Розділ II. Методичні засади шкільного фізичного експерименту

2.1Фізичний експеримент як метод наукового пізнання

Експеримент - це метод емпіричного рівня наукового пізнання, спосіб чуттєво-предметної діяльності, коли явища вивчають за допомогою доцільно обраних чи штучно створених умов, що забезпечують перебіг у чистому вигляді тих процесів, спостереження за якими необхідне для встановлення закономірних зв'язків між явищами. Це свідоме, активне втручання дослідника у досліджуваний процес (планомірний підбір приладів, пристроїв та регулювання умов тощо), багатократне повторення процесу згідно з певними схемами (матрицями) заради досягнення (підтвердження чи спростування) певного результату.

Таким чином, сутність експерименту полягає в тому , що в ньому поєднуються прийоми практичного , чуттєвого і раціонального пізнання. Стало бути , в пізнавальному циклі здійснюється складна система взаємодій . При цьому елементи процесу пізнання відчувають впливу навколишнього середовища , а дослідник - також і різних компонентів суспільства. Аналіз цих сторін і дозволяє розкрити природу експерименту - наукового методу .

За формою експеримент зближується з діяльністю , в якій беруть участь суб'єкт і об'єкт , засоби їх взаємного впливу і сама діяльність , в результаті якої реалізується суб'єктивна мета , видозмінюється об'єкт , що приймає зручну форму для забезпечення потреб людини. В експерименті виділяються також суб'єкт і об'єкт пізнавального дії , практичні засоби пізнання (прилади та інструменти) , і сама дія , спрямована на зміну об'єкта.

Отже , експеримент з самого початку виділяється в особливий вид практики , який приймається з метою отримання нового знання і перевірки старого. Особливість експерименту проявляється не просто в наявності практичної дії, а в створенні експериментальної установки . Створивши таку установку , дослідник вивчає її функціонування , впливає на неї шляхом перегрупування елементів , заміною новими і так далі, тобто активно змінює об'єкт вивчення , його структуру.

При цьому, в процесі емпіричного дослідження на досліджуваний об'єкт дійсно впливає прилад , а іноді повністю його моделює , але це не спотворює реальних властивостей досліджуваних явищ , навпаки , служить єдиним засобом практичного їх виявлення . Справа в тому , що прилад (експериментальна установка), хоча і зроблений руками людини , являє собою частину реального світу, функціонує у повній відповідності із законами природи. Конструюючи складні технічні системи в якості засобів пізнання, людина не віддаляється від світу, а наближається до нього. Прилади стають єдиним і найбільш надійним засобом практичного пізнання .

Таким чином , прилад - найважливіший засіб пізнання . Специфіка приладу в тій чи іншій мірі обумовлює і специфіку різновидів емпіричного пізнання. Тому велике значення має класифікація приладів. Їх можна поділити на п'ять основних груп:

• прилади , що збільшують силу й діапазон чуттєвого сприйняття

(мікроскопи, телескопи , прилади нічного бачення , рентгенівські установки);

• вимірювальні прилади ( лінійки , годинники, барометри , термометри ,

лічильники Гейгера ) ;

• технічні пристрої, що дозволяють розчленувати предмети,

проникнути в їх внутрішню структуру (прискорювачі, центрифуги , перегінні куби , фільтри , призми) ;

• технічні системи , що забезпечують необхідні для експерименту умови

( барокамери , аеродинамічні труби ) ;

• фіксуючі прилади ( кіно - , фото - , теле апаратура , електроскопи ,

осцилографи , різні індикатори , т.д.).

У сучасному науковому пізнанні, як правило, застосовуються не окремі прилади , а їх комплекс .

Експеримент як діяльність, що має зовнішні і внутрішні , об'єктивні і суб'єктивні ознаки , розпадається на ряд етапів , поєднання яких розкриває його логічну структуру. До деякого ( недавнього ) моменту часу його специфіка обмежувалася лише збором дослідних даних , тобто безпосереднім експериментуванням, з якого випадали підготовча і заключна стадії . Вважалося, наприклад , що логічна обробка даних виходить за рамки чисто експериментального дослідження і відноситься до розряду теоретичного пізнання.

В даний час, стало ясно, що прості логіко - математичні операції входять в структуру емпіричного дослідження, частиною якого є експеримент. І, без деякої, емпіричне дослідження не існує.

Отже, можна стверджувати, що експеримент зовсім не обмежується лише проведенням досвіду і отриманням вихідної інформації , а складається з етапів, на кожному з яких по - своєму поєднуються елементи чуттєвого , практичного та теоретичного пізнання. До них можна віднести наступні:

1. Підготовчий ;

2. Етап проведення експерименту та отримання дослідних даних ;

3. Етап обробки дослідних даних , або заключний .

Аналіз структурних особливостей експериментального дослідження допомагає розкрити його природу з гносеологічної точки зору , тобто з позиції співвідношення об'єкта і суб'єкта пізнавальної діяльності.

Логічні засоби експериментального дослідження

Експеримент спирається на широкий спектр логічних засобів. Для їх аналізу визначимо критерій вибору найбільш характерних засобів. В якості такого критерію може бути взято положення про практичну базу логічних операцій , безпосередньо пов'язаних з реальними предметами, процесами їх видозміни і чуттєвого відображення . До таких методів можна віднести операції аналізу та синтезу, дедукції та індукції, узагальнення і абстрагування, аналогії і моделювання. Крім того, слід враховувати, що експеримент тісно пов'язаний з проблемою, що має свої теоретичні та емпіричні підстави , так і з гіпотезою, для перевірки якої він робиться.

У методологічній літературі аналіз визначається як метод наукового пізнання, що складається з розчленовування об'єкта на складові частини і вивчення їх окремо. Синтез ж являє собою зворотну операцію - з'єднання частин у ціле і вивчення цілісного функціонування об'єкта .

Будь - яка експериментальна установка являє собою практичне втілення аналізу і синтезу, так як, з одного боку, вона як би вирізає із загальних природних зв'язків явище, що підлягає вивченню, з іншого - включає його в нову систему елементів, з яких установка складається.

Багаторазове варіювання досвідом також являє собою практичне втілення аналізу і синтезу, виділення властивостей предмета і їх возз'єднання один з одним в цілісне утворення .

Процес формування розрізнених предметів і приладів в експериментальну установку являє собою практичний синтез , завдяки якому аналізується досліджуване явище , виявляються його окремі властивості та ознаки. Потім вони синтезуються за допомогою раціональних прийомів у цілісній картині явища . Поштовхом до практичного синтезу, до створення приладової установки завжди виступає гіпотеза, яка потребує дослідної перевірки.

З'єднання елементів експериментальної установки являє собою практичний синтез, робилися спеціально для аналізу випробовуваних речовин. Причому одного експерименту, як правило, не достатньо. Глибина аналізу прямо залежить від кількості випробувань. Широта охоплення досліджуваних предметів і полягає у творчості вченого. Поглиблений аналіз дозволяє зробити важливі відкриття .

Таким чином, аналіз і синтез відіграють важливу роль в експериментальному дослідженні, служать найбільш дієвими засобами пізнання, використовуються не ізольовано, а в тісній єдності з іншими методами, серед яких виділяються, як уже зазначалося, порівняння, абстрагування, аналогія, індукція і дедукція .

Будь-який аналіз і синтез являє собою такі логічні операції , які не можуть обійтися без порівняння, індукції та дедукції, включають елементи узагальнення і абстрагування. Сукупність цих методів складає основу наукового аналізу та синтезу. Розглянемо їх докладніше .

Індукція виступає як синтез приватних суджень, на основі яких виробляються загальні положення. Дедукція ж являє собою об'єднання загальних і приватних висловлювань, що дає логічним шляхом повчити нове приватне висловлювання .

Особлива роль дедукції полягає в тому, що з її допомогою формулюються проблеми і гіпотези, що передують експериментальному пошуку на його початковій стадії, і виводяться емпіричні наслідки з них .

У ряді випадків з аналізованої гіпотези не вдається відразу вивести висновок. Виникає необхідність в проміжних висновках.

В силу складності системи доказ або спростування кінцевих наслідків не завжди може служити доказом істинності чи хибності самої теорії , так як в процесі введення теорії можуть бути помилки, що потребують усунення . Тому досвідчена перевірка теорії передбачає не одне, а серію багатоступеневих експериментальних випробувань.

Непідтвердженість наслідків може бути пояснена наступними обставинами :

• невірна гіпотеза ;

• допущена помилка при виведенні з гіпотези слідства ;

• є неточності в самому експерименті, в отриманих даних.

По-своєму діє дедукція і при знятті показань приладів. Самі по собі свідчення не відображають властивостей об'єкта дослідження. Тільки у світлі теоретичних передумов і дедуктивних композицій вони набувають певний фізичний зміст .

Отже, дедукція та індукція - такі методи пізнання, завдяки яким здійснюється зв'язок між теорією і практикою, розгортається система висловлювань, що допускають дослідну перевірку. Експеримент тут виступає і як кінцевий , і як початковий етап наукового пошуку .

Узагальнення реалізується через систему індуктивного виводу, порівняння досліджуваних явищ. Воно допомагає глибше пізнати явище , виявити його зв'язки і відносини. При раціональному аналізі експериментальних даних узагальнення сприяє формуванню фактів науки і емпіричних залежностей .

Дедукція тісно пов'язується з операцією абстрагування. Абстрагування використовується і як метод висування гіпотез, формування емпіричного базису - продумування схеми досвіду, підбору елементів приладової ситуації, обробки отриманих даних і т.д.

В експерименті широко застосовується аналогія - прийом пізнання , за допомогою якого здійснюється перехід від більш дослідженого об'єкта до менш вивченого за наявності у них загальних ознак .

Особливе значення аналогії в експерименті полягає в тому, що на основі вивчення експериментального об'єкта виходять висновки, поширювані на природні об'єкти природи . За допомогою аналогії переходять від приватного знання до загального, від конкретного до абстрактного. При експерименті можуть мати місце і переходи однозначного характеру - від приватного до приватного.

Зі сказаного випливає , що логічні операції в експерименті набувають особливого ​​раціонально - практичного забарвлення, надають практичним діям сенс, стягують комплекс дій в цілісну структуру досвідченого дослідження, забезпечуючи його зв'язок з теоретичними передумовами.

Експеримент - основна форма пізнання в природознавстві й технічних науках. В останній час він застосовується й у суспільних та гуманітарних науках. Проте варто пам'ятати, що соціальний експеримент обмежується моральними рамками та принципами гуманізму, людяності й можливий лише за чітко окреслених і визначених умов.

Отже, можемо сказати, що експеримент — це такий метод вивчення об’єкта, коли дослідник активно впливає на нього за допомогою створення штучних умов, необхідних для виявлення відповідних властивостей, коли свідомо змінюється хід природних процесів. Експеримент — найбільш складний і ефективний метод емпіричного пізнання. Він передбачає використання спостереження, порівняння та вимірювання — цих елементарних емпіричних методів.

З розвитком науки і техніки експеримент дедалі ширше застосовується. Без експерименту не можна уявити розвиток сучасної науки. Сьогодні експериментальні дослідження є настільки важливими, що розглядаються як одна з основних форм практичної діяльності.

До переваг експерименту належить також його повторюваність. Це означає, що під час експерименту необхідні спостереження, порівняння і вимірювання можуть проводитися, як правило, стільки разів, скільки потрібно для одержання вірогідних даних. Через це експериментальний метод у науці набуває особливого значення. Зрозуміло, цим не вичерпуються всі його переваги. Експеримент може бути дослідним або ілюстративним (демонстраційним).

Експеримент є дослідним, коли намагаються виявити притаманні об’єкту невідомі раніше властивості. Наслідком такого експерименту є твердження, що не випливають із раніше відомих знань про об’єкт. До експерименту звертаються і тоді, коли треба перевірити справедливість тих чи інших тверджень або теоретичних положень. Такий експеримент називають перевірним

До експерименту звертаються також тоді, коли потрібно з метою навчання проілюструвати якесь явище. Такий експеримент називають ілюстративним, або демонстративним.

Будь-який із цих експериментів може здійснюватись як безпосередньо з об’єктом дослідження, так і з його замінником у пізнанні — моделлю. Найважливішою особливістю експериментування з моделлю є можливість вивчення її в набагато ширшому діапазоні умов, ніж це дає змогу безпосереднє оперування з оригіналом. До того ж експеримент можна здійснювати як з матеріальними об’єктами, так і з їхніми ідеальними копіями. В останньому випадку експеримент називають уявним. Уявний експеримент є специфічним методом пізнання, він виступає як ідеальна форма реального експерименту і вже давно і плідно застосовується в науці. Сфера застосування уявного експерименту набагато ширша, ніж матеріального. Проте перевірити вірогідність здобутих за допомогою уявного експерименту знань можна лише за допомогою реального експерименту, практики.

Отже, як висновок можемо сказати, що розвиток суспільства в значній мірі визначається рівнем наукових технологій, напрями яких засновані на досягненнях відповідних галузей фізики. Сучасна фізика володіє великим різноманіттям методів досліджень, серед яких експеримент– найефективніший та дієвий засіб пізнання.

Експеримент як метод наукового пізнання має велике значення у навчальному процесі. Якщо порівнювати цей метод з іншими практичними методами, то він забезпечує емпіричний рівень пізнання й відрізняються від інших тим, що викликає більш активну мисленнєву діяльність; розвиває дослідницькі навички у школярів, їх творчі здібності, самостійність, самоконтроль, цілеспрямованість. Тому розглянемо, яким саме чином це відбувається.