Экспериментальный способ построения науки

Эксперимент

Эксперимент является любым сложным процессом, в котором используется измерения и испытания проводятся для проверки и изучения процесса. В этот момент проводятся всевозможные исследования, чтобы проверить работоспособность исследуемого объекта. Теории и гипотезы рождаются из экспериментов, проводимых вокруг помещения.

Эксперименты имеют жизненно важное значение в научной сфере, они являются неотъемлемой частью исследований, проводимых в лаборатории.

Эксперимент — это процесс, с помощью которого одна или несколько независимых переменных, определенных как причины, намеренно управляются для последующего анализа последствий, которые они имеют для других переменных, определенных как эффекты.

Эксперимент определяется как такой вид научного опыта, в котором некоторые изменения вызываются преднамеренно, а их результаты наблюдаются или интерпретируются с познавательной целью.

Согласно Сампье, метод эксперимента – это намеренное манипулирование действием, которое задействовано для анализа его возможных последствий. То есть это исследование, в котором одна или несколько независимых переменных (предполагаемая причина) намеренно манипулируются для анализа действия. Последствия этой манипуляции с одной или несколькими зависимыми переменными, является предполагаемым эффектом в контрольной ситуации для исследователя.

Эксперимент как метод исследования

Эксперимент — один из основных методов эмпирических исследований из-за важности демонстрации причинно-следственных связей. Долгое время эксперимент известен и используется на практике на все стадии развития науки.

Однако его использование в качестве центрального метода научного познания появилось недавно.

В Средние века важность эксперимента уже была широко признана, однако именно во второй половине 16 века Галилео Галилей перешел от этого признания к поискам планирования и организации экспериментов.

Для Галилея экспериментирование было центральным пунктом научного метода начиная с теоретического подхода в подходе к методу и в разработке экспериментальных данных.

На самом деле, эксперимент с течением времени был тщательно изучен и вызвал много дискуссий.

Разные авторы интерпретировали его по-разному и поэтому пришли к разным определениям в отношении концепции, а иногда даже к противоречиям.

В настоящее время, когда научная деятельность обогатилась с разных сторон, экспериментирование продолжает приобретать трансцендентное значение, поскольку с его помощью могут использоваться механизмы, позволяющие изолировать изучаемое явление, многократно воспроизводить ход процесса при фиксированных условиях и подлежат контролю и, наконец, планомерно варьировать, искать разные комбинации, чтобы получить желаемый результат.

Понятие эксперимента включает в себя вопросы, которые задают, чтобы выявить то, что не является очевидным. Цель эксперимента — собрать достоверную информацию по какой-то специальной теме.

Другими словами, эксперимент устроен таким образом, что мы можем сделать открытие чего-то неизвестного или почувствовать ранее скрытые отношения, и его цель — увеличить объем данных, которые мы знаем об испытуемом предмете или явлении.

Эксперименты проводятся с помощью научных методов. Повышение уверенности в точности результатов важно для минимизации экспериментальных ошибок в смещении, и если эксперимент плохо спланирован, вы можно не получить правильный ответ. Можно даже не получить однозначного ответа!

Простым и адаптированным способом можно разделить научный метод на эти 5 шагов

Виды экспериментов

Эксперимент устроен таким образом, что мы можем сделать открытие чего-то неизвестного или почувствовать ранее скрытые отношения (взаимодействия), и его цель — увеличить объем данных, которые мы знаем о чем-либо. Для достижения лучших результатов классифицируют и используют различные виды эксперимента.

Классификация экспериментов

Что такое эксперимент в научном исследовании

Экспериментирование — это метод научного исследования, возможно, самый узнаваемый из ряда методов, который также включает описание, сравнение и моделирование. Хотя все эти методы используют общий научный подход, эксперимент уникален тем, что включает в себя манипулирование определенными аспектами системы, реальной жизнью объекта (или явления) и наблюдение за последствиями этой манипуляции.

Манипулирование и контроль переменных — ключевые аспекты, которые отделяют эксперимент от других методов научного исследования.

Положительные и отрицательные результаты экспериментов

Всем нравится получать положительные результаты экспериментов, но на самом деле их меньшинство, особенно когда речь идет о науке. Положительные результаты подтверждают исходную гипотезу. Отрицательные или «вторичные» результаты опровергают ее.

Эти отрицательные результаты ведут к следующему этапу исследования. Обнародование результатов в лучшую сторону сказывается на научном сообществе. Цель состоит в том, чтобы сделать эти эксперименты доступными для остальной части сообщества, избегая траты времени и денег для остальной части научного сообщества и способствуя гораздо более быстрому научному прогрессу.

Примеры экспериментов

Некоторые социологические эксперименты, которые сегодня даже близко не соответствуют этическим стандартам, стали отличными ориентирами для психологии.

Хоторнский эффект

Термин был придуман в середине прошлого века, истоки этого явления восходят к 20-м и 30-м годам 20-го века. В те годы американская Western Electric провела серию исследований производительности труда на своем заводе в Хоторне.

Исследователи пришли к выводу, что повышение производительности не было следствием изменений на рабочем месте, а было связано с их особой ролью в эксперименте, которая заставила рабочих поверить, что их заметили и оценили, поэтому они работали все больше и больше.

Со временем идея о том, что участие в эксперименте влияет на отношение человека, стала известна как эффект Хоторна, и именно эти эксперименты породили индустриальную психологию, которая, в свою очередь, превратилась в различные специализации, такие как профессиональная психология, психология здоровья и позитивная психология.

Эксперимент Милгрэма

Основная этическая проблема эксперимента Милгрэма — это чрезвычайный психологический стресс, который применялся к участникам эксперимента.

Главный вывод психолога заключался в том, что человек не считает себя ответственным за свои действия, а считает себя инструментом, исполняющим желание другого человека, в данном случае исследователя.

Из эксперимента напрашивается вывод, что человеку не нужно быть злом, чтобы участвовать в злой системе: обычные люди могут быть легко интегрированы в злонамеренные системы. Подчинение авторитету — принцип, объясняющий узаконенное насилие.

Эффект Рингельмана

Своим названием эффект обязан немецкому физиологу, продемонстрировавшему его в 1913 году в знаменитом эксперименте с веревкой. Для этого была изучена группа людей и групп, которые тянули веревку, соединенную с экстензометром.

Эффект Рингельмана, также называемый проблемой безбилетного пассажира, связан с тенденцией к снижению производительности при работе в группе, то есть по мере увеличения числа членов продуктивность группы снижается, поскольку усилия группы не равны сумма всех усилий индивидуально.

Чудовищный эксперимент

Этот эксперимент, проводимый в Давенпорте (американском штате Айова) в 1939 году, назвали – «Исследованием монстров». Он представлял собой группу исследований заикания, проведенных с участием 22 детей-сирот. Руководителем исследования был профессор психологии Венделл Джонсон из Университета штата Айова и ученица магистра Джонсона, Мэри Тюдор. Она и возглавила практику по реализации и проведения экспериментов. Дети-участники подвергались преследованиям в течение шести месяцев, а затем у некоторых из них были пожизненные последствия.

Только в 2001 году этот эксперимент придали огласки. А в 2007 году, оставшиеся в живых участники эксперимента получили компенсацию от штата Айова.

Модели эксперимента

На самом базовом уровне ученые используют множество моделей эксперимента таким же образом, как и люди используют детали при игре LEGO. Научные модели могут быть или не быть физическими объектами (виртуальные, концептуальные, математические и т.д.), но ученые конструируют их по тем же самым разнообразным причинам: для создания или воспроизведения систем, например, реального мира путем упрощения, для проведения эксперимента, который не может быть проведен в полевых условиях в реальном мире или для того, чтобы связать несколько известных идей во что-то единое, чтобы строить и проверять гипотезы.

Исследователи успешно включают различные модели эксперимента в ключевые процессы, чтобы лучше понять, как эти процессы взаимодействуют.

Источник

Экспериментальный метод в истории науки

высокой степени активности; интересно, что вначале это происходит в большей степени в искусстве, чем в научном познании (впрочем, в ту пору наука и искусство еще не разъединялись, а скорее, согласовывались друг с другом). Показательным примером здесь являются поиски и достижения итальянских художников Возрождения в области перспективы или длительный процесс экспериментирования в музыке в XVT-XVII вв. по созданию равномерных интервальных соотношений музыкального строя; научный эксперимент как осознанный методологический принцип. Формирующийся в начале Научного времени экспериментальный подход становится основой нового естествознания вообще. Заслуга в разработке эксперимента как основы научной методологии принадлежит прежде всего Галилео Галилею (1564-1642), который в конце XVI в. соединил экспериментальный подход с математическим мышлением и дал первое теоретическое осмысление этого методологического принципа. Современник Г. Галилея Фрэнсис Бэкон (1561-1626) дал развернутое изложение экспериментального метода как программы создания новой науки.

В нее включаются: субъект, проводящего экспериментальное исследование, или экспериментатор исследуемый объект; условия и обстоятельства экспериментирования, к которым относят конкретные условия времени и места, технические средства экспериментирования (прежде всего экспериментальную установку, а также сопутствующие инструменты и приборы) и теоретический контекст, поддерживающий данную исследовательскую ситуацию.

Логическая схема эксперимента

Терминология экспериментального подхода включает следующие понятия. Все явления, факторы, воздействия, состояния, которые могут изменяться в данной исследовательской ситуации и принимать различные значения, называются переменными. Эго могут быть как количественные величины, подлежащие измерению, так и неизмеряемые качественные состояния. Каждой переменной соответствует какое-либо число (но не менее двух) ее возможных значений, т.е. область значений переменной. Среди переменных, включенных в экспериментальную ситуацию, есть

непустое множество переменных, которыми исследователь может управлять, меняя их значение. Эти переменные (как правило, это определенные виды воздействий, которые использует исследователь в данной ситуации) называются независимой переменной. Те переменные, которые, наоборот, изменяются при изменениях независимых переменных, называются зависимыми переменными. И наконец, существует еще некоторая совокупность факторов, которые не являются предметом прямого исследовательского интереса, но оказывают дополнительное воздействие на зависимую переменную, затрудняя изучение связи зависимой и независимой переменных и внося неопределенность в результаты эксперимента. Они называются побочными факторами. Очень простой иллюстрацией данной схемы может служить физиологический эксперимент по определению зависимости частоты дыхания испытуемого от выполняемой им физической нагрузки.

Простейшая схема экспериментальной ситуации, которая на самом деле представляет собой структуру классического однофакторного эксперимента, состоит только из двух переменных — независимой и зависимой (плюс побочные факторы) (см. рис. 1). В общем случае задачами экспериментатора являются устранение (или стабилизация) побочных факторов и выделение в чистом виде структуры «независимая переменная -gt; зависимая переменная».

Легко видеть, что структура «независимая переменная — gt; зависимая переменная» обнаруживает значительное родство с математическим по-

нятием функции: оно отражает идею зависимости одной переменной от другой, «аргумент функции -gt; значение функции» (где аргумент пробегает область определения данной функции, а значение — соответственно, область значений). Действительно, с началом Нового времени происходит не только становление нового экспериментального метода в естествознании, но и практически синхронно этому разработка понятия функции в математике (хотя общие формулировки понятия функции были даны лишь в XVIII в.).

Итак, экспериментатор в ходе исследования пытается вмешаться в сам механизм протекания изучаемого процесса, в структуру того или иного явления. Цель эксперимента как исследовательской стратегии — выделить в изучаемом объекте существенные взаимосвязи, или, как мы говорили выше, интенсифицировать, углубить содержание эмпирического материала. Для прояснения общей логической схемы этой стратегии полезно ввести понятие идеального эксперимента (1). Это абстракция, которая представляет в явном виде и стратегию экспериментатора, и логическую структуру, извлекаемую экспериментатором из исследуемой области.

В идеальном эксперименте ученый действует в абсолютно благоприятной для него ситуации; в реальности же мы работаем, как правило, лишь в условиях достаточно грубого приближения к ней. Ситуация идеального эксперимента обладает следующими свойствами: условия экспериментирования являются абсолютно стабильными, т.е. результирующая всех действующих побочных факторов есть величина неизменная; эксперимент идеально, без искажений, воспроизводим и поддерживаем в этом состоянии, т.е. он может быть проведен сколь угодно много раз и продолжаться сколь угодно долго, так что в ходе эксперимента продуцируется бесконечная совокупность однородных данных; экспериментальная ситуация полностью отражает те естественные ситуации, абстракцией которых она является, т.е. результаты, полученные в идеальном эксперименте, являются адекватно экстраполируемыми на определенный класс реальных ситуаций.

Чем больше соответствует реально проводимый эксперимент по своим условиям идеальному эксперименту, т.е. чем он больше похож на идеальную схему, тем он лучше с точки зрения его научной значимости. Для оценки этого качества эксперимента используют термин валидность (лат. validus — «сильный, действенный, годный»). Валидность — это в некотором смысле степень совершенства эксперимента. [31]

Для более детальной оценки предлагают (Р. Готтсданкер, Д. Кэмпбелл и др.) различать валидность внутреннюю и внешнюю. Внутренняя валидность оценивает само планирование эксперимента, его организацию, его внутреннюю логику. Если мы достаточно надежно устранили побочные влияния, почти как в идеальном эксперименте, то эксперимент обладает внутренней валидностью. В противном случае его можно назвать неудачным. Если результаты, полученные в эксперименте, идеально экстраполируемы на изучаемую предметную область, т.е. на класс реальных ситуаций, то эксперимент обладает внешней валидностью. В противном случае его можно назвать неадекватным. Таким образом, эксперимент должен быть и удачно спланирован, и экстраполируем по получаемым в нем результатам.

Существенная и весьма трудоемкая часть работы экспериментатора как раз и состоит в создании условий, приближающих данную исследовательскую ситуацию к схеме идеального эксперимента. Для этого он проводит нейтрализацию побочных факторов, добивается стабильного воспроизведения данного эффекта и поддержания его, обеспечивает условия достоверности фиксируемого эффекта (т.н. контроль эксперимента — использование отдельной совокупности объектов как контрольной системы, служащей для сравнения с непосредственно изучаемой системой), решает вопросы применимости полученных результатов к классу естественных ситуаций.

Кроме того, выделив искомую зависимость, убедившись в ее постоянстве и воспроизводимости, экспериментатор исследует также ее характер (выражается ли она какой-либо математической функцией, представляет ли она собой какую-то степень корреляции, объясняется ли она какими-либо причинно-следственными связями и т.п.).

Назовем некоторые основания классификации. К разновидностям экспериментов относят: по условиям проведения — естественные и искусственные; по целям исследования — преобразующие, контролирующие, констатирующие, поисковые и др.;

по количеству факторов — однофакторные и многофакторные; по степени контролируемости факторов — активные и пассивные (регистрирующие) .

Рассмотрим некоторые виды экспериментов подробнее.

По условиям проведения.

Искусственный эксперимент имеет такие достоинства, как возможность обеспечить достаточные условия для устранения побочных факторов, т.е. для достижения высокой внутренней валидности, причем с эффективным использованием времени и ресурсов. Однако часто перед ним встает проблема внешней валидности, или экстраполируемое™ полученных результатов.

Естественный же эксперимент, наоборот, уступая лабораторному в возможности создания удобных для исследователя условий, демонстрирует приближенный к реальности ход изучаемых процессов. Часто он используется в технических науках для испытания изготовленных объектов, в этом случае его называют натурным. В зависимости от условий непосредственного проведения естественный эксперимент может быть полевым, полигонным, производственным, клиническим и т.п. Елавная задача в естественном эксперименте — обеспечить максимальную непринужденность, натуральность окружающей обстановки. В эту задачу, как правило, входят изучение параметров воздействия среды на данный объект, особенностей поведения или функционирования данного объекта и их оценка.

2. По целям исследования. Эксперимент преобразующий, предполагает активное изменение структуры и функций изучаемого объекта, преднамеренное создание условий, которые должны способствовать появлению его новых качеств.

Контролирующий эксперимент решает задачу обеспечения контроля над изучаемым объектом, управления объектом с помощью воздействующих факторов с одновременным изучением изменений его состояния в зависимости от воздействия.

Констатирующий эксперимент представляет собой процедуру проверки какого-либо исходного предположения; целью данного эксперимента является фиксация наличия или отсутствия определенных свойств, отношений, эффектов, состояний и т.п.

Поисковый эксперимент не имеет всецело систематического характера; часто он является лишь начальной стадией в серии экспериментально

ных исследований. Проводится в тех ситуациях, когда недостаточно известен комплекс факторов, влияющих на изучаемый объект. Поэтому такой эксперимент носит разведывательный, предварительный характер. Именно для него в большой степени характерно то, что мы говорили выше об экспериментировании как поисковой активности. Поисковый эксперимент занимает достаточно видное место в научном познании, хотя его роль иногда недооценивается методологами из-за влиятельной роли теории в современной эмпирической науке, что будет рассмотрено несколько ниже.

Важным видом эксперимента является также т.н. решающий эксперимент. Для его проведения характерна ситуация, когда две или несколько гипотез конкурируют друг с другом, претендуя на роль ведущей и примерно одинаково согласуясь с имеющимся эмпирическим базисом. В этом случае решающим экспериментом становится такой, результаты которого однозначно свидетельствуют в пользу одной теоретической системы и опровергают альтернативную ей систему. Для этого, конечно, сам эксперимент должен быть спланирован так, чтобы основной вопрос, решаемый в ходе экспериментального исследования, был сформулирован дихотомически, т.е. чтобы он допускал только два возможных ответа: «да» или «нет». Примерами решающих экспериментов могут служить: знаменитый «маятник Фуко», благодаря которому Ж.Б.Л. Фуко продемонстрировал вращение Земли (1851 г.), доказав справедливость теории Коперника и опровергнув теорию Птолемея; опыт О.Ж. Френеля с открытием белого пятна в тени диска, благодаря которому была открыта дифракция света и поддержана волновая теория света в противовес корпускулярной.

Однако следует заметить, что вопрос о действительной роли решающих экспериментов в развитии научного знания весьма непрост. Например, далеко не всегда решающий эксперимент расценивается современниками как именно решающий; часто это удается понять лишь намного позже. В последующих разделах мы еще вернемся к этой теме. По количеству факторов — (подробно см. ниже). По степени контролируемости факторов. Эксперимент активный предполагает возможность существенного управления независимыми переменными. Экспериментатор контролирует «вход» и «выход» исследуемой системы. Но не всегда независимая переменная хорошо контролируема. Иногда мы можем лишь констатировать, что она изменяется, не будучи в состоянии целенаправленно воздействовать на нее. В этом случае имеет место ситуация пассивного, или регистрирующего, эксперимента. Здесь экспериментатор наблюдает за поведением зависимой переменной, стараясь извлечь максимум информации об изучаемых взаимосвязях. Примером может служить изучение шокового процесса в патологической физиологии, когда у лабораторного животного он вызывается искус — ственно; исследователь следит за функционированием биохимических систем организма в зависимости от стадии шока, не предпринимая активного вмешательства. В экспериментах подобного типа вообще велик удельный вес входящего в них наблюдения.

Самостоятельным вариантом регистрирующего эксперимента является корреляционное исследование. Некоторые методологи считают его отдельным научным методом, но по своей логической схеме он является частным случаем именно пассивного, регистрирующего эксперимента. Корреляционные исследования часты в гуманитарных науках, где возможность активного вмешательства в изучаемые процессы весьма ограниченна. Например, исследователь выдвигает гипотезу, что дети из многодетных семей быстрее развиваются и демонстрируют большую успеваемость в школе, чем те дети, которые являются в своих семьях единственными. Как можно проверить эту гипотезу? Исследователь не может здесь предпринять какие-либо активные действия, чтобы вызвать и проверить искомые различия, однако у него есть возможность изучить зависимость между уже существующими различиями: для этого он ищет и изучает статистические данные, сопоставляя их между собой. Таким образом, в отличие от активного эксперимента, где осуществляются контролируемые воздействия, в корреляционном анализе проверяются гипотезы о взаимосвязи уже имеющихся данных, проводится ретроспективное изучение уже произошедших событий. Здесь ученый работает с наличными массивами данных, применяет статистические методы их обработки для выделения возможных детерминант определяемых различий. Корреляционное исследование относится к квазиэкспериментальному подходу, о котором мы говорили в предыдущем параграфе: оно сочетает в себе черты и эксперимента, и наблюдения.

Помимо перечисленных, в методологии науки называют и другие виды экспериментов. Так, выделяют в качестве особой разновидности математический, или вычислительный, эксперимент: в этом случае на основе компьютерной обработки введенных данных получают результат в виде математического решения той или иной задачи. Он применяется в экологии, сейсмологии, аэродинамике и других науках. К преимуществам математического эксперимента, способствовавшим его широкому применению в современной науке, относится, помимо высокой точности проводимых расчетов, то, что в таком исследовании каждый участвующий фактор можно свободно варьировать при отсутствии того риска катастрофических последствий, который может возникнуть в натурном эксперименте. Математический эксперимент имеет черты, относящиеся к методу моделирования; в § 2.5 мы несколько подробнее поговорим о плюсах и минусах применения имитационных математических моделей.

Еще одним специальным видом экспериментирования, занимающим важное место в научной практике, является мысленный эксперимент. Он применяется учеными как средство расширения доступных им экспериментальных средств. В случае, когда провести реальный эксперимент не представляется возможным, ученый может мысленно воспроизвести и продумать саму экспериментальную ситуацию, получив в ходе этого продумывания важные теоретические результаты. Хрестоматийным примером мысленного эксперимента является мысленное рассмотрение падающего лифта, осуществленное Эйнштейном в ходе разработки теории относительности. Мысленный эксперимент опирается на различные процедуры абстрагирования, идеализации, рассуждений по аналогии. Он сочетает в себе черты как эмпирического, так и теоретического уровней исследования. Как уже говорилось выше (§ 1.4), приемы мысленного экспериментирования, составляющие особый метод конструктивного обоснования абстрактных объектов, играют важнейшую роль в развитии теоретического знания (В.С, Степин).

Источник