Файл: методология.doc

3.2.2. Планирование и построение эксперимента

В процессе научного наблюдения исследователь руководствуется некоторыми гипотезами и теоретическими представлениями о тех или иных фактах. В гораздо большей степени эта зависимость от теории проявляется в эксперименте. Прежде чем поставить эксперимент, надо не только располагать его общей идеей, но и тщательно продумать его план, а также возможные результаты.

Выбор того или иного типа эксперимента, так же как и конкретный план его осуществления, в существенной степени зависит от той научной проблемы, которую ученый намеревается разрешить с помощью опыта. Одно дело, когда эксперимент предназначен для предварительной оценки и проверки гипотезы, и совсем другое, когда речь идет о количественной проверке той же самой гипотезы.

В первом случае ограничиваются общей, качественной констатацией зависимостей между существенными факторами или свойствами исследуемого процесса, во втором — стремятся количественно выразить эти зависимости, когда осуществление эксперимента требует не только привлечения значительно большего количества регистрирующих и измерительных приборов и средств, но гораздо большей аккуратности и точности в контроле над изучаемыми характеристиками и свойствами. Все это неизбежно должно сказаться на общем плане построения эксперимента.

В еще большей мере планирование эксперимента связано с характером величин, которые приходится оценивать в ходе опыта. В этом отношении гораздо более сложными являются эксперименты, в которых изучаемые величины заданы статистическим образом. К чисто экспериментальным трудностям здесь присоединяются трудности математического характера. Не случайно поэтому в последние годы в математической статистике возникло самостоятельное направление планирования эксперимента, которое ставит своей задачей выяснение закономерностей построения статистических экспериментов, т.е. экспериментов, в которых не только окончательные результаты, но и сам процесс требуют привлечения статистических методов.

Поскольку каждый эксперимент призван решать определенную теоретическую проблему: будь то предварительная оценка гипотезы или ее окончательная проверка, — постольку при его планировании следует учитывать не только наличие той или иной экспериментальной техники, но и уровень развития соответствующей отрасли знания, что особенно важно при выявлении тех факторов, которые считаются существенными для эксперимента.

Все это говорит о том, что план проведения каждого конкретного эксперимента обладает своими специфическими чертами и особенностями. Не существует единого шаблона или схемы, с помощью которых можно было бы строить эксперимент для решения любой проблемы в любой отрасли экспериментальных наук. Самое большее, что можно здесь выявить,— это наметить общую стратегию и дать некоторые общие рекомендации по построению и планированию эксперимента.

Всякий эксперимент начинается с проблемы, которая требует экспериментального разрешения. Чаще всего с помощью эксперимента осуществляется эмпирическая проверка какой-либо гипотезы или теории. Иногда он используется для получения недостающей информации, чтобы уточнить или построить новую гипотезу.

Как только научная проблема точно сформулирована, возникает необходимость выделить факторы, которые оказывают существенное влияние на эксперимент, и факторы, которые можно не принимать во внимание. Так, Галилей в своих экспериментах по изучению законов свободного падения тел не учитывал влияние сопротивления воздуха, неоднородность поля тяжести, не говоря уже о таких факторах, как цвет, температура тел, ибо все они не оказывают какого-либо существенного влияния па падение тел вблизи земной поверхности, где сопротивление воздуха незначительно, а поле тяжести с достаточной степенью приближения можно считать однородным. Эти факты в настоящее время кажутся чуть ли не очевидными, но во времена Галилея не существовало теории, которая позволяла бы объяснить их.

Если имеется достаточно разработанная теория исследуемых явлений, то выделение существенных факторов достигается сравнительно легко. Когда же исследование только начинается, а область изучаемых явлений совершенно новая, тогда выделить факторы, существенным образом влияющие на процесс, оказывается весьма трудно.

В принципе любой фактор может оказаться важным, поэтому заранее нельзя исключить ни один из них без предварительного обсуждения и проверки. Поскольку такая проверка неизбежно связана с обращением к опыту, возникает трудная проблема отбора именно таких факторов, которые являются существенными для изучаемого процесса. Обычно невозможно фактически проверить все предположения о существенных факторах. Поэтому ученый больше полагается на свой опыт и здравый смысл, но они не гарантируют его от ошибок. Известно, что Роберт Бойль, открывший закон об обратно пропорциональной зависимости между давлением и объемом газа, не считал температуру фактором, существенно влияющим на состояние газа. Впоследствии Жак Шарль и Гей-Люссак установили, что объем газа увеличивается прямо пропорционально его температуре. Кроме того, следует помнить, что фактор, который является несущественным в одном эксперименте, может стать существенным в другом. Если Галилей в своих опытах мог пренебречь сопротивлением воздуха, поскольку имел дело с медленно движущимися телами, то этого нельзя сделать в экспериментах по исследованию быстро движущихся тел, например снаряда или самолета, в особенности если он летит со сверхзвуковой скоростью. Следовательно, само понятие существенного фактора является относительным, ибо оно зависит от задач и условий эксперимента, а также от уровня развития научного знания.

Следующим этапом в осуществлении эксперимента является изменение одних факторов при сохранении других относительно неизменными и постоянными. Пожалуй, в этом наиболее ярко проявляется отличие эксперимента от наблюдения, так как именно возможность создания некоторой искусственной среды позволяет исследователю наблюдать явления «при условиях, обеспечивающих ход процесса в чистом виде». Допустим, известно, что изучаемое явление зависит от некоторого числа существенных свойств или факторов. Чтобы установить роль каждого из них, а также их взаимосвязь друг с другом, надо выбрать сначала два каких-либо свойства. Сохраняя все другие существенные свойства или факторы постоянными, заставляем одно из выбранных свойств изменяться и наблюдаем, как ведет себя другое свойство или фактор. Таким же способом проверяется зависимость между другими свойствами. В результате экспериментально устанавливается зависимость, которая характеризует отношение между исследуемыми свойствами явления.

После обработки данных эксперимента эта зависимость может быть представлена в виде некоторой математической формулы или уравнения.

В качестве наглядной иллюстрации рассмотрим, как эмпирически были открыты законы, описывающие состояние идеального газа. Первый газовый закон был открыт Бойлем в 1660г. Он полагал, что температура не оказывает какого-либо существенного влияния на состояние газа. Поэтому в его эксперименте этот фактор не фигурировал.

Поддерживая температуру постоянной, можно убедиться в справедливости закона, установленного Бойлем: объем данной массы газа обратно пропорционален давлению. Поддерживая постоянным давление, можно поставить эксперимент, чтобы выяснить, как влияет повышение температуры газа на его объем. Впервые такие измерения были осуществлены французским физиком Ж. Шарлем, однако полученные им результаты не были опубликованы. Полтора века спустя английский химик Джон Дальтон провел эксперименты с различными газами и убедился, что при постоянном давлении они расширяются при нагревании (хотя полагал, что их способность расширяться должна уменьшаться с повышением температуры).

Значение экспериментов Дальтона состоит не столько в точности выводов, сколько в доказательстве того, что с повышением температуры состав газа не влияет на его расширение.

Гей-Люссак, восстановивший приоритет Шарля, много сделал для установления точной количественной зависимости между температурой и объемом газа. Он нашел, что для так называемых постоянных газов увеличение объема каждого из них в пределах от температуры таяния льда до температуры кипения воды равно 100/26666 первоначального объема. После того как были найдены, и экспериментально проверены частные эмпирические законы, выражающие связь между давлением и объемом, объемом и температурой газа, можно было сформулировать более общий закон, характеризующий состояние любого идеального газа. Этот закон гласит, что произведение давления на объем газа равно произведению температуры на некоторую величину R, которая зависит от количества, взятого газа: PV=RT,

где Р обозначает давление, V — объем, Т — температуру газа.

Подобное обобщение эмпирических законов не дает возможности открывать более сложные и глубокие теоретические законы, с помощью которых могут быть объяснены эмпирические законы. Однако описанный метод экспериментального установления зависимостей между существенными факторами исследуемого процесса служит важнейшей предварительной ступенью в познании новых явлений.

Если в планировании эксперимента предусматривается только выявление существенных факторов, влияющих на процесс, то такого рода эксперименты часто называют факторными. В большинстве случаев, в особенности в точном естествознании, стремятся не только выявить существенные факторы, но и установить формы количественной зависимости между ними: последовательно определяют, как с изменением одного фактора или величины соответственно изменяется другой фактор. Иными словами, в основе указанных экспериментов лежит идея о функциональной зависимости между некоторыми существенными факторами исследуемых явлений. Такие эксперименты получили название функциональных.

Однако какой бы эксперимент ни планировался, его проведение требует точного учета тех изменений, которые экспериментатор вносит в изучаемый процесс. Это требует тщательного контроля, как объекта исследования, так и средств наблюдения и измерения.

3.2.3. Контроль эксперимента

Большая часть экспериментальной техники служит для контроля тех факторов, характеристик или свойств, которые по тем или иным причинам считаются существенными для исследуемого процесса. Без такого контроля нельзя было бы достичь цели эксперимента. Техника, которая используется в эксперименте, должна быть не только практически проверена, но и теоретически обоснована.

Однако прежде чем говорить о теоретическом обосновании, надо убедиться в практической осуществимости эксперимента.

Даже в том случае, когда Опытная установка успешно функционирует, ее работа, и в особенности результаты, может зависеть от самых разных причин. Поэтому прежде чем приступить к эксперименту, исследователь стремится объяснить функционирование будущей экспериментальной установки с помощью уже известной и хорошо подтвержденной теории.

Если эксперимент должен служить критерием истинности научного знания, то вполне естественно, что он должен опираться только на хорошо проверенное и надежное знание, истинность которого установлена вне рамок данного эксперимента.

Точно так же обстоит дело с новой экспериментальной техникой. Кроме теоретического обоснования её надежность следует проверять с помощью других методов. Например, техника использования так называемых меченых атомов в биологии и радиоактивных изотопов в различных отраслях науки и техники в существенной степени опирается на сопоставление результатов, полученных с помощью указанной техники, с данными, полученными другим способом. Известно, что результаты определения времени существования тех пли иных органических отложений в Земле, возраста горных пород с помощью техники радиоизотопов (в частности, изотопа углерода С14) контролировались уже проверенными методами (астрономическими, биологическими, хрониками и т.д.).

Однако, как бы ни была важна проверка технической стороны опыта, она не исчерпывает существа контроля при планировании и проведении эксперимента. Чтобы точно определить изменения, которые происходят в процессе эксперимента, очень часто наряду с экспериментальной группой используют еще так называемую контрольную группу. Там, где не происходит заметных индивидуальных изменений, в качестве контрольной группы или системы может служить сам исследуемый объект. Например, для определения изменения механических свойств металла от воздействия токов высокой частоты достаточно исчерпывающим образом описать эти свойства до и после эксперимента.

Первоначальные свойства металла можно при этом рассматривать как свойства контрольной системы, с помощью которых можно судить о результатах воздействия на металл в процессе эксперимента.

Все воздействия и изменения совершаются над экспериментальной группой, а о результатах этих воздействий судят, сравнивая с контрольной группой. Так, чтобы проверить эффективность нового лекарства, точно выяснить все положительные и отрицательные факторы, вызванные им, необходимо всех подопытных животных разделить на две группы: экспериментальную и контрольную. То же самое делают при экспериментальной проверке прививок против инфекционных заболеваний.

Во всех случаях, когда по условиям исследования требуется образовать экспериментальную и контрольную группы, необходимо добиваться того, чтобы они были как можно более однородными. В противном случае результаты эксперимента могут оказаться не вполне надежными и даже весьма сомнительными. Самый простой способ достижения такой однородности состоит в попарном сравнивании индивидуумов экспериментальной и контрольной групп. Для больших групп такой способ оказывается малопригодным. Поэтому в настоящее время чаще всего прибегают к статистическим методам контроля, при использовании которых учитываются общие, статистические характеристики сравниваемых трупп, не индивидуальные их особенности.