Тема 3.3. Формулировка научной гипотезы, цели и задач, построение схемы опыта

Вспомним основные этапы научно-исследовательской работы

Обобщая сказанное раннее, предлагаем оформить информацию в виде главы "Введение", которая чаще всего "начинает" любую рукопись научной работы.

ВВЕДЕНИЕ – в рукописи проекта (описание проблемной ситуации)

Кратко необходимо:

“Введение” не всегда получается сохранить в первоначальном виде. Это связано с тем, что в процессе работы часто появляются какие-то новые мысли, идеи. Поэтому, при завершении работы над рукописью необходимо еще раз просмотреть данную главу и может быть, что-то исправить. Особенно тщательно надо представить цель и задачи исследований

При решении научных проблем часто не хватает эмпирических фактов, поэтому исследователь опираясь на свои знания делает предположения, догадки, можно выразить: ЗНАНИЯ -> СИНТЕЗ -> ГИПОТЕЗА.

Решая научные проблемы гипотеза выполняет 2 основные функции:

Сделаем акцент на первой функции. В этой связи в качестве варианта можно предложить определение научной гипотезы как формы научного знания:

Научная гипотеза - это форма вероятностного научного знания в виде предположений, догадок или предсказаний о существовании неизвестных ранее явлений, скрытых причинах их возникновения, закономерных связях и отношениях, или

это вид умозаключения, пытающегося проникнуть в сущность еще недостаточно изученной области действительности

"В науке не существует жестких правил открытия и рецептов для выдвижения гипотез"

Гипотеза – предполагаемое решение проблемы. Заведомо истинный, как и заведомо ложный ответ на нее не может выступать в качестве гипотезы.

В агрономическом исследовании гипотеза должна воплотиться в схеме эксперимента (опыта).

Говоря о гипотезе важно помнить о том, что не все из них оправдываются, некоторые являются неверными. Являясь одним из способов объяснения фактов и наблюдений, гипотезы чаще всего создаются по правилу "то, что мы хотим объяснить аналогично тому, что мы уже знаем". Любая научная гипотеза начинается с позновательного вопроса.

Основные методические подходы для выдвижения рабочей гипотезы

Для составления рабочей гипотезы следует тщательно изучить литературные данные, все доступные отчеты о проведенных ранее аналогичных исследованиях. Все отобранные материалы необходимо критически проанализировать, чтобы выяснит, что:

1. уже достгнуто и разработано;

2. какие оригинальные направления и творческие замыслы развивались для решения задачи;

3. какие есть неясности, противоречия и недоработки;

4. если это возможно, выявить, методические ошибки и недостатки предыдущих исследований.

5. какие намечаются пути к открытию нового и развитию, улучшению старого.

К анализируемым работам нельзя подходить предвзято, надо уметь видеть главное - физический смысл явлений.

Тщательно изучив все материалы, относящиеся к цели и предмету исследования, разрабатывают его рабочую гипотезу. Вполне возможно, что перед исследователем откроется несколько путей решения, соответствующих различным вариантам рабочей гипотезы. Все варианты надо тщательно продумать и записать. Исследователь принимает тот вариант, который, по его мнению, дает наиболее быстрое и верное решение, и в ходе исследования не должен забывать, что данные опытов могут не соответствовать принятому варианту, но зато подтвердить жизненность другого. Реже предоставляется возможность вести исследование сразу по нескольким вариантам гипотезы.

Как минимум, рабочая гипотеза устанавливает факторы (причины, основные условия, движущие силы), обусловливающие развитие явления. Это весьма важная исходная часть методики; при неправильном определении факторов исследование может быть безрезультативным, так как пойдет не в том направлении, в каком развивается явление, и поэтому приведет к ложным выводам.

В принятой рабочей гипотезе необходимо выделить из всех уже известных наиболее важные и решающие причинные связи, отношения, вероятное направление и ход развития. Желательно эти связи, направленя и ход развития изобразить графиком предполагаемых функциональных зависимостей. Иногда такой график может дать принципиальное предполагаемое решение задачи.

Сталкиваясь с новыми объектами или явлениями как в науке, так и в повседневной жизни, мы начинаем процесс их познания с выдвижения предположений о свойствах неизвестных объектов, об их возможных взаимосвязях, об их внутренней структуре и т. п. Даже простое узнавание окружающих нас предметов и явлений начинается с предположения о возможной их отнесенности к тому или иному типу объектов. Например, гуляя по лесу, вы замечаете сидящую на дереве птицу. Стараясь определить, что это за птица, вы выдвигаете различные предположения: ворона? Сорока? Грач? Затем проверяете эти предположения, стараясь приблизиться и рассмотреть объект получше.

Гипотезой также называют предположение о свойствах, причинах, структуре, связях изучаемых объектов. Основная особенность гипотезы заключается в ее предположительном характере: мы не знаем, окажется она истинной или ложной. В процессе последующей проверки гипотеза может найти подтверждение и приобретет статус истинного знания, однако не исключена возможность того, что проверка убедит нас в ложности нашего предположения и нам придется от него отказаться. Научная гипотеза обычно отличается от простого предположения определенной обоснованностью.

Упрощенные изложения истории тех или иных научных дисциплин порой создают впечатление, что наука уверенно и методично движется от одного открытия к другому, не зная ни сомнений, ни поражений. Это, конечно, далеко не так. Любая научная истина вырастает из множества предположительных решений проблемы — гипотез, большая часть которых не выдерживает проверки и отбрасывается. Но они не были совершенно бесполезны. Любая гипотеза в течение некоторого времени направляет познание в определенном направлении, стимулирует поиск фактов, постановку экспериментов, следовательно, вносит свой вклад в поиск истины. В этом заключается величайшая эвристическая роль гипотез. Например, размышляя о строении атома, японский физик X. Нагаока в начале XX в. высказал гипотезу о том, что атом своим строением напоминает Солнечную систему: в центре находится положительный заряд, вокруг которого по планетарным орбитам движутся электроны — отрицательно заряженные частицы. Однако факты и расчеты, связанные с излучением атомов, вступили в противоречие с гипотезой Нагаока, и она была отброшена. Физики приняли гипотезу английского ученого Д. Д. Томсона, согласно которой атом не имеет центра, а представляет собой сферу, в которую вкраплены электроны. Прошло несколько лет, и опыты Э. Резерфорда показали, что основная масса вещества атома и его положительный заряд сконцентрированы в некоторой точке, а не "размазаны" по сфере. Физикам пришлось вновь вернуться к гипотезе планетарного строения атома. И такое развитие познания, выдвигающее, отбрасывающее, корректирующее те или иные гипотезы, характерно для любой науки. "Формой развития естествознания, — писал Ф. Энгельс еще в прошлом веке, — поскольку оно мыслит, является гипотеза. Наблюдение открывает какой-нибудь новый факт, делающий невозможным прежний способ объяснения фактов, относящихся к той же самой группе. С этого момента возникает потребность в новых способах объяснения, опирающаяся сперва только на ограниченное количество фактов и наблюдений. Дальнейший опытный материал приводит к очищению этих гипотез, устраняет одни из них, исправляет другие, пока, наконец, не будет установлен в чистом виде закон. Если бы мы захотели ждать, пока материал будет готов в чистом виде для закона, то это значило бы приостановить до тех пор мыслящее исследование, и уже по одному этому мы никогда не получили бы закона".

С точки зрения логики гипотеза представляет собой предложение, истинностное значение которого не определено. Поэтому самая простая классификация гипотез опирается на форму выражающих их предложений. В связи с этим гипотезы можно разделить на общие, частные и единичные. Общая гипотеза — это предположение о всем классе изучаемых объектов; частная гипотеза выражает предположение о некоторой части изучаемого класса объектов; наконец, единичная гипотеза говорит о конкретных отдельных объектах или явлениях. Например, гипотеза Демокрита "Все тела состоят из атомов" была общей; гипотеза "Некоторые вирусы вызывают заболевание" является частной, а гипотеза "Солнце представляет собой сравнительно молодую звезду" относится к единичным.

Однако при боле широком подходе, учитывающем содержание научного предположения, а не только форму выражающего его предположения, выделяют множество иных разновидностей гипотез. В частности, в науке высказываются предположения об отдельных фактах или о закономерных связях вещей и явлений, т. е. о законах. Гипотеза может говорить о сущности некоторых процессов или явлений, об их причинах, в то же время широко используются и гипотезы о самих явлениях, о возможности их существования, о следствиях известных причин и т. д.

Особое место в научном исследовании занимают так называемые "рабочие" гипотезы. От обычной гипотезы рабочая гипотеза отличается лишь меньшей обоснованностью и произвольностью. Сталкиваясь с новыми фактами, с новым экспериментальным материалом, ученый часто не может сразу выдвинуть гипотезу, правдоподобно объясняющую эти факты и согласующуюся с истинными научными теориями. Вместе с тем, продолжение исследования требует некоторой направляющей идеи, которая помогает как-то ориентироваться в хаосе данных и подсказывает некоторый дальнейший путь исследования. Поэтому ученый часто принимает некоторую гипотезу, которая хотя и не заслуживает серьезного отношения, но в течение определенного времени помогает ему проводить исследования в определенном направлении. Вот такая гипотеза и называется рабочей. Как правило, она вскоре отбрасывается, заменяется другой, однако бывают случаи, когда такая заведомо неправдоподобная гипотеза, которая принимается лишь на время в качестве рабочей, неожиданно оказывается плодотворной, получает подтверждение и обретает статус серьезной научной гипотезы.

Имеется еще одна разновидность гипотез, привлекающая большое внимание философов и ученых. Это так называемые гипотезы ad hoc (для данного случая). Гипотезы данного вида отличаются тем, что их объяснительная сила ограничена лишь небольшим кругом известных фактов. Они ничего не говорят о новых, еще не известных фактах и явлениях. Хорошая гипотеза должна не только давать объяснение известным данным, но и направлять исследование на поиск и открытие новых явлений, новых фактов. Гипотезы ad hoc только объясняют, но ничего нового не предсказывают. Поэтому ученые стараются не использовать подобных гипотез, хотя часто бывает довольно трудно решить, имеем ли мы дело с плодотворной, эвристически сильной гипотезой или перед нами гипотеза ad hoc.

В современной науке гипотезы используются как элемент гипотетико-дедуктивного метода — одного из важнейших методов научного познания и рассуждения. В основе его лежит выведение (дедукция) заключений из гипотез и других посылок, истинностное значение которых неизвестно. Поскольку в дедуктивных рассуждениях значение истинности переносится от посылок к заключению, а посылками в данном случае служат гипотезы, постольку и заключение гипотетико-дедуктивного рассуждения имеет лишь вероятностный характер. Соответственно типу посылок гипотетико-дедуктивные рассуждения разделяют на две основные группы. К первой, наиболее многочисленной группе относят такие рассуждения, посылками которых являются гипотезы и эмпирические обобщения, истинность которых еще нужно установить. Ко второй — относятся гипотетико-дедуктивные выводы из таких посылок, которые заведомо ложны или ложность которых может быть установлена. Выдвигая некоторое предположение в качестве посылки, можно из него дедуцировать следствия, противоречащие хорошо известным фактам или истинным утверждениям. Таким путем в ходе дискуссии можно убедить оппонента в ложности его предположения. Хорошо известным примером такого применения гипотетико-дедуктивного метода является метод приведения к абсурду.

В научном познании гипотетико-дедуктивный метод получил широкое распространение и развитие в XVII—XVIII вв., когда были достигнуты значительные успехи в области изучения механического движения земных и небесных тел. Первые попытки применения гипотети-кодедуктивного метода были сделаны в механике, в частности, в исследованиях Галилея. Теория механики, изложенная в "Математических началах натуральной философии" Ньютона, представляет собой гипотетико-дедуктивную систему, посылками которой служат основные законы движения. Успех гипотетико-дедуктивного метода в области механики и влияние идей Ньютона обусловили широкое распространение этого метода в области точного естествознания.

С логической точки зрения гипотетико-дедуктивная система представляет собой иерархию гипотез, степень абстрактности и общности которых увеличивается по мере удаления от эмпирического базиса. На вершине располагаются гипотезы, имеющие наиболее общий характер и поэтому обладающие наибольшей логической силой. Из них как посылок выводятся гипотезы более низкого уровня. На самом низшим уровне системы находятся гипотезы, которые можно сопоставлять с эмпирическими данными. В современной науке многие теории строятся в виде гипотетико-дедуктивной системы.

Такое построение научных теорий имеет большое методологическое значение в связи с тем, что оно не только дает возможность исследовать логические взаимосвязи между гипотезами разного уровня абстрактности, но и позволяет осуществлять эмпирическую проверку и подтверждение научных гипотез и теорий. Гипотезы самого низкого уровня проверяются путем сопоставления их с эмпирическими данными. Если они подтверждаются этими данными, то это служит косвенным подтверждением и гипотез более высокого уровня, из которых логически выведены первые гипотезы. Наиболее общие принципы научных теорий нельзя непосредственно сопоставить с действительностью, с тем чтобы удостовериться в их истинности, ибо они, как правило, говорят об абстрактных или идеальных объектах, которые сами по себе не существуют в действительности. Для того, чтобы соотнести общие принципы с действительностью, нужно с помощью длинной цепи логических выводов получить из них следствия, говорящие уже не об идеальных, а о реальных объектах. Эти следствия можно проверить непосредственно. Поэтому ученые и стремятся придавать своим теориям структуру гипотетико-дедуктивной системы.

Разновидностью гипотетико-дедуктивного метода считают метод математической гипотезы, который используется как важнейшее эвристическое средство для открытия закономерностей в естествознании Обычно в качестве гипотез здесь выступают некоторые уравнения представляющие модификацию ранее известных и проверенных соотношении. Изменяя эти соотношения, составляют новое уравнение, выражающее гипотезу, которая относится к неисследованным явлениям Так, например, М. Борн и В. Гейзенберг приняли за основу канонические уравнения классической механики, однако вместо числе ввели в них матрицы, построив таким способом матричный вариант квантовой механики. В процессе научного исследования наиболее трудная — подлинно творческая — задача состоит в том, чтобы открыть и сформулировать те принципы и гипотезы, которые могут послужить основой всех последующих выводов. Гипотетико-дедуктивный метод играет в этом процессе вспомогательную роль, поскольку с его помощью не выдвигаются новые гипотезы, а только выводятся и проверяются вытекающие из них следствия. Однако, не прибегая к помощи этого метода, мы не смогли бы отличить истинные предположения от ложных.

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ И ОПРОВЕРЖЕНИЕ ГИПОТЕЗ

Подтверждением называют соответствие гипотезы или теории некоторому факту или экспериментальному результату. В методологии научного познания подтверждение рассматривается как один из критериев истинности гипотезы или теории. Для того чтобы установить, соответствует ли гипотеза действительности, т. е. верна ли она, из нее дедуцируют предложение, говорящее о наблюдаемых или экспериментально обнаруживаемых явлениях. Затем проводят наблюдения или ставят эксперимент, которые устанавливают, истинно или ложно данное предложение. Если оно истинно, то это считается подтверждением гипотезы. Например, обнаружение химических элементов, предсказанных Д.И.Менделеевым на основе его таблицы, было подтверждением этой таблицы; обнаружение планеты Уран в месте, вычисленном согласно уравнениям небесной механики Ньютона, было подтверждение механики и т. п. С логической точки зрения процедура подтверждение описывается следующим образом. Пусть Г — проверяемая гипотеза, А -эмпирическое следствие этой гипотезы, связь между Г и А может быть выражена условным суждением "Если Г, то А". В процессе проверки обнаруживается, что А истинно; мы делаем вывод о том, что Г подтверждена. Схема рассуждения выглядит следующим образом: Если Г, то А. Такой вывод не дает достоверного заключения, поэтому на основании истинности А мы не можем заключить, что гипотеза Г также истинна, и говорим лишь, что гипотеза Г подтверждена. Чем больше проверенных истинных следствии имеет гипотеза, тем в большей степени она считается подтвержденной.

Следует иметь в виду, однако, что подтверждение никогда не может быть полным и окончательным, т. е. сколько бы подтверждений ни получила гипотеза, мы не сможем утверждать, что она истинна. Число возможных эмпирических следствий гипотезы бесконечно, мы же можем проверить лишь конечное их число. Поэтому всегда сохраняется возможность того, что однажды предсказание гипотезы окажется ложным. Простой пример: утверждение "Все лебеди белы" в течение столетий подтверждалось сотнями и тысячами примеров, но однажды людям встретился черный лебедь и обнаружилось, что это утверждение ложно. Это говорит о том, что подтверждаемость некоторой гипотезы еще не позволяет нам с уверенностью сказать, что гипотеза истинна. Ложная гипотеза может в течение длительного времени находить подтверждения.

С логической точки зрения процесс опровержения описывается схемой модус толленс (modus tollens). Из проверяемой гипотезы Г дедуцируется некоторое эмпирическое предложение А, т. е. верно "Если Г, то А". В процессе проверки обнаруживается, что А ложно и истинно предложение не -А. Таким образом: Если Г, то А не-А не-Г. Вывод по этой схеме дает достоверное заключение, поэтому мы можем утверждать, что гипотеза Г ложна.

Когда речь идет об изолированном предложении или о гипотезе невысокого уровня общности и абстрактности, опровергающий вывод часто оказывается полезным и способен помочь нам отсечь ложные предположения. Однако если мы рассматриваем сложную, иерархически упорядоченную систему предложений — гипотетико-дедуктивную теорию, — то дело обстоит вовсе не так просто. Процедура опровержения обнаруживает только столкновение теории с фактом, но она не говорит нам, какой член противоречия ложен — теория или факт. Почему мы обязаны считать, что ложной является именно теория (гипотеза)? Быть может, ложным является факт, который установлен в результате "грязного" эксперимента, неправильно истолкован и т. п.?

К этому добавляется еще одно соображение. Из одной теории (гипотезы) обычно нельзя вывести эмпирического предложения. Для этого к теории (гипотезе) нужно присоединить специальные правила, дающие эмпирическую интерпретацию терминам теории (гипотезы), и предложения, описывающие конкретные условия эмпирической проверки. Таким образом, эмпирическое предложение А следует не из одной теории (гипотезы) Г, а из Г плюс правила эмпирической интерпретации плюс предложения, описывающие конкретные условия. Если учесть это обстоятельство, то сразу же становится ясным, что из ложности предложения А мы не имеем права делать вывод о ложности теории (гипотезы) Т. Ложная посылка может входить в добавляемые правила или предложения. Вот поэтому в реальной науке, обнаружив столкновения теории (гипотезы) с некоторым фактом, ученые вовсе не спешат объявлять теорию ложной. Они еще и еще раз проверяют чистоту экспериментов, предпосылки, на которые опирается истолкование экспериментальных результатов, звенья опровергающего вывода и т. д. Только тогда, когда таких фактов накопится достаточно много и появится гипотеза, успешно их объясняющая, ученые начинают склоняться к мысли о том, что их теория (гипотеза) ложна.

В заключение главы указываются цель и задачи эксперимента.

Формулировка цели и задач

Цель - то, что предполагается получить по окончании работы. Целей не может быть много – одна или две. Цель должна быть проверяема, конечна, поэтому в качестве цели не может быть заявлен процесс, который развивается бесконечно, в течение всей человеческой жизни (изучение, анализ, рассмотрение, поиск и т.п.). основные задачи отражают последовательность достижения цели; под задачами понимается то, что необходимо сделать, чтобы достичь намеченной цели (проанализировать литературу, сопоставить, измерить, сравнить, оценить, …). К каждой цели должно быть представлено не менее трех задач.

Основные требования к формулируемой цели

1. Должна быть проверяема, конечна. Поэтому в качестве цели не может быть заявлен процесс, который развивается бесконечно;
2. Цель не должна вступать в противоречие со средствами своего достижения;
3. Выдвигаемая проблемой цель должна удовлетворять требованию последовательности;
4. Постановка цели должна предполагать наличие надежного способа проверки достигнутого результата;

!!! ЦЕЛЬ чаще формулируется одним предложением с использованием следующих вводных слов: изучить, описать, установить, выяснить, исследовать, определить.

!!! ЗАДАЧИ указываются конкретные, которые предстоит решать в соответствии с целью. Их необходимо показать по пунктам: 1. …; 2. …; 3. … .

Формулировать задачи надо тщательно, поскольку описание их решения должно составить содержание глав научно-исследовательской работы.

основные задачи отражают последовательность достижения цели; под задачами понимается то, что необходимо сделать, чтобы достичь намеченной цели (проанализировать литературу, сопоставить, измерить, сравнить, оценить, …). К каждой цели должно быть представлено не менее двух-трех задач.

Схема опыта – это совокупность всех вариантов опыта.

Эта схема должна логически следовать из рабочей гипотезы. В качестве образца приведем возможные схемы экспериментов:

Образец оформления схемы эксперимента:

Контроль – это вариант эксперимента (или несколько вариантов) с которым производят сравнение остальных вариантов.

Количество вариантов не должно быть слишком большим. Установлено, что для более эффективного исследования в одном эксперименте должно быть не более 7-8 вариантов (минимум – 2).

ВАЖНЫМ ТРЕБОВАНИЕМ при составлении схемы опыта является принцип единственного различия.

ЕГО СУТЬ – соблюдение единства всех условий в эксперименте, кроме одного – изучаемого.

Единство условий здесь: почва одного генезиса (например: подзолистая), время отбора образцов, однотипная растительность, из под которой были отобраны образцы и т.д.

Во втором эксперименте разница на подтиповом уровне черноземов.

Выводы

Контрольные вопросы

Выводы

1. Научная гипотеза - это форма вероятностного научного знания в виде предположений, догадок или предсказаний о существовании неизвестных ранее явлений, скрытых причинах их возникновения, закономерных связях и отношениях
2. Для составления рабочей гипотезы следует тщательно изучить литературные данные, все доступные отчеты о проведенных ранее аналогичных исследованиях. Все отобранные материалы необходимо критически проанализировать
3. В качестве цели не может быть заявлен процесс, который развивается бесконечно
4. Основные задачи отражают последовательность достижения цели; под задачами понимается то, что необходимо сделать, чтобы достичь намеченной цели
5. Важным требованием при составлении схемы опыта является принцип единственного различия

Контрольные вопросы

1. Раскройте понятие "научная гипотеза". Назовите основные функции научной гипотезы
2. Назовите основные методические подходя при формулировке рабочей гипотезы
3. Назовите основные правила формулировки цели и задач исследований
4. Перечислите основные требования к постановке схемы опыта