Вопрос 51. Теоретическое исследование и его методы: идеализация, формализация, моделирование, мысленный эксперимент и др.

Теоретическое исследование – это научная деятельность, направленная на получение новых знаний о сущности изучаемых процессов и явлений; преследует цель не описания, а объяснения выявленных научных фактов и эмпирических закономерностей. Основные познавательные процедуры теоретического исследования: идеализация, моделирование, мысленный эксперимент, формализация, гипотетико-дедуктивный метод, методы математической гипотезы и вычислительного эксперимента, аксиоматический метод, восхождения от абстрактного к конкретному и др.

1. Идеализация – метод конструирования особых абстрактных (идеализированных) объектов – модельных представлений, принципиально не осуществимых в действительности («точка», «идеальный газ», «абсолютно чёрное тело» и т. п.). Идеализация – мысленное конструирование ситуации (объекта, явления), которой приписываются свойства или отношения, возможные для оригинала в «предельных» случаях. Идеализированные объекты проще реальных, что позволяет применить для их исследования математические методы. Кроме того, благодаря идеализации процессы рассматриваются в их наиболее чистом виде, без случайных «привнесений» извне. Любая наука пользуется процедурой идеализации. Способы идеализаций:

1) последовательное многоступенчатое абстрагирование (например, получение абстрактных объектов в математике – плоскость, прямая, геометрическая точка);

2) вычленение и фиксация некоего свойства объекта в отрыве от других его свойств (напр., фиксация только свойства физических предметов поглощать падающее на них излучение, ведет к появлению идеализированного объекта “абсолютно черное тело”);

3) рассмотрение отдельных свойств и характеристик объекта в предельном режиме (в результате получаются такие идеальные объекты, как “абсолютно твердое тело” и др.).

Полученные в ходе идеализации абстрактные объекты носят название конструктов и могут существовать только в научной теории, выполняя функции фиксации смыслов теоретических терминов. Конструкты не имеют аналогов в объективной реальности, поэтому невозможно экспериментально обосновать правомерность и продуктивность их введения и использования. Проверке подвергается теоретическая модель, собранная в результате моделирования из идеальных объектов и лежащая в основе некоей научной теории.

2. Моделирование – это изучение объекта (оригинала) путем создания и исследования определенных сторон его копии – модели, замещающей оригинал; т.е. путём воспроизведения их характеристик на другом объекте – модели. Между моделью и оригиналом обязательно должно быть сходство в характеристиках, функциях, структуре и т.д. Основные формы моделирования – предметное и знаковое моделирование.

Особое место в методологии научного исследования занимает математическое моделирование. Логическая строгость частных и фундаментальных схем в структуре научной теории позволяет соотнести с ними определенные математические модели, выбор и содержание которых в каждом конкретном случае определяется спецификой решаемой научной задачи.

С развитием информационно-компьютерной базы научного поиска связано распространение вычислительного эксперимента, проводимого над математической моделью объекта на ЭВМ. Сущность его в том, что по одним параметрам модели вычисляются другие ее характеристики и на этой основе делаются выводы о свойствах явлений, представляемых математической моделью. Основные типы вычислительного эксперимента: поисковый, прогностический, оптимизационный, диагностический, распределенный и др.

Распределенный вычислительный эксперимент позволяет привлечь к поиску решения поставленной задачи пользователей персональных компьютеров, берущих на себя реализацию части общей программы эксперимента путем установки на свой компьютер специальной программы, выполняющей небольшой фрагмент требуемых вычислений. В результате тысячи персональных компьютеров, подключенных к Интернету, работают совместно над одной и той же программой, образуя огромный виртуальный “суперкомпьютер”. Примером распределенного вычислительного эксперимента может служить проект Genom@Home, призванный расшифровывать функции отдельных генов в геноме человека.

Вычислительный эксперимент – это сложная технология научных исследований, обеспечивающая появление новых научных дисциплин: компьютерной математики, вычислительной информатики, вычислительной физики, а также новых формулировок научных законов. Появляется компьютерная форма научного знания. В результате в современном физическом исследовании закладываются основы так называемой вычислительной физики, в рамках которой эволюция реальной системы моделируется как численный процесс обработки имеющейся о ней информации. Таким образом, информационные технологии в современном научном познании обеспечивают плюрализм методологических новаций и стратегий научного поиска.

Вычислительный эксперимент, базируется на триаде «математическая модель – алгоритм – программа», носит междисциплинарный характер, объединяя деятельность теоретиков, специалистов в области прикладной математики и программистов. На основе математического моделирования, банка вычислительных алгоритмов и программного обеспечения вычислительный эксперимент позволяет быстро и эффективно решать сложные исследовательские задачи практически в любой области математизированного научного знания.

Он применим как при анализе фундаментальных проблем науки (напр., проблемы управляемого термоядерного синтеза), так и при исследовании глобальных экологических проблем, гео- и астрофизических явлений (моделирование климатических процессов и их трансформаций под воздействием факторов антропогенного и техногенного характера). Обращение к вычислительному эксперименту позволяет резко снизить стоимость научных разработок и интенсифицировать процесс научного поиска, что обеспечивается многовариантностью выполняемых расчетов и простотой модификаций математических моделей для имитации тех или иных условий эксперимента.

Идеализация вкупе с моделированием являются предварительными условиями проведения мысленного эксперимента и применения метода формализации.

3. Мысленный эксперимент – метод, в ходе которого осуществляются такие комбинации идеальных объектов, которые в реальной действительности не могут быть воплощены. Это позволяет ввести в контекст научной теории новые понятия, сформулировать основополагающие принципы научной концепции, осуществить содержательную интерпретацию математического аппарата. Использование познавательных возможностей мысленного эксперимента обнаруживается уже на ранних этапах формирования теоретического естествознания (напр., в творчестве Г. Галилея), наряду с утверждением в науке метода реального натурного эксперимента. Сфера применения мысленного эксперимента неуклонно расширяется, приводя, в частности, к появлению метода вычислительного эксперимента.

4. Формализация – метод исследования, в основе которого лежит создание обобщенной знаковой модели некоторой предметной области, позволяющей обнаружить ее структуру и закономерности протекающих в ней процессов путем операций со знаками при отвлечении от ее качественной специфики.

Последовательность операций в рамках этой модели задается правилами используемого математического или логического исчисления, на основе которого она построена, т.е. формально, по определенному шаблону, алгоритму. Эти операции составляют суть метода формализации, благодаря которому новое знание выглядит как полученное без непосредственного соотнесения всех проведенных мыслительных операций с реальными процессами в исследуемой предметной области. Метод формализации помогает выработать общий подход к исследованию целого класса объектов, несмотря на различия между ними на основе их единых структурных характеристик. Логическая строгость частных и фундаментальных схем в структуре научной теории позволяет соотнести с ними определенные математические модели. Это в свою очередь дает возможность перенести акцент на работу в рамках математического формализма, оперируя знаками и формулами.

5. Аксиоматический метод – способ построения научной теории, при котором в ее основание кладутся некоторые положения (аксиомы или постулаты), принимаемые в качестве истинных без специального доказательства; все остальные положения выводятся из них при помощи формально-логических доказательств. Основан на методе формализации, широко применятся в математике и тех естественнонаучных дисциплинах, где используется метод формализации, например, в физике.

Процедура построения аксиоматического построении научного знания: 1) изначально задается набор независимых друг от друга исходных аксиом или постулатов, т.е. утверждений, доказательство истинности которых в данной системе знания не требуется и не обсуждается; 2) из аксиом по определенным формальным правилам строится система выводов; 3) совокупность аксиом и полученных на их основе выводов образует аксиоматически построенную теорию. Такая теория может быть использована для модельного представления не одного, а нескольких классов явлений, для характеристики не одной, а нескольких предметных областей.

Аксиоматический метод позволяет сначала выстраивать теоретическую систему знания о соответствующей области действительности, а затем отыскивать эту область в процессе интерпретации теории. Пример аксиоматических систем – фундаментальные физические теории, порождающие специфические проблемы их интерпретации и обоснования, особенно в рамках неклассической и постнеклассической науки.

В силу специфики аксиоматически построенных систем обоснование их истинности основывается на внутритеоретических критериях. К ним относятся требования: 1) непротиворечивости теории, предполагающее, что в аксиоматической теории должны отсутствовать логические противоречия, а из системы независимых аксиом не должны вытекать исключающие друг друга положения; 2) полноты теории, которое сводится к требованию достаточных оснований для доказательства или опровержения любого положения, сформулированного в рамках ее содержания.

6. Гипотетико-дедуктивный метод – способ построения научной теории, в основе которого лежит создание системы взаимосвязанных гипотез, из которых путем их дедуктивного развертывания выводятся утверждения, непосредственно сопоставляемые с опытными данными. Метод опирается на выведение следствий из посылок, истинностное значение которых неизвестно/гипотетично. Осуществляется метод в 3 этапа:

– выдвижение гипотезы (предположение о закономерности в исследуемой области или существовании некоторого объекта);

– выведение следствий из этой гипотезы;

– проверка полученных следствий с точки зрения их истинности или ложности.

Т.о., сущность гипотетико-дедуктивного развертывания теории состоит в том, что сначала строится гипотетическая конструкция, которая дедуктивно разворачивается, образуя целую систему гипотез, а затем эта система подвергается опытной проверке, в ходе которой она уточняется и конкретизируется. Каждая гипотетико-дедуктивная система реализует особую программу исследования, суть которой выражает ее базовая гипотеза. Конкуренция гипотетико-дедуктивных систем выступает как борьба различных исследовательских программ; в их борьбе побеждает та, которая наилучшим образом согласовывается с опытными данными и выполняет эвристические функции, предлагая выводы, неожиданные и новые для других программ.

7. Метод математической гипотезы – одно из наиболее сложных проявлений гипотетико-дедуктивного метода, основан на экстраполяции определенной математической структуры (системы уравнений, математических формализмов) с изученной области явлений на неизученную. Метод предполагает: 1) привлечение новых или поиск уже использовавшихся в научном познании математических моделей; 2) перенос их на новую изучаемую область действительности с последующей трансформацией для моделирования круга вновь исследуемых явлений; 3) использование правил соответствующих математических исчислений для решения задач, имманентных применяемым математическим моделям; 4) необходимость в последующей оценке и содержательной интерпретации полученных новых научных результатов, т.е. в поиске правил, позволяющих соотнести их с опытными данными.

Метод математической гипотезы вбирает в себя многие достоинства методов дедукции и формализации и обнаруживает особую эффективность в теоретическом освоении таких объектов и областей реальности, которые не осваиваются в наличных формах практики и повседневного опыта. Этот метод сыграл большую роль в становлении неклассической науки, в частности квантовой механики.

8. Восхождение от абстрактного к конкретному – метод объединения новых научных понятий с уже имеющимися абстракциями с целью построения более общей теории конкретного объекта. Суть данной процедуры – в движении научной мысли от исходной абстракции, воспроизводящей основное противоречие изучаемого объекта, в процессе теоретического разрешения которого выявляются более конкретные противоречия, ассимилирующие более обширный эмпирический материал, – к целостному воспроизведению в теории исследуемого предмета.

Предпосылкой данного метода является общелогический метод абстрагирования – восхождение от чувственно-конкретного к абстрактному, к выделению в мышлении отдельных сторон предмета и их «закреплению» в соответствующих абстрактных понятиях и определениях. Это движение от единичного к общему, здесь преобладают такие логические приемы, как анализ и индукция.

Восхождение же от абстрактного к мысленно-конкретному – это, напротив, движение от отдельных общих абстракций к их единству, конкретно-всеобщему, здесь господствуют методы синтеза и дедукции. Такое движение познания – не формальная, техническая процедура, а диалектически противоречивое движение, отражающее противоречивое развитие самого предмета, его переход от одного уровня к другому в соответствии с развертыванием его внутренних противоречий.

9. Единство исторического и логического – метод исследования, в основе которого лежит установка на взаимосвязанное изучение исторической эволюции объекта и построение логически обоснованной системы понятий, которая направляет исторический анализ и в свою очередь корректируется его данными.

Данная классификация методов представляет их как совокупность познавательных действий, выполняющих определенные функции. Это, во-первых, выполняемая ими регулятивная функция, проявляющаяся в их способности целенаправленно регулировать содержание и направленность познавательных действий на достижение намеченной цели. Во-вторых, их рефлексивная функция, определяющая особый гносеологический статус научного метода и раскрывающая основания предлагаемого в методе образа действий.