Общая схема научного исследования, его составные части

Научные исследования – это творческая деятельность человека, связанная с изучением, анализом и объяснением закономерностей развития окружающей его действительности. Научные исследования включают в себя:

- научный труд или научную деятельность человека;

- предмет научного труда;

- средства научного труда.

Научная деятельность базируется на конкретных методах познания и связана с получением новых или уточнением старых сведений об объекте исследования или исследуемом явлении.

Предметом научного исследования является объект исследования или исследуемое явление, свойство, связь, на изучение которых направлена деятельность человека.

Средством научного труда является совокупность технических средств обеспечения научного исследования (измерительное оборудование, приборы и приспособления).

По степени важности научные исследования делятся на:

- выполняемые по государственному плану;

- выполняемые по заданию государственных министерств, комитетов и их подразделений;

- выполняемые по заданию местных органов самоуправления;

- выполняемые по инициативе научно-исследовательской организации;

- выполняемые по договорным отношениям с коммерческими, государственными и негосударственными организациями, предприятиями, фирмами.

В зависимости от источников финансирования научные исследования делятся на:

- госбюджетные;

- хоздоговорные;

- нефинансируемые.

По длительности разработки научные исследования делятся на:

- краткосрочные (сроки выполнения до 1 года);

- среднесрочные (сроки выполнения от 1 до 5 лет);

- долгосрочные (сроки выполнения более 5 лет).

По виду связи с общественным производством научные исследования делятся на:

- работы, направленные на создание новых средств производства и новых технологий;

- работы, направленные на совершенствование производственных отношений;

- работы, направленные на совершенствование общественных отношений, социальной сферы деятельности человека, повышения уровня духовной жизни.

В зависимости от целевого назначения, глубины научной проработки, степени связи с природой или промышленным производством научные исследования делятся на:

- фундаментальные;

- прикладные;

- научно-исследовательские (НИР);

- опытно-конструкторские (ОКР).

По способу реализации научные исследования делятся на:

- теоретические;

- экспериментальные.

В процессе научного исследования можно отметить сле­дующие этапы познания:

- возникновение идей;

- формирование понятий;

- формирование суждений;

- выдвижение гипотез;

- обобщение научных фактов;

- доказательство правильности гипотез и суждений.

Этапы научного исследования. Любое научное исследова­ние, любая НИР и ОКР в процессе своего выполнения проходит ряд последовательных этапов, представляющих собой звенья цепи процесса познания.

1. Выбор (уточнение) темы:

- общее ознакомление с проблемой, к которой относится вы­полняемая НИР, если работа новая, или уточнение задач кон­кретной работы, если она вытекает из предшествующих ис­следований;

- формулирование темы (ее наименование, цели работы и ее предполагаемые результаты);

- составление плана НИР (тематический план как перечень элементов-этапов исследования, и календарный план, увязы­вающий сроки выполнения отдельных этапов со сроками вы­полнения всей работы);

- технико-экономическое обоснование работы (сопоставле­ние затрат на работу с ожидаемой эффективностью ее резуль­татов).

2. Анализ (обзор) литературы по теме:

- поиск, подбор и изучение литературы;

- критический анализ информации по литературным дан­ным;

- обобщение информации (составление обзора с выводами); оценка состояния вопроса.

3. Постановка задачи исследования:

- определение цели и задачи исследования;
- выбор пути решения;

- установление допущений и ограничений на решение и его результаты;

- выбор метода исследования.

4. Теоретический анализ:

- поиск идеи решения (ее формулирование); выбор рабочей гипотезы;

- разработка модели исследуемого явления (процесса, объекта);

- математизация модели; теоретический анализ модели; вычисления и анализ результатов.

5. Экспериментальная часть работы:
- цели, задачи и план эксперимента;

- методика эксперимента и измерений в его процессе; оценка достоверности измерений;

- создание экспериментальной (испытательной) установ­ки (стенда);

- проведение эксперимента;

- обработка экспериментальных данных.

6. Анализ результатов исследования:
- сопоставление результатов эксперимента с данными теоретического анализа;

- уточнение теоретических представлений, уточнение моде­ли исследуемого явления;

- преобразование рабочей гипотезы в теорию исследуемого явления;

- формулирование выводов.

7. Оформление результатов исследования:

- оценка возможностей практического использования ре­зультатов работы;

- анализ технико-экономической эффективности получен­ных результатов и их практического использования;

- составление научно-технического отчета.

8. Внедрение результатов НИР в производство.

Для ОКР и некоторых простых по содержанию НИР пе­речень этапов их выполнения может быть несколько иным.

Тема — это законченное научное исследование, решающее научно-техническую задачу, указанную в ее наименовании.

Методы и формы работы с литературой и другими источниками весьма разнообразны. В общем случае совокупность унифицированных сведений и услуг, оформленных некоторым стандартным образом, по­лучила название информационного продукта.

К числу информационных продуктов относят первичные и вторичные документы и издания. Как первичные, так и вторичные документы могут быть опубликованными и неопубликованными.

К числу первичных документов относят:

- книги, непериодические текстовые издания объемом свыше 48 страниц;

- брошюры, непериодические текстовые издания объе­мом от 4 до 48 страниц;

- материалы законодательного, нормативного или ди­рективного характера;

- периодические издания;

- диссертации и авторефераты к ним;

- нормативно-техническая документация;

- патентная документация;

- отчеты о НИР.

Книги и брошюры делятся на научные, учебные, научно-популярные. Кроме того, они делятся по отраслям науки и на­учным дисциплинам. Среди книг и брошюр важное научное значение имеют монографии, содержащие всестороннее ис­следование одной проблемы или темы и принадлежащие од­ному или нескольким авторам. К этим же видам первичных документов относят и сборники научных трудов, содержащие работы одного или нескольких авторов, объединенных общей тематикой. Монографии и сборники относятся к научной ли­тературе.

Научная литература издается небольшими тиражами и рассчитана на квалифицированного читателя.

Учебная литература включает учебники, учебные посо­бия, курсы (тексты) лекций и различные учебно-методические материалы. В этих материалах содержатся систематизирован­ные сведения о предмете в соответствии с учебными програм­мами. Все эти материалы необходимы для первоначального изучения предмета.

Научно-популярная литература предназначена не для спе­циалистов, а для массового читателя. В ней в доступной фор­ме излагаются современные достижения в той или иной облас­ти науки. Как правило, это небольшие книги-брошюры.

Материалы законодательного, нормативного или дирек­тивного характера издаются от имени государства или его органов, а также некоторых общественных организаций. Сюда относятся законы, указы, постановления правительства, приказы, инструкции. Они публикуются в виде бюллетеней, сбор­ников и др. Сюда же относятся международные стандарты, регламенты, отраслевые стандарты и стандарты предприятий.

Периодические издания являются наиболее оперативным источником научной информации. Основным видом таких из­даний являются газеты и журналы. Журналы могут быть науч­ными и производственно-техническими.

Диссертации и авторефераты к ним являются наиболее важ­ными источниками информации по исследуемой проблеме.

Нормативно-техническая документация — это издание, регламентирующее научно-технический уровень и качество продукции. Эта литература посвящена описанию конкретных машин, устройств, процессов, достижениям в той или иной отрасли, перспективам ее развития и т. п.

Патентная документация включает патенты и авторские свидетельства. Этот вид информации представляет собой со­вокупность документов, содержащих сведения об открытиях, изобретениях и об охране прав изобретателей.

Патент (от лат. patens — открытый) — документ, удосто­веряющий государственное признание технического решения изобретением, полезной моделью, промышленным образцом и закрепляющий за лицом, которому он выдан, исключитель­ное право на использование указанных объектов.

Авторское свидетельство в отличие от патента не дает ав­тору исключительных прав на использование изобретения.

Отчет о НИР относится к первичным непубликуемым документам, размножается в небольшом количестве экзем­пляров (от 3 до 5) и является важным источником информа­ции по исследуемой проблеме.

Кроме периодических, к первичным источникам информа­ции относят депонированные (от лат. depono — кладу) рукопи­си работ, научные переводы, конструкторскую документацию, информационные сообщения о конференциях, симпозиумах, семинарах.

К числу вторичных научных документов относят:

- справочные издания (справочники, словари, материалы производственного характера);

- обзорные издания (аналитические издания, рефераты, библио­графические обзоры);

- реферативные издания (реферативные журналы и сбор­ники);

- библиографические указатели.

Сюда также относят регистрационные и информационные карты, учетные карточки диссертаций, указатели депониро­ванных рукописей и переводов, сборники рефератов НИР и ОКР, бюллетени регистрации НИР и ОКР.

Поиск научной литературы предполагает знание основ библиографии.

При проведении исследований по той или иной тематике, как правило, составляется собственная библиография. Ее осно­вой являются библиотечные каталоги (указатели литературы, имеющиеся в библиотеке). Эти каталоги представляют собой набор карточек (простых или электронных), в которых указы­ваются сведения о книгах, журналах, статьях и т. д. В карточку заносятся: автор, заглавие, вид издания, место издания, изда­тельство, год издания, количество экземпляров, количество страниц, реквизиты карточки в системах УДК (универсальная десятичная классификация) и ББК (библиотечно-библиографическая классификация). Иногда библиотека указывает и стоимость экземпляра.

Все читательские каталоги делят на три категории: алфа­витный, систематический и алфавитно-предметный.

В алфавитном каталоге карточки располагаются в алфа­витном порядке фамилий авторов или заглавий произведений, если автор не указан.

В систематическом каталоге карточки располагаются по отраслям знаний. С помощью этого каталога можно подо­брать литературу по определенной тематике, сузив подбор до конкретно исследуемого вопроса. Все сведения о литератур­ном источнике в этом каталоге приводятся в соответствии с принятой системой классификации УДК (универсальная десятичная классификация), ББК (библиотечно-библиографическая классификация) или другими классификационными системами.

В алфавитно-предметном каталоге в алфавитном порядке перечисляются наименования отраслей знаний, отдельных вопросов и тем, по которым в систематическом каталоге со­брана и упорядочена литература, имеющаяся в библиоте­ке. В связи с этим алфавитно-предметный каталог является ключом к систематическому каталогу.

При составлении собственной библиографии и поиске информации по теме исследований эффективным способом является её поиск в Интернете. В Интернете действует много различных служб. Поиск информации можно осуществлять в World Wide Web («всемирная паутина), сокращённо www, в поисковых системах Yahoo (www.yahoo.com), Google (www.google.com), Yandex (www.yandex.ru), Rambler (www.rambler.ru). Поисковые системы Интернет похожи на предметные каталоги библиотек.

Методологические основы научных исследований базируются на творческой деятельности. В общем случае под творчеством понимается деятельность, порождающая нечто качественно новое и отличающееся не­повторимостью и культурно-исторической уникальностью. С философской точки зрения творчество — это мышление в его высшей форме, выходящее за пределы известного, а также деятельность, порождающая нечто качественно

новое. Послед­няя включает в себя постановку или выбор задачи, поиск усло­вий и способа ее решения, и в результате — создание нового.

Творчество может иметь место в любой сфере деятельности человека: научной, производственно-технической, художест­венной, политической и т. д.

В частности, научное творчество связано с познанием окру­жающего мира. Научно-техническое (или просто техниче­ское) творчество имеет прикладные цели и направлено на удовлетворение практических потребностей человека. Под ним понимают поиск и решение задач в области техники на основе использования достижений науки.

Творчество представляет собой явление, относящееся, преж­де всего к конкретным субъектам и связанное с особенно­стями человеческой психики, закономерностями высшей нерв­ной деятельности, умственного труда. Интуиция нередко помогает в поиске пра­вильного решения. Однако при этом следует отметить, что если раньше явление интуиции относилось к чему-то мистическо­му и сверхъестественному, то в настоящее время доказано, что интуиция имеет материалистическое объяснение и представляет собой быстрое решение, полученное в ре­зультате длительного накопления знаний в данной области и, следовательно, длительной подготовки. Это, скорее, итог умственной деятельности, чем начало. Таким образом, интуиция приходит в качестве вознаграждения за труд уче­ного, и поэтому сложному механизму творческого мышле­ния присущи как интуиция, так и логика.

Поиск решения творческой задачи у заинтересованного и квалифицированного ученого всегда продолжается в подсо­знании, в результате чего могут быть решены самые сложные задачи, причем сам процесс обработки информации при этом не осознается. В сознании отражается лишь результат (если он получен). Поэтому исследователю иногда кажется, что на него ниспослано озарение, что удачная мысль пришла неведомо откуда. Можно констатировать, что человек использует это явление каждый раз, когда он откладывает какое-нибудь дело, чтобы дать мыслям созреть, и, таким образом, рассчитывает на работу своего подсознания.

Теоретические исследования включают следующие шесть этапов:

- анализ физической сущности процессов, явлений;

- формулирование гипотезы исследования;

- построение (разработку) физической модели;

- проведение математического исследования;

- анализ теоретических решений;

- формулирование выводов.

Целями большинства теоретических исследований являют­ся: выделение в процессе синтеза знаний существенных связей между исследуемым объектом и окружающей средой; объяс­нение и обобщение результатов эмпирического исследования; выявление общих закономерностей и их формализация.

Процесс проведения теоретических исследований обычно состоит из нескольких стадий.

Первая (оперативная) стадия включает проверку возмож­ности устранения технического противоречия, оценку воз­можных изменений в среде, окружающей объект, анализ воз­можности переноса решения задачи из других отраслей знания (ответить на вопрос: «Как решаются в других отраслях знаний задачи, подобные данной?»), применение «обратного» реше­ния (ответить на вопрос: «Как решаются задачи, обратные данной, и нельзя ли использовать эти решения, взяв их со зна­ком минус?») или использование «прообразов» природы (от­ветить на вопрос: «Как решаются в природе более или менее сходные задачи?»).

Вторая стадия исследования является синтетической, в процессе нее определяются: влияние изменения одной части объекта на построение других его частей; необходимые из­менения других объектов, работающих совместно с дан­ным; оценивается возможность применения измененного объекта по-новому и найденной технической идеи при ре­шении других задач.

Третья стадия, называемая постановкой задачи, опре­деляет цель решения задачи. На этой стадии проверяется возможность достижения той же цели решения задачи «об­ходными» (может быть, более простыми) средствами, вы­бирается наиболее эффективный путь решения задачи и определяются требуемые количественные показатели. В связи с этим при необходимости уточняются требования применительно к конкретным условиям практической реа­лизации полученного решения задачи.

Четвертая (аналитическая) стадия включает определение идеального конечного результата (ответить на вопрос: «Что желательно получить в самом идеальном случае?»), выявля­ются помехи, мешающие получению идеального результата, и их причины, определяются условия, обеспечивающие получе­ние идеального результата с целью найти, при каких условиях исчезнет «помеха».

Задачами любого теоретического исследо­вания являются:

- обобщение результатов исследования, нахождение общих закономерностей путем обработки и интерпретации опытных данных;

- распространение результатов исследования на ряд анало­гичных объектов без повторения всего объема исследований;

- изучение объекта, недоступного для непосредственного исследования;

- повышение надежности экспериментального исследо­вания объекта (обоснования параметров и условий наблюде­ния, точности измерений).

При проведении теоретических исследований используются математические методы. Решение практических задач математическими методами последова­тельно осуществляется по следующему алгоритму:

- математическая формулировка задачи (разработки ма­тематической модели);

- выбор метода проведения исследования полученной ма­тематической модели;

- анализ полученного математического результата.

Важнейшей составной частью научных исследований являются экспериментальные исследования.

Эксперимент представляет собой процесс изучения объекта (явления), основанный на целенаправлен­ном воздействии на него искусственно созданных условий, позволяющий наблюдать, сравнивать и измерять его свой­ства, устанавливать их зависимость от внешних воздействий.

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты различаются:

- по способу формирования условий (естественных и искусственных);

- по целям исследования (преобразующие, констатирую­щие, контролирующие, поисковые, решающие);

- по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т. п.);

- по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);

- по характеру внешних воздействий на объект исследо­вания (вещественные, энергетические, информационные);

- по характеру взаимодействия средства эксперименталь­ного исследования с объектом исследования (обычный и мо­дельный);

- по типу моделей, исследуемых в эксперименте (мате­риальный и мысленный);

- по контролируемым величинам (пассивный и активный);

- по числу варьируемых факторов (однофакторный и мно­гофакторный);

- по характеру изучаемых объектов или явлений (техно­логические, социометрические) и т. п.

Особое значение имеет правильная разработка методик экс­перимента. Методика — это совокупность мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последо­вательности, в соответствии с которой достигается цель исследования. При разработке методик проведения экспери­мента необходимо предусматривать:

- проведение предвари­тельного целенаправленного наблюдения над изучаемым объ­ектом или явлением с целью определения исходных данных (гипотез, выбора варьирующих факторов);

- создание условий, в которых возможно экспериментирование (подбор объектов для экспериментального воздействия, устранение влияния слу­чайных факторов);

- определение пределов измерений;

- система­тическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фактов;

- проведение систематической регист­рации измерений и оценок фактов различными средствами и способами;

- создание повторяющихся ситуаций, изменение характера условий и перекрестные воздействия, создание ус­ложненных ситуаций с целью подтверждения или опровер­жения ранее полученных данных;

- переход от эмпирического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного фактического материала.

Перед каждым экспериментом составляется его план (про­грамма), который включает:

- цель и задачи эксперимента;

- вы­бор варьирующих факторов;

- обоснование объема экспери­мента, числа опытов;

- порядок реализации опытов, определе­ние последовательности изменения факторов;

- выбор шага из­менения факторов, задание интервалов между будущими экспериментальными точками;

- обоснование средств измере­ний;

- описание проведения эксперимента;

- обоснование спосо­бов обработки и анализа результатов эксперимента.

Важным этапом подготовки к эксперименту является опре­деление его целей и задач. Количество задач для конкретного эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3...4, максимально ― 8... 10).

Перед экспериментом надо выбрать варьируемые факторы, т. е. установить основные и второстепенные характерис­тики, влияющие на исследуемый процесс, проанализировать расчетные (теоретические) схемы процесса. На основе этого анализа все факторы классифицируются, и составляется из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд.

Необходимо также обосновать набор средств измерений (приборов) оборудования, машин и аппаратов, необходимых для проведения экспериментов. В отдельных случаях возникает потребность в создании уникальных приборов, установок, стендов, машин для разра­ботки темы.

Ответственный момент — установление точности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах спе­циальной науки — метрологии, изучающей средства и методы измерений.

В методике подробно разрабатывается процесс проведения эксперимента, составляется последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений, детально описывается каждая операция в отдельности с учетом выбран­ных средств для проведения эксперимента, обосновываются методы контроля качества операций, обеспечивающие при минимальном (ранее установленном) количестве измерений высокую надежность и заданную точность. Разрабатываются формы журналов для записи результатов наблюдений и изме­рений.

В зависимости от предварительной теоретической подго­товки возможны три случая проведения эксперимента:

- если теоретически получена аналитическая зависи­мость, которая однозначно определяет исследуемый процесс, то объем эксперимента для подтверждения данной зависимости оказывается минимальным, поскольку функция одно­значно определяется экспериментальными данными;

- если теоретическим путем установлен лишь характер функциональной зависимости, т. е. задано семейство кри­вых, то экспериментальным путем необходимо определять многие неизвестные параметры и, следовательно, объем экс­перимента возрастает;

- если теоретически не удалось получить каких-либо за­висимостей и разработаны лишь предположения о качест­венных закономерностях процесса, то целесообразен поиско­вый эксперимент, при котором объем экспериментальных работ резко возрастает.

В таких случаях уместно применять метод математическо­го планирования эксперимента.

Важным разделом методики является выбор методов обра­ботки и анализа экспериментальных данных. Обработка дан­ных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, форму­лы, номограммы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять полученное и анализировать результаты. Все переменные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин.

Особое внимание в методике должно быть уделено матема­тическим методам обработки и анализу опытных данных, на­пример установлению эмпирических зависимостей, аппрок­симации связей между варьирующими характеристиками, установлению критериев и доверительных интервалов и др.

Результаты экспериментов должны отвечать трем статис­тическим требованиям:

- эффективности оценок, т. е. минимальность диспер­сии отклонения относительно неизвестного параметра;

- состоятельности оценок, т. е. при увеличении числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его ис­тинному значению;

- несмещенности оценок, т. е. отсутствию системати­ческих ошибок в процессе вычисления параметров.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Как определяется понятие «наука»?

2. Какие существуют концепции понимания науки?

3. Каким законом определяются отношения между субъектами научной и научно-технической деятельности в РФ?

4. Какие управленческие функции в сфере научной деятельности выполняет Правительство РФ?

5. Какие управленческие функции в сфере научной деятельности выполняет Министерство образования и науки РФ?

6. Какое учреждение является высшим научным учреждением РФ?

7. Что понимается под научными исследованиями?

8. Как классифицируются научные исследования?

9. Какие существуют этапы познания?

10. Какие существуют этапы научных исследований?

11. Что понимается под информационным продуктом?

12. Что относится к числу информационных продуктов?

13. Что относится к числу первичных документов?

14. Что относится к числу вторичных документов?

15. Что понимается под процессом творчества?

16. Чем определяется мотивация творчества?

17. Какие существуют типы воображения?

18. Из каких этапов состоят теоретические исследования?

19. Что входит в задачи теоретических исследований?

20. В чём суть общей теории систем?

21. Какие существуют методы творческого мышления?

22. Для каких целей используется математическое моделирование при проведении теоретических исследований?

23. Как классифицируются экспериментальные исследования?

24. Каковы особенности обработки экспериментальных данных?