Основными инструментами научного исследования являются методы исследования (рис. 1.1). Под методом понимают способ теоретического или экспериментального изучения какого-либо явления или процесса, способствующий открытию объективных законов (закономерностей) действительности. Применяемый в научных исследованиях метод зависит от характера исследуемого объекта (предмета).
Наиболее общим является диалектический метод. Для изучения конкретного процесса (явления) используют частный метод. Совокупность общего и частного методов позволяет получить ответ на вопросы:
       |
С чего надо начинать исследования? Как относиться к фактам? Как их обобщать? Каким путем идти к выводам? Совокупность методов, способов, приемов, их последовательность или схема, принятая при проведении научного исследования, представляют собой методологию, которая является основой каждого научного исследования.
Методология также может быть общей и частной. Общая методология – это принципы диалектики, с ее помощью исследуются законы развития научного познания в целом. Частная методология основывается на законах отдельных наук и связана с частными методами исследований.
Важную роль в научном исследовании играют задачи, на решение которых оно направлено. Эти задачи, а также методы исследований, привлекаемые для их решения, обычно подразделяют на теоретические и эмпирические.
Теоретические задачи направлены на выявление причин, связей, зависимостей, позволяющих установить поведение объекта, определить и изучить его структуру, дать его характеристику на основе используемых в данной области науки принципов, методов и способов. В теоретических исследованиях возможны два подхода: логический и исторический.
|
|
Логический подход основан на логике (логика – наука о законах мышления) и включает в себя гипотетический (гипотеза – предложение) и аксиоматический (аксиома – исходное положение без доказательств) методы.
Гипотетический метод основан на разработке гипотезы, которая используется в качестве средства достижения научных результатов, когда ученые не располагают достаточным фактическим материалом. Гипотеза – это научно обоснованное предположение, содержащее элементы новизны и оригинальности и выдвигаемое для объяснения какого-либо процесса (явления). После проверки гипотеза может оказаться истинной или ложной. Гипотеза выступает часто как черновой вариант устанавливаемых закономерностей и открываемых законов. Большинство научных законов и теорий было сформулировано на основе ранее высказанных гипотез.
Аксиоматический метод основан на очевидных положениях (аксиомах), принимаемых без доказательств (например, аксиомы Евклидовой геометрии). Аксиомы являются начальной формой систематизации знаний и получили распространение в теоретических науках.
Исторический подход позволяет исследовать возникновение, формирование и развитие процессов и событий в хронологической последовательности с целью изучения внутренних и внешних связей, закономерностей и противоречий. Данный метод исследования используется преимущественно в общественных науках. В естественных и прикладных науках он применяется при изучении развития и формирования тех или иных областей знания (обзорах, классификациях). Между логическим и историческим подходами существует единство, основанное на том, что любое логическое познание должно рассматриваться в историческом аспекте.
|
|
Основным методом теоретических исследований в прикладных науках является гипотетический метод (например, гипотеза проф. М.М. Протодьяконова об образовании свода естественного равновесия в кровле выработки). Гипотеза составляет методологический стержень теоретических исследований, определяет их направление и объем. Сформулировать рабочую (первоначальную) гипотезу, как правило, трудно. Успех, прежде всего, зависит от полноты собранной информации, глубины творческого анализа, стройности выводов, сформулированных целей и задач исследований. Выдвигаемые первоначально гипотезы в процессе исследования подвергаются анализу, критике и уточнению, в результате чего они становятся более достоверными. Рабочая гипотеза должна подвергается экспериментальной проверке. Если гипотеза полностью подтверждается, то она превращается в научную теорию.
Теория – это система знаний, объясняющая совокупность явлений в некоторой области. С помощью теории отдельные результаты упорядочиваются, обобщаются, приводятся в стройную систему, объединенную общей идеей. Теория должна быть эвристичной, конструктивной и простой. Первое свойство наделяет теорию прогностическими возможностями, т.е. она должна позволять делать точные количественные предсказания. Конструктивность теории состоит в проверяемости ее положений. Простота теории достигается путем представления информации при помощи общеупотребляемых символов. Критерием истинности теории является практика.
|
|
В ряде случаев выдвижение гипотезы происходит интуитивно (интуиция – способность постижения истины путем прямого ее усмотрения без обоснования с помощью доказательств). Следует отметить, что интуиции бывает достаточно для формулирования гипотезы, но ее недостаточно, чтобы убедить в истине других и самого себя. Для этого необходимо доказательство, на что и направлено исследование.
В процессе мышления при выдвижении гипотез у исследователя возникают идеи (идея – мысль, достигшая высокой степени объективности, полноты и конкретности, и направленная на практическую реализацию). Генерация идей является неотъемлемой особенностью мышления исследователя, так как без новых идей невозможно движение вперед. По подсчетам американских ученых, на каждый используемый в производстве результат приходится 8 патентов, 98 технических решений и 540 идей.
Особую роль в теоретических исследованиях играют общенаучные методы познания: анализ и синтез; дедукция и индукция; идеализация; абстрагирование; ранжирование; формализация и пр.
Анализ – это способ научного познания, при котором объект расчленяется на составные части. Синтез – противоположный анализу метод, заключающийся в исследовании объекта в целом, на основе объединения связанных друг с другом элементов. Эти способы взаимосвязаны, так как без анализа нет синтеза. Так, например, при исследовании технологии, выделяя из ее состава отдельные процессы, применяют анализ, а, изучая технологию как систему, состоящую из отдельных процессов, используют синтез.
Важное место в исследованиях занимают дедукция и индукция.
Дедуктивный способ – это такой способ умозаключения, при котором частные положения выводятся из общих. Так, на основе общих законов механики сплошной среды получают уравнения для определения размеров зоны неупругих деформаций вокруг выработки. Этот способ, базирующийся на известных логических связях, за пределами которых он не может быть использован, определяет конечный результат исследования. Это является недостатком дедуктивного метода, так как, например, чтобы исследовать процессы деформирования пород вокруг выработки с максимальным приближением к действительности, необходимо учитывать новые факторы, выходящие за пределы исходных положений.
Индуктивный способ – это такой способ умозаключения, при котором по частным фактам устанавливаются общие принципы и законы (например, периодический закон Д.И. Менделеева). Научная индукция позволяет определить причинную связь параметров изучаемого объекта.
В теоретических исследованиях используют как индукцию, так и дедукцию. Так, например, обосновывая ту или иную гипотезу, прежде всего, устанавливают ее соответствие с общими законами диалектики и естествознания, т.е. применяют способ дедукции. В то же время гипотезу формируют на основе частных фактов, полученных из эксперимента.
При анализе явлений и процессов возникает потребность в применении и других способов. Для упрощения исследуемому объекту часто присваивают несуществующие, нереальные свойства (но в допустимых пределах), т.е. прибегают к идеализации, например, модель идеального упругого или пластичного тела при описании процесса деформирования пород.
При анализе большого количества фактов важно уметь выделить главное. В этом случае применяют способ абстрагирования, т.е. отвлечение от второстепенных факторов с целью сосредоточения на важнейших особенностях изучаемого явления. Так, при исследовании процессов деформирования пород часто принимают постоянную температуру, не учитывают влажность, трещиноватость и пр. Абстрагирование осуществляется в две стадии. На первой факторы ранжируются по степени значимости, а на второй стадии объект заменяется другим, более простым, который выступает в качестве "модели" первого.
Для описания взаимосвязей между основными параметрами модели применяют способ формализации, т.е. представление абстрактных категорий в виде формул и другой символики, присущей тому или иному математическому методу.
Эмпирические задачи направлены на выявление, точное описание и тщательное изучение различных факторов изучаемых явлений и процессов. В научных исследованиях эти задачи решаются такими методами, как наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент.
Наблюдение – это пассивный метод познания, при котором объект изучают без вмешательства в него, но с соблюдением принципов целенаправленности, планомерности, преднамеренности и систематичности.
Сравнение – это процесс установления сходства или различия предметов и явлений действительности, а также нахождения общего, что присуще двум или нескольким объектам. Объекты могут сравниваться непосредственно или опосредственно через их сравнение с каким-либо эталоном. В первом случае получают качественные результаты (больше, меньше). Сравнение же объектов с эталоном дает количественные характеристики. Такое сравнение называют измерением.
Измерение – это определение численного значения некоторой величины с помощью средств измерения. Оно предполагает наличие следующих основных элементов: объекта измерения, эталона, измерительных приборов, метода измерения.
Эксперимент – это наиболее общий активный метод познания (научно поставленный опыт), при котором производят не только наблюдения и измерения, но и изменяют условия проведения исследования для выявления влияния одного фактора на другой (другие). К нему прибегают при необходимости изучения у объекта ранее неизвестных свойств, а также при проверке правильности теоретических предпосылок.
Эксперимент и теория тесно взаимосвязаны между собой. Игнорирование экспериментальных данных неизбежно ведет к ошибкам. Правильная постановка эксперимента – важнейший этап исследования, позволяющий подтвердить предварительные теоретические предпосылки и сделать объективные выводы.
Основным методом современных исследований, который применяется как на теоретическом, так и на эмпирическом уровнях, является моделирование. Это метод, основывающийся на использовании модели в качестве средства исследования. Под моделью понимают искусственную систему, отображающую с определенной степенью точности основные свойства реального объекта (оригинала). Модель состоит в определенном соотношении (аналогия, подобие) с изучаемым объектом, заменяет его при исследовании и позволяет получить наиболее достоверную информацию. Различают макетирование, физическое, аналоговое и математическое моделирование.
Макетирование или геометрическое моделирование основано на соблюдении между объектом и моделью только геометрического подобия и является грубым приближением к реальным явлениям и процессам. Опыты М. Файоля, М.М. Протодьяконова и др., основанные на соблюдении геометрического подобия, сыграли значительную роль в становлении горной науки и привели к широкому применению моделирования.
Физическое моделирование предусматривает воссоздание в модели тех же самых физических полей, которые действуют в объекте, но измененных по своим абсолютным значениям в соответствии с масштабом моделирования (критерием подобия). Задачи горной науки решают с помощью следующих методов физического моделирования: метод эквивалентных материалов, метод фотоупругости и фотопластичности, центробежный метод, метод структурных моделей.
Аналоговое моделирование предусматривает замену в моделе по сравнению с объектом одних физических полей другими. При этом используется среда, которая ведет себя аналогично реальному объекту и описывается аналогичными математическими зависимостями. В качестве примера можно привести метод электрогидравлических аналогий, основанный на математической аналогии между стационарным движением электрического тока в проводящей среде и ламинарным движением жидкости в пористой породе.
Математическое моделирование является методом изучения процессов и явлений, для которых известно математическое описание. Оно базируется на общих законах природы и применении формы записи (формализации) этих законов для конкретного явления или процесса. Моделирование состоит в воспроизведении состояния системы с сохранением логической структуры взаимосвязи элементов, их физического содержания и последовательности смены состояний во времени.
Используемые в горной науке математические модели можно подразделить на аналитические, численные, статистические и имитационные. Аналитические модели основываются на установлении математических зависимостей в явном виде между параметрами, характеризующими состояние системы. Чтобы аналитическое решение было возможным, неизбежно приходится принимать ряд допущений, идеализирующих задачу настолько, что ее решение оказывается весьма далеким от реальности. Если математическую модель невозможно преобразовать к конечному виду, а упрощения приводят к грубым результатам, более рационально использовать численные методы, которые особенно эффективны при применении вычислительных машин.
В задачах с большим числом влияющих факторов и случайными связями между элементами эффективны методы, реализуемые на основе статистического моделирования. Суть его состоит в воспроизведении на ЭВМ с помощью рандомизации случайного явления или процесса для накопления материала, обрабатываемого методами математической статистики. Недостатком таких моделей является их громоздкость и трудоемкость, а также сложность осмысления результатов.
При исследовании сложных систем используется имитационное моделирование на ЭВМ, которое синтезирует все виды моделирования и позволяет объединить имитацию исследуемого явления и планирование эксперимента. Имитационное моделирование представляет собой своеобразное экспериментирование с моделью реальной системы.
Заканчивая рассматривать методологические основы научного познания можно еще раз подчеркнуть следующее. Процесс познания идет от сбора, изучения и систематизации фактов, обобщения и раскрытия отдельных закономерностей к логически стройной системе знаний (теории), позволяющей объяснить неизвестные понятия и предсказать новые.
ЛЕКЦИЯ 2