Методологія наукових досліджень

 

Системний аналіз - вивчення об'єкта дослідження як сукупності елементів, що утворюють систему У наукових дослідженнях він передбачає оцінку поведінки об'єкта як системи з усіма чинниками, які впливають на його функціонування. Системний аналіз виник у 60 х роках XX століття і досить швидко розвивається. Єдиної процедури проведення системного аналізу в наукових дослідженнях поки що немає, в ньому широко використовують методи системної динаміки, теорії ігор, евристичного програмування, імітаційного моделювання, програмно-цільового управління тощо.

 

3 Гіпотези в  наукових дослідженнях, їх доведення

 

Одним із найважливіших структурних елементів науки є гіпотеза. Гіпотезою називають систему умовиводів, наукових припущень, за допомогою якої на підставі низки фактів робиться висновок про існування об'єкта, зв'язку або причини явища, причому виведення це не є абсолютно достовірним. Потреба в гіпотезі виникає в науці тоді, коли незрозумілий зв'язок між явищами, причина їх, хоча відомо багато обставин, що передують або супроводжують його, коли за деякими характеристиками сучасного треба встановити картину минулого, на підставі минулого і сучасного треба зробити висновок про майбутній розвиток явища. Однак висування гіпотези на основі певних фактів лише перший крок. Сама гіпотеза має ймовірнісний характер і потребує перевірки, доведення. Після такої перевірки гіпотеза або стає науковою теорією, або видозмінюється, або відкидається зовсім, якщо перевірка дає негативний результат.

 

Перевірка, або доведення гіпотези, її розвиток передбачають кілька можливостей. Гіпотеза може розвиватися, уточнюватися, доповнюватися новими положеннями і залишатися при цьому гіпотезою. Розвиток гіпотези може привести до її відкидання. Якщо в процесі обґрунтування гіпотези буде виявлено факти і закономірності, що відхиляють основний зміст гіпотези, постає питання про заміну її новою, з іншими принципами так званою робочою гіпотезою. Робоча гіпотеза в процесі розвитку або знову відкидається або перетворюється в теорію. Це відбувається в тому разі, коли істинність принципу, покладеного в основу гіпотези, доведено не окремими фактами, а сукупністю практичних результатів. Окремі факти тільки підтверджують гіпотезу, роблять її імовірнішою, але не доводять повністю. Вирішальним критерієм перетворення гіпотези на теорію є практика. Це можливо в двох випадках: описана гіпотезою суть явища або стає доступною для прямого спостереження, або положення, що становить основний зміст гіпотези, можна вивести як наслідок із достовірних посилань.

 

У процесі розвитку гіпотези М.Білуха відокремлює 4 стадії (рис. 3.1).

 

Гіпотеза має бути гранично простою, тобто такою, яка не потребує введення нових гіпотез і припущень. Простота є своєрідним критерієм, який дає можливість вибирати між кількома різними гіпотезами.

 

Гіпотеза повинна на основі узагальнення вже наявних знань виходити за їхні межі, тобто формулювати нові положення, істинність яких ще не доведено. Крім того гіпотеза повинна:

 

-  бути достовірною (безпосередньо пов'язаною з проблемою, що вирішується дослідженням, випливати  з її суті);

 

-  передбачуваною (не тільки пояснювати, а й слугувати  основою для вирішення проблеми);

 

-  мати можливість  формалізації (викладення основних  положень не тільки логічно, а  й за допомогою математичного  апарату).

 

Рис. 1. Процес висування і розвитку гіпотези

 

Висування гіпотези, фундаменту майбутніх досліджень, - складний творчий процес у результаті якого окреслюються межі і визначаються основні напрями всієї розробки. Водночас гіпотеза є основою для визначення тієї системи показників що необхідні для цього дослідження.

 

Процедуру, за допомогою якої встановлюють істинність гіпотези або будь-якого іншого твердження, в логіці називають доведенням. У доведенні використовують два способи встановлення істини: безпосередній та опосередкований.

 

Безпосередній спосіб полягає в тому, що в процесі практичних дій відбувається зіставлення деякого припущення з фактичним станом об'єкта дослідження. Видами таких практичних дій можуть бути спостереження, експеримент, демонстрація, вимірювання, розрахунки, облік та інші емпіричні процедури. Наприклад, у практиці економічних досліджень найчастіше застосовують саме цей спосіб доведення, оскільки існує реальна можливість вимірювати та зіставляти показники економічних процесів на основі статистичних і бухгалтерських звітів та інших даних, зібраних за допомогою емпіричних методичних прийомів дослідження.

 

Однак у практиці досить часто істинність гіпотези може бути доведена шляхом умовиводів на основі вже наявних знань у вигляді різних законів і положень. Наприклад, у дослідженнях з математики, теоретичної фізики, астрономії та інших, особливо де є можливість значної формалізації та широкого застосування математичного апарату. Такий спосіб встановлення істини називають опосередкованим.

 

4 Експеримент  в наукових дослідженнях

 

Найважливішим складником наукового дослідження є експеримент. Це один з основних способів отримання нового знання. Понад дві третини трудових ресурсів науки витрачають на експерименти. В основі експериментального дослідження лежить експеримент, що є науково поставленим дослідом або спостереженням явища в чітко витриманих конкретних умовах, які дають змогу досліджувати його перебіг, керувати ним, відтворювати його щоразу при відтворенні цих умов. Від звичайного пасивного спостереження експеримент відрізняється активним впливом дослідника на явище або процес, що вивчається.

 

Таким чином, експеримент - це один з аспектів суспільно історичної практики людства, і тому він є джерелом пізнання і критерієм істинності гіпотез і теорій. Він містить:

 

-  визначення  об'єкта дослідження;

 

-  створення  необхідних умов;

 

-  матеріальний  вплив на об'єкт або умови;

 

-  акти спостереження  та вимірювання із застосуванням  відповідних технічних приладів.

 

Основною метою експерименту є перевірка теоретичних положень (підтвердження робочої гіпотези), а також ширше та глибше вивчення теми наукового дослідження.

 

Експеримент повинен бути проведений у найкоротший термін з мінімальними витратами і гарантувати найвищу якість отриманих результатів.

 

Розрізняють експерименти природні та штучні.

 

Під природним експериментом розуміють такий експеримент, коли дослідник не обирає і не готує заздалегідь незалежну змінну, а також не здійснює активного втручання в звичний перебіг досліджуваного процесу або явища, а тільки спостерігає за ним і чекає, доки в ньому самостійно виникне така ситуація, що відіграє роль незалежної змінної. Такі експерименти характерні для процесу вивчення соціальних явищ, наприклад в обстановці виробництва побуту та ін., але застосовуються і в інших сферах діяльності людини. Вони мають ту перевагу, що всі зв'язки та відношення досліджуваного процесу або явища - і внутрішні і зовнішні - залишаються без будь-яких змін. Якщо підготовка до такого експерименту проводиться досить ретельно, чистота і достовірність висновків у його проведенні мають максимальний рівень, бо весь експеримент по суті є своєрідним, добре підготовленим спостереженням за природним розвитком події.

 

Великою вадою природного експерименту є рідкісність виникнення відповідної ситуації і відсутність попередньої інформації про можливість її виникнення, що дуже ускладнює організацію експерименту. Не менш суттєвою вадою є складність визначення чинників, які можуть впливати на перебіг процесу, і практична неможливість маніпулювання ними. Ці вади по суті зводять нанівець таку важливу перевагу експериментального дослідження, як виграш часу для перевірки гіпотез. Однак природний експеримент посідає чільне місце в арсеналі дослідників, особливо у сфері вивчення складних суспільних і природних явищ, що потребують врахування великої кількості чинників.

 

Штучні експерименти широко використовують у багатьох природонаукових дослідженнях. Штучний експеримент націлений на вивчення явищ, ізольованих необхідною мірою для того, щоб оцінити їх у кількісних та якісних відношеннях.

 

З-поміж штучних експериментальних досліджень вирізняють лабораторні та виробничі.

 

Лабораторні експерименти становлять дослідження в штучному середовищі, для чого об'єкт дослідження переносять зі свого природного середовища в обстановку, яка дає змогу досягти вищого ступеня точності в спостереженні за його поведінкою. У техніці лабораторні досліди виконують із застосуванням типових приладів і пристроїв, спеціального моделюючого устаткування, стендів, обладнання та ін. Стабільність лабораторної обстановки, використання спеціальної апаратури дають можливість вивчити вплив одних характеристик у варіюванні інших найбільш повно і доброякісно з великою повторюваністю. Лабораторні досліди в разі достатньо повного наукового обґрунтування експерименту дають змогу отримати якісну наукову інформацію за мінімальних витрат. Однак такі експерименти не завжди повністю моделюють реальний плин процесу або явища, що вивчається. У такому разі виникає потреба в проведенні виробничого експерименту.

 

Виробничі експериментальні дослідження мають за мету вивчення процесу в реальних умовах з урахуванням впливу різних випадкових чинників виробничого середовища.

 

Одним з різновидів виробничих експериментів є збирання матеріалів в організаціях та установах, що займаються накопичуванням тих чи інших даних за стандартними формами (наприклад статистичні бюро або управління). Ці матеріали впродовж багатьох років систематизуються за єдиною методикою; інформація, яку вони містять, добре піддається обробці методами статистики і теорії ймовірності. У низці випадків виробничий експеримент ефективно проводиться за допомогою методу анкетування виробничих організацій за чітко продуманою методикою. Це дає змогу зібрати велику кількість даних вимірів або спостережень досліджуваного явища, виконаних іншими підприємствами чи установами.

 

Однак більшість явищ і процесів у природі та суспільстві є погано організованими - так званими дифузними - системами, в яких провести розмежування дії чинників різної природи не уявляється можливим. У вивченні таких систем дослідник повинен враховувати вплив багатьох різноманітних чинників, що зумовлюють різні за своєю природою процеси, які тісно взаємодіють між собою. Наприклад, у хіміко-технологічних процесах треба одночасно враховувати взаємний вплив факторів, які не підлягають у реальних умовах розмежуванню аеродинамічні та гідродинамічні процеси, кінетику множини одночасних реакцій тощо. Ще більше зростають труднощі у вивченні систем для яких навіть елементарні процеси, що в них протікають невідомі. Прикладом такої системи може бути інтелект людини.

 

Такі дослідження потребують застосування статистичних методів на всіх етапах роботи: і перед постановкою досліду, і в процесі експериментування, і після експерименту, на стадії прийняття рішень про наступні дії. Такий експеримент називають активним, а схему його, за якої ефект впливу будь-якого фактора на досліджуваний процес оцінюється за результатами всіх дослідів називають багатофакторною схемою.

 

5 Планування  експерименту

 

Планування експериментальних досліджень спрямовано на отримання максимуму інформації за мінімальних витрат на експериментування. Методи оптимального планування експерименту дають змогу використовувати математичний апарат не тільки на стадії опрацювання результатів, як було раніше, а й у підготовці і проведенні дослідів.

 

У сучасній математичній теорії оптимального планування експерименту існують два основні розділи:

 

1. Планування  експерименту для вивчення механізму  складних процесів і властивостей  багатокомпонентних систем.

 

2. Планування  експерименту з метою оптимізації  технологічних процесів і властивостей  багатокомпонентних систем.

 

Переважна більшість експериментальних робіт виконується саме з метою вирішення задач оптимізації; такі експерименти називають екстремальними. Ця назва пов’язана з аналогією між рішенням задачі оптимізації та пошуком екстремуму функції, тому задачу, метою якої є пошук екстремуму, називають екстремальною. Як приклади задач оптимізації можна навести пошук оптимального складу багатокомпонентної суміші, підвищення продуктивності діючої установки, підвищення якості продукції тощо.

 

Як вже згадувалося, експеримент може проводитися безпосередньо на об’єкті або на його моделі. Останнім часом поряд з фізичними моделями дедалі ширше застосування знаходять абстрактні математичні моделі. Для опису такого об’єкта дослідження можна використати уявлення про кібертичну систему, яку схематично зображено на рис. 2. Таку кібертичну систему ще називають «чорною скринькою».

 

 

 

 

Чорна

 

скринька

 

 

Х1                                                                                                 y1

Х2                                                          y2

 

Хі                                                           yi

 

Хк                                                                                                 yk

 

Рис.2. Схема «чорної скриньки»

 

Стрілки справа зображують чисельні характеристики, які треба отримати відповідно до мети дослідження. Вони позначаються буквою y і називаються вихідними параметрами, або параметрами оптимізації (вихід «чорної скриньки»), а також відгуками . Для проведення експерименту необхідно впливати на поведінку «чорної скриньки». Всі способи впливу позначають буквою х і називають вхідними параметрами, або факторами (вход «чорної скриньки»). Під час проведення експерименту кожний фактор може приймати одне або кілька значень, які називаються рівнями фактора. За допомогою множини факторів визначають один із можливих станів модельованої системи («чорної скриньки») і задають умови проведення одного з можливих експериментів. Існує певний зв’язок між рівнями факторів і відгуками системи, характер якого заздалегідь невідомий. Цей зв’язок можна визначити як