Методы естествознания

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Методы естествознания
Рубрика (тематическая категория)	Философия

Методы естествознания могут быть подразделены на следующие группы˸

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

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

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

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

2. Структурные уровни организации материи и структура естествознания

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

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

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

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

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

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

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

3. Методология и методы естествознания

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

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

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

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

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

 Общенаучные методы

 Частнонаучные методы

 Специальные методы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На свете есть вещи поважнее самых
прекрасных открытий - это знание
методов, которыми они были сделаны.
Г. В Лейбниц

Что такое метод? Чем различаются анализ и синтез, индукция и дедукция?

Урок-лекция

Что такое метод . Методом в науке называют способ построения знания, форму практического и теоретического освоения действительности. Фрэнсис Бэкон сравнивал метод со светильником, освещающим путнику дорогу в темноте: «Даже хромой, идущий по дороге, опережает того, кто идет без дороги». Правильно выбранный метод должен быть ясным, логичным, вести к определенной цели, давать результат. Учение о системе методов называют методологией.

Методы познания, которые используют в научной деятельности, - это эмпирические (практические, экспериментальные) - наблюдение, эксперимент и теоретические (логические, рациональные) - анализ, синтез, сравнение, классификация, систематизация, абстрагирование, обобщение, моделирование, индукция, дедукция. В реальном научном познании эти методы используют всегда в единстве. Например, при разработке эксперимента требуется предварительное теоретическое осмысление проблемы, формулирование гипотезы исследования, а после проведения эксперимента необходима обработка результатов с использованием математических методов. Рассмотрим особенности некоторых теоретических методов познания.

Например, всех учеников старших классов школы можно разделить на подклассы - «девушки» и «юноши». Можно выбрать и другой признак, например рост. В этом случае классификацию возможно проводить по-разному: например, выделить границу роста 160 см и классифицировать учеников на подклассы «низкие» и «высокие» или разбить шкалу роста на отрезки в 10 см, тогда классификация будет более детальная. Если сравнить результаты такой классификации по нескольким годам, это позволит эмпирическим путем установить тенденции в физическом развитии учеников.

КЛАССИФИКАЦИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ . Классификация позволяет упорядочить исследуемый материал, группируя множество (класс) исследуемых объектов на подмножества (подклассы) в соответствии с выбранным признаком.

Классификация как метод может быть использована для получения новых знаний и даже служить основой для построения новых научных теорий. В науке обычно используют классификации одних и тех же объектов по разным признакам в зависимости от целей. Однако признак (основание для классификации) выбирается всегда один. Например, химики подразделяют класс «кислоты» на подклассы и по степени диссоциации (сильные и слабые), и по наличию кислорода (кислородсодержащие и бескислородные), и по физическим свойствам (летучие - нелетучие; растворимые - нерастворимые), и по другим признакам.

Классификация может изменяться в процессе развития науки. В середине XX в. исследование различных ядерных реакций привело к открытию элементарных (неделящихся) частиц. Первоначально их стали классифицировать по массе; так появились лептоны (мелкие), мезоны (промежуточные), барионы (крупные) и гипероны (сверхкрупные). Дальнейшее развитие физики показало, что классификация по массе имеет мало физического смысла, однако термины сохранились, в результате чего появились лептоны, значительно более массивные, чем барионы.

Классификацию удобно отражать в виде таблиц или схем (графов). Например, классификация планет Солнечной системы, представленная граф-схемой, может выглядеть так:

Обратите внимание на то, что планета Плутон в этой классификации представляет отдельный подкласс, не принадлежит ни к планетам земной группы, ни к планетам-гигантам. Это карликовая планета. Ученые отмечают, что Плутон по свойствам похож на астероид, каких может быть много на периферии Солнечной системы.

При изучении сложных систем природы классификация служит фактически первым шагом к построению естественно-научной теории. Следующим, более высоким уровнем является систематизация (систематика). Систематизация осуществляется на основе классификации достаточно большого объема материала. При этом выделяют наиболее существенные признаки, позволяющие представить накопленный материал как систему, в которой отражены все различные взаимосвязи между объектами. Она необходима в тех случаях, когда имеется многообразие объектов и сами объекты являются сложными системами. Результатом систематизации научных данных является систематика , или, иначе, таксономия. Систематика, как область науки, развивалась в таких областях знания, как биология, геология, языкознание, этнография.

Единицу систематики называют таксоном. В биологии таксоны - это, например, тип, класс, семейство, род, отряд и др. Они объединены в единую систему таксонов различного ранга по иерархическому принципу. Такая система включает описание всех существующих и вымерших организмов, выясняет пути их эволюции. Если ученые находят новый вид, то они должны подтвердить его место в общей системе. Могут быть внесены изменения и в саму систему, которая остается развивающейся, динамичной. Систематика позволяет легко ориентироваться во всем многообразии организмов - только животных известно около 1,5 млн видов, а растений - более 500 тыс. видов, не считая другие группы организмов. Современная биологическая систематика отражает закон Сент-Илера: «Все многообразие форм жизни формирует естественную таксономическую систему, состоящую из иерархических групп таксонов различного ранга».

ИНДУКЦИЯ И ДЕДУКЦИЯ . Путь познания, при котором на основе систематизации накопленной информации - от частного к общему - делают вывод о существующей закономерности, называют индукцией . Этот метод как метод изучения природы был разработан английским философом Фрэнсисом Бэконом. Он писал: «Надо брать как можно больше случаев - как таких, где исследуемое явление есть налицо, так и таких, где оно отсутствует, но где его можно было бы ожидать встретить; затем надо расположить их методически... и дать наиболее вероятное объяснение; наконец, постараться проверить это объяснение дальнейшим сравнением с фактами».

Индукция не единственный путь получения научного знания о мире. Если экспериментальная физика, химия и биология строились как науки в основном за счет индукции, то теоретическая физика, современная математика в своей основе имели систему аксиом - непротиворечивых, умозрительных, достоверных с точки зрения здравого смысла и уровня исторического развития науки утверждений. Тогда знание можно построить на этих аксиомах путем выведения умозаключений от общего к частному, перехода от предпосылки к следствиям. Этот метод называют дедукцией . Его развивал Рене Декарт - французский философ и ученый.

Ярким примером получения знания об одном предмете разными путями является открытие законов движения небесных тел. И. Кеплер на основе большого количества данных наблюдений за движением планеты Марс в начале XVII в. открыл методом индукции эмпирические законы движения планет в Солнечной системе. В конце этого же века Ньютон вывел дедуктивным путем обобщенные законы движения небесных тел на основе закона всемирного тяготения.

Портреты Ф. Бэкона и В. Ливанова в образе Ш. Холмса Почему портреты ученого и литературного героя расположены рядом?

В реальной исследовательской деятельности методы научных исследований взаимосвязаны.

• Пользуясь справочной литературой, найдите и выпишите определения следующих теоретических методов исследования: анализ, синтез, сравнение, абстрагирование, обобщение.
• Проведите классификацию и составьте схему известных вам эмпирических и теоретических методов научного познания.
• Согласны ли вы с точкой зрения французского писателя Вовнарта: «Ум не заменяет знания»? Ответ обоснуйте.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



Введение

«Учись так, словно точных знаний тебе вечно не хватает, и ты страшишься их растерять »

(Конфуций)

Стремление человека к познанию окружающего мира бесконечно. Одним из средств постижения тайн природы является естествознание. Эта наука активно участвует в формировании мировоззрения каждого человека отдельно и общества в целом. Разные исследователи определяют понятие «естествознание» по разному: одни считают, что естествознание – это сумма наук о природе, а другие что это единая наука . Разделяя вторую точку зрения, мы считаем, что структура естествознания иерархична. Будучи единой системой знаний, оно складывается из определенного количества входящих в эту систему наук, которые в свою очередь состоят из еще более дробных отраслей знания.

В целом, знания о природе человек получает из химии, физики, географии, биологии. Но они мозаичны, ибо каждая наука изучает определенные «свои» объекты. Между тем, природа едина. Целостную картину мироустройства позволяет создать особая наука, представляющая систему знаний об общих свойствах природы. Такой наукой может быть естествознание.

Во всех определения естествознания присутствуют два основных понятия - «природа» и «наука». В широком смысле слова «природа» - это все сути в бесконечном многообразии своих проявлений (Вселенная, материя, ткань, организмы и т.п.). Под наукой обычно понимают сферу человеческой деятельности, в рамках которой вырабатываются и систематизируются объективные знания о действительности.

Цель естествознания - раскрыть сущность явлений природы, познать их законы и объяснить на их основе новые явления, а также указать возможные пути использования на практике познанные законы развития материального мира.

«Естествознание так человечно, так правдиво, что я желаю удачи каждому, кто отдается ему»

Предмет и метод естествознания

Естествознание - это самостоятельная наука о картине окружающего мира и месте человека в системе природы, это интегрированная область знаний об объективных законах существования природы и общества. Она объединяет их в научную картину мира. В последней взаимодействуют два типа компонентов: естественнонаучный и гуманитарный. Их взаимоотношения достаточно сложны.

Европейская культура во многом была сформирована в эпоху Возрождения и имеет свои корни в античной натурфилософии. Естественные науки не только обеспечивают научно-технический прогресс, но и формируют определенный тип мышления весьма важный для мировоззрения современного человека. Оно определяется научными знаниями и умением разбираться в окружающем мире. В то же время гуманитарная составляющая включает искусство, литературу, науки об объективных законах развития общества и внутреннего мира человека. Все это составляет культурный, мировоззренческий багаж современного человека.

Из глубины веков в систему науки вошли две формы организации знаний: энциклопедическая и дисциплинарная.

Энциклопедизм - это свод знаний по всему кругу (энциклике) наук. К.А.Тимирязеву принадлежит определение меры образованности личности: «Образованный человек должен знать что-то обо всем, и все о чем-то».

Наиболее известная энциклопедия по естественной истории античного мира, принадлежащая перу Гая Плиния Старшего (23-73г) начинается с обзора античной картины мира: основные элементы мироздания, структура Вселенной, место Земли в ней. Затем идут сведения по географии, ботанике, зоологии, сельскому хозяйству, медицине и т.д. Исторический взгляд на окружающий мир развивал Жорж Луи Леклерк де Бюффон (1707 - 1788) в своем капитальном труде «Естественная история», где автор рассмотрел историю Вселенной и Земли, происхождение и развитие жизни вообще, растительного и животного мира, место человека в природе. В семидесятых годах двадцатого века вышла в свет книга немецкого натурфилософа Крауса Штарни «Werden and Vergehen», а в 1911 г. она была издана в России под названием «Эволюция мира». В десяти главах этого энциклопедического труда рассматривались последовательно проблемы макроструктуры Вселенной, химический состав звезд, туманности и т. п.; строение Солнечной системы и Земли («дневник Земли»), возникновение и развитие жизни на Земле, описывается растительный и животный мир.

Таким образом, энциклопедическая организация знаний дает гносеологическое отображение картины мира, основываясь на философских идеях о структуре мироздания, о месте Человека во Вселённой, о см ысле и целостности его лич ности.

Дисциплинарная форма знаний возникла в Древнем Риме (подобно Римскому праву в юриспруденции). Оно связано с расчленением окружающего мир на предметные области и предметы исследования. Все это привело к более точному и адекватному выделению мелких фрагментов мироздания.

На смену присущей энциклопедии модели «Круга знаний» пришла «лестница» дисциплин. При этом окружающий мир расчленяется по предметам исследования, а единая картина мира исчезает, знания о природе приобретают мозаичный характер.

В истории науки энциклопедизм или интегрированность знаний вошла в основе философского осмысления относительно большого количества фактов. В середине века, начиная с эпохи Возрождения, эмпирические знания стремительно накапливались, что активизировало дробление науки на отдельные предметные области. Началась эпоха «разбегания» наук. Однако, было бы неправильно считать, что дифференциация науки не сопровождается одновременно идущими в ней процессами интеграции. Это привело к укреплению межпредметных связей. Прошлый, ХХ век, характеризовался столь бурным развитием дисциплин, изучающих неживую и живую природу, что выявилась их тесная связь.

В результате обособились целые области знаний, где интегрировались некоторые из разделов естественнонаучного цикла: астрофизика, биохимия, биофизика, экология и др. Выявление междисциплинарных связей положило начало современной интеграции научных отраслей. Вследствие этого возникла энциклопедическая форма организации знаний на новом уровне, но с той же задачей – познать наиболее общие законы мироздания и определить место человека в природе.

Если в отдельных отраслях науки происходит накопление фактического материала, то в интегрированном, энциклопедическом знании важно получение наибольшей информации из наименьшего числа фактов, чтобы сделать возможным выделение общих закономерностей, позволяющих понять с единой точки зрения самые разные явления. В природе можно обнаружить достаточно много, казалось бы, разнокачественных явлений, которые, тем не менее, объясняются одним фундаментальным законом, одной теорией.

Рассмотрим некоторые из них. Так молекулярно-клеточная теория утверждает идею о дискретности веществ и объясняет протекание химических реакций, распространение запахов, процессы дыхания различных организмов, тургора, осмоса и т.д. Все перечисленные явления связаны с диффузией, обусловленной непрерывным хаотичным движением атомов и молекул.

Еще пример. Приведем такие факты: по небу движутся звезды и планеты, воздушный шар поднимается и парит в небе, а камень падает на Землю; в океанах остатки организмов медленно оседают на дно; у мыши тонкие ноги, а у слона огромные конечности; наземные животные не достигают размеров кита.

Возникает вопрос, что общего между всеми этими фактами? Оказывается, что вес они – результат проявления закона всемирного тяготения.

Таким образом, естествознание формирует у человека научную картину мира, являясь наукой энциклопедического типа. Оно опирается на достижения различных естественных и гуманитарных наук.

В любой науке есть свой предмет изучения. Например, в ботанике – растения, в зоологии – животные, предмет генетики – наследование признаков в ряду поколений, в астрономии – структура Вселенной и т.п.

Понятие, обозначающее предмет изучения естествознания, должно быть обобщающим. Оно должно включать и атом и человека, и Вселенную. Такое понятие введено В.И. Вернадским еще в тридцатые годы прошлого столетия. Это природное естественное тело: «Каждый объект естествознания есть естественное тело или естественное явление, создаваемое природными процессами».

В.И. Вернадский выделил три типа природных (естественных) тел: косные, живые и биокосные.

В целом основные различия живых и косных тел касаются не материально – энергетических процессов. Биокосные тела – это результат закономерного взаимодействия косных и живых природных тел. Они характерны для биосферы Земли. Им присуща биогенная миграция химических элементов. Биокосными является подавляющее большинство земных вод, почва и т.д.

Итак, предмет естествознания – природные тела и природные являения. Они достаточно сложны и многообразны; их существование и развитие происходит на основе множества более или менее частных закономерностей (молекулярно-кинетические явления, тепловые свойства тел, проявление гравитации и т.п.)

Наиболее общими законами существования и развития окружающего мира являются всего два закона: закон эволюции и закон с охранения веще ства и энергии.

Таблица 1.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-31