Методи наукових і експериментальних досліджень

Методи наукових і експериментальних досліджень

План

• Вступ
• Загальнонаукові методи досліджень
• Системний підхід і системний аналіз
• Аналітичні методи дослідження
• Методи експериментальних досліджень
• Педагогічні експериментальні дослідження
• Види педагогічного експерименту
• Виробничі експериментальні дослідження
• Розробка плану-програми експерименту
• Вступ
• Метод (від гр. methodosдослідження) — це сукупність правил і норм, які регламентують і регулюють діяльність дослідника в процесі дослідження явищ, який визначає підхід до явища, планомірний шлях наукового пізнання і встановлення істини, тобто проведення наукового дослідження.
• В своїй основі метод — це інструмент для розв’язку основної задачі науки — пізнання об'єктивних законів дійсності з метою використання їх в практичній людини. Метод визначає необхідність і місце застосування наукових прийомів і способів дослідження, експериментальної перевірки результатів дослідження.
• Метод поєднує об'єктивні і суб'єктивні моменти пізнання. Метод об'єктивний, так як в теоретичному ідеальному плані дозволяє відбивати об'єкти дійсності і їх взаємозв'язки, в цьому випадку метод є програмою побудови і практичного застосування теорії. Метод суб'єктивний так як він є знаряддя мислення дослідника і тому утримує в собі суб'єктивний момент.
• В методології наукових досліджень виділяють два рівня пізнання:
• Емпіричний — спостереження і експеримент, а також групування, класифікація і описування результатів експерименту.
• Теоретичний — побудова і розвиток наукових гіпотез і теорій, формування законів і виведення з них логічних висновків, порівнюючи різноманітні гіпотези і теорії.
• Розрізняють такі методи пізнання: загальнонаукові і конкретно наукові(часткові).

Загальнонаукові методи досліджень

Загальнонаукові методи використовуються в теоретичних і емпіричних дослідженнях (рис. 3.1.). Вони включають аналіз і синтез, індукцію і дедукцію, аналогію і моделювання, абстрагування і конкретизацію, системний аналіз, формалізацію, гіпотезичний і аксіоматичний методи, створення теорії, спостереження і експеримент. Аналіз — метод дослідження, який включає в себе вивчення предмета або явища шляхом мисленого або практичного розчленування (розкладання) його на частини з метою вивчення. Кожна з виділених частин аналізується окремо в границях єдиного цілого. Синтез (від гр. synthesis — об'єднання, сполучення, складання) — це метод вивчення об'єкта в його цілісності, в єдності і у взаємному зв’язку його частин. В процесі наукових досліджень синтез пов’язаний з аналізом.

Рис. 4.1. Класифікація загальнонаукових методів дослідження.

Індукція (від лат. inductio — наведення, побудження) — метод дослідження при якому за частковими факторами і явищами встановлюються загальні принципи і закони. Так, Д.І.Менделєєв, використовуючи часткові фактори про хімічні елементи, сформулював періодичний закон.

Дедукція (від лат. deductio — виведення) — метод, при якому часткові положення виводяться із загальних. Так, на основі загальних законів механіки можна отримати рівняння руху машини. Цей метод дослідження визначає його кінцевий результат, тобто метод логічного виводу від загального до часткового.

Аналогія — метод наукових висновків (умовиводів) за допомогою яких досягається пізнавання одних предметів і явищ на основі їх подібності з іншими.

Моделювання — метод наукового пізнання обґрунтовується на заміні предмета або явища, що вивчається на його аналог, модель, яка містить істотні риси оригіналу.

Абстрагування (від лат. abstrahere — відвертати) — метод відволікання, який дозволяє переходити від конкретних предметів до загальних понять і законів розвитку, тобто дозволяє відійти від другорядних факторів з метою зосередитись на важливих особливостях предмета або явища, що вивчається. Наприклад, при дослідженні роботи якого-небудь механізму аналізують розрахункову схему, яка відображає основні суттєві властивості механізму.

Конкретизація (від лат. concretus — густий, твердий) — метод дослідження предметів, чи явищ різносторонньо, в якісному різноманітті реального існування на відміну від абстрактного вивчення.

Системний підхід і системний аналіз.

Система — це система взаємопов'язаних елементів, які утворюють єдине ціле і мають єдине призначення і мету. Важливими характеристиками системи є функція, мета і структура.

Під функцією системи розуміють дії системи, які виражаються у зміні її можливого стану.

Мета системи — визначення стану її виходів, тобто деяка підмножина значень функції системи.

Структура системи визначається розміщенням і взаємозв'язками елементів системи при виконанні нею своїх функцій.

Принцип системного підходу полягає в необхідності комплексного дослідження великих і складних об'єктів, вивчення їх як єдиного цілого з узгодженням функціонування всіх елементів і частин.

Системний аналіз — це сукупність методів, які дозволяють реалізувати системний підхід при дослідженні великих і складних об'єктів. До таких методів відносяться перш всього аналіз і синтез, математичне моделювання і оптимізація з використанням ЕОМ. При цьому вимагається максимальний облік.

Для якісного аналізу функціонування системи використовуються спеціально розроблені методи такі як «мозковий штурм», метод експертних оцінок. Суть «мозкового штурму» полягає в тому, що кожний з його учасників, не вступаючи в полеміку з колегами, пропонує свій варіант розв’язку проблеми, а справа ведучого, порівняти варіанти і відібрати кращий.

Метод експертних оцінок базується (полягає) на припущеннях про те, що на основі думки (гадки) спеціалістів, які займаються дослідженнями і розробками у визначеній області знань, можна побудувати адекватну модель досліджуваної системи і оцінити її функціонування.

Функціонально-вартісний аналіз (ФВА) — метод дослідження об'єкта (виробу, процесу, структури) за його функцією і вартістю, який застосовується при вивченні ефективності використання матеріальних і трудових ресурсів. Важливими його принципами є:

Ш функціональний підхід при дослідженні функцій об'єкта і його елементів з метою найбільш повного задоволення заданих вимог у виборі раціональних шляхів їх реалізації;

Ш народногосподарський підхід до оцінки споживчих властивостей і витрат на розробку, виробництво і використання об'єкта;

Ш відповідність корисності функцій витратам на їх здійснення;

Ш колективна творчість, яка використовує методи пошуку і формулюванню технічних розв’язків, якісної і кількісної оцінок варіантів розв’язків.

Формалізація (від лат. formula — форма, визначене правило) — метод дослідження об'єктів шляхом представлення їх елементів у вигляді спеціальної символіки.

Гіпотезичний метод (від гр. hipothetikos — обґрунтований на гіпотезі) — ґрунтується на наукових передбаченнях, які висуваються для пояснення якого-небудь явища і вимагає перевірки на досліді і теоретичного обґрунтування, щоб стати вірогідною науковою теорією.

Аксіоматичний метод — передбачає використання аксіом, які доведенні науковими знаннями. За цим методом теорія розробляється на основі дедуктивного принципу.

Створення теорії — узагальнення результатів дослідження, знаходження спільних закономірностей в поведінці об'єктів, що вивчаються, а також розповсюдження результатів дослідження на інші об'єкти і явища.

Спостереження — метод вивчення предмету шляхом його кількісного вимірювання і якісної характеристики.

Експеримент (від лат. experimentum — проба, дослід) — науково поставлений дослід у відповідності з метою дослідження для перевірки результатів теоретичних досліджень.

Конкретно-наукові (часткові) методи наукового пізнання є специфічними методами конкретних наук. Ці методи формуються в залежності від цільової функції даної науки і характеризуються взаємним проникненням в однорідні галузі наук.

Аналітичні методи дослідження

В дослідженнях часто використовують аналітичні методи дослідження, за допомогою яких можна встановити математичну залежність між параметрами предмета, що вивчається. Ці методи дозволяють глибоко і всебічно вивчити процеси, що досліджуються, встановити точні кількісні зв’язки між аргументами і функціями, глибоко проаналізувати явища, що досліджуються. При цьому широко застосовуються елементарні функції і рівняння, особливо, коли хочуть спростити модель, що досліджується і отримати наближений розв’язок поставленої задачі. Досить часто використовуються лінійні функції і рівняння, при дослідженні шарових будівельних матеріалів. Враховуючи, що напруга в шаровому матеріалі розповсюджується прямо пропорційно модулям пружності його компонентів, за допомогою елементарних лінійних рівнянь можна отримати ряд корисних відомостей.

Аналітичні методи дозволяють вивчати на основі математичних моделей, які можуть бути представлені у вигляді функцій, рівнянь, системи рівнянь, в основному диференціальних або інтегральних. Такі моделі мають велику кількість інформації. Характерною особливістю математичних моделей є те, що вони, як система рівнянь описують елементарні фізичні процеси з яких складається явище. На початку дослідження створюється груба модель, яка в процесі роботи уточнюється. Така модель дозволяє досить точно розрахувати фізичні характеристики явища. При цьому дослідник отримує нову інформацію про функціональні зв’язки і властивості моделей. Проте їм властиві суттєві недоліки. Для того, щоб із всього класу знайти часткове рішення, властиве тільки даному процесу, необхідно задати умови однозначності. В багатьох випадках відшукати аналітичний вираз з урахуванням умов однозначності досить важко.

Експериментальні методи дозволяють глибоко вивчити процеси точності технології експерименту і сконцентрувати увагу на тих параметрах процесу, які представляють найбільший інтерес. При експериментальному методі кожний конкретний процес повинен бути досліджений самостійно. Вони дозволяють встановити часткову залежність між окремими змінними в строго визначених інтервалах їх зміни. Аналіз змінних характеристик за границями цих інтервалів може привести до спотворення залежності, до грубих помилок.

Таким чином і аналітичні і експериментальні методи мають свої переваги і недоліки, які часто ускладнюють ефективний розв’язок практичних задач. Тому, дуже корисно поєднувати позитивні сторони аналітичних і експериментальних методів дослідження.

Методи експериментальних досліджень

Експериментальне дослідження — спосіб дослідження в основі якого лежить експеримент, який являє собою науково поставлений дослід або спостереження явища в точно заданих умовах, слідкувати за його ходом, керувати ним, відновлювати його кожний раз при повторюванні цих умов.

Основна мета експерименту — перевірка теоретичних положень (підтвердження робочої гіпотези), а також більш широке і глибоке вивчення теми наукового дослідження.

Експеримент повинен бути проведений в найкоротший строк з мінімальною затратою матеріальних і грошових достатків при самій високій якості отриманих результатів.

Експерименти бувають природні і штучні.

Природні експерименти характерні для соціальних явищ в умовах, наприклад виробництва, побуту, тощо.

Штучний експеримент широко застосовується в багатьох галузях і в першу чергу в технічних науках.

Пошукові експерименти дослідження проводиться при затрудненому класифікуванні факторів, які впливають на явище, що вивчається внаслідок відсутності достатніх попередніх даних. На основі попереднього експерименту будується програма досліджень по повній програмі.

Експерименти дослідження поділяються на лабораторні і виробничі.

Лабораторні досліди проводяться із застосуванням приладів, спеціальних моделюючих пристроїв, стендів, обладнання, тощо. Ці дослідження дозволяють найбільш повно і доброякісно вивчити вплив одних характеристик при варіюванні інших. Проте, такі експерименти не завжди повністю моделюють хід процесу, що вивчається.

Педагогічні експериментальні дослідження

Педагогічний експеримент є своєрідним комплексом методів дослідження, який забезпечує науковооб'єктивну і доказову перевірку, правильно обґрунтованої на початку дослідження, гіпотези. Він дозволяє перевірити ефективність тих або інших нововведень в область навчання і виховання.

Педагогічний експеримент вимагає від дослідника високої методологічної культури, старанної розробки його програми і надійного критеріального апарату, який дозволяє фіксувати ефективність освітньо-виховного процесу.

Види педагогічного експерименту

В педагогіці виділяють декілька основних видів експерименту. Перш за все розрізняють природний і лабораторний. Природний проводиться в звичайних умовах навчання.

У випадку лабораторного експерименту виділяються експериментальні групи в яких дається нова методика, індивідуальні і групові навчання і спостерігається за їх ефективністю.

В психолого-педагогічних дослідженнях виділяють констатуючий і формуючий експерименти. В першому випадку педагог-дослідник експериментальним шляхом установлює тільки стан педагогічної системи, яка вивчається, констатує факт зв’язку, залежності між явищами. У випадку, коли педагог-дослідник застосовує спеціальну систему заходів, спрямованих на формування у студентів визначених особистих якостей, покращення їх навчання, трудової діяльності говорить вже про формуючий експеримент.

Виробничі експериментальні дослідження

Виробничі експериментальні дослідження мають мету вивчити процес в реальних умовах з врахуванням дії різних випадкових факторів виробничого середовища. Наприклад, для вивчення процесів деформації і руйнування конструкцій доріг створюють спеціальні експедиції, які обстежують конструкції в осінні і весняні періоди підвищеної вологості. Цінність зібраних матеріалів, які оформлені за стандартами полягає в тому, що вони систематизовані за багато років і по єдиній методиці. Для обробки таких даних застосовують методи статистики і теорію ймовірності.

У виробничому експерименті можна застосувати метод анкетування. Для вивчення процесу складають старанно продуману методику. Основні дані збирають методом опитування виробничих організацій за попередньо складеною анкетою. До результатів анкетних даних необхідно віднести з особливою ретельністю, оскільки вони не завжди є правдивими.

Перш ніж приступити до експериментальних досліджень необхідно розробити методологію експерименту.

Методологія експерименту — це загальні принципи, структура експерименту, його постановка і послідовність виконання експериментальних досліджень. Методологія експерименту складається з таких основних етапів:

Ш розробка плану-програми експерименту;

Ш оцінка вимірювання і вибір засобів для проведення експерименту;

Ш обробка і аналіз експериментальних даних, встановлення адекватності.

Поряд з цим застосовують математичні теорію експерименту, за допомогою якої можна збільшити точність і зменшити об'єм експериментальних досліджень. В такому випадку методологія експерименту включає такі етапи:

Ш розробка плану-програми експерименту;

Ш математичне планування експерименту з одночасним проведенням експериментального дослідження;

Ш обробка і аналіз отриманих даних.

Розробка плану-програми експерименту

План-програма включає назву теми, необхідних матеріалів, приладів, обладнання, список виконуючих експеримент, календарний план робіт і кошторис на виконання експерименту. Якщо необхідно виконати прилад, апарат, методичне забезпечення. А також програми дослідних робіт на заводах, будівництві, тощо.

Основу плану-програми складає методика експерименту.

Методика — це система прийомів або способів для послідовного, найбільш ефективного експериментального дослідження і включає:

Ш мету і задачі експерименту;

Ш вибір варіюючи факторів;

Ш обґрунтування засобів і необхідної кількості вимірів;

Ш описування проведення експерименту;

Ш обґрунтування способів обробки і аналізу результатів експерименту.

Визначення мети і задачі експерименту є одним із найбільш важливих етапів. На основі аналізу інформації, гіпотези і теоретичних розробок обгрунтовують мету і задачі.

Вибір варіюючих факторів — це встановлення основних і другорядних характеристик, які впливають на процес, що досліджується, встановлюють залежність між цими факторами. Основним принципом встановлення степені важливості характеристики є її роль в досліджуваному процесі. Для цього вивчають процес в залежності від якої-небудь однієї змінної при останніх constant, тоді коли змінних характеристик мало (1−3), якщо ж змінних величин багато використовують принцип багатофакторного аналізу.

Обґрунтування засобів вимірювання — це вибір необхідних для спостереження і вимірювання приладів, обладнання, машин, апаратів тощо. В першу чергу використовують стандартні прилади, які випускаються серійно, робота на яких регламентується інструментами, ГОСТами та іншими офіційними документами. Методи вимірювання повинні базуватися на законах метрології.

При експериментальному дослідженні одного і того ж процесу (спостереження, вимірювання) повторні відліки на приладах, як правило, не однакові. Відхилення пояснюється різними причинами: неоднорідність властивостей предмету, що вивчається; недосконалістю приладів і класом їх точності. Це вимагає повторних вимірів. Необхідно визначити необхідну, але мінімальну кількість вимірів, які забезпечили б в даному досліді стійке середнє значення величини, що вимірюють, і задовольняло б задану степінь точності. Це дасть змогу забезпечити отримання найбільш об'єктивних результатів при мінімальних затратах часу і засобів.

В методиці докладно проектують процес проведення експерименту:

Ш складають послідовність проведення операцій спостереження і вимірювання;

Ш описують кожну операцію;

Ш розробляють форми журналів для записів результатів експерименту;

Ш вибирають методи обробки і аналізу експериментальних даних;

Ш приділяють велику увагу математичним методам обробки і аналізу дослідних даних — встановлення емпіричних залежностей, апроксимацію зв’язків між варіюючи ми характеристиками знаходження критеріїв та надійних інтегралів тощо;

Ш визначають об'єм і трудомісткість експериментальних досліджень, які залежать від глибини теоретичних розробок і степені точності прийнятих засобів вимірювання.

Можливі три випадки проведення експерименту.

1. Теоретично одержана аналітична залежність, яка однозначно визначає процес, що досліджується.

2. Теоретичним шляхом встановлений характер залежності. Об'єм експерименту зростає.

3. Теоретично не вдалося отримати які-небудь залежності. Необхідно провести пошуковий експеримент. Можна використати метод математичного планування експерименту.