Глава 1. Обучение студентов педагогических вузов основам экспериментального метода.

В данной главе предложен универсальный алгоритм построения комплекса лабораторных работ по физике, который может найти применение при организации учебного процесса в педагогических вузах, на курсах повышения квалификации педагогических работников. Приводится комплекс лабораторных работ с использованием универсального алгоритма.

Остановимся на некоторых особенностях экспериментального метода и его внедрении в образовательный процесс.

1.1.Экспериментальный метод

Для выявления структуры деятельности учащихся по освоению экспериментального метода исследования рассмотрим соотношения между научным и учебным познанием. На этот счет существует три основных точки зрения:

1. Согласно первой точке зрения должно иметь место практически полное отождествление процесса научного познания и процесса обучения, отрицание специфических особенностей каждого из них. Такую позицию отстаивал известный советский методист Б. Е. Райков (6).

2. Вторая точка зрения характеризуется стремлением преуменьшить взаимосвязь процессов познания и обучения, попытками подчеркнуть различие между этими двумя процессами, не учитывая их единства в выделении специфики учебного процесса. Такой точки зрения придерживаются, например, Р. Г. Лемберг (7), П. Н. Груздев (8).

3. Согласно третьей точке зрения процесс обучения рассматривается как своеобразный процесс познания, в рамках которого осуществляется попытка обоснования взаимосвязи, единства обоих процессов. Эту точку зрения в своих работах поддерживают М. Н. Алексеев (9), М. А. Данилов (10).

Несмотря на выделенные выше отличия воззрений на соотношение процессов научного познания и обучения, между ними имеет место и общее – признание теории познания методологической основой обучения. М. А. Данилов, говоря о характере взаимоотношений между пониманием и обучением в целом, указывает на различие этих понятий лишь во внешних признаках и на то, что оно «не касается существенных, внутренних связей между ними…» (10, c.84). «…Процесс обучения есть в сущности своей процесс познания, правда, опосредованный» (9, c.40). Однако не следует отождествлять процесс познания и процесс обучения, так как именно познание предполагает раскрытие объективно новых связей, закономерностей, а процесс обучения имеет дело с субъективно новыми связями. Учащиеся в процессе обучения открывают для себя «новое», которое было рассмотрено, изучено, познано в процессе общественной практики. «…В научном познании новое открытие рассматривается с точки зрения, что оно вносит в науку; в учебном процессе новое знание, ученическое «открытие» рассматривается, прежде всего, как «скачок» в умственном развитии, который произошел в связи с этим «открытием»…» (11, c.63).

Одним из ведущих методов познания является экспериментальный метод, основу которого, важнейшее, определяющее, неотъемлемое звено составляет построение гипотезы исследования.

Эксперимент в физических исследованиях впервые начал применяться в механике. Свое начало он получил в эпоху Возрождения, а интенсивное развитие и совершенствование относится к Новому времени. Совершенствование производительных сил нарождавшегося капиталистического общества стимулировало опытные исследования природы, развитие экспериментального естествознания. Выдающиеся ученые Нового времени осознавали, что процесс научного исследования требует использования всего арсенала средств и методов познания, мобилизации всех способностей и усилий ученого. Открытие новых научных истин предполагало использование догадок и гипотез, правильность которых могла быть проверена с помощью эксперимента.

Наиболее широко эксперимент начал применяться со времен Галилео Галилея, который видел в эксперименте не только важнейший инструмент для проверки гипотезы и теории, но и средство для их обоснования.

«Перед тем, как ставить непосредственно эксперимент, необходимо проанализировать имеющийся набор или систему фактов, выяснить их взаимосвязь, на ее базе сформулировать новое предложение, правильность или достоверность которого устанавливается позже, когда будут сравниваться выводы из этого предположения (гипотезы) и данные опыта» (12, c.253-254).

В науке ведущими формами эмпирического исследования являются наблюдение и эксперимент, без них невозможно получить исходную информацию для последующих теоретических построений и их опытной проверки. Исходя из этого и в связи с тем, что наблюдение входит как неотъемлемая часть в эксперимент, остановимся на особенностях процесса наблюдения и его функциях более подробно. «Научное наблюдение представляет целенаправленное и организованное восприятие предметов и явлений окружающего мира» (13, c.53). Существенное различие эксперимента и наблюдения состоит в том, что наблюдение осуществляется без какого-либо вмешательства наблюдателя в исследуемый процесс. Эту особенность очень точно подметил известный французский исследователь Клод Бернар: «Наблюдение происходит в естественных условиях, которыми мы можем распоряжаться» (14, c.404). Это совсем не означает, что наблюдатель в целом пассивен, речь идет о пассивности практической, направленной на трансформацию исследуемого объекта. Обычно приходится ограничиваться наблюдением в том случае, когда исследуемые объекты недоступны для иного способа познания. Примером может служить большинство явлений, происходящих за пределами нашей планеты и т. п., хотя и сюда, в связи с интенсивным развитием техники, особенно в последние годы, все больше проникает эксперимент.

Г. И. Рузавин (13) выделяет три основных функции наблюдения в научном исследовании:

1. Обеспечение научной информацией, необходимой для осуществления постановки новых проблем, для выдвижения гипотез и их проверки.

2. Проверка таких гипотез и теорий, которые невозможно осуществить экспериментально.

3. Осуществление в процессе наблюдения сопоставления результатов, полученных в ходе теоретического исследования, проверка их адекватности и истинности.

Из изложенного выше следует, что наблюдение, несмотря на все его достоинства как формы эмпирического исследования, не может выступать в качестве ведущего метода в познании окружающей действительности, ибо сущность подавляющего большинства объектов, подлежащих исследованию, не может быть раскрыта средствами только наблюдения. Поэтому на первый план, особенно в современных условиях развития науки, выходит эксперимент.

Для эксперимента характерна возможность активного, практического воздействия на изучаемые явления, процессы, предметы и т. д. Исследователь здесь не пассивен, он активно вмешивается в естественный ход их протекания, «разворачивая» объект интересующей стороной к себе, для лучшего выявления его структуры, связей. Такое вмешательство может быть осуществлено или путем непосредственного воздействия на изучаемый объект, или изменением внешних условий для него. И в том и в другом случае результаты четко фиксируются и контролируются. Таким образом, можно сделать вывод, что наблюдение является составной, органической частью эксперимента, дополненной и расширенной практическим воздействием на исследуемый объект. Поэтому структура эксперимента будет содержать, кроме исследователя и объекта наблюдения, еще и некие средства воздействия на исследуемый объект. Некоторые из этих материальных средств и наблюдений играют одну из ведущих ролей, но выполняют, как правило, функцию инструмента. Большая часть техники в эксперименте предназначена либо для непосредственного воздействия на объект, либо для преднамеренного изменения условий, в которых этот объект находится. В этом отношении экспериментальная техника аналогична орудиям труда в процессе производства (15).

Каковы же основные функции эксперимента в научном исследовании?

1. Эксперимент является источником научной информации при формировании новых гипотез и теоретических построений.

2. Посредством эксперимента осуществляется опытная проверка предположений и теорий.

3. Эксперимент выполняет определенную эвристическую функцию, которая состоит в том, что исследователь использует опыт для уточнения и исправления первоначальных допущений и догадок. Если при проверке сформированной гипотезы экспериментатор стремится либо уточнить, либо опровергнуть ее, то в данном случае речь идет о получении недостающих эмпирических знаний. Однако следует отметить, что всякий эксперимент – определенное звено в общей цепи научного исследования и его ни в коем случае нельзя противопоставлять теории. «Если эксперимент ставит вопрос природе, то такой вопрос может возникнуть в сфере идей и при достаточно высоком уровне развития теоретического знания» (13, c.82).

Постепенно эксперимент получил весьма широкое распространение в науке и, в частности, в физике, поэтому встал вопрос о выделении его в качестве самостоятельного экспериментального метода.

За время своего существования экспериментальный метод наглядно продемонстрировал высокую эффективность как важнейший способ эмпирического исследования. С усложнением, а следовательно, с возрастанием роли экспериментальной техники и степени зрелости теоретических знаний, возрастала и повышалась эффективность экспериментального метода исследования. Наибольшего успеха он достиг в физике и химии, где, несомненно, имеется благоприятная возможность вмешательства в ход исследуемых процессов или явлений, а также организации их повторяемости.

Экспериментальный метод, как и любой другой, имеет свое содержание и структуру. Исследователь на основе классификационных и систематизированных заданий формулирует задачу исследования, которая может явиться результатом какого-либо иного исследования, или быть поставлена кем-то другим. Разрешение задачи начинается с ознакомления с уже известной группой, системой фактов, прямо или косвенно относящихся к данной задаче исследования. Если не учесть все наиболее существенные, уже известные в этой области знания, то, действуя наугад, наудачу, исследователь не скоро, или вообще не получит желаемых результатов, иначе говоря, в процессе экспериментального исследования ученый руководствуется определенными теоретическими представлениями. На основании собранных и систематизированных фактов, а также в соответствии с поставленной задачей исследования, выдвигается предположение о связях между теми или иными фактами, или, как его называют, «рабочая гипотеза» (16). Далее на основании выдвинутой «рабочей гипотезы» (для простоты будем называть ее гипотезой), исследователь осуществляет планирование эксперимента и конструирование экспериментальной установки, на базе которой будет проводиться проверка выдвинутой гипотезы. После сборки экспериментальной установки проводится непосредственно эксперимент. Естественно, что в зависимости от той научной задачи, которую собираются разрешить с помощью эксперимента, его планирование и проведение имеют соответствующие особенности. Эти отличительные черты связаны прежде всего с тем, какие качественные или количественные результаты предполагается получить, а также с характером измеряемых в процессе экспериментирования величин. Завершающим этапом экспериментального исследования является анализ и обработка результатов эксперимента. Результаты эксперимента сравниваются с поставленной задачей исследования, с выдвинутой гипотезой. Исходя из этого, делается вывод о правомерности выдвинутой гипотезы, о ее истинности и достоверности. Все сказанное выше говорит о том, что невозможно создать какой-либо алгоритм или образец, по которому будет осуществляться любое экспериментальное исследование. В данном случае можно лишь выявить общую стратегию проведения исследования, дать самые общие рекомендации, т. е. показать основные пути разрешения проблемы.

В экспериментальном методе исследования обычно выделяют четыре этапа: построение гипотезы, планирование эксперимента и конструирование экспериментальной установки, проведение эксперимента, обработка и анализ экспериментальных данных. В соответствии с этими этапами проводится любое экспериментальное исследование.

Таким образом, экспериментальный метод исследования является одним из важнейших методов эмпирического исследования. Во многом определяющим является первый этап экспериментального метода – выдвижение гипотезы. «…В реальной научной деятельности каждый процесс сбора эмпирического материала не является исходным, поскольку ему предшествуют гипотезы…» (17, c.57). «Гипотеза в широком смысле… – это то, что может быть названо главным моментом эвристического рассуждения…» (18, c.295).

Гипотеза является начальной стадией конкретного исследовательского процесса и в то же время – важнейшим этапом, в рамках которого рассматриваются вопросы возможности, истинности, достоверности, т.е. разрабатывается основа для будущего непосредственного эмпирического исследования, формируется база, на которой в дальнейшем выстраивается стройное знание.