Теоретические исследования
Задачи теоретических исследований
Трудоемкость выполнения научно-исследовательской работы на разных этапах неодинакова. Теоретическая часть является основополагающей составляющей всего научного исследования. Теоретическая часть исследования требует больших умственных затрат. Это наиболее сложный творческий этап. От его результатов зависит успех решения поставленной научной задачи, проблемы.
Теоретические исследования имеют цель выделить существенные связи между исследуемым объектом и окружающей средой, объяснить и обобщить результаты экспериментальных исследований, выявить и сформулировать общие закономерности явлений, процессов.
Задачи теоретических исследований в каждом конкретном случае разные, однако, можно указать на четыре основных задачи, обладающие определенной общностью:
1. Изучение объекта, недоступного или малодоступного для непосредственного эмпирического, экспериментального исследования и формулирование закономерностей, связей, моделей.
В процессе исследования объектов, недоступных для непосредственного исследования в настоящее время в результате развития методологии и приборного обеспечения становится все меньше и меньше.
Однако, объектов исследования с ограниченной доступностью много, например, процесс взаимодействия ротора тестомесильной машины с тестом, в результате которого на рабочих органах в разных ее точках действуют элементарные реактивные силы, отличающиеся друг от друга, как по величине, так и по направлению, при этом, векторы их, в связи с непостоянством структуры обрабатываемого пласта, непостоянны во времени.
Поэтому изучение таких и им подобных процессов необходимо начинать с теоретических исследований, путем абстрактного мышления.
2. Расширение результатов исследований известных объектов на другие подобные (с разной степенью общности) объекты, не повторяя совпадающей (общей) части исследования.
Например, классиками земледельческой механики академиками В.П. Горячкиным, Г.Н. Синеоковым создана, так называемая, теория резания со скольжением. Действие "клина" лежит в основе многих процессов: взаимодействие рабочего почвообрабатывающего органа с почвой; взаимодействие бича молотильного аппарата с хлебной массой; взаимодействие резца с металлом при его обработке и др. При выявлении закономерностей взаимодействия бича с хлебной массой за основу была взята теория клина, расширена, совершенствована с учетом особенностей условий работы и представлена в виде математической модели, дающей возможность обоснования основных параметров молотильного аппарата.
3. Нахождение общих закономерностей путем обобщения, обработки и интерпретации результатов экспериментальных исследований. Примером могут служить уравнения регрессии, функции отклика, отражающие многофакторные процессы, полученные в результате оптимального планирования эксперимента и соответствующей математической обработки и обобщения его результатов.
4. Обоснование достоверности и повышение надежности экспериментального исследования, заключающееся в основном в обосновании условий, параметров наблюдений и точности измерений.
Рабочая научная гипотеза
Анализ современного состояния научных исследований путем изучения исходной информации и обобщения существующих научных положений по изучаемому вопросу позволяет выдвинуть рабочую научную гипотезу. Как уже было выяснено, проведенный анализ обеспечивает исследователя знаниями, достаточными для формулирования проблемы и постановки задач для ее решения, но не достаточными для непосредственного ее решения. Для решения сформулированной проблемы необходимы новые научные знания о причинах, обуславливающих определенные следствия в объективных процессах или явлениях. Накопление этих знаний необходимо, прежде всего, для выдвижения определенного предположения о направлении решения проблемы, выдвижения научной гипотезы.
Рабочая научная гипотеза - высказанное исследователем научнообоснованное предположение о вероятной причине возникновения наблюдаемых фактов, закономерностей, связей или о вероятном предположительном развитии процесса или явления с формулированием научного положения с новым содержанием, выходящим за пределы имеющихся знаний, выдвижением новых идей, носящих временно вероятностный характер, на основе которых происходит дальнейший поиск новых научно обоснованных результатов. Гипотеза потому и включает термин "научная", что является научно обоснованным предположением о наличии существенных связей между следствием и причиной в изучаемых процессах или явлениях.
Рабочая гипотеза может определить причины, основные условия, движущие силы, обусловливающие развитие исследуемого явления, и этого может быть достаточно для продолжения дальнейшего исследования, дальнейшего и полного решения проблемы - это минимум, что требуется от гипотезы. Однако для решения некоторых других более глобальных проблем гипотезы - минимум недостаточно.
В этом случае гипотеза должна дать полное или почти полное вероятное объяснение всего процесса развития исследуемого явления это есть – максимум - гипотеза.
В этом заключается суть и ценность гипотезы как формы развития науки.
После знакомства с исходной информацией сразу гипотеза не рождается. В процессе осмысления появляется новая мысль в виде какой-то догадки, как правило, возникающей интуитивно, на основе научной фантазии. Дальнейшей стадией мышления является превращение догадки в довольно стройную научную гипотезу путем придания фантазии строгих, логических ограничений и объяснений. Поэтому не всякое предположение о причине известного следствия является гипотезой. Гипотезу можно признать и принять за основу при разрешении проблемной ситуации только в том случае, если выдвинутое первоначальное предположение не противоречит всем известным в этой области научным положениям, а вероятность его истинности доказуема. В качестве примера можно привести гипотезу о том, что наибольшую дальность перемещения зерна в подсошниковом пространстве зерновой сеялки можно достигнуть путем скольжения его по гладкой поверхности, а не путем полета его по траектории "свободно брошенного тела".
В этой гипотезе основные научные предположения согласуются с основными законами механики движения тела со скольжением по гладкой поверхности и законами полета тела в пространстве.
Если же высказанное предположение находится в противоречии с известными законами в этой области науки, то его нельзя принимать в качестве рабочей научной гипотезы.
Например, была выдвинута ”гипотеза” увеличения производительности агрегатов путем создания и использования скоростных агрегатов. Главное научное предположение этой гипотезы основывалось на формуле часовой производительности:
Wr = 0.1BJbe, (3.1)
где В - ширина захвата агрегата;
J - скорость движения агрегата;
b - коэффициент использования ширины захвата;
e - коэффициент реализации скоростных возможностей агрегата, из которой видно, что производительность находится в прямо пропорциональной зависимости от скорости. Действительно, на первый взгляд вполне логичное предположение - с увеличением скорости, например, в 2 раза в соответствии с этой формулой повышается производительность во столько же! Появились в научно-технической литературе статьи, рекомендации, даже монографии, например, "Скоростные сельскохозяйственные агрегаты", где излагалась необходимость эффективность использования агрегатов малой ширины захвата, но на повышенных скоростях движения.
Но в результате более глубокого анализа широкой научной общественностью этой гипотезы было выявлено противоречие основного предположения ее с научными положениями в области эффективности использования машинотракторного парка. Например, в соответствии с рациональной формулой академика В.П. Горячкина:
R = Gf + K0aB + xaBJ2, (3.2)
где G - сила веса машины (например, плуга);
f - коэффициент "протаскивания" машины без сопротивления обрабатываемого материала;
K0 - удельное сопротивление обрабатываемого материала обрабатывающему рабочему органу (например, почвы плугу);
В - ширина захвата агрегата (машины);
x - коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивную характеристику рабочего органа;
J - скорость движения агрегата.
Здесь необходимо акцентировать то, что тяговое сопротивление агрегата зависит не от скорости, а от квадрата скорости.
Следовательно, в рассматриваемом примере при обосновании справедливости, объективности гипотезы надо было бы рассмотреть эти два научных положения в системе, из которой можно видеть, что увеличение скорости можно добиться увеличения производительности, но это значительно в большей степени приведет к увеличению тягового сопротивления, а значит и к перерасходу затрачиваемой энергии. Кроме того, в соответствии с (1) и тяговой характеристикой энергетической установки, например, трактора (это то же классическое научное положение), увеличение скорости обусловливает необходимость уменьшения ширины захвата (чтобы не выйти за пределы силы тяги тягача), а это, в свою очередь, вызывает увеличение количества проходов агрегата, например, по полю при посеве, что обеструктуривает почву (уплотняет) и снижает ее плодородие.
Из сравнения этих же основных, научных положений (формул 3.1 и 3.2) видно, что проблему решать эффективнее путем создания и использования не скоростных (V), а широкозахватных агрегатов при агротехнически необходимой скорости их движения.
Рассмотренный пример, а в науке подобных примеров очень много, показал, что бывают ошибочные гипотезы, некоторые из них даже какое-то время "жизнеспособны", но за это время они подвергаются более глубокому анализу, в результате чего "выкристаллизовывается" достоверная, основополагающая гипотеза, проверенная многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями, которая в настоящее время переросла в общепризнанную теорию широкозахватных агрегатов и основ их проектирования для реальных условий выраженного мезорельефа полей (например, Ковриков И.Т. "Основы проектирования широкозахватных машин почвозащитного комплекса с учетом мезорельефа полей", "Основы совершенствования почвозащитного комплекса машин" - Рекомендации МСХ СССР, 1983).
Таким образом, глубоко обоснованная, достоверная и объективная гипотеза обусловливает возможность заложить в методику теоретических и экспериментальных исследований конкретные и достоверные параметры, объективно характеризующие изучаемый процесс или явление (объект исследования) и разработать более достоверные и значимые, как для науки, так и для производства, научные положения.
Обоснованная, подтвержденная и развитая в процессе научных исследований с применением современного математического аппарата эксперимента, проведенного на базе современного методического обеспечения, рабочая гипотеза превращается в научную теорию.