1. Основные положения научного познания

При оценке достигнутых научных знаний о строении и росте дерева и определении на новой методологической основе путей создания математической модели роста дерева (равно и древостоя) как объекта высокоорганизованной материи, возникает необходимость представления об основных философских понятиях, сложившихся в теории познания и приведенных в настоящем издании в самом кратком виде.

Философия – наука о всеобщих закономерностях, которым подчинены как бытие (природа и общество), так и мышление человека, процесс познания (Философский словарь, 1987).

В настоящей работе поставлена первоочередная задача поиска путей построения математических моделей роста дерева и древостоя. Метод моделирования заключается в воспроизведении свойств, структуры и функции объекта познания на специально устроенной (или подобранной) его модели, на его «заменителе» (Алексеев, Панин, 2012). Математическая модель – это приближенное описание кого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики.

Материя – единственно существующая объективная реальность: причина, основа, содержание и носитель (субстанция) всего многообразного мира, то, что существует независимо от сознания (Назаров, 2001). Материя – объективная реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им, обладающая бесчисленным множеством различных свойств и форм (Алексеев, Панин, 2012). Время и пространство – основные формы существования материи (Философский словарь, 1987).

Неотъемлемым способом существования материи является движение. Движение – важнейший способ существования материи; в самом общем виде это изменение вообще, всякое взаимодействие материальных объектов и смена их состояний.

Общенаучной философской методологией исследований является теория системного анализа, позволяющая выявить все связи и закономерности развития всех составных частей сложных систем. Теория системного анализа служит методологической основой оценки большого количества информации различной природы.

Системный анализ – направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем. Теоретическую и методологическую основу системного анализа составляют системный подход и общая теория системного анализа (Философский словарь, 1987).

Системный подход – методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования систем разных типов и классов.

Системный подход позволяет получать более глубокие знания, чем предметно-центрический подход. Главное в системном подходе – глубокий анализ и многомерный синтез знаний о действительности и о предмете, так как любой предмет рассматривается как система. Системный подход допускает вариативность его применения в конкретных науках, давая лишь общую ориентацию.

Система в общем плане – это множество объектов, на котором реализуются определенные отношения с заранее заданными свойствами, а в более узком смысле – совокупность элементов, своими связями обеспечивающих ее целостность. Системы подразделяются на суммативные и целостные, органичные и неорганичные (Алексеев, Панин, 2012). Сложными системами являются: растительное сообщество, лес, лесонасаждение, древостой, дерево, корни, ствол, крона, лист, клетка и т.д.

Анализ и синтез – в самом общем значении это процессы мысленного или фактического разложения целого на составные части и воссоединения целого из частей (Философский словарь, 1987). Анализ и синтез взаимно дополняют друг друга и являются наиболее универсальными приемами познания на всех его уровнях и во всех формах. Использование этих приемов познания особенно важное значение имеет при изучении таких сложных систем как биосфера, растительность, лес, насаждение, древостой, дерево и т.д. Анализ и синтез являются основой биотектоники как методологии в части применения ее основных положений к растительным объектам.

Анализ – способ мысленного или реального расчленения объекта познания на части с целью выявления его структурных элементов и отношений между ними. Синтез – понятие, противоположное анализу, характеризующее способ соединения различных элементов в целое. Анализ служит для исследования уже известного знания, а синтез способен дать новое знание (Словарь философских терминов М.: ИНФРА-М, 2004).

В результате процесса синтеза формируется теория. Теория – система обобщенного достоверного знания о том или ином «фрагменте» действительности, которая описывает, объясняет и предсказывает функционирование определенной совокупности составляющих объектов знания (Философский словарь, 1987).

Детальную разработку методологии системного анализа применительно к популяционной генетике и экологии провели А.А. Ляпунов и С.В. Яблонский (1963). Вклад в разработку методологии исследования биологических систем внесли В.Д. Александрова (1964), Ю.Г. Пузаченко (1971) и другие исследователи.

Основными свойствами системного анализа являются:

– иерархия системы с расчленением ее на группы элементов, многообразные связи между ними в системе и их соподчиненность;

– модульное построение  выделение структурных и функциональных модулей, их расчленение на менее крупные модули (разработка системы модулей), что позволяет упростить задачу анализа;

– совместное рассмотрение структуры и функций с приоритетом функции над структурой, развитости – учетом изменяемости системы, ее способности к развитию, расширению, замене частей, накоплению информации;

– декомпозиция (согласование) локальных целей, позволяющая оптимальным образом осуществить достижение глобальной цели;

– структурно-иерархические построения и функциональные изменения системы в совокупности с ее развитием и использованием моделирования, включая построение системы операционных моделей для решения как узких, так и более широких задач, служат основой для разработки методики исследований и системы управления производством – системы целенаправленного вмешательства в его совершенствование;

– разработка системы локальных целей (иерархии целей) и алгоритмов их достижения (направлений работ, действий, процедур, заключений) служит осуществлению глобальной цели системного анализа – совершенствованию управления лесохозяйственным производством для повышения продуктивности лесов, улучшения их природоохранных и социальных функций.

Структура – строение и внутренняя организация системы, единство устойчивых взаимосвязей между элементами и законов этих взаимосвязей (Бучило, Исаев, 2012). Структура – совокупность устойчивых отношений и закономерных связей между элементами, включающая общую организацию элементов, их пространственное расположение, связи между этапами развития и т.д. (Алексеев, Панин, 2012).

Иерархия – тип структурных отношений в сложных многоуровневых системах, характеризуемый упорядоченностью, организованностью взаимодействий между отдельными уровнями по вертикали. Иерархические отношения имеют место во многих системах, для которых характерна как структурная, так и функциональная дифференциация, при этом на более высоких уровнях осуществляются функции интеграции, согласования (Философский словарь, 1987).

Структурные уровни в живой природе: уровень биологических макромолекул – клеточный уровень – микроорганизменный – органов и тканей – организма в целом – популяционный – биоценозный – биосферный.

Элемент – категория, в которой мыслится далее неделимая частица (элементарная частица – атом) (Бучило, Исаев, 2012).

Методология – 1) совокупность познавательных средств, методов, приемов, используемых в какой-либо науке; 2) область знания, изучающая средства, предпосылки и принципы организации познавательной и практически-преобразующей деятельности. Методология науки (научного познания) изучает научное знание и научную деятельность. Методологическое содержание связано с критическим пересмотром существующего понятийного аппарата, предпосылок и подходов к интерпретации изучаемого материала.

Традиционно проблемы методологии научного познания разрабатывались философами, но в связи с дифференциацией современного научного познания, усложнением понятийного аппарата, усиливающейся теоретизацией научного мышления, совершенствованием познавательных средств и методов дифференцируется и сфера методологии. Она решает задачи совершенствования научной деятельности, выходя за пределы философии, опираясь на разрабатываемые ею мировоззренческие и общеметодологические ориентиры и основоположения.

Среди проблем, изучаемых методологией, выделяются: описание и анализ этапов научного исследования; анализ языка науки; выявление сферы применимости отдельных процедур и методов (объяснение, доказательство, эксперимент); подходов и концепций (редукция), элементаризм, системный подход и др. (Философский словарь, 1987).

Методология научного познания включает: научные методы и их классификацию, структуру методологии, уровни научного познания и его формы. В методологии науки философы (Назаров, 2012) выделяют пять уровней, различающихся по степени общности вопросов и по характеру связи их с философией.

Первый, самый общий уровень методологии науки составляют исследования применения философских методов – диалектического и метафизического. Диалектический метод в качестве общего метода выступает в виде основных принципов мировоззрения и познания. На этом уровне методологии науки диалектический метод вскрывает сущность научного исследования и не исследует эмпирические процессы познания.

Второй, более узкий уровень методологии науки – методологические принципы конкретизируются, исследуется сущность общенаучных методов, дается их теоретическое обоснование. Вопросы методологии науки этого уровня также носят философский характер, но при анализе общенаучных методов необходимо обращение к данным о природе и обществе, а применение общенаучных методов познания обуславливается характером объекта исследования, а не только особенностями познающего мышления.

Третий уровень методологии науки – исследование системы общенаучных методов познания, применяемых в какой-либо фундаментальной науке. Кроме сущности этих методов необходимо знание основных проблем конкретной науки. Определение перспектив и основных направлений новой науки, ее взаимосвязи с другими науками, места в общей системе научного знания возможно на основе определенных методологических принципов.

Четвертый уровень методологии науки – исследование системы общенаучных методов познания в какой-либо нефундаментальной науке. Вопросы методологии третьего и четвертого уровней являются общими для философии и науки.

Пятый уровень методологии науки – исследование вопросов применения конкретных специальных методов научного познания. Применение этих методов определяется целью исследования и особенностями изучаемых объектов; часто применяемые методы теоретически не обоснованы, с философией непосредственной связи не имеют. Вопросы теоретического обоснования этих методов является важной задачей методологии пятого уровня.

Применяющиеся до сих пор методы лесоведения относятся к пятому уровню методологии науки. Переход на методологию биотектоники позволит поднять уровень познания с пятого до третьего в связи с тем, что многие аспекты лесоведения как раздела биологии позволяют считать ее фундаментальной наукой о жизни на Земле.

Научный метод – совокупность определенных познавательных операций, соответствующих предмету науки и позволяющих решать ее задачи. Научные методы подразделяются, как показано выше, на философские (диалектический, метафизический), общенаучные (наблюдение, моделирование, эксперимент) и частные.

Правильный выбор метода исследований способствует успеху исследования, но не гарантирует его достижения. Нельзя как недооценивать роль методологии и метода исследований, так и переоценивать значение метода в решении научных проблем. Метод и теория является философскими понятиями. Их отношения заключаются в следующем:

– теория – результат предыдущей деятельности. А метод – исходный пункт и предпосылка последующей деятельности;

– главные функции теории – объяснение и предсказание, а метод – регуляция деятельности;

– теория – система идеальных образов, отражающих сущность закономерности объектов, а метод – система регуляторов, правил, предписаний, выступающих в качестве орудия дальнейшего познания (Назаров, 2012).

Философы классифицируют методы научного познания, выделяя на эмпирическом уровне наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент; на теоретическом уровне – восхождение от абстрактного к конкретному, идеализацию, формализацию, аксиоматизацию. К методам, применяемым как на эмпирическом, так и на теоретическом уровнях исследования, относятся обобщение, абстрагирование, аналогия, моделирование, анализ и синтез, математические методы.

Формализация – метод изучения разнообразных объектов путем отображения их содержания и структуры в знаковой форме и исследование логической структуры теории (Назаров, 2012).

Формализация особенно важна в решении поставленной задачи разработки математической модели дерева и его роста – задачи, до сих пор не нашедшей своего разрешения.

Различают эмпирический и теоретический уровни познания. Результаты эмпирического исследования выражаются на естественном языке с добавлением специальных понятий в форме научных фактов, а результаты теоретического исследования – в форме закона и теории; язык теории формализован и математизирован.

Эмпирическое знание – совокупность научных фактов, образующих базис теоретического знания. Их получают путем применения двух основных эмпирических методов: наблюдения и эксперимента.

Эмпирическое исследование – исследование, направленное непосредственно на объект и опирающееся на данные наблюдения и эксперимента, органически связанные с теоретическим исследованием. Теоретическое исследование связано с совершенствованием и развитием понятийного аппарата науки и направлено на всестороннее познание объективной реальности в ее существенных связях и закономерностях.

Наблюдение – целенаправленное преднамеренное и организованное восприятие исследуемого объекта, восприятие внешнего мира, доставляющее первичный материал для научного исследования.

Наблюдение является методом, позволившим к настоящему времени достаточно подробно изучить лес и его компоненты на эмпирическом уровне. Это результат активного процесса научного познания с использованием мыслительных способностей человека и средств наблюдения.

При наблюдении за объектом, явлением производят их описание, используя логический и математический аппарат, что позволяет достаточно полно охарактеризовать количественную и качественную стороны объекта, явления. Наблюдение позволяет накопить необходимую эмпирическую информацию об объекте, явлении, осуществить проверку научной гипотезы и научной теории.

Предмет нашего рассмотрения – исследование роста дерева и древостоя впервые в России для практических целей было выполнено при проведении лесоустроительных работ в 1830-х гг. в казенных горнозаводских лесах Урала под руководством главного лесничего Уральских горных заводов И.И. Шульца, который счел необходимым отказаться от использования прусских таблиц Пфайля и перейти к составлению местных таблиц хода роста. Позднее местные таблицы хода роста разрабатывались при лесоустройстве в других районах страны; российские лесоводы, таким образом, перешли к составлению всеобщих и региональных таблиц хода роста, проделав огромную работу. Выполнение ее, тем не менее, не позволило решить задачу составления математических моделей таких явлений как рост дерева и древостоя.

Эксперимент – прием научного исследования, предполагающий соответствующее изменение объекта или воспроизведение его в специально созданных условиях. При проведении эмпирических исследований выдвигают эмпирические гипотезы, а в результате исследований формулируют эмпирические теории.

Эмпирические гипотезы и эмпирические теории раскрывают устойчивую повторяемость и связи между количественными характеристиками исследуемых объектов, установленными с помощью научных фактов; они являются более сложными формами обобщения фактов.

Закон – внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение. На основе знания закона возможно достоверное предвидение течения процесса. Закономерность – близкое понятие к понятию закона, представляет собой совокупность взаимосвязанных по содержанию законов, обеспечивающих устойчивую тенденцию или направленность в изменениях системы (Философский словарь, 1987).

Моделирование как процесс создания модели является обязательным этапом научного исследования. Набор конкретного математического аппарата, обеспечивающего синтез модели системы, прямо зависит от конкретных результатов исследований и не может быть определен заранее, а эффективность избранного метода должна проверяться по независимой выборке наблюдений за поведением реальной системы.

Математическое моделирование позволяет охватить явление в целом, исключая бесчисленные его проявления. Познание жизни – это познание целостности. Математическое моделирование формообразования есть закон гармонии на языке математики (Шевелев и др., 1990).

Известны три основные формы моделирования:

1. Графическое моделирование, отражающее состояние объекта в процессе проектирования по отдельным стадиям на графических моделях.

2. Предметное моделирование (макетирование), которое состоит в объемно-пространственном выражении представлений о решении задач.

3. Логико-математическое моделирование служит созданию количественных моделей при помощи формул, уравнений.

Все существующие модели подразделяются на физические, вещественно-математические и логико-математические. Упрощенным вариантом создания физических моделей лесных насаждений является создание лесных культур, если при этом решается задача приближения их свойств к свойствам естественных насаждений. Все модели, имеющую физическую природу, отличную от реального объекта или явления, являются аналоговыми. Аналогово-математические модели базируются на теории подобия.

Математическое моделирование является методом теоретической биологии, а имитационное моделирование направлено, главным образом, на решение практических задач. Математическая модель – мощный метод познания внешнего мира, а также прогнозирования и управления. Анализ математической модели позволяет проникнуть в сущность изучаемых явлений. Процесс математического моделирования, то есть изучения явления с помощью математической модели, можно подразделить на 4 этапа.

Первый этап – формулирование законов, связывающих основные объекты модели. Этот этап требует широкого знания фактов, относящихся к изучаемым явлениям, и глубокого проникновения в их взаимосвязи. Эта стадия завершается записью в математических терминах сформулированных качественных представлений о связях между объектами модели.

Второй этап – исследование математических задач, к которым приводят математическую модель. Основным вопросом здесь является решение прямой задачи, то есть получение в результате анализа модели выходных данных (теоретических следствий) для дальнейшего их сопоставления с результатами наблюдений изучаемых явлений. На этом этапе важную роль приобретают математический аппарат, необходимый для анализа математической модели, и вычислительная техника – мощное средство для получения количественной выходной информации как результата решения сложных математических задач.

Третий этап – выяснение того, удовлетворяет ли принятая (гипотетическая) модель критерию практики, то есть выяснение вопроса о том, согласуются ли результаты наблюдений с теоретическими следствиями модели в пределах точности наблюдений. Если модель была вполне определена – все параметры ее были заданы, то определение уклонений теоретических следствий от наблюдений дает решение прямой задачи с последующей оценкой уклонений. Если уклонения выходят за пределы точности наблюдений, то модель не может быть принята. Применение критерия практики к оценке математической модели позволяет делать вывод о правильности положений, лежащих в основе подлежащей изучению (гипотетической) модели. Этот метод является единственным методом изучения недоступных нам непосредственно явлений макро- и микромира.

Четвертый этап – последующий анализ модели в связи с накоплением данных об изучаемых явлениях и модернизация модели.

При других подходах выделяют три стадии математического моделирования (Назаров, 2012):

1) описательно-количественная обработка эмпирического материала;

2) математическое моделирование изучаемых объектов;

3) построение математической теории.

На первой стадии можно выделить таксационное и статистическое описания и обработки собранных материалов исследования. Они используются как вспомогательное вычислительное средство для извлечения дополнительной информации. Математическая (вариационная) статистика позволяет устанавливать степень тесноты и взаимообусловленности изменчивости объектов (деревьев) или их частей (таксационных показателей). Первая стадия математизации протекает в рамках сложившейся системы понятий и не направлена на создание теоретических положений.

На второй стадии математического моделирования создаются абстрактные математические модели объектов.

На третьей стадии строится математическая теория, которая формализует известное эмпирическое знание и служит источником получения новых, более глубоких знаний.

Приведенная выше краткая сводка понятий методологии научного познания в полной мере относится к оценке накопленных знаний о строении и росте дерева и древостоя с использованием их математических моделей. С учетом сказанного выше применительно к объектам наших исследований можно выделить дендротектонический уровень моделирования.