К структурные элементам теории познания относятся факты, категории, аксиомы, постулаты, принципы (рис.1).

Структурные элементы теории

Рис. 1

Методы научного познания

Выработка нового знания при проведении теоретических и экспериментальных исследований осуществляется путем широкого использования общенаучных методов[1]. Метод - это некая совокупность приемов или операций теоретического или практического (в том числе экспериментального) изучения и освоения действительности, подчиненных решению конкретной задачи. Понятие «метод» очень близко к понятию «теория». Фактическое различие между ними носит лишь функциональный характер: метод отражает теоретический результат уже выполненных ранее исследований и выступает как исходный пункт и условие проведение будущих исследований.

К основным общенаучным методам научного познания, в частности, относятся: анализ и синтез, индукция и дедукция, аналогия и моделирование, абстрагирование и конкретизация и др.

Анализ - это метод исследования, заключающийся в том, что предмет изучения мысленно или практически расчленяется на составные элементы (части объекта, или его признаки, свойства; отношения), и каждая из частей исследуется отдельно.

Синтез - это метод исследования, позволяющий осуществлять соединение элементов (частей) объекта, расчлененного в процессе анализа, устанавливать связи между ними и познавать объекты исследования как единое целое. Примером этого метода является переход от исследования напряженно-деформированного состояния отдельного стержня в сопротивлении материалов к стержневой системе (раме, ферме, арке и их комбинациям).

При изучении конкретного объекта исследования, как правило, анализ и синтез используются одновременно, поскольку они взаимосвязаны. Основной формой такой связи является классификация. При создании классификаций предметы или явления, составляющие определенную совокупность, разделяются на классы и группы по наличию объединяющих их свойств и характерных признаков. Например, деление стержневых систем на рамы, фермы, арки, арочные фермы и т. п.

Стремление к теоретическому синтезу - наиболее общая черта современной науки. Теоретический синтез дает возможность объединять предметы или знания о них, то есть осуществлять систематизацию. Системный подход в науке позволяет глубже синтезировать знания о предмете, полнее раскрывать его взаимосвязи с другими предметами.

Индукция[2] - это вид обобщения, связанный с предвосхищением результатов наблюдений и экспериментов на основе данных прошлого опыта. Это процесс перехода от знаний отдельных фактов и событий к общим знаниям, это принцип «от частного – к общему», от фактов – к гипотезе, от опыта к теории.

Различают полную и неполную индукцию. В полной индукции обобщение относится к конечно-обозримой области фактов и сделанное при этом умозаключение исчерпывающе рассматривает изучаемое явление. Неполная индукция, когда оно относится к бесконечной или конечно-необозримой области фактов, а сделанное при этом умозаключение позволяет составить лишь ориентировочное, предварительное мнение об изучаемом объекте. Это мнение может быть недостоверным.

При использовании метода неполной индукции могут возникнуть ошибки, причинами которых являются:

- поспешность обобщения;

- обобщение без достаточного основания по второстепенным или случайным признакам;

- подмена причинной связи обычной последовательностью во времени;

- необоснованное распространение полученного вывода за пределы конкретных условий, в которых он был получен, то есть подмена условного безусловным.

Дедукция[3] - это вывод по правилам логики, то есть цепь умозаключений (рассуждение), звенья которой (высказывания) связаны отношением логического следования. Началом (посылками) дедуктивных рассуждений являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений («общее»), а концом - следствия или теоремы из посылок («частное»). Иначе говоря, дедукция - это форма научного познания, посредством которой вывод об отдельном элементе некоторой совокупности делается на основе знаний о признаках всей совокупности, то есть это метод перехода от общих представлений к частным.

Несмотря на свою противоположность, индукция и дедукция в процессе научного познания всегда используется совместно, представляя разные стороны единого диалектического метода познания - от индуктивного обобщения к дедуктивному выводу, к проверке вывода и более глубокому обобщению - и так до бесконечности.

Под аналогией понимают сходство предметов, процессов или явлений в каких-то свойствах или в каких-то других отношениях (принципу действия, функциональному назначению и т. д.). Например, крылья самолета (один из его конструктивных элементов), крылья птиц и летучих мышей (видоизмененные передние конечности этих представителей животного мира), а также крылья насекомых совершенно различны по своему строению и происхождению, но аналогичны по своему функциональному предназначению – с их помощью создается подъемная сила и осуществляется управление полетом.

Аналогия[4] - это метод научного познания, с помощью которого достигается знание об одних предметах или явлениях на основании их сходства с другими. Умозаключение по аналогии - это когда знание о каком либо объекте переносится на другой менее изученный объект, но сходный с первым по существенным свойствам, качествам. Такие умозаключения являются одним из основных источников научных гипотез. Благодаря своей наглядности метод аналогий получил широкое распространение в науке и технике.

В сопротивлении материалов и теории упругости хорошо известна мембранная аналогия. С ее помощью решено много довольно сложных задач, например, задача о расчете пластинок на поперечный изгиб, задача о кручении упругого призматического стержня с сечением сложного вида и др. В этих задачах используется аналогия в математической записи явлений изгиба мембраны и пластины, кручения стержня с помощью дифференциальных уравнений в частных производных, то есть все эти задачи могут быть описаны одной математической моделью.

Метод аналогии является основой другого метода научного познания - метода моделирования.

Моделирование – это метод научного познания, заключающийся в замене изучаемого объекта его специально созданным аналогом или моделью, по которым определяются или уточняются характеристики оригинала. При этом модель должна содержать существенные черты реального объекта.

Моделирование является одной из основных категорий теории познания. На его идее базируется практически любой метод научного исследования как теоретический, при котором используются различные абстрактные (идеальные) модели, так и экспериментальный, использующий предметные (материальные) модели. К абстрактным моделям относят мысленные, логические, воображаемые (логико-математические) и математические модели. Последние описываются тождественными с оригиналом уравнениями. К материальным относят физические, вещественные или действующие модели. Они сохраняют физическую природу оригинала.

В современной науке и технике широко используется теория подобия (геометрического, физического, физико-механического), которая служит основой для построения моделей и разработки теории эксперимента.

Абстрагирование[5] - это метод научного познания, заключающийся в мысленном выделении существенных свойств и связей предмета или явления и отвлечении от других частных их свойств и связей. При абстрагировании происходит отделение существенного от случайного, отбрасывание несущественных признаков, затрудняющих проведения исследования.

В научных исследованиях используются абстракции отождествления, идеализации и изолирующие абстракции.

Абстракция отождествления(обобщения). Используется для получения общей картины изучаемого явления. Результат обобщающей абстракции получают путем отвлечения от индивидуальных свойств предметов и выделения в них обобщающих признаков. Они широко применяются для образования понятий о каком-то классе предметов или явлений и содержат признаки, которые отличают его от других классов.

Например, такое абстрактное понятие, как усилитель, обобщает в одну функциональную группу большое множество усилительных устройств, аппаратов и механизмов, различных по своей физической природе, области применения и др. признакам. В то же время все они характеризуются множеством общих свойств: коэффициентом усиления, инерционностью, запаздыванием и т. п.

Изолирующая (математическая) абстракция образуется путем мысленного вычленения и фиксации определенных свойств и связей из их общей совокупности, принадлежащих изучаемому объекту. С помощью этой абстракции образованы такие, широко применяемые в расчетной практике понятия, как «точность», «надежность», «эффективность» и др.

Пример. Мясорубка ручная и электромясорубка. Является очевидным, что в электромясорубке следует использовать высокоскоростной приводной электродвигатель, поскольку при заданной номинальной мощности двигателя его габариты обратно пропорциональны угловой скорости вращения вала. Но для согласования весьма большого числа оборотов двигателя с числом оборотов шнека мясорубки между ними придется поставить редуктор, к тому же с большим коэффициентом передачи. На этом этапе разработки вы абстрагируетесь и, не принимая во внимание конструкцию редуктора, его элементы, взаимосвязи между ними, акцентируете свое внимание только на одном свойстве редуктора – его коэффициенте передачи.

Абстракция идеализации - это результат абстрагирования, при котором происходит замещение реального эмпирического явления идеализированной схемой. При использовании этого вида абстракции определенные свойства изучаемого объекта доводят до предельных значений. Примерами такой идеализации являются понятия «абсолютно твердое тело», «идеальный газ», «материальная точка». Под последней подразумевают пространственный объект, не имеющей размерности. Понятие абстрактное противопоставляется конкретному, а абстрагирование - конкретизации.

Конкретизация[6] - это метод научного познания, с помощью которого выделяются существенные связи, свойства и отношения предметов или явлений. Он требует учета всех реальных условий, в которых находится исследуемый объект.

В процессе познания мысль движется от абстрактного, бедного содержанием понятия к конкретному, более богатому содержанием понятию, то есть происходит восхождение знаний об объекте исследования от абстрактного к конкретному. Несмотря на свою методологическую противоположность, эти два метода научного познания взаимно дополняют друг друга.

К методам научного познания, используемым на теоретическом уровне, относятся также объяснение и формализация.

Объяснение - это метод научного познания, с помощью которого составляется объективная основа изучаемого явления или процесса. Оно позволяет выдвинуть гипотезу или предложить 'теорию исследуемого класса явлений или процессов.

Формализация - это отображение объекта или явления в знаковой форме какого-либо искусственного языка (математики, химии и т. д.), с помощью которого производится формальное исследование их свойств. Формализация осуществляется на основе абстракций, идеализаций и введения искусственных символических знаков. Наиболее ярким примером использовании этого метода познания является математика, а также различные естественные и технические науки (физика, теоретическая механика, сопротивление материалов и т. д.), в которых вывод содержательного предложения заменяется выводом выражающей его формулы. Формализация дает возможность проведения систематизации, уточнения, методологического прояснения содержания теории и выяснения характера взаимосвязей ее различных положений. С ее помощью можно выявлять и формулировать еще нерешенные проблемы.

Гипотеза и теория, рассмотренные ранее как формы научного познания, также относятся к методам научного познания. К методам познания, используемым на эмпирическом уровне, относятся наблюдение и эксперимент.

Наблюдение - это метод целенаправленного исследования объективной действительности в том виде, в каком она сущеcтвуeт в природе и обществе и доступна непосредственному восприятию человеком. Наблюдение отличается от восприятия (отражения предметов объективного мира) целенаправленностью, то есть человек наблюдает то, что имеет для него теоретический или практический интерес. При этом он отбирает только существенные факты, характеризующие объект исследования, на основе определенной гипотезы или теории.

Различают качественное наблюдение, когда в процессе наблюдения выявляются качественные изменения в объекте или процессе, и количественное, когда фиксируется изменения их количественных параметров, не вызывающих качественных изменений.

Примером такого рода наблюдений может служить испытание изгибаемой железобетонной конструкции (например, балки на двух опорах) до разрушения. В процессе нагружения балки постепенно увеличивающейся внешней нагрузкой в ее поведении первоначально наблюдаются количественные изменения, которые выражаются в виде возрастающего прогиба. Затем, при некоторой величине внешней нагрузки на ее боковой поверхности появляются трещины. Это уже качественные изменения, фиксируемые наблюдателем. Дальнейшее возрастание нагрузки ведет как к увеличению проги6а, так и к увеличению ширины раскрытия трещин и их появлению в новых местах. Эти изменения носят количественный характер. И, наконец, при определенной величине нагрузки без ее увеличения в течение определенного времени растут и прогибы балки, и ширина раскрытия трещин, что свидетельствует о начале качественно нового этапа - разрушения.

Научное наблюдение способствует выявлению дополнительных факторов и закономерностей развития наблюдаемых явлений или процессов и накоплению нового эмпирического знания.

Эксперимент - это метод научного познания, при котором происходит исследование объекта в точно учитываемых условиях, задаваемых экспериментатором, позволяющий следитъ за изучаемым объектом и управлять им. Эксперимент, как и наблюдение, может быть качественным (обычно на ранних стадиях наблюдения) и количественным.

В отличие от наблюдения эксперимент позволяет:

- исключить влияние побочных факторов, упрощая исследуемый объект, и вводить новые факторы, усложняя его;

- при необходимости воспроизводить исследуемое явление многократно;

- изучать свойства явлений, не существующих в природе в чистом виде;

- создавать новые искусственные объекты;

- изучать свойства предметов в критических условиях, например, при разрушении объекта, высоких и низких температурных воздействиях и др.

Оптимизация процесса экспериментального исследования и управление научным поиском осуществляется на основе математической теории эксперимента, что способствует экономии времени и сокращению затрат.

Кроме рассмотренных выше методов научного познания в каждой конкретной науке существуют и свои, присущие только ей, специальные методы исследования, например, математические, биологические методы и др.

В результате взаимопроникновения различных наук специальные методы исследования, характерные для конкретной науки, находят применение и в других науках (например, математические методы в медицине, физиологии и т. п.). Наиболее распространенными являются именно математические методы. Они широко используются и в таких науках, как теория резания, технология машиностроения, теплофизика механической обработки и др.

Выбор того или иного метода научного познания при проведении конкретного исследования обусловлен спецификой изучаемого объекта.

Контрольные вопросы по теме 1

1. Что собой представляет знание? Какое знание о предметах или явлениях объективного мира является относительным, а какое – абсолютным? Поясните на примерах.

2. В чем заключается процесс познания? Поясните с приведением примеров элементы чувственного познания: ощущение, восприятие, представление, воображение.

3. Дайте определения элементов рационального познания (понятия, суждения, умозаключения) и их видов с приведением примеров.

4. Что собой представляет научная идея и гипотеза? В чем отличие гипотезы от теории?

5. Что понимают под законом? На какие группы подразделяют все законы? Приведите названия трех-четырех законов из каждой группы, которые вы изучали и знаете.

6. Какие структурные элементы составляют теорию познания? Поясните эти элементы.

7. Поясните примерами следующие методы научного познания: сравнение и измерение, индукция и дедукция, анализ и синтез, аналогия, моделирование, абстрагирование, конкретизация, объяснение, наблюдение, эксперимент.