше держаться такой гипотезы, которая может оказаться со временем неверною, чем никакой. Гипо­тезы облегчают и делают правильною научную работу – отыскание ис­тины..."²⁶.

Стадию гипотезы прошел открытый Д. И. Менделеевым перио­дический закон. В некоторой степени до сих пор находится в стадии гипотезы теория Ч. Дарвина.

Как же планируется и строится эксперимент, чтобы на практике подтвердить или отвергнуть гипотезу?

Целью экспери­мента обычно является установление некоторой причинно-следственной взаи­мосвязи. В эксперименте создается некоторое воздействие на иссле­дуемый объект и наблюдается результат этого воздействия. Задача иссле­дователя обычно заключается в том, чтобы, во-первых, выбрать подхо­дящее для его целей воздействие, а во-вторых, создать адекватный способ регистрации эффекта.

Если удается обеспечить «локально-целевое» воздействие, т. е. чтобы оно по возможности изолированно влияло на одно-единственное — изучаемое — свойство объекта, то задача решается как однофакторная. В противном случае еобходимо проведение множества экспериментов с применением так называемого факторного анализа.