Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского»

Кафедра вычислительной техники

Анатолий Михайлович Сергиенко

Основы научных исследований

Методические указания

2016

Введение

Цель данных методических указаний — способствовать организации научной деятельности молодых исследователей — студентов, обучающихся по программе образовательно-квалификационного уровня магистра, для успешного проведения научных исследований и подготовки дипломной работы магистра. Для начинающего исследователя важно не только хорошо знать основные положения для его научно-исследовательской работы, но и иметь общее представлене о методологии научного творчества.

В дисциплине «Основы научных исследований» рассматриваются методология, методы и способы организации научных исследований. Это поможет приобрести опыт в организации научно-исследовательской роботы, в использовании методов научного познания, применении логических законов и правил, позволит молодым исследователям раскрыть свой творческий по- потенциал и пройти путь от начинающего исследователя до молодого ученого.

В результате изучения данной дисциплины студент должен усвоить методику научных исследований, их планирование и организацию. На основе полученных знаний студент должен уметь отбирать и анализировать инфо- мацию по теме исследований, формулировать цели и задачи исследования, производить новые научные идеи, находить собственные решения, обобщать, систематизировать и теоретически объяснять научные факты, оформлять их в виде научных отчетов, статей, докладов.

1. Принципы и категории научных исследований

1.1 Основные категории

Научная теория — это высшая форма обобщения и систематизации знаний.

Гносеология – теория как обобщение результатов истории науки. Она устанавливает, в результате чего появляется теория и для чего она нужна.

Логика – научный метод, который раскрывает структуру теории и ее соотношение с другими теориями.

Научная методология определяет, что и как изучается с помощью теории.

Функциями научной теории являются: объяснительная, предсказатель­ная, фактическая, систематическая (предусматривает преемственность знаний) и методологическая.

Разработка научной теории органично связана с такими факторами:

– возникновение научных идей,

– формулировка принципов, законов, соображений, положений, катюго­рий, понятий; обобщение научных фактов;

— использование аксиом;

— выдвижение гипотез;

— доказательства теорем.

Научная идея — это такая форма мысли, которая дает новое объяснение явлений. Она базируется на знаниях, которые уже накоплены и раскрывает ранее не замеченные закономерности.

Научное познание – это процесс рождения научных идей.

В научной теории идея выступает как начальная мысль, которая объединяет понятие и меру знания в целостную систему. В ней содержится фундаментальная закономерность, на которой основывается теория, тогда как в других понятиях отражены лишь те или иные аспекты этой закономерности.

Принцип — это главное исходное положение научной теории, выступает как первое и самое абстрактное определение идеи как начальной формы систематизации знаний. Принцип — исходное положение отрасли науки, начальная форма систематизации знаний.

Теория — высшая форма обобщения и систематизации знаний, то есть, учение о обобщен опыт, практику, сформулированы научные принципы и методы.

Законы науки отражают существенные, устойчивые и постоянно повто­ряющиеся объективные внутренние связи, отношения между явлениями, предметами, элементами, качествами. Законы создаются на основе идей и принципов. Законы формулируются как определенные соотношения понятий, категорий.

Категория — это наиболее общее, фундаментальное понятие, ображаю­щее существенные свойства явлений действительности.

К категориям относятся понятия о форме и содержании явлений, прин­ципы (постулаты), аксиомы. Научный закон — категория, которая отражает наиболее существенные, устойчивые, повторяющиеся объективные внутренние связи.

Толкование идеи — первые догадки, формулировка гипотезы, предвари­тель­ные выводы, которые позволяют трактовать знания. Толкования исполь­зуются при открытии законов и при сообщении о научных открытиях другим людям.

Понятие — элемент высказывания научных знаний (как элемент теории) — начальный элемент. Каждый мыслительный акт состоит из понятий.

Пример формулирования категории:

Алгоритм – это вычислительный процесс, заданный на вычислительной модели, описанной с помощью точных математических понятий (А. Тьюринг).

Здесь “aлгоритм” – это категория и понятие, “вычислительный про­цесс”, “вычислительная модель ” – понятия. Таким образом, категория алгоритма формулируется как связь двух понятий – модели и вычислительного процесса, заданного, организованного на ней. Также эта категория выступает основным принципом и законом вычислительной науки.

Гипотеза — форма осмысления научных фактов, форма перехода от фактов к теории, специфическая «материализация» вербально выраженной идеи. Без гипотезы невозможно начать исследования, поскольку неизвестно, с какой именно целью необходимо исследовать, что и как наблюдать в опытах.

Гипотезу сначала проверяют предварительными экспериментами или теоретическими расчетами и только после этого на ее основе разрабатывают план и методику научного исследования.

При анализе результатов экспериментов гипотезу утверждают или вносят в нее коррективы.

Гипотеза проходит три стадии развития:

1) накопление фактического материала и предположения на его основании;

2) формулировка гипотезы, то есть выведение из предположения последствий, развертывания теории;

3) проверка на практике и уточнения по результатам этой проверки, то есть, доказательство гипотезы.

Таким образом гипотеза превращается в научную теорию. Выдвижение нескольких гипотез, в том числе взаимоисключающих, не считается чем-то нежелательным. Важно после установить, в чем заключается сущность исследуемого объекта, а наличие различных гипотез обеспечивает тот всесторонний анализ, без которого невозможно четкое научное обобщение. Если гипотезу доказано с помощью научных методов, то она становится научной теорией.

Структура теории — это связанные между собой принципы, законы, толкование, положения, понятия, категории и факты.

Необходимые элементы теории: формальное исчисление, научные результаты, выводы, понятия, аксиомы, теоремы.

1.2 Путь становления научной теории

Процесс формирования новой теории проходит 4 стадии:

1) Информационный поиск. Накапливается и анализируется фактичес­кий материал. Поиск дает возможность для отдельных обобщений, выдвижения гипотез и выводов.

2) Научный поиск. Научный поиск начинается с выдвижения гипотезы, которая проверяется экспериментами. Результат поиска – это идеи. Систе­матизация результатов, введение более глубоких принципов, аксиом, постула­тов, законов. Полученные таким путем знания носят лишь вероятностный характер и требуют практической проверки.

3) Анализ и синтез. С анализом (разделением) и синтезом (объеди­нением) связана вся экспериментальная деятельность исследователя. К анализу и синтезу сводятся все виды умственной деятельности.

Синтез обеспечивает формулировки понятий и категорий. Синтез при исследованиях позволяет включать в систему фактов идеальные результаты, расчет реальных возможностей, учет закономерностей развития и функциони­рования явлений.

Вид синтеза зависит от характера синтезируемых сущностей, способов их объединения и их особенностей.

Синтез позволяет объединить: части в единое целое; признаки явления для установления их видовой принадлежности; элементы для определения их отношений. Синтез – это основа системного подхода.

4) Формирование теории. Сформировать теорию — значит установить логическую связь между отдельными обобщениями, гипотезами и выводами той или иной области исследования, перейти от индуктивных предположений к дедуктивным выводам.

Возникновение теории — не просто количественный прирост знаний, а качественное изменение, переход к более глубокому пониманию сущности объекта.

Созданная теория решает целый ряд задач:

— подтверждает истинность предварительного познания,

— четко систематизирует представления о сущности и связи между объектами,

— расширяет, углубляет и уточняет эти представления,

— предусматривает новые явления в исследуемой области завершения всей предыдущей познавательной деятельности в определенной области.

1.3 Виды и признаки научного исследования

Научные исследования бывают фундаментальные и прикладные.

1) Фундаментальные научные исследования — это научная теоретичес­кая и / или экспериментальная деятельность, направленная на получение новых знаний о закономерностях развития и взаимосвязи природы, общества, человека.

Задачей фундаментальной вычислительной науки является познание законов, описывающих поведение и взаимодействием базисных структур компьютерных систем.

Фундаментальные исследования могут делиться на свободные (чистые) и целевые.

Чистые исследования имеют индивидуальный характер и возглавляются признанным ученым — руководителем работы. Характерной особенностью этих исследований является то, что они заранее не определяют какие-то цели, но в принципе направлены на получение новых знаний и более глубокое понимание проблем.

Целевые исследования имеют отношение к определенному объекту и проводятся с целью расширения знаний о глубинных процессах и явлениях, происходящих в отрасли без учета возможных областей их применения.

Задача фундаментальных наук находятся на границе между известным и неожиданным, в связи с чем эти исследования отличаются неопределенностью конечной цели. Выбор конкретных путей фундаментальных исследований часто определяется интуицией, опытом и внутренней логикой развития науки.

В свою очередь, фундаментальные науки постоянно открыты для новых идей и подходов, в них заложена способность пересмотреть привычные представления об окружающем мире, и, если нужно, отказаться от них.

2) Прикладные научные исследования — это научная и научно-техническая деятельность, направленная на получение и использование знаний для практических целей. Непосредственная цель прикладных наук состоит в применении результатов фундаментальных наук при решении познавательных и практических проблем.

Разработки — особая область исследований на стыках прикладных наук и производства, в процессе которых реализуются результаты практических прикладных наук в виде конкретных технологических процессов, конструкций, материалов.

1.4 элементы исследований

Путь научного познания:

— начинается с живого наблюдения,

— с переходом к абстрактному мышлению,

— а затем к практическому воплощению в жизнь.

Процесс познания включает в себя накопление фактов, создание гипотез и теорий.

Факты – элементарные понятия, полученные в результате опыта, экспе­ри­ментов. Факты систематизируют, обобщают, логично осмысливают. Факты стано­вятся составной частью научных знаний, если они систематизированы. Факты сис­тематизируются и обобщаются с помощью абстракций — понятий (определений).

Гипотезы — научно обоснованные предположения, выдвигаемые для объяснения какого-то процесса, после проверки могут оказаться истинными или ложными. Гипотеза выступает часто как первоначальная формулировка, очередной вариант открываемого закона. Следует подчеркнуть, что гипотеза играет очень важную роль в развитии любой науки, потому что она по сути является формой ее развития. Большинство научных законов и теорий были сформулированы на основании ранее высказанных гипотез.

Теория — высшая форма обобщения и систематизации знаний, то есть, учение об обобщенном опыте, практике. В теории сформулированы научные принципы и методы.

Научное исследование — форма развития науки, изучение взаимодейст­вия между явлениями с целью получения убедительно доказанных и полезных для науки и практики решений с максимальным эффектом.

Научное исследование — очень широкое понятие, которое охватывает все процессы — от зарождения идеи до ее воплощения в виде новых теоретических положений, создание новых технологий.

Научные исследования имеют объект и предмет, на познание которых они направлены.

Логический путь познания — путь, позволяющий на основе умозаклю­чений объяснить явления и процессы в области исследований. Такой путь способствует появлению новых идей и проблем, начертанию путей их решения. Он строится на полученных фактах и ​​результатах эмпирических исследований.

Качественные научные исследования имеют следующие признаки:

— высокий уровень научности сделанных выводов и обобщений,

— высокая достоверность новых категорий,

— высокая эффективность применения,

— их результаты создают основу для новых научных разработок.

Система знаний — сумма фактов, понятий, принципов, гипотез, законов, теорий, позволяют предсказать события и управлять материальной деятель­ностью. Такой систематизированный научный опыт характеризуется рядом признаков:

1. Всеобщность — важнейший признак знаний, когда любое научное открытие является суммарным выражением человеческих успехов в познании мира. Наука является общественной по своему происхождению, развитию и использованию. Система научных знаний принадлежит всем, поэтому она эффективно может быть использована только с развитием общественного труда, производства, торговли в крупных масштабах.

2. Проверяемость и воспроизводимость категорий — важное требование к общеприятым научным знаниям.

3. Долговечность. Быстрое старение знаний свидетельствует о недоста­точ­ной их глубине и слабых обобщениях, неточности принятых гипотез и установленных законов.

Где хранятся знания.

Научные знания систематизированы изложены в книгах, статьях, авторских свидетельствах и патентах, отчетах и ​​т.

Виды научных исследований

Научные исследования проводятся как научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Вообще все научные исследования можно разделить на три основных вида: теоретические, поисковые и прикладные.

Необходимость исследований в прикладных науках продиктована потреб­нос­­тями и практической деятельностью людей, задачами, которые ставит перед наукой производство.

При научных исследованиях решаются познавательные задачи. Можно выде­лить три вида познавательных задач: эмпирические, теоретические и логические.

1. Эмпирическая познавательная задача заключается в отборе и тщательном изучении фактов.

Эксперимент — метод познания, когда исследователь сознательно вме­ши­вается в поведение предметов или в течение явлений и процессов с целью получения конкретных количественных и / или качественных данных о предме­те, который изучается.

2. Теоретическая задача решается, когда исследователь имеет дело не с реальными объектами, а выходит за пределы их характеристик, по которым непосредственно ведется наблюдение. Он воспроизводит в различных моделях реальных объектов механизм явлений или процессов. Таким образом, изучение модели позволяет объяснить установленные факты. Вместе с тем, теоретические знание может быть проверено эмпирически.

3. Логическая задача решается логическим методом.

Логический метод — такое оперирование знаниями и средствами их получения, которое позволяет получить новые знания, не обращаясь после каждого этапа рассуждений к эмпирической (опытной) их проверке. Ставя проблему, исследователь осуществляет логический анализ научных знаний, отделяет точно установленные знания от гипотетических знаний.

Логические задачи могут решаться при организации научного исследова­ния, при построении теории и разработке гипотез, когда должны удовлетво­рять­ся логические и гносеологические требования, суть которых заключается в том, что все термины, понятия, признаки должны находиться в однозначном связи.

1.5 Методология и методы научных исследований

Конкретно-научная методология со своими методиками имеет дело с техническими приемами, предписаниями, нормативами, формулирует принци­пы, методы конкретно-научной деятельности, описывает и обосновывает их. Например, методы синтеза автоматов, минимизации Булевские функций и тому подобное.

Второй уровень — общенаучная методология как учение о принципах, мето­дах и формах знания, функционирующих во многих науках, которые соответствуют их предмету и объекту исследования. Это, например,методы эмпирического исследования: наблюдение, измерение, эксперимент, общелоги­чес­кие методы: анализ, синтез, индукция, аналогия, дедукция и т.д., а также такие формы знания, как понятия и законы, гипотезы и теории.

Метод (от греческого metodos) в широком смысле слова — «путь к чему-то», путь исследования, путь познания, теория, учение, сознательный способ достиже­ния определенного результата, осуществление определенной деятель­нос­ти, реше­ния определенных задач. Он выступает как совокупность опреде­ленных правил, при­емов, способов, норм познания и действия. Он представляет собой систему пред­писаний, принципов, требований, ориентируют субъекта в решении конкрет­ной задачи, достижении определенного результата в опреде­лен­ной сфере деятельности.

Метод — это инструмент для решения главной задачи науки — открытия объективных законов действительности. Метод определяет необходимость и место применения индукции и дедукции, анализа и синтеза, абстракции, формализации, моделирования, сравнения теоретических и экспериментальных исследований.

Методология — это тип научной деятельности, направленный на изу­чение, совершенствование и конструирование методов.

Понятие «методология» имеет два основных значения:

1) это — система определенных правил, принципов и операций, променя­емых в той или иной сфере деятельности;

2) это — учение системах правил, общая теория метода.

Существуют методологические представления и концепции различной степе­ни разработанности и конструктивности, разного уровня и широты охвата (обще­научная методология и методология науки междисциплинарного уровня, методология отдельных наук).

Функции методологии:

— координирующая,

— интегрирующая,

— эвристическая.

Методика — это фиксированная совокупность приемов практической деятельности, что приводит к заранее определенному результату. В научном познании методика играет значительную роль в эмпирических исследованиях (наблюдении и эксперименте). В отличие от метода, в задачи методики не входит теоретическое обоснование полученного результата, она концентри­руется на технической стороне эксперимента, процесса конструирования, разработки и на регламентации действий исследователя.

1.6 общенаучные методы исследования.

В структуре общенаучных методов можно выделить следующие три уровня:

1. Методы эмпирического исследования.

2. Методы теоретического познания.

3. общелогических методы и приемы исследования.

1.6.1 Методы эмпирического исследования

К ним относят наблюдение, эксперимент, сравнение, описание, измере­ние.

Наблюдение — это целенаправленное изучение предметов, преимущест­вен­но опирается на данные органов чувств (ощущения, восприятия, представле­ния). Во время наблюдения получаются знания не только о внешних стороны объекта познания, но и о его существенные свойства.

Наблюдение может быть непосредственным и опосредованным. Послід­нее осуществляется с помощью различных приборов и технических средств, а с развитием науки становится все более сложным.

Эксперимент — это целенаправленное и активное вмешательство в ход изучаемого процесса, соответствующие изменения объекта или его воспроизве­дение в специально созданных и контролируемых условиях.

Основными стадиями осуществления эксперимента являются:

— Планирование и строение;

— Контроль;

— Интерпретация результатов.

Эксперимент имеет две взаимосвязанные функции:

1. опытную проверку гипотез и теорий,

2. формирование новых научных концепций.

В зависимости от этих функций выделяют эксперименты:

— исследовательский (поисковый),

— проверочный.

Таким образом, эксперимент  это наиболее распространенный метод эмпири­ческого познания, который не только включает в себя наблюдение и измере­ние, но и может выполнять изменение объектов исследования и т.п. В эксперимен­тальном методе, исследователь может обнаружить влияние одного фактора на другой.

Эмпирические методы являются не только основой для получения теорети­ческих предположений, но часто они являются предметом новых открытий, новых научных исследований.

Сравнение — это исследовательская операция, которая лежит в основе выводов о сходстве или различиях между объектами. С помощью сравнения выявляются качественные и количественные характеристики объектов.

Тождеств и различие являются простыми и важными типами отношений, которые применяются в процессе сравнения. Это сравнение имеет смысл только в совокупности однородных объектов, которые образуют класс. Такой класс является логическим основанием для такого метода, как аналогия.

Описание — познавательная операция, которая заключается в фиксации результатов эксперимента (или наблюдения) с определенными параметрами, которые приняты в науке.

Измерение представляет собой набор действий, выполняемых с помощью измерительных инструментов, чтобы найти численное значение измеряемой величины, которая берется в некоторых единицах измерения.