Наука — це система знань про природу, суспільство та мислення, яка сформувалася в результаті їх вивчення. Наукове дослідження — це процес створення нових знань шляхом вивчення предмета чи явища з метою розкриття законів його виникнення, розвитку і перетворення в інтересах суспільства.

Наука виникла в результаті суспільного поділу праці, при відділенні розумової праці від фізичної. До цього люди також мали певні знання про навколишнє середовище, однак ці знання були уривчасті та невпорядковані. Наукові знання являють собою чітку систему понять, що відображають предмети чи явища природи та суспільства в їх загальних і суттєвих ознаках. Наприклад, явища електризації тіл під час тертя та іскріння наелектризованих тіл були відомі віддавна, однак лише відкриття електрона дало змогу об'єднати ці явища і створити науку про електрику. При створенні понять у процесі пізнання виділяють головне і суттєве, залишаються без уваги несуттєві та другорядні ознаки, що дає змогу правильно і глибоко зрозуміти об'єкт вивчення. Для впорядкування розрізнених знань у системі, що являє собою наукову теорію, використовуються загальнонаукові або філософські методи. Наприклад, відкриття законів інерції і падіння тіл, а також опис цих законів за допомогою введених методом абстрагування понять "маси", "інерції", "енергії", "прискорення" тощо створили механіку як науку. Метод абстрагування допоміг створити навіть такі наукові поняття, що не трапляються в матеріальному світі: "ідеальний газ", "крапка", "площина", "абсолютно тверде тіло" тощо, які, однак, відіграють важливу роль при створенні наукових теорій.

Практика є критерієм перевірки істинності теорії. За загальним, філософським розумінням практика — це виробнича діяльність, спрямована на перетворення предметів та явищ таким чином, щоб їх форма та зміст задовольняли потреби людини. Розвиток машинного виробництва сприяв швидкому перетворенню дослідницької діяльності на активний фактор суспільного виробництва. Воно вдосконалює, поповнює, систематизує та перевіряє на практиці систему наукових знань. В умовах сучасного науково-технічного прогресу наука вже не тільки супроводжує розвиток техніки, а випереджає її, спрямовуючи розвиток матеріального виробництва у найбільш перспективні напрями.

Рис. 1.1. Наукове дослідження: 1– накопичення дослідних даних; 2 – побудова теорії; 3, 4 – експериментальна перевірка теорії та її практичне застосування;

Схематично процес наукового дослідження показано на рис. 1.1. На схемі виділено два рівні наукових досліджень:

1) емпіричний, в основу якого покладено накопичення нових фактів, їх аналіз, узагальнення з метою отримання залежностей, придатних для практичного використання;

2) теоретичний, на якому здійснюється узагальнення та створюється система знань, що описують закономірності певної галузі знань. На цьому етапі створення системи знань проходить через низку етапів, а саме: наукова ідея — гіпотеза — теорія.

Наукова ідеяпояснює нове явище без обґрунтування зв'язків, що використані для інтуїтивного пояснення явища. Вона випливає з уже накопичених раніше знань, але при цьому дає змогу відкрити нову закономірність.

Гіпотезає результатом матеріалізації наукової ідеї, коли передбачається причина, що викликає нове досліджуване явище. Г. Ом, вивчаючи явище опору провідників, звернувся до праці Д. Фур'є "Аналітична теорія теплоти". Він висунув ідею, що явище проходження електричного струму по провіднику аналогічне явищу поширення потоку тепла. На основі цієї ідеї з'явилася гіпотеза, що величина струму залежить від прикладеної різниці потенціалів, за аналогією до різниці температур, що викликає потік тепла.

Якщо гіпотеза узгоджується із результатами досліджень, то вона стає основою для теорії. При проведенні наукового дослідження кожна гіпотеза експериментально перевіряється. При подальшому накопиченні фактів одна гіпотеза може уточнюватися або замінюватися на нову, яка краще пояснює як старі, так і нові дані. Результатом логічного розвитку та вдосконалення гіпотези є її перетворення на теорію.

Закон— це внутрішній, суттєвий зв'язок явищ, який зумовлює їх закономірний розвиток. Він відображає стійкий зв'язок між явищами та властивостями матеріальних об'єктів.

При проведенні наукових досліджень обидва рівні використовуються однаково успішно, доповнюючи один одного. Результати емпіричного рівня дослідження слугують вихідним матеріалом для створення теорії, перевірки її істинності і подальшого розвитку та вдосконалення. Теорія дає змогу виділити суттєві зв'язки під час проведення емпіричних досліджень, підвищити точність їх результатів, пояснити та узагальнити їх, вказати найбільш перспективні галузі дослідження, як це сталося, наприклад, у хімії після відкриття періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва. Теорія уточнює наукові знання за допомогою більш містких понять, упорядковує їх, створюючи умови для практичного використання. В середньовіччі, наприклад, арифметику викладали в університеті, бо маніпуляції із використовуваними на той час римськими цифрами були складними. Введення десяткової системи числення та арабських цифр значно спростило всі математичні дії.

Створення та розвиток системи наукових знань здійснюється шляхом пізнання матеріального світу, що нас оточує, його предметів, явищ, їх ознак і відношень. Цей процес пізнання ототожнюється із науковим дослідженням. Відправним пунктом пізнання є чуттєве споглядання предметів та явищ, їх відображень у свідомості людини у вигляді чуттєвих образів. Ці образи відтворюють зовнішній бік об'єкта пізнання. Завданням наукового пізнання є з'ясування закономірностей матеріального світу, тобто закономірностей, що відтворюють загальне, суттєве в об'єкті. А для цього необхідно застосувати абстрактне мислення, формами якого є поняття, судження та умовивід.

Поняття — дефініція, що відображає загальні та суттєві ознаки предмета. За його допомогою людина проникає в суть предметів та явищ матеріального світу. Поняття є основними цеглинками, за допомогою яких будується споруда системи наукових знань. Широковідомими є поняття "маса", "енергія", "в'язкість", "ньютонівська рідина", "пружне тіло Гука" тощо. Поняття можуть бути загальними, одиничними та узагальнювальними, абстрактними або конкретними, абсолютними або відносними. Взаємозв'язок понять здійснюється за допомогою суджень.

Судження — така форма думки, в якій сполучають поняття, щось стверджуючи або заперечуючи про реальні предмети та явища. Наприклад, "мідь — метал", "усі метали — пластичні" тощо. Сполучаючи декілька понять, створюємо судження про предмети матеріального світу. Зв'язок суджень між собою здійснюється за допомогою умовиводу.

Умовивід (висновок) — форма мислення або логічна дія, в результаті якої із одного або декількох відомих нам і певним чином зв'язаних суджень виводиться нове знання про предмети та явища матеріального світу. Наприклад, умовиводом буде така операція мислення: "всі метали пластичні" "мідь — метал" "мідь пластична". Сполучення двох відомих нам суджень дало змогу перейти від відомого до невідомого, тобто отримати нове знання.

Таким чином, результатом наукового дослідження є узагальнення невпорядкованих уявлень про закономірності природи, суспільства та мислення у вигляді законів науки, що описують внутрішній, суттєвий зв'язок явищ або ознак матеріального світу.

Розглянемо, які методи використовуються для створення системи наукових знань.

Метод — система правил та способів підходу до вивчення явищ і закономірностей природи, суспільства та мислення. Знання методу задає спосіб теоретичного дослідження або практичного здійснення чогось, який ґрунтується на знаннях закономірностей розвитку об'єктивної дійсності і досліджуваних предмета чи явища. Знання методу орієнтує дослідника, допомагає йому вибрати суттєве, окреслити шлях від відомого до невідомого.

Розрізняють загальний метод (діалектика), загальнонаукові, або філософські методи, які застосовуються у всіх науках та в практичній діяльності людей, а також конкретно-наукові, або спеціальні методи, які застосовуються в межах однієї чи декількох суміжних наук.

Розглянемо докладніше найбільш поширені загальнонаукові методи. Деякі з них застосовуються на теоретичному рівні дослідження, деякі — на емпіричному. Є серед них і такі, що застосовуються на обох рівнях наукового дослідження.

До найбільш поширених методів належать аналіз і синтез, індукція та дедукція, абстрагування та конкретизація.

Аналіз та синтез.Під аналізомрозуміють метод дослідження, який полягає в тому, що об'єкт дослідження подумки або практично поділяється на складові елементи. Це можуть бути частини об'єкта або його окремі ознаки, властивості, відношення. Кожна із виділених складових частин досліджується окремо як частина цілого. Синтездає змогу здійснити об'єднання частин об'єкта, з'ясувати їх зв'язки та описати об'єкт як єдине ціле.

У науковому дослідженні аналіз і синтез взаємопов'язані, вони доповнюють один одного і можуть почергово повторюватись. Результати аналізу дають змогу вивчити конкретні факти, розкрити глибину явища. Водночас, застосовуючи синтез, можна об'єднати окремі факти, створити теорію, побачити перспективи розвитку процесу, його зв'язок з іншими явищами.

Прикладом застосування взаємопов'язаних аналізу та синтезу може бути робота Дж. Уатта над паровою машиною. При аналізі він розділив її робочий цикл пароутворення на три частини: утворення, розширення та конденсація пари. Для реалізації кожної частини циклу він розробив окремі пристрої. Потім шляхом об'єднання цих пристроїв отримав парову машину, яка реалізувала під час роботи всі три частини циклу.

Індукція та дедукція. Наукова індукція— це такий умовивід, в якому загальний висновок про ознаки якоїсь множини елементів зроблений у результаті дослідження певної частини елементів цієї множини. Дедукція— умовивід, у якому висновок про якийсь елемент із множини робиться на основі знання загальних властивостей цієї множини.

Індукція та дедукція — взаємопротилежні методи дослідження, вони використовуються в науковому дослідженні у взаємозв'язку, доповнюючи один одного. Процес наукового пізнання здійснюється від індуктивного узагальнення до дедуктивного висновку, від перевірки цього висновку до більш глибокого узагальнення.

Найбільш поширена помилка при їх застосуванні — це поспішність індуктивного узагальнення, узагальнення без належного обґрунтування або за другорядними ознаками, підміна причинних зв'язків випадковою часовою послідовністю, тобто випадки необґрунтованого поши­рення отриманого висновку за межі тих конкретних умов, для яких він був отриманий. Наприклад, при вивченні тричлена Ейлера матимемо таку картину. При послідовних значеннях :0; 1; 2; 3; 4;...; 10 отримаємо значення відповідно: 41; 43; 47; 53; 61; 71; 83; 97; 113; 131; 151;..., тобто прості числа. Роблячи індуктивне узагальнення, будемо стверджувати, що при всіх цілих додатніх значення у буде простим числом. Однак такий індуктивний висновок буде поспішним, оскільки перевірка його показує, що при значенні тричлен дорівнюватиме , тобто складному числу.

Абстрагування та конкретизація.Абстрагування — це метод наукового пізнання, що полягає в мисленому виділенні цікавих для дослідника ознак, зв'язків і відношень предмета чи явища та їх мислене відривання від усіх інших. Під час абстрагування відкидаються несуттєві, другорядні ознаки, зв'язки, відношення предмета чи явища, що утруднюють їх вивчення. Результатом абстрагування є створення абстракцій, найбільш поширеними з яких можна вважати такі три види:

1. Абстракція ототожнення, що отримується шляхом відокремлення ознак від індивідуальних предметів та виділення узагальненої ознаки. Вона застосовується для створення поняття якогось класу предметів і містить ознаки, що відрізняють цей клас від інших ("метали", "деталі", "машини" тощо).

2. Абстракція ізоляції утворюється шляхом мисленого відокремлення та фіксації певних ознак і відношень від предметів та явищ, з якими вони пов'язані. В цьому випадку утворюють загальні абстрактні поняття, наприклад: "точність", "теплопередача", "надійність".

3. Абстракція ідеалізації — це результат абстрагування, який дає змогу створити поняття, що не існують у реальному світі. В цьому випадку певні ознаки чи властивості об'єкта вивчення доводять до граничного значення, наприклад: "точка", "ідеальний газ", "абсолютно чорне тіло".

У процесі наукового пізнання метод абстрагування тісно пов'язаний з конкретизацією. Виявивши за допомогою абстрагування від конкретних фактів загальні закономірності розвитку предмета або явища, що вивчаються, дослідник знову повертається до конкретного. Розглянемо приклад застосування цих методів у взаємозв'язку.

Якщо на поверхню будь-якого тіла потрапляє світло, то частина світла відбивається, а решта поглинається цим тілом, віддаючи свою енергію. Чим більше світла поглинає тіло, тим темнішим воно виглядає. Абстрагуючись від конкретних фізичних тіл, дослідники ввели поняття "абсолютно чорне тіло", розуміючи під ним таке, що поглинає все світло, яке на нього потрапить. Таких тіл у природі немає, однак легко визначається залежність температури "абсолютно чорного тіла" від світлового потоку. Отримана залежність конкретизується для опису реальних тіл, які поглинають тільки частину світлової енергії, шляхом введення коефіцієнта поглинання. Коефіцієнти поглинання визначаються експериментально для реальних фізичних тіл.

Розглянемо основні закономірності розвиткунаукових знань.

Зв'язок науки та виробництва є однією з основних об'єктивних закономірностей розвитку науки. Наука виросла з практики шляхом відділення процесу пізнання від безпосереднього процесу виробництва. Цей зв'язок із практикою залишився, позаяк наука не може плідно розвиватись в ізоляції. Саме розвиток виробництва, наприклад, винахід ткацьких верстатів, будівництво великих кораблів, експлуатація парових машин тощо, ставить перед наукою нові завдання, які стимулюють її розвиток. Розвиваючись на ґрунті потреб практики, наука освітлює їй шлях, створюючи теоретичну базу для успішного розв'язання практичних задач. Наприклад, винахід парової машини ґрунтується на результатах дослідження конденсації пари для отримання вакууму, парового циліндра Лейбніца та парової помпи.

Використовуючи відкриті закони природи, створюють нові технічні об'єкти, які раніше в природі не існували. Сучасна наука стала безпосередньою виробничою силою, впливаючи на всі елементи процесу виробництва: з'являються нові предмети праці і матеріали (наприклад, пластичні маси); розробляються нові засоби праці (наприклад, верстати з числовим програмним керуванням, лазерні та ультразвукові верстати); вдосконалюються технології, наприклад, створюються безперервні та безмашинні технологічні процеси.

Наслідком такого зв'язку науки та виробництва є скорочення термінів впровадження у виробництво наукового відкриття (рис. 1.2.).

З іншого боку, наука розвивається відносно самостійно, без чого вона не змогла б прокладати дорогу практиці. В умовах науково-технічного прогресу здійснюється корінна перебудова науки, яка вже не вдовольняється супроводженням розвитку техніки, а випереджає її, стаючи провідною силою розвитку матеріального виробництва. Наука робить відкриття, які значно випереджають потреби практики, створюючи запас нових ідей. Ці ідеї, в рамках фонду наукових знань, не можуть бути відразу ж впроваджені в практику: минають роки наполегливої праці та пошуків, поки та чи інша наукова теорія чи відкриття будуть застосовуватись у практичній діяльності.

Рис. 1.2. Строки впровадження наукового відкриття:

1 — нітрошовк (1655-1885): 2 - фотографія (1 727-1839); 3 — парова машина (1680—1780); 4— цемент (1756-18441:5 —ДДТ (1874-1939): 6— кіно (1832-1895): 7 —електродвигун (1829-1886); 8 — телефон (1820-1876): 9 — капрон (1899-1939); 10 — радіо (1867-19021: 11 — електронна лампа (1884 - 1915): 12 - автомобіль (1868-1895): 13 — дизельний двигун (1878-1897): 14 — літак (1897-1911): 15 — телевізор (1922-1934): 16 — транзистор (1948-1953): 17 — нейлон (1935-1939): 18 — сонячна батарея (1953-1955): 19 —лазер 11954-1955).

Часто навіть автор наукової ідеї не може передбачити її важливість та галузь застосування, не бачить шляхів її впровадження. Герц вважав, що відкриті ним електромагнітні хвилі ніколи не матимуть практичного застосування. Через декілька років ці хвилі вже застосовували Марконі та Попов для передавання сигналів на відстані. Або, коли стало відомо, що збудований Стефенсоном перший локомотив розвинув швидкість, яка вдвічі перевищувала швидкість тодішніх поштових карет, то англійська газета "Квартерлі ревю" написала з цього приводу таке: "Ми глибоко переконані в тому, що англійці скоріше наважаться плигати з церковних дзвіниць, ніж погодяться скористатися транспортним засобом, який пересувається з такою шаленою і небезпечною для людського життя швидкістю. Винахід пана Стефенсона не має майбутнього!"