Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Кафедра Философии

Эксперимент как метод научного познания

Выполнил: Жуков В.В.,

аспирант НИИ ЯФ, лаб. 23

«______»________________________2001

______________________

Томск 2001
Содержание

1 Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Практический базис эксперимента. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 Общее строение научного эксперимента. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4 Логические средства экспериментального исследования. . . . . . . . . . . . .12 5 Экспериментальный факт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 6 Экспериментальные методы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 7 Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 Список использованных источников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1 Введение

Объектом изучения в настоящей работе является эксперимент как научный метод. Очевидно, эксперимент можно изучать с различных точек зрения: истории возникновения, развитие, классификации, описание особенностей и так далее. В данной работе остановимся на таких важных элементах рассмотрения как практический базис экспериментального исследования, его общее строение, логические средства и методы.

Дело в том, что среди многих методов, которыми пользуется современная наука, особое значение имеет эксперимент, ставший в руках ученых наиболее действенным средством познания. А поскольку наука представляет собой одну из наиболее динамических частей человеческой культуры, то вместе с ней меняются и средства познания. Методология как своего рода разведочная наука должна отслеживать эти изменения и в определенной мере предсказывать их. Особое значение в этом плане имеет изучение эксперимента, роль которого в научном познании несомненно очень велика и постоянно возрастает.

2 Практический базис эксперимента

Прежде чем говорить о том, как осуществляется экспериментальное исследование необходимо, необходимо иметь ясное представление о том, что такое эксперимент, каковы его отличительные особенности, как он соотносится с другими методами познания. Учитывая то, что существует далеко не один десяток определений эксперимента, хотелось бы не вдаваться в спор о их приемлемости, а сделать попытку указать на признаки, наиболее характерные для данного метода, помогающие раскрыть его сущность.

Сложность заключается в том, что эксперимент как метод науки стоит в центре пересечения практических и познавательных деятельностей, включает признаки чувственного и рационального, эмпирического и теоретического, объективного и субъективного. Другими словами, эксперимент интегрально заключает в себе признаки различных сторон познавательной деятельности и, именно этим, определяется сложность его природы, трудности определения. Хотя он и имеет общие черты с практикой, но к ней совсем не сводится, так как служит все же методом познания, обладает гносеологическими признаками; имея общие черты с наблюдением, он не исключает и операций логического характера, что сближает его с формами теоретической деятельности, но не настолько, что бы полностью в них раствориться и потерять свою эмпирическую основу. Таким образом, сущность эксперимента заключается в том, что в нем сочетаются приемы практического, чувственного и рационального познания. Стало быть, в познавательном цикле осуществляется сложная система взаимодействий. При этом элементы процесса познания испытывают воздействия окружающей среды, а исследователь – также и различных компонентов общества. Анализ этих сторон и позволяет раскрыть природу эксперимента – научного метода.

По форме эксперимент сближается с деятельностью, в которой принимают участие субъект и объект, средства их взаимного воздействия и сама деятельность, в результате которой реализуется субъективная цель, видоизменяется объект, принимающий удобную форму для обеспечения потребностей человека. В эксперименте выделяются также субъект и объект познавательного действия, практические средства познания (приборы и инструменты), и само действие, направленное на изменение объекта.

Итак, эксперимент с самого начала выделяется в особый вид практики, предпринимаемой с целью получения нового знания и проверки старого.

В контексте выше сказанного следует отметить, что особенность эксперимента проявляется не просто в наличии практического действия, а в создании особой приборной ситуации, экспериментальной установки. Она состоит из элементов естественной и искусственной природы, а ее целостное функционирование и выступает в качестве объекта исследования. Создав такую установку, исследователь изучает ее функционирование, влияет на нее путем перегруппировки элементов, их элиминирования, заменой новыми и так далее, то есть активно изменяет объект изучения, его структуру. Наблюдая за возникающими следствиями, ученый выявляет скрытые от непосредственного наблюдения, но объективные свойства предметов и явлений.

При этом, в процессе эмпирического исследования на изучаемый объект действительно влияет прибор, а иногда полностью его моделирует, но это не искажает реальных свойств изучаемых явлений, наоборот, служит единственным средством практического их выявления. Дело в том, что прибор (экспериментальная установка), хотя и сделан руками человека, представляет собой часть реального мира, функционирует в полном соответствие с законами природы. Конструируя сложные технические системы в качестве средств познания, человек не удаляется от мира, а приближается к нему. Как известно в природе предметы и явления существуют не изолированно друг от друга, а находятся во взаимодействии, образуя тем самым целостную систему материального мира. Каждый уровень структурной организации материи связан с другим уровнем. Микропроцессы так или иначе дают о себе знать через макроявления, в противном случае они никогда бы не были открыты и познаны. Приводя микрообъекты во взаимодействие с приборами (то есть макрообъектами), мы поступаем в полном соответствии с законами природы. Приборы становятся единственным и наиболее надежным средством практического познания.

Таким образом, прибор – важнейшее средство познания, а его использование – отличительная особенность эмпирического, в том числе и экспериментального, исследования. Специфика прибора в той или иной мере обусловливает и специфику разновидностей эмпирического познания. Поэтому большое значение имеет классификация приборов. Их можно подразделить на пять основных групп:

1) приборы, увеличивающие силу и диапазон чувственного восприятия (микроскопы, телескопы, приборы ночного видения, рентгеновские установки);

2) измерительные приборы (линейки, часы, барометры, термометры, счетчики Гейгера);

3) технические устройства, позволяющие расчленить предметы, проникнуть в их внутреннюю структуру (ускорители, центрифуги, перегонные кубы, фильтры, призмы);

4) технические системы, обеспечивающие необходимые для эксперимента условия (барокамеры, аэродинамические трубы, вибросистемы);

5) фиксирующие приборы (кино-, фото-, телеаппаратура, электроскопы, осциллографы, различные индикаторы, флюоресцирующие экраны и т.д.).

В современном научном познании, как правило, применяются не отдельные приборы, а их комплекс.

Эксперимент как деятельность, имеющая внешние и внутренние, объективные и субъективные признаки, распадается на ряд этапов, сочетание которых раскрывает его логическую структуру. До некоторого (недавнего) момента времени его специфика ограничивалась лишь сбором опытных данных, то есть непосредственным экспериментированием, из которого выпадали подготовительная и заключительная стадии. Считалось, например, что логическая обработка данных выходит за рамки чисто экспериментального исследования и относится к разряду теоретического познания.

В настоящее время, стало ясно, что простые логико-математические операции входят в структуру эмпирического исследования, частью которого является эксперимент. И, без некоторой, хотя бы минимальной обработки данных опыта, то есть без особой теоретической части, эмпирическое исследование не существует.

Исходя из этого, можно утверждать, что эксперимент вовсе не ограничивается лишь проведением опыта и получением исходной информации, а складывается из этапов, на каждом из которых по-своему сочетаются элементы чувственного, практического и теоретического познания. К ним можно отнести следующие: 1) подготовительный, 2) этап проведения эксперимента и получение опытных данных; 3)этап обработки опытных данных, или заключительный. Анализ структурных особенностей экспериментального исследования помогает раскрыть его природу с гносеологической точки зрения, то есть с позиции соотношения объекта и субъекта познавательной деятельности. В следующем разделе более подробно рассматривается строение эксперимента, которое имеет не менее важное значение для достижения этой цели.

3 Общее строение научного эксперимента

В состав эксперимента входят два элемента: средства познания и предмет познания.

Обычно в познавательный цикл приходится вводить конкретный предмет природы, видоизмененный человеком. При этом такие изменения обусловлены необходимостью создания внешней по отношению к человеку подсистемы «средство познания ® предмет познания », обеспечивающий решение определенной познавательной задачи.

Результатом такого взаимодействия является изменение подсистемы «средство познания ® предмет познания » и ее элементов. В процессе познания изменение объекта должно быть фиксировано человеком. Состояние объекта – это характеристика компонентов строения объекта в такой промежуток времени, в течение которого объект не претерпевает изменений на определенном уровне его строения. Другими словами, для любого объекта, имеющего конкретный для определенного уровня строения состав, взаимодействия и структуру, должен быть и такой промежуток времени, в течение которого сохраняются его состав, взаимодействия и структура. Нулевых промежутков времени не существует, поэтому всегда можно выбрать такой интервал, в течение которого те или иные компоненты строения объекта не изменяются. Это, однако, не означает, что его строение будет сохраняться на всех уровнях. Постоянству в определенные промежутки времени состава, взаимодействий и структуры на одном уровне строения, как правило, сопутствуют изменения на других.

Если промежуток времени, в течение которого отмечается постоянство строения объекта познания, меньше того времени, в течение которого это строение может фиксировать экспериментатор, или специально разработанные для этих целей средства фиксации, тогда научный эксперимент невозможен.

Для исследователя состояние объекта выступает как постоянство известных ему компонентов строения этого объекта. Следовательно, для того чтобы фиксировать изменение состояния объекта познания, необходимо располагать определенными средствами познания, изменяющими предмет познания, и определенными знаниями о строении этого объекта. Однако, количество экспериментов по отношению к каждому объекту познания ограничено; что касается тех знаний, которые сформировались относительно каждого отдельного объекта познания в процессе труда, то они тем более ограничены. Трудности, возникающие в процессе выявления значений сложных научных терминов, имеют в своей основе неправильную постановку познавательной задачи: предполагается, что такая задача разрешима только в пределах языка науки. Однако действительным базисом ее решения является эксперимент. Изменения средств познания можно разбить на два класса: подготовительные и преобразующие. Преобразующие изменения средства познания – R(i) – состоят из таких однородных и фиксируемых изменений конкретных компонентов строения, которые непосредственно вызывают планируемые изменения предмета познания – n(i). В соответствии с этим и конструкция средств познания представляет систему, состоящую из подготовительных и преобразующих элементов. Преобразующие элементы непосредственно вступают во взаимодействие с телом, введенным в элементарный акт; изменяют предмет познания, определяют однородность изменения предмета познания. Следует отметить, что накопление экспериментальных результатов в науке обусловливает усложнение средств познания. Для осуществления изменений преобразующего элемента требуется разработка конструкций подготовительных элементов средств познания. Изменения последних в течение эксперимента представляют собой подготовительные изменения средств познания. Функция подготовительных изменений сводится к созданию условий для преобразующего изменения.

Кроме того, в каждом эксперименте вводимый в элементарный акт объект познания претерпевает конкретные изменения. Эти изменения должны обладать следующими свойствами: 1) фиксироваться исследователями, 2) быть однородными, 3) относиться к изменениям объекта познания. Если такие изменения окажутся изменениями другого объекта познания, тогда возникает необходимость либо расширить объект познания, либо эксперимент нельзя считать научным, либо n(i) будет относиться к новым объектам исследования, что потребует постановки новой познавательной задачи и введения соответствующего элементарного акта.

Взаимодействие «средство познания ® предмет познания » должно конструироваться и осуществляться как непосредственно фиксируемое в эксперименте. Другими словами, экспериментатор должен обеспечить проверку рассматриваемых взаимодействий для того, чтобы установить тот факт, что изменение предмета познания – n(i) – возникают именно вследствие преобразующих изменений средства познания. Фиксируемость связи между изменениями R(i) и n(i) является необходимым признаком или свойством научного эксперимента.

Рассматриваемое свойство обеспечивает изоляцию или, точнее, выделение предмета познания. Для решения этой задачи исследователь не имеет никаких других возможностей кроме конструирования и осуществления фиксируемого взаимодействия подсистемы « ® изменение предмета познания » (R(i) ® n(i)). Следует подчеркнуть, что такая ситуация неизбежна и носит универсальный характер. Она означает лишь констатацию того факта, что и средства и предмет познания всегда находятся во взаимодействии со средой. Следовательно, любой компонент строения объекта познания нельзя выделить из окружающей среды в том смысле, что он будет полностью изолирован от нее.

Как правило, в каждом элементарном акте экспериментатор осуществляет какое-то однородное изменение предмета познания – n(i). Его планирование, как мы отмечали выше, обусловлено строением познавательного цикла и уровнем развития науки. Рассматривая все возможные в научном исследовании ситуации только сточки зрения изменений предмета познания, можно констатировать, что такие изменения могут относиться к различным компонентам строения объекта познания: к его составу, к взаимодействиям между элементами состава, к складывающимся при этом структурам. В зависимости от этого планируемый эксперимент будет: 1) экспериментом, в котором устанавливается состав объекта познания; 2) экспериментом, в котором фиксируются взаимодействия между известными или неизвестными элементами состава объекта познания; 3) экспериментом, в котором выявляются структуры, характерные для взаимодействий элементов состава объекта познания.

Кроме этого, в науке ставятся и сложные эксперименты. Они представляют собой различные комбинации экспериментов всех трех типов: эксперименты, фиксирующие состав и взаимодействия элементов состава; состав и его структуру; взаимодействия и его структуру.

В тех случаях, когда ученый имеет дело с исследованием такого объекта, целостность которого не может быть нарушена при решении определенных познавательных задач, тогда сложный эксперимент представляет собой совокупность всех трех типов.

Следовательно под сложными экспериментами мы понимаем не только такие, которые требуют больших затрат труда для своего осуществления, и не эксперименты, в которых используются конструкции средств познания с большим числом элементов, а совокупность элементарных экспериментов, в каждом из которых фиксируются определенные однородные изменения отдельного предмета познания.

4 Логические средства экспериментального исследования

Эксперимент опирается на широкий спектр логических средств. Для их анализа определим критерий выбора наиболее характерных средств. В качестве такого критерия может быть взято положение о практической базе логических операций, непосредственно связанных с реальными предметами, процессами их видоизменения и чувственного отражения. К таким методам можно отнести операции анализа и синтеза, дедукции и индукции, обобщения и абстрагирования, аналогии и моделирования. Кроме того, следует учитывать, что эксперимент тесно связан с проблемой, имеющей свои теоретические и эмпирические основания, так и с гипотезой, для проверки которой он предпринимается.

В методологической литературе анализ определяется как метод научного познания, состоящий из расчленения объекта на составляющие части и изучения их в отдельности. Синтез же представляет собой обратную операцию – соединение частей в целое и изучение целостного функционирования объекта.

Объективной платформой данных методов служит структурная организация материальных объектов, способность объединяться в сложные комплексы, взаимодействовать друг с другом и распадаться на части. Особый смысл в таком плане имеет сама человеческая деятельность, благодаря которой разъединяются или объединяются предметы реальности.

Любая экспериментальная установка представляет собой практическое воплощение анализ и синтеза, так как, с одной стороны, она как бы вырезает из общих природных связей явление, подлежащее изучению, с другой – включает его в новую систему элементов, из которых установка складывается.

Многократное варьирование опытом также представляет собой практическое воплощение анализа и синтеза, выделение свойств предмета и их воссоединение друг с другом в целостное образование.

Аналитико-синтетическая деятельность в экспериментальном исследовании отличается тем, что практические операции анализа и синтеза дополняются рациональными формами проявления (логическими заключениями рациональной формы сознания).

Процесс формирования разрозненных предметов и приборов в экспериментальную установку представляет собой практический синтез, благодаря которому анализируется изучаемое явление, выявляются его отдельные свойства и признаки. Затем они синтезируются с помощью рациональных приемов в целостной картине явления. Толчком к практическому синтезу, к созданию приборной установки всегда выступает гипотеза, нуждающаяся в опытной проверке.

Соединение элементов экспериментальной установки представляет собой практический синтез, предпринимаемый специально для анализа испытываемых веществ. Причем одного эксперимента, как правило, не достаточно. Глубина анализа прямо зависит от количества испытаний. Широта охвата исследуемых предметов и заключается в творчестве ученого. Углубленный анализ позволяет сделать важные открытия, отодвигая на задний план счастливую случайность.

Таким образом, анализ и синтез играют важную роль в экспериментальном исследовании, служат наиболее действенными средствами познания, используются не изолированно, а в тесном единстве с другими методами, среди которых выделяются, как уже отмечалось, сравнение, абстрагирование, аналогия, индукция и дедукция.

Любой анализ и синтез представляет собой такие логические операции, которые не могут обойтись без сравнения, индукции и дедукции, включают элементы обобщения и абстрагирования. Совокупность этих методов составляет основу научного анализа и синтеза. Рассмотрим их подробнее.

Роль индукции и дедукции в научном познании хорошо известна. Остановимся на ее характеристике в структуре эмпирического познания. Названные методы представляют собой связь единичного и общего в человеческом знании, их взаимную обусловленность, широко применяются как на теоретическом, так и на эмпирических уровнях. Индукция выступает как синтез частных суждений, на основе которых вырабатываются общие положения. Дедукция же представляет собой объединение общих и частных высказываний, что дает логическим путем поучить новое частное высказывание.

Особая роль дедукции заключается в том, что с ее помощью формулируются проблемы и гипотезы, предваряющие экспериментальный поиск на его начальной стадии, и выводятся эмпирические следствия из них. Наконец, само фиксирование эмпирических данных, развертывающееся на фоне накопленного знания о соответствующем понимании экспериментальных действий, также предполагает применение дедуктивных операций.

В ряде случаев из анализируемой гипотезы не удается сразу вывести проверяемое следствие. Возникает необходимость в промежуточных выводах, предшествующих заключительное следствие. Цепочка таких выводов – ни что иное, как гипотетико-дедуктивное развертывание теории. В силу сложности системы доказательство или опровержение конечных следствий не всегда может служить доказательством истинности или ложности самой теории, так как в процессе введения теории могут вкрасться ошибки, требующие устранения. Поэтому опытная проверка теории предполагает не одно, а серию многоступенчатых экспериментальных испытаний. Неподтверждаемость следствий может быть объяснена следующими обстоятельствами: 1) неверна гипотеза; 2) допущена ошибка при выведении из гипотезы следствия; 3) имеются неточности в самом эксперименте, в полученных данных. В дел вновь включаются анализ и синтез, дедукция и индукция, призванные согласовать теоретические и практические средства познания.

По-своему действует дедукция и при снятии показаний приборов. Сами по себе показания не отражают свойств объекта исследования. Только в свете теоретических предпосылок и дедуктивных композиций они приобретают определенный физический смысл.

Итак, дедукция и индукция – такие методы познания, благодаря которым осуществляется связь между теорией и эмпирией, развертывается система высказываний, допускающих опытную проверку. Эксперимент здесь выступает и как конечный, и как начальный этап научного поиска.

К рассмотренным методам тесно примыкают операции обобщения и абстрагирования. На эмпирическом уровне обобщение реализуется через систему индуктивного вывода, сравнение изучаемых явлений. Оно помогает глубже познать явление, выявить его связи и отношения. При рациональном анализе экспериментальных данных обобщение способствует формированию фактов науки и эмпирических зависимостей.

Дедукция, позволяющая сформулировать частное высказывание, тесно связывается с операцией абстрагирования, так как выделение частного явления предполагает отвлечение от целого ряда других признаков, объективно присущих предмету изучения. Специфика абстрагирования в экспериментальном исследовании проявляется в том, что этот, казалось бы, сугубо рациональный прием познания приобретает здесь ярко выраженную практическую направленность. Изучаемое свойство может быть выделено из объективной совокупности свойств не только теоретически, но и с помощью экспериментальных средств. Начавшись с практических операций, абстрагирование через логические операции отвлечения, в конце концов, воплощается в мысленные действия с идеальными объектами, то есть и данный метод познания олицетворяет собой переход от теоретического к практическому и наоборот. Абстрагирование используется и как метод выдвижения гипотез, формирования эмпирического базиса – продумывания схемы опыта, подбора элементов приборной ситуации, обработки полученных данных и т.д.

В эксперименте широко применяется аналогия – прием познания, с помощью которого осуществляется переход от более исследованного объекта к менее изученному при наличии у них общих признаков.

Особое значение аналогии в эксперименте заключается в том, что на основе изучения экспериментального объекта получаются выводы, распространяемые на естественные объекты природы. С помощью аналогии переходят от частного знания к общему, от конкретного к абстрактному. При эксперименте могут иметь место и переходы однозначного характера – от частного к частному.

Из сказанного следует, что логические операции в эксперименте приобретают особую рационально-практическую окраску, придают практическим действиям целесообразный смысл, стягивают комплекс действий в целостную структуру опытного исследования, обеспечивая его связь с теоретическими предпосылками.

5 Экспериментальный факт

Система заданных изменений предмета познания и средств познания обеспечивает: фиксацию конкретных взаимодействий подсистемы «преобразующее изменение средства познания ® изменение предмета познания »; выделение этих взаимодействий из всех других возможных связей; создание познавательных изменений предмета познания.

Изменение предмета познания являются базисом, на основе которого «воздвигается» теория, исходным пунктом для каждого познавательного цикла и объективным элементом научного процесса познания.

Экспериментальный факт рождается во взаимодействии ученого с изменением предмета познания, так как любое познавательное изменение предмета познания становится фактом лишь в том случае, когда оно фиксировано исследователем. Следовательно, экспериментальным фактом является познавательное изменение предмета познания, фиксированное исследователем. Имеющийся же арсенал научных фактов в каждый данный момент развития отрасли науки образует совокупность фиксированных изменений (предметов познания), полученных в определенной исторической последовательности.

Экспериментальные факты оказываются исходными при построении теории, создании гипотез и конструирования экспериментальных установок. Другой причиной повышения интереса к проблеме факта явилось развитие наук, изучающих сложные биологические и социальные объекты познания. Большое количество элементов и связей в этих объектах, их системный характер, а также ограниченные возможности для изучения отдельных элементов без нарушения всей системы вынуждали ученых с особой тщательностью подходить к отбору фактов. При этом решающую роль играли эмпирические навыки. Однако, осмысливая экспериментальную практику, ученые шли по пути дальнейшей конкретизации определения факта в терминах отдельных наук или в понятиях естественного языка. Подчеркнем, что любая математическая обработка естественнонаучного материала в своем основании должна иметь наблюдаемые объекты.

Не может не возникнуть вопрос: все ли наблюдаемые объекты исследователь должен вводить в качестве фактов в процесс познания?

Если ответить положительно, тогда количество фактов будет зависеть только от трех параметров: порога чувствительности наших органов чувств; времени, в течение которого фиксируется каждый отдельный объект; и емкости фиксирующей системы человека. Однако, психологические исследования показывают, что наблюдение является сложным процессом, оно не носит созерцательного характера. Следовательно, человек вообще не способен «просто» наблюдать. Таким образом, есть основания утверждать, что объекты познания фиксируются человеком и становятся для него фактами лишь в том случае, когда они включаются в какую-либо форму процесса познания.

Для того, чтобы фиксировать изменения предмета познания, необходимо обладать знаниями, следить за взаимодействием «преобразующее изменение средства познания ® ».

Фиксация познавательного изменения предмета познания совершается в элементарном акте. Следовательно, ее нельзя рассматривать в системе «чувство – мышление». Мышление исследователя выделяет познавательное изменение предмета познания и фиксирует его в модели, состоящей из системы образов. Изменения предмета познания фиксируются с помощью мышления. Также очевидно, что если бы в экспериментальном факте существовало то или иное истолкование, то он не мог бы служить средством ни подтверждения теории ни ее опровержения. Экспериментальный факт возникает лишь в процессе взаимодействия «преобразующее изменение средства познания ® познавательное изменение предмета познания ». Переход от экспериментальных фактов к теории предполагает несколько промежуточных ступеней. Первой такой ступенью является описание экспериментального факта.

Экспериментальный факт, будучи изменением предмета познания, не определяется ни знаниями исследователя, ни его органами чувств, ни какими-либо другими особенностями ученого как отдельной личности – субъекта. Объективность экспериментального факта связана со спецификой изменения предмета познания в эксперименте. Важные в этом отношении свойства изменения предмета познания сводятся к следующему: изменение предмета познания возникают во взаимодействии «преобразующее изменение средства познания ® изменение предмета познания », то есть во внешней по отношению к исследователю подсистеме тел. Такое изменение предмета познания, будучи однородным, либо фиксируется органами чувств, либо остается незамеченным.

После окончания элементарного акта экспериментальный факт сохраняется в виде образа познавательного изменения предмета познания. Он, как правило, перерабатывается в мысленную модель. Модель познавательного изменения предмета познания должна быть описана в естественном или искусственном языке.

6 Экспериментальные методы

Экспериментальные методы – это схемы последовательностей операций исследователя, определяемые строением научного эксперимента.

Строение эксперимента можно изучать на различных уровнях. В зависимости от этого фиксируемые нами методы будут характеризоваться той ил иной степенью детализации. Поскольку мы рассмотрели общее строение эксперимента, это поможет нам установить схему последовательностей операций исследователя, характерную для любого эксперимента. Это – наиболее общая и универсальная схема. Последующая детализация экспериментальных методов приведет лишь к выделению экспериментальных процедур, характерных для определенных областей исследования.

В познавательном цикле наряду с экспериментом в каждом элементарном акте осуществляются процессы счета и измерения. В связи с этим возникают специфические методы счета и измерения. Хотя счет и измерения являются необходимыми процессами в развитии науки, мы вынуждены абстрагироваться от них. Процедуры счета и измерения дополняют процедуры эксперимента. Тот факт, что на основе установленных количественных характеристик в науке часто удается сделать выводы относительно строения объекта познания и законов его функционирования, не меняет дела. Действительно читаются и измеряются лишь конкретные элементы строения объекта познания. Следовательно, в процессе счета и измерения всегда присутствует считаемый и измеряемый объект. Кроме этого, методологические модели изучаемого объекта, созданные на основе счета и измерений, должны быть подтверждены или опровергнуты экспериментом.

Особое место в экспериментальных исследованиях занимают математическая обработка результатов счета и измерений, а также построение математических моделей предмета познания, которые играют важную роль в научных исследованиях. Однако, чтобы говорить об этих методах корректно, необходимо подвергнуть специальному анализу процесс познания в математике. В этих условиях математические методы можно описывать в терминах математики, что для целей методологического анализ совершенно недостаточно. Конечно, абстрагируясь от математических методов, упрощается решаемая проблема. Однако такое допущение допустимо и даже необходимо. Эксперимент надлежит исследовать независимо от математической обработки результатов счета и измерения. Изучение относительно самостоятельной процедуры исследования в методологии – предпосылка для изучения функционирующего комплекса методов в том или ином познавательном цикле.

Экспериментальные методы определяются не только объектом познания, но и строением процесса познания. Такая схема, определяемая строением эксперимента, является правильно построенной схемой операций ученого в эксперименте или экспериментальным методом. Став фиксированным исследователем, такой метод становится алгоритмом его действий.

Если установленное общее строение эксперимента рассмотреть с методологической точки зрения, то экспериментальный метод может быть описан следующей цепочкой последовательных операций:

1 – Постановка задачи на конструирование эксперимента как такой подсистемы, взаимодействия которой не определяются человеком;

2 – Гипотетическое изменение предмета познания соотносится с имеющимися знаниями о природных или общественных объектах, выбирается элемент, преобразующий средство познания, а также соответствующее ему изменение. Результаты выбора проверяются исследователем и корректируются в зависимости от контекста поставленной задачи;

3 – Разрабатывается конструкция средств познания для реализации взаимодействия преобразующего элемента средства познания с предметом познания, при этом решаются следующие задачи:

а) разработка системы подготовительных изменений средства познания и его конструкции,

б) включение преобразующего элемента в средство познания,

в) исключение влияния подготовительных изменений на преобразующие изменения.

Если, осуществляя эти (а, б, в) операции, ученый сталкивается с принципиальной, технической или экономической неосуществимостью, тогда выбирается новый преобразующий элемент, либо начинается новая познавательная задача;

4 – Создается конструкция средств познания, но с таким расчетом, чтобы во взаимодействии «преобразующее изменение средства познания ® изменение предмета познания » на долю ученого оставалась лишь операция пуска и остановки. Благодаря этому создается подсистема тел, взаимодействия и изменения которой определяются ее строением и не зависят от деятельности ученого в эксперименте. Что же касается функций последнего в эксперименте, то они образуют сложную систему познавательной деятельности. Ученый должен контролировать течение процесса, фиксировать изменение предмета познания, устанавливать соответствие взаимодействия мысленной модели, в соответствие с которой такое взаимодействие конструировалось;

5 – Производятся средства познания;

6 – Соотносится гипотетическая модель изменения предмета познания с имеющимися знаниями об объекте и выбирают систему, которая имеет в своем составе предмет познания;

7 – В выбранной системе выделяется объект и предмет познания. Для этого имеющиеся знания об объекте познания используют для конструирования изменений выбранной системы, которые в эксперименте приняли бы заданную форму. Совокупность заданных изменений объекта познания осуществляется, прежде всего, с помощью средств познания;

8 – Конструктивно выделяются познавательные изменения предмета познания (с помощью преобразующих изменений средства познания и заданных изменений объекта познания). Поскольку такие изменения заданы, всякое новое изменение предмета познания будет соответствовать или не соответствовать гипотетической модели познавательного изменения и, следовательно, подтвердит или опровергнет гипотетическое предположение;

9 – На стадии подготовки эксперимента производятся заданные изменения предмета познания. По мере надобности конструируются необходимые средства познания. Если заданные изменения должны иметь место в ходе эксперимента, тогда средства производства включаются в конструкцию средства познания;

10 – Конструктивно обеспечивается взаимодействие преобразующего изменения средства познания и познавательного изменения предмета познания;

11 – Конструктивно обеспечивается связь между заданными изменениями объекта познания и познавательными изменениями предмета познания.

12 – В тех случаях, когда можно задать различные и контролируемые исследователем состояния системы, разрабатываются необходимые для этого конструкции средств познания;

13 – Разрабатывается подсистема фиксации результатов эксперимента;

14 – Разрабатывается подсистема счета и измерения;

15 – Устанавливается необходимая, конструктивно оформленная связь между взаимодействием подсистем фиксации результатов эксперимента и счета и измерения;

16 – Отлаживается взаимодействие «преобразующее изменение средства познания ® изменение предмета познания ». При этом особое внимание обращается на соответствие этого взаимодействия тем моделям, которые были созданы исследователем;

17 – Осуществляется элементарный акт процесса познания. При этом исследователь выполняет пуск, контроль за протеканием и выключение взаимодействия, упомянутого в п. 16;

18 – Фиксируются результаты эксперимента в образах познавательных изменения предмета познания;

19 – Образы познавательных изменений предмета познания переводятся в протокольные записи (описываются предложениями).

Приведенная схема последовательностей операций в эксперименте является весьма общей. Каждый ее пункт, в свою очередь, состоит из определенной последовательности операций.

Схема последовательности операций в эксперименте образует систему и поэтому порядок ее элементов фиксирован. Экспериментатор не может начать работу, пока не будет построена гипотетическая модель. Без соотнесения гипотетического изменения предмета познания с имеющимися знаниями об объекте познания нельзя выбрать преобразующее изменение средства познания. Это делает невозможной процедуру разработки подготовительных изменений и соответствующих им конструкций элементов средства познания.

В заключение следует еще раз отметить, что системный характер экспериментальных процедур состоит в определенности состава образующих эти процедуры операций и их порядке в каждой последовательности операций.

7 Заключение

В работе проведено исследование научного метода познания – эксперимента. Мы стремились составить ясное представление о том, что такое эксперимент (его состав, свойства, структуру), отличительные особенности. Анализ экспериментального исследования связан с трудностями, обусловленными его тесным переплетением со многими видами практической и познавательной деятельностей.

Анализ строения и практических основ экспериментального исследования позволяют сделать вывод, что здесь мы сталкиваемся далеко не с чисто эмпирическим методом. Учитывая структурную организацию эксперимента, можно заметить, что теория дает о себе знать на всех этапах его выявления. В обобщенном виде роль теории в эксперименте реализуется в формировании целей и задач, в разработке плана, в проектировании и изготовлении приборов, в процессе проведения самого эксперимента, в получении и фиксировании исходных данных, а также в логико-математической обработке данных. Кроме того, строение познавательного цикла позволило выделить экспериментальные методы.

Рассмотрение же логических средств экспериментального исследования позволило выявить и охарактеризовать такие методы научного познания, как операции анализа и синтеза, дедукции и индукции, обобщения и абстрагирования, аналогии и моделирования.

Более того, выделение взаимосвязей системы «средства познания ® предмет познания» дало возможность определить экспериментальный факт, как познавательное изменение предмета познания, фиксированное исследователем.

Хотя эксперимент и основывается на практической деятельности исследователя, но его специфика не исчерпывается только этим признаком. Представляя собой именно метод познания, эксперимент включает чувственные, логические и теоретические средства познания, гармоничное сочетание которых и позволяет раскрыть все особенности его природы.

Список использованных источников

1 Канке В.А. Основные философские направления и концепции науки. Итоги 20 столетия. – М.: Логос, 2000.

2 Кохановский В. П. философия и методология науки. – Ростов/Донц, 1999.

3 Рузавин Г.И. Методология научного исследования. Учебное пособие. - М.: ЮНИТИ, 1999.

4 Подкорытов Г.А. О природе научного метода. – Л. Изд-во ЛГУ, 1988

5 Ярцевич А.В. Философия науки. Критическое введение. – Л.: 1989.

6 Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

7 Воробьев В.Я. Елсуков А.Н. Теория и эксперимент. – Мн.: Высш. шк., 1989.

8 Пуанкаре А. О науке /пер. с фрн./. – М.: 1983.

9 В.Г.Блохин, О.П.Глудкин, А.И.Гуров, и др. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов. Учебник. - М.: Радио и связь, 1997.

10 Быков В.В. Методы науки. – М.: Наука, 1974.

11 Современная философия науки. Хрестоматия. - М.: Наука, 1994.

12 Философия и методология науки. Под редакцией В.И. Купцова.- М., 1996.

13 Соколов А.Н. Предмет философии и обоснование науки. - С.П., 1993.

14 Никифоров А.Л. Философия науки: история и методология.- М., 1998.

15 Чкалова О.Н. Основы научных исследований. - Киев: Вища школа, 1978.

16 Броиль Л. По тропам науки. – М., 1988.

17 Голованов В.Н. Законы в системе научного знания. – М., 1970.

18 Колесников А.Ф. Основы математической обработки результатов измерений. - Томск: ТГУ, 1963.

19 Вальт Л.О. Мысленный эксперимент. – Тарту, 1962.

20 Философия и методология науки. Ч. 2. – М., 1994.

Эксперимент – это метод исследования некоторого явления в управляемых условиях. Отличается от наблюдения активным взаимодействием с изучаемым объектом. Обычно эксперимент проводится в рамках научного исследования и служит для проверки гипотезы, установления причинных связей между феноменами.

Эксперимент характеризуется вмешательством исследователя в положение изучаемых объектов, активным воздействием на предмет исследования различных приборов и экспериментальных средств. Эксперимент представляет собой одну из форм практики, где сочетается взаимодействие объектов по естественным законам и искусственно организованное человеком действие. Как метод эмпирического исследования этот метод предполагает и позволяет осуществлять в соответствии с решаемой проблемой следующие операции:

₋ конструктивизацию объекта;

₋ вычленение объекта или предмета исследования, его изоляцию от влияния побочных и затемняющих сущность явлений, изучение в относительно чистом виде;

₋ эмпирическую интерпретацию исходных теоретических понятий и положений, выбор или создание экспериментальных средств;

₋ целенаправленное воздействие на объект: планомерное изменение, варьирование, комбинирование различных условий в целях получения искомого результата;

₋ многократное воспроизведение хода процесса, фиксацию данных в протоколах наблюдений, их обработку и перенос на другие объекты класса, не подвергнутые исследованию.

Эксперимент проводится для решения определенных научных проблем и познавательных задач, продиктованных состоянием теории. Он необходим как основное средство накопления в изучении фактов, составляющих эмпирический базис всякой теории, является, как и вся практика в целом, объективным критерием относительной истинности теоретических положений и гипотез.

Важные условия эффективности проведения эксперимента в научном исследовании:

Предварительный тщательный анализ явления, его исторический обзор, изучение массовой практики с целью максимального изучения поля эксперимента и его задач;

Конкретизация гипотезы. В этом смысле гипотеза не просто постулирует, что данное средство улучшит результаты процесса, а высказывает предположение о том, что это средство из ряда возможных окажется наилучшим для определенных условий;

Четкое формулирование задач эксперимента; определение признаков, критерий, по которым будут изучаться явления, средства, оцениваться результат.

Этап проведения эксперимента. В осуществлении данного этапа четко прослеживаются три стадии.

На первой стадии основной целью является определение (констатация) начального уровня всех параметров и факторов, которые подлежат отслеживанию в эксперименте.

При проведении констатирующего эксперимента устанавливается реальное состояние дел, изучается начальное состояние исследуемого объекта, констатируется наличие или отсутствие исследуемых ка­честв и т. п. Для этого раз­рабатывается программа изучения, продумываются признаки, по которым можно определить степень сформированности качеств объекта, описываются критерии их оценки.

Только после подробного описания начального уровня можно приступать ко второй стадии эксперимента – формирующему (созидательному, преобразующему) эксперименту - непосредственной реализации раз­работанной системы мер по формированию качеств личности, повы­шению уровня воспитанности школьников, развития у них познава­тельных интересов и др.

В течение формирующего эксперимента педагог следит за изменением интересующих его параметров, может делать промежуточные срезы тех или иных характеристик и вносить коррективы в эксперимент. По ходу формирующего эксперимента педагог-исследователь фиксирует полученные результаты в дневнике эксперимента, в карте наблюдений, на магнитофонной записи, в фотографиях.

Третьей стадией практического этапа является тщательный сбор и регистрация (измерения, описание, оценки) всех показателей.

Контрольный этап эксперимента подтверждает или опровергает предположения относительно эффективности экспериментальных мер. На этом этапе сравниваются результаты, полученные на этапе констатации с результатами формирующего эксперимента. Для получения действительно достоверных результатов исследования необходимо привлечение большого числа исследуемых. Поэтому результаты нужно интерпретировать очень корректно.

Система экспериментальных мер осущест­вляется в экспериментальном классе, в котором проводятся все необходимые изменения в соответствии с программой эксперимента. Очень важно, чтобы экспериментальный класс был типичным по успеваемости, наполняемости, по составу мальчиков и девочек и т.п. Полученные данные сопоставляются с результатами контрольного класса, где условия обучения и воспитания остаются прежними. Такой вид эксперимента называется параллельный. В практике может быть использован и последовательный эксперимент, когда сопоставляются данные, полученные в одном и том же классе (группе учащихся) до и после эксперимента.

Обобщающий этап. Завершается эксперимент анализом его итогов:

Описанием результатов осуществления экспериментальных мер (конечное состояние исследуемого объекта);

Характеристикой условий, при которых эксперимент дал благоприятные результаты;

Описанием особенностей субъектов эксперимента (характеристики на учащихся);

Данными о затратах времени, средств.

Из сказанного ясно, что педагогический эксперимент - довольно сложная для проведения комплексный исследовательский метод.

Эксперимент вовсе не ограничивается лишь проведением опыта и получением исходной информации, а складывается из этапов, на каждом из которых по-своему сочетаются элементы чувственного, практического и теоретического познания. К ним можно отнести следующие: 1) подготовительный, 2) этап проведения эксперимента и получение опытных данных; 3)этап обработки опытных данных, или заключительный. Анализ структурных особенностей экспериментального исследования помогает раскрыть его природу с гносеологической точки зрения, то есть с позиции соотношения объекта и субъекта познавательной деятельности.

Похожая информация.

Роль эксперимента в физическом образовании.

Автор: Сорокина Ирина Александровна, учитель физики МБОУ СОШ №7 городского округа город Мантурово Костромской области.
Данный материал будет интересен учителям физики, которые широко применяют в своей работе разные виды экспериментальных работ.
Одним из важных концептуальных положений современной методики является эксперимент – не только как средство обучения, но и объект изучения, способ освоения экспериментального метода познания природы. Работая над формированием основных законов, физических понятий я встала перед проблемой: как научить детей мыслить самостоятельно, а не просто запоминать услышанную информацию, как развить интерес учащихся к предмету. Объектом исследования является изучение роли эксперимента в учебно – воспитательном процессе. Предмет исследования – это ученик школы, его способности и возможности.
Цель исследования заключается в повышении эффективности учебно – воспитательного процесса посредством разработки и использования на уроках экспериментальных работ учащихся.
Гипотеза исследования состоит в предположении, что эффективность процесса изучения предмета повысится, если:
-отобран содержательный компонент экспериментальной работы учащихся;
-определены функции, формы организации, методические приёмы, средства экспериментально – исследовательской деятельности учащихся.
Для реализации поставленной цели и в соответствии с выдвинутой гипотезой были определены следующие задачи :
1.подобрать литературу по данному вопросу;
2.изучить методику поэтапной организации экспериментальной работы;
3.разработать типы уроков или их элементы с применением данной методики;
4.проанализировать эффективность работы методики.
Для достижения поставленной цели использовались следующие методы: в параллелях проводились уроки разного типа: в одном классе материал изучался традиционными методами, в другом проводились учениками эксперименты или на уроке присутствовали элементы исследований. Затем анализировались знания учащихся, полученные на данных уроках. Сравнивалась эффективность уроков, проводилась рефлексия среди учеников. Если учитель владеет методикой проведения уроков, на которых эксперимент играет главную роль и может применять её на практике при обучении детей, то из таких учеников, несомненно, формируется умелая и мыслящая личность. Физический эксперимент – это наблюдение и анализ исследуемых явлений в определённых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его всякий раз при фиксированных условиях.
Первый этап. Формирование первоначальных практических умений и навыков – демонстрационный эксперимент. Демонстрация иллюстрирует теоретические положения, излагаемые на уроке учителем, и подготавливает к самостоятельному проведению фронтальных лабораторных работ. Демонстрационный эксперимент не исчерпывает всех возможностей активного восприятия учащимися изучаемых явлений, поскольку ученики только наблюдают. Практические умения и навыки вырабатываются в ходе ученического эксперимента.
Второй этап. Фронтальные лабораторные работы – вид практических работ, выполняемых в процессе изучаемого материала, когда учащиеся класса одновременно выполняют однотипный эксперимент, используя одинаковое оборудование.
Фронтальные лабораторные работы делятся:
1.По времени (кратковременные, длительные)
2.По целям и содержанию (наблюдение физических явлений, ознакомление с приборами, выполнение косвенных измерений, установление зависимости между физическими величинами, сборка и изучение принципа действия установок, измерение физических величин, изучение законов, измерение физических постоянных)
3.По дидактической задаче (исследовательские, иллюстративные)
На фронтальных лабораторных работах преодолевается разрыв теории с практикой, прослеживается очевидная связь науки и техники, развиваются и углубляются первоначальные представления, формируются понятия, как основной элемент научных знаний, развивается интерес, способствующий самостоятельной деятельности. Но с другой стороны фронтальные лабораторные работы формируют только простейшие умения и навыки, а не обобщённые практические умения, так необходимые в современных исследованиях. Эти задачи можно решить при организации физического практикума.
Третий этап. Физический практикум – практическая работа, выполняемая учащимися в завершение изучения раздела курса или в конце года, проводится с большей долей самостоятельности, на более сложном оборудовании. При выполнении практикума происходит повторение, углубление, расширение, обобщение и систематизация знаний по различным темам, развитие и совершенствование экспериментальных умений и навыков.
Физический практикум делится:
1.Эксперимент с использованием компьютера.
2.Домашний эксперимент (используются самодельные приборы или предметы домашнего обихода).
3.Экспериментальные задачи (задачи, решение которых проверяется опытом, задачи, для которых исходные данные получают из опыта).
При решении экспериментальных задач исчезает формальный подход к обучению, развиваются внимание, творческое мышление, устраняются недостатки в знаниях, совершенствуются навыки в обращении с приборами.Домашний эксперимент приучает учащихся к расширению полученных на уроке знаний и добыванию новых, формируют экспериментальные умения через использование предметов домашнего обихода и самодельных приборов, развивают интерес.Возможности компьютера позволяют варьировать условиями эксперимента, самостоятельно конструировать модели установок и наблюдать за их работой, формировать умения производить расчёты в автоматическом режиме. Данный вид эксперимента способствует развитию пространственного воображения и творческого мышления.

Экспериментальная деятельность на уроках физики(из опыта работы).

Эксперименты и наблюдения поставляют человеку факты о природных явлениях, обеспечивая «живое созерцание», являющееся исходным пунктом процесса познания. Затем идёт анализ и осмысление этих фактов через мышление, что даёт возможность проникнуть в суть явления, процесса, установить связи, причины, следствия, объяснить закономерности, создать теорию явления. После этого гипотезы проверяют опытом. Приведу некоторые примеры использования различного вида эксперимента из опыта работы.
1.Демонстрация. Обычно на уроке демонстрации сопровождают объяснение материала. Учащиеся с интересом наблюдают за проведением того или иного опыта, но чаще всего являются пассивными слушателями. Для активной работы нужно создать такую ситуацию или так задать вопрос, чтобы ученики сразу включились в размышления. Их нужно поставить в роль первооткрывателей. Урок легче начать не с теории, а с проведения опытов. Причём опыты показать в такой последовательности, чтобы каждый ожидаемый вывод учащихся, в чём – то противоречил предыдущему. А затем предоставить возможность выбора из нескольких выводов одного – наиболее общего. Приведу пример такого урока в 11 классе по теме «Условия возникновения индукционный тока» (приложение 1).
2.Самостоятельное проведение учениками экспериментов. Замысел учителя на таких уроках не просто поставить перед учениками проблему, а сделать так, чтобы каждый школьник захотел её решить. Например, поставить учеников на один уровень с известными учёными. Таким приёмом я пользуюсь в 9 классе при изучении темы «сухое трение». После нескольких вступительных фраз, предлагаю ученикам разрешить спор учёных, который длился более 100 лет. Приведу эпизод данного урока. (приложение 2).
3.Фронтальные лабораторные работы. Как правило, таки работы проводим в конце темы по описанию, представленному в учебнике. Иногда эффективнее проводить работу в начале темы или в процессе её изучения, не опираясь на описание учебника. Можно работу усложнить, меняя параметры или одно тело, заменяя другим. Это позволяет убедиться в точности полученного результата. Таким образом, провожу лабораторную работу в 9 классе по теме «исследование зависимости силы упругости от деформации тела» на уроке «сила упругости. Закон Гука». Объяснив учащимся природу силы упругости, предлагаю самостоятельно исследовать зависимость силы от деформации. Для повышения эффективности используем разные образцы: пружины, резиновые нити, полоски из резины. Иногда работу провожу фронтально, иногда, в целях экономии времени по группам. Каждая группа исследует свой образец, затем сравниваем результаты и делаем выводы. Такие работы способствуют формированию у школьников экспериментальных умений и навыков, развивают интерес к предмету. Ученики сами ставят цель эксперимента, планируют этапы его проведения, формулируют выводы, самостоятельно усваивают материал. План – конспект работы приведён (приложение 3).
4.Домашний эксперимент. Вряд ли необходимо доказывать важность домашнего эксперимента, который увлекает детей, развивает самостоятельное техническое творчество. Домашний эксперимент можно проводить на простейших, имеющихся в каждом доме «приборах», или тех, которые ученик может сделать сам из подручного материала. Умение создавать полезные приборы и установки и использовать их является одним из индикаторов наличия у ученика инженерных способностей, которые необходимо поощрять и развивать. Многие учёные и педагоги убеждены, что серьёзное образование базируется только на основе самообразования. Недаром великий русский физик Н.А.Умов утверждал, что «всякое знание остаётся мёртвым, если в учащемся не развивается инициатива и самостоятельность». Рассмотрю одну из домашних экспериментальных работ, которую даю ученикам 8 класса по теме «параллельное соединение проводников» (приложение 4).
5.Решение экспериментальных задач. Особенность таких уроков – всё время отдано ученикам на самостоятельную работу с приборами. Эти занятия эффективны для повторения и закрепления усвоенного ранее материала. Урок строится с учётом индивидуальных возможностей учеников. Работа может быть организована фронтально, по группам или индивидуально. Прежде чем выполнить непосредственно работу, учащиеся должны составить структурно – логическую схему. В каждой схеме должны быть выделены две части: 1.нахождение выражения (формулы) для решения проблемы в общем виде;
2.сформулированы указания о том, каким образом определить каждую величину.
Этот приём придаёт работе разумную, всем понятную целенаправленность, обосновывает логикой последовательность выполняемых действий, связывает теорию и практику (приложение 5).
6.Физический практикум. Провожу в 9 – 11 классах в конце учебного года, с целью повторения и обобщения изученного материала. Класс делю на группы с учётом того, чтобы в группе были как сильные, так и слабые ученики. Этот приём позволяет включить в работу каждого ученика. Более сильные учащиеся в процессе выполнения работы дают консультацию тем, кто материал усвоил не полностью. Перед практикумом провожу консультацию, на которой обязательно даю перечень вопросов, без ответов на которые работу выполнить трудно. Сам практикум ученики должны выполнить самостоятельно (помощь учителя сводится к минимуму), проанализировать свою работу, подготовиться к её защите. На каждую работу выделяю по 2 урока. По каждому классу стараюсь подобрать такие работы, чтобы они охватывали весь материал данного курса. Приведу перечень работ в 9 – 11 классах (приложение 6).
7.Эксперимент с использованием компьютера. Данный вид эксперимента стал для меня возможен после приобретения лаборатории L – микро. В серию оборудования L – микро входят наборы для демонстрационных экспериментов «механика», «вращательное движение», «тепловые явления», «газовые законы», «оптика», «электричество», наборы для лабораторных работ «электричество», «механика», «оптика», «кристаллизация». В руководстве по выполнению эксперимента подробно изложен порядок его проведения. Приведу пример изучения изотермического процесса (приложение 7).

Заключение.

Итак, эксперимент, как педагогический метод, обладает широкими дидактическими возможностями. Интерес к нему как методу обучения обусловлен, в частности, тем, что данный вид заданий представляет учащимся достаточно редкую возможность самостоятельно выявить первопричину физического явления на опыте в процессе его непосредственного рассмотрения. Базируясь на самом простейшем оборудовании и даже предметах обихода, эксперимент приближает физику к нам, превращая её в представлениях учащихся из абстрактной системы знаний в науку, изучающую «мир вокруг нас». Тем самым подчёркивается практическая востребованность физических знаний, их значимость в обычной жизни. В учебном процессе, где широко используется эксперимент, нет исходящего от педагога потока информации, нет скуки, лени, пассивности учеников. Учитель ведёт ученика по пути субъективного открытия. При такой организации учебно – воспитательного процесса меняться в ученике могут все психические функции: восприятие, внимание, память, мышление, а также отдельные качества личности – ответственность, самостоятельность и другие, т.е. развивается личность ребёнка в целом.
Для организации уроков с использованием любого вида эксперимента, учителям физики необходимо ориентироваться на уровень развития учеников, самим владеть методикой проведения эксперимента, уметь обучить школьников выполнять опыты.
При планировании уроков, учителям физики, могу порекомендовать использовать следующие подходы:
1) исследовательский подход, т.е. обучение через открытие. Этот вариант срабатывает при изучении материала.
2) заменять традиционные лабораторные работы на более интересные, добавив, например, дополнительное задание или изменить порядок работы. Желательно, чтобы алгоритм работы ученики составляли сами.
3) чаще использовать домашний эксперимент.
4) не в коем случае не отказываться от лабораторного практикума.
Чтобы ученикам легче было выполнить то или иное задание, можно познакомить их со следующим алгоритмом действий при постановке эксперимента:
1. Цель (что я хочу узнать?)
2. Замысел эксперимента
1) Какова идея опыта?
2) Что и каким образом будем изменять? Что на это должно реагировать?
3) Какие параметры остаются постоянными? Как добиться этого? Как следить за этим?
3. Оборудование (какие нужны приборы, материалы, какая должна быть установка для эксперимента: схема, рисунок)
4. Ход работы (план действий)
5. Результаты (что получено – цифры, факты…Их наглядные представления – таблица, схема, график)
6. Выводы (насколько точны результаты, расчёт погрешностей)
7. Обдумывание результатов и взгляд в будущее (как изменить опыт, чтобы результаты стали лучше? Можно ли продолжить исследование? Для чего? Как?)

Таким образом, изучив методику проведения эксперимента и его применения на уроках физики, я пришла к выводу, что эксперимент является самой важной частью любого урока. Все выше перечисленные формы эксперимента оправдывают себя. Так, например, изложенная методика решения экспериментальных задач с помощью логических схем даёт такие результаты: за один урок ученик решает обычно от 3 до 7 задач. Примерно от 40 до 60 % учащихся в классе получают хорошие и отличные оценки, а учитель только управляет учебно – воспитательной работой, её дифференциацией на основе учёта особенностей ребят.
Как правило, ученики далеко не все любят выполнять домашние задания. Если же домашний эксперимент можно выполнить с помощью подручных средств, то % выполнения такой работы достигает в среднем 95% . Кроме этого у ребят возникает множество вопросов после выполнения домашнего эксперимента, а это значит, что возрастает их интерес к предмету. Выполняя лабораторный практикум в конце учебного года, примерно 15% учеников повышают свои оценки. Практикум позволяет ещё раз повторить изученный материал, обратить внимание на вопросы вызывающие затруднения и разобраться в них. При использовании лаборатории L – микро ученик на лабораторной работе получает не набор приборов, а тематический комплект, который позволяет выбирать эксперимент по объявленной теме самостоятельно. Это даёт свободу творчества обучающемуся, учитель же, в свою очередь, получает возможность реализовать любые методы и приёмы, любой уровень дифференцированного подхода к учащимся. В результате всего этого материал усваивается лучше, повышается успеваемость, растёт качество.
Приложение №1. Тема урока: «Условия возникновения индукционного тока».
Цель урока: подвести учеников к выводу, что индукционный ток возникает при любом изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур.
Замысел учителя: поставить учеников в положение первооткрывателей явления ЭМИ, т.е. выдвинуть проблему, которую они должны решить, и предоставить им возможность действовать.
Ход урока: 1.На доске вычерчиваю условными обозначениями источник тока, катушка, гальванометр и ставлю вопрос: что надо сделать, чтобы получить ток? Ответ учеников: соединить все элементы.
Уберём источник, будет ли ток? Ответ учеников: конечно нет. Опыт 1: незаметно перемещаю магнит относительно катушки, появился ток (рисунок в учебнике. Противоречие: источника нет, а ток есть. Эту проблему решаем следующим опытом. Опыт 2: относительно катушки движется электромагнит (рисунок в учебнике). По 1 и 2 опыту ученики делают примерно такой вывод – всё дело в относительном движении источника магнитного поля и катушки. Опыт 3:при размыкании и замыкании цепи электромагнита, когда электромагнит не движется, тоже возникает ток (рисунок в учебнике). Опыт 4: при передвижении ползунка реостата возникает ток (рисунок в учебнике). Как это объяснить. Вывод учеников - появление тока вызывается переменным магнитным полем. Проблемный вопрос – а в постоянном магнитном поле можно получить индукционный ток? Ответ учеников обычно звучит нельзя. Опыт 5: в постоянном магнитном поле поворачиваем катушку, возникает ток. Как это объяснить? Путём обсуждения подвожу учащихся к выводу: меняется число линий магнитной индукции, пересекающих контур, т.е. меняется магнитный поток.
Получено три вывода, обобщая всё увиденное и услышанное, ученики делают общий вывод: индукционный ток в контуре возникает при изменении магнитного потока, пронизывающего его.Таким путём поставленная цель урока выполнена.
Приложение №2. Спор, который длился более 100 лет.
Леонардо да Винчи, известный итальянский скульптор, художник, учёный, предложив свои услуги в 1482 году в качестве инженера миланскому герцогу, занялся изучением трения. Он проводил опыты, удивляя своих учеников тем, что таскал по полу то свитую верёвку, то во всю длину. Его интересовал вопрос, от каких факторов, из перечисленных ниже, зависит сила трения (от площади, рода материала,нагрузки, степени шероховатости). И получил следующие ответы: нет, нет, да, да. В 1699 году французский физик Амонтон направил в Парижскую Академию наук письмо, в котором дал свои ответы на вопросы, поставленные Леонардо: нет, нет, да, нет. В течение 18 века насчитывалось до 30 исследований на эту тему. Их авторы соглашались друг с другом лишь по 3 вопросу, в остальных их мнения расходились. В 1748 году член Российской Академии наук, знаменитый математик, механик и физик Леонард Эйлер по всем вопросам согласился с Леонардо да Винчи. Французский учёный и военный инженер Шарль Кулон, работая инженером на военных верфях порта Рошфор на западном побережье Франции, изучал ситуации. В которых сила трения играет очень важную роль. Результаты свои он изложил в мемуарах, работа была опубликована в 1781 году. На все выше поставленные вопросы Кулон дал ответ да.
Задание: хотя спор давно решён, вам предлагается стать арбитрами в этом споре, проделать соответствующие опыты на предложенном оборудовании, выразить своё мнение по всем вопросам и заполнить последнюю строку предложенной таблицы.
Оборудование: динамометр, бруски из разных материалов, линейки деревянная и пластмассовая.
Приложение №3 . Лабораторная работа по теме "исследование зависимости силы упругости от деформации тела"
Оборудование: исследуемые образцы (пружинка, резиновая нить, полоска из резины), штатив, набор грузов, линейка.
ход урока.
1. оргмомент: учитель приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку;
Учащиеся приветствуют учителя, проверяют наличие оборудования.
2.актуализация знаний: учитель объясняет природу силы упругости, напоминает понятие деформации, формулирует тему урока; учащиеся записывают тему урока, необходимые формулировки.
3.целеполагание: учитель предлагает ученикам сформулировать цель работы, которая плавно вытекает из темы урока; Ученики формулируют цель: исследовать зависимость силы упругости от деформации тела.
4.подготовка к выполнению работы: учитель проводит с учениками фронтальную беседу по вопросам, предлагает составить на доске и в тетради план работы и таблицу результатов.
1.что нужно сделать, чтобы растянуть образец? 2.какие силы уравновешивают друг друга?
3.как рассчитать силу тяжести? 4.как измерить удлинение образца. Ученики отвечают на вопросы, самостоятельно составляют ход работы и таблицу результатов.
Порядок работы:
1.закрепить образец в лапке штатива, подвесить груз массой 100 г, измерить удлинение образца.
2.рассчитать силу тяжести. Она равна силе упругости. 3.опыт повторить с 2-я, с 3-я грузами.
4.заполнить таблицу результатов измерений. 5.построить график зависимости силы упругости от удлинения образца. 6.проанализировав график, сделать вывод. 7.выполнение работы: учитель наблюдает за работой учеников; ученики проводят эксперимент, заполняют таблицу, строят график, делают вывод.
6.анализ выполненного задания: учитель предлагает ученикам проанализировать работу. Формулирует закон Гука. Даёт дополнительное задание по определению коэффициента жёсткости исследуемого материала. Ученики анализируют полученный график, формулируют общий вывод. По одной произвольной точке на графике рассчитывают коэффициент жёсткости своего образца. Делают вывод о том, что коэффициент жёсткости зависит от рода материала.
7.подведение итогов урока: учитель анализирует работу учащихся на уроке, задаёт вопрос: что нового вы узнали? подчёркивает ещё раз основные моменты, задаёт домашнее задание; ученики систематизируют полученные знания, отвечая на вопрос учителя.
Приложение №4. Домашняя лабораторная работа по теме "Параллельное соединение проводников"
Цель работы: проверить законы параллельного соединения
1/R=1/R1+1/R2 I=I1+I2
Приборы: счётчик электроэнергии, 2 электрические лампочки (можно настольные лампы), часы.
Порядок работы:
1.выключить в квартире все электрические приборы, счётчик не должен работать.
2.записать начальное показание счётчика n1.
3.включить 1 электрическую лампочку минут на 20-30, затем, выключив её, снять новое показание счётчика n2. Подсчитать совершённую работу А1=n2 – n1.
4.используя формулу для работы тока А=IUt, подсчитайте ток I1, протекающий через 1 лампочку, используя закон Ома, рассчитайте её сопротивление R1=U/I1.
5.опыт повторите со второй лампочкой (лампочки должны быть разные), рассчитайте I2 и R2.
6.включите обе лампочки одновременно на то же самое время, рассчитайте общую силу тока I и общее сопротивление R обеих лампочек.
7.проверьте выполнение следующих законов:
1/R=1/R1+1/R2 I=I1+I2
8.начертите схему параллельного соединения двух электрических лампочек, сделайте вывод.
Внимание!!! При проведении эксперимента все единицы измерения величин должны быть в системе единиц СИ. Время проведения каждого опыта должно быть одинаковое.
Приложение №5. К уроку решение экспериментальных задач по теме "Тепловые явления" 10 класс.
Задание: определить тепловую мощность одной горящей спички.
Оборудование (для первого опыта): спички, весы с разновесом, часы, таблица «удельная теплота сгорания топлива». Ученики выстраивают логическую цепочку: 1. N=A/t; 2.А=U 3.;U=qm; 4. А=qm; 5. N=qm/t (масса измеряется на весах, время – часами, удельная теплота сгорания величина табличная).
Оборудование (для второго опыта): спички, часы, линейка, таблицы «плотность», «удельная теплота сгорания топлива».Логическая цепочка: 1.N=A/t; 2. А=U; 3. U=qm; 4. m=Vр; 5. V=lbh;
6. m=lbhр; 7. U=qlbhр; 8. N= qlbhр;/t (р - плотность)
Приложение №6. Примерные темы лабораторного практикума.
9 Класс.
1.измерение массы тела методом гидростатического взвешивания.
2.изучение закона сохранения импульса.
3.изучение закона сохранения энергии.
4.определение коэффициента полезного действия при подъёме тела по наклонной плоскости.
5.определение частоты и периода колебаний пружинного маятника.
6.изучение свойств магнитного поля и явления электромагнитной индукции.
7.изучение изменения скорости движения электрона в пузырьковой камере.
8.изучение треков заряженных частиц.
10 Класс.
1.определение размеров молекулы растительного масла.
2.проверка уравнения состояния газа.
3.измерение поверхностного натяжения воды методом отрыва капель и поднятия жидкости в капилляре.
4.определение температуры и удельной теплоты плавления – кристаллизации парафина.
5.определение удельной теплоёмкости твёрдого тела.
6.изучение параллельного и последовательного соединения конденсаторов.
7.определение заряда и ёмкости конденсаторов.
8.изучение зависимости сопротивления полупроводников от температуры.
11 Класс.
1.изучение свойств магнитного поля и условий получения индукционного тока.
2.изучение явления самоиндукции.
3.изучение колебаний пружинного маятника.
4.изучение резонанса в электрическом колебательном контуре.
5.определение индуктивности катушки.
6.определение ёмкости конденсатора.
7.определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.
8.определение силы света электрической лампы.
Приложение №7. "изучение изотермического процесса".
1.подготовка эксперимента.
1)Закрепить в штативе элементы установки.
2)Установить поршень в среднее положение.
3)Присоединить датчик давления к сосуду с изменяемым объёмом.
4)Присоединить датчик давления к разъёму 1, датчик объёма к разъёму 2.
5)Перевести поршень в положение 30 мл.
2.проведение эксперимента.
1)Запустите программу.
2)Выберите раздел «Молекулярная физика».
3)Выберите пункт меню «Изотермический процесс».
4)Нажмите кнопку «настройка оборудования».
5)Нажмите кнопку «проведение эксперимента».
6)Нажмите кнопку «пуск».
7)Переведите поршень из минимального объёма в максимальный.
8)Для завершения регистрации данных нажмите кнопку «стоп»
9)Выберите точки графика, выделив их красным цветом, нажмите кнопку «обработка».
3.обработка данных.
1)на первом экране зависимость давления от объёма Р=f(V), для перехода на следующий экран кнопка «далее».
2)На этом экране те же данные перестраиваются в координатах (1/V, P)
3)Нажмите кнопку «прямая» для вывода на экран прямой линии, затем кнопку «далее».
4)В координатах (V, P) представлена зависимость P=f(V).
5)Нажмите кнопку «функция» для вывода на экране гиперболической зависимости и её уравнения.
6)Для выхода из режима нажмите кнопку «enter».
Подобные алгоритмы представлены в руководстве по каждому эксперименту.

Используемая литература:

1.Вахтомин Н.К. Практика – Мышление – Знание. К проблеме творческого мышления. – М.: Наука, 1978 – с 112.
2.Павлова М.С. Физический эксперимент – способ развития творческого мышления //Физика в школе, 2006, №1 – с 14 – 20.
3.Браверман Э.М. Самостоятельное проведение учениками экспериментов //Физика в школе, 2000, №3 – с 43 – 46.
4.Браверман Э.М. Урок физики в современной школе - М.: Просвещение,1993 – с 114.
5.Смирнов А.П. физический практикум Российского Невтона – М.: Кругозор, 1995 – 223 с.
6.Давиден А.А. Лабораторные работы в процессе обучения физике //Физика в школе, 2000, №5 – с 46.
7.Гуревич Ю.Л. Обучение приёмам мыслительной деятельности на уроках физики //Физика в школе, 1999, №4 – с 43.
8.Хоменко С.В. Газовые законы и свойства насыщенных паров. Руководство по выполнению эксперимента. – М.:МГИУ, 2007. – 30 с.
9.Дик Ю.И. Физический практикум для классов с углублённым изучением физики. – М.: Просвещение, 1993 – 206с.
10.Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе. – М.: Просвещение, 1988 – 170 с.
11.Шахмаев Н.М. Физический эксперимент в средней школе. – М.: Просвещение, 1991 – 225 с.

Л.М.Барков

Вопрос о роли эксперимента в физике, казалось бы, очень простой, и ни у кого не вызывает сомнений, что эксперимент является фундаментом, на котором построены все наши представления о структуре окружающего нас мира. Однако, вопрос этот не так прост, если рассматривать его с точки зрения вечного спора между теоретиками и экспериментаторами по поводу того, что важнее: теория или эксперимент.

Прежде всего уточним, что имеется в виду, когда речь идет о теории и эксперименте. Согласно Советскому энциклопедическому словарю (М.: Сов. энциклопедия, 1980), эксперимент – это чувственно-предметная деятельность в науке (с. 1551), а теория – это система основных идей в той или иной отрасли знания (с. 1330), причем практика, т.е. эксперимент, является критерием истинности и основой развития теории.

Поскольку я работаю в области ядерной физики и физики элементарных частиц уже более 50 лет, мне легко проследить, как теоретики и экспериментаторы, тесно взаимодействуя друг с другом, открыли целый мир элементарных частиц, о существовании которого каких-то 100 лет назад ученые даже не догадывались. Около 100 лет назад, в самом конце XIX в., были открыты электрон и радиоактивность атомов. До этого считалось, что атомы неделимы. Однако то, как устроены атомы, оставалось непонятым. Только после опытов по рассеянию альфа-частиц на атомах золота, проведенных Резерфордом в 1912 г., стало очевидно, что в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро размером, в десятки тысяч раз меньшим, чем размер атома. Попытка объяснить строение атомов была предпринята Н.Бором, сформулировавшим постулаты, согласно которым электроны в атомах могут двигаться во-круг ядра только по фиксированным орбитам. Но модель Бора оставляла без объяснения вопрос, почему электроны не падают на ядро из-за электромагнитного излучения.

Только после создания квантовой волновой механики удалось сформулировать теорию, последовательно и с высокой точностью описывающую строение атомов. Квантовая механика с ее непривычными с точки зрения классической физики представлениями о волновой природе движения частиц, в том числе точечных, была в конце концов признана правильной, так как ее и только ее предсказания соответствовали результатам бесчисленных экспериментов. Для описания движения частиц квантовая механика использует комплексные волновые функции, без которых не удается описать, например, прохождение точечного объекта, падающего на непрозрачный экран с двумя щелями так, как будто он проходит через обе щели одновременно. Человек, привыкший воспринимать природу через чувственно-предметную деятельность, долго привыкал к новым представлениям о сущности процессов в микро-мире. Несмотря на то что квантовая механика продемонстрировала свою способность рассчитывать процессы, происходящие в микромире, ощущение недопонимания внутренних основ этой загадочной теории остается. Главный параметр теории – постоянная Планка – до сих пор известен только из эксперимента.

После создания квантовой механики последовало открытие нейтрона, в результате чего стало ясно, что ядра состоят из нейтронов и протонов, связанных сильными ядерными силами. Примерно в то же время была создана теория бета-распада, в которой было введено представление о новом виде взаимодействий – так называемых слабых взаимодействиях, приводящих к тому, что из ядер вылетают электроны и нейтрино – нейтральные частицы с полуцелым спином и массой, близкой к нулю. Перед войной было открыто деление ядер, после чего наступил “золотой век” ядерной физики. Было создано ядерное оружие невиданной разрушительной силы, правительства ряда стран стали выделять очень большие деньги на работы в области ядерной физики. Стали строиться ускорители частиц высоких энергий для изучения ядерных сил, действующих между ядрами и открытыми к тому времени элементарными частицами.

Поскольку сразу после войны в космических лучах были обнаружены предсказанные японским теоретиком Юкавой кванты поля ядерных сил – пионы, от новых экспериментов не ждали новых крупных открытий. Многим казалось, что главные частицы, из которых состоит окружающая нас материя, уже открыты, а другие не нужны. Так, никому не был нужен открытый в космических лучах мюон, который первоначально приняли за предсказанный Юкавой квант поля ядерных сил. Оказалось, что он, как и электрон, не обладает ядерными взаимодействиями, но в 200 раз его тяжелее и распадается за две микросекунды на электрон и два нейтрино. Но после того как в космических лучах обнаружили так называемые странные частицы, странность которых заключалась в том, что они охотно рождались при взаимодействии первичных космических частиц и неохотно распадались на сильно взаимодействующие более легкие частицы, стали искать их и на ускорителях. Последовало открытие за открытием, и в течение примерно 20 лет было от-крыто несколько сотен элементарных частиц. Некоторые были довольно долгоживущие, некоторые – короткоживущие.

Если вспомнить пору, когда Эйнштейн сделал свои великие открытия, то он говорил тогда, что ему достаточно знать массу электрона, чтобы построить всю систему мироздания. В те далекие времена многим казалось, что мир устроен очень просто. Как показало развитие физики, мир устроен очень непросто. Физика элементарных частиц дала много примеров того, как наивные утверждения о простоте или о “красивости” заводили ученых в тупик. Дело еще и в том, что научных гипотез, объясняющих экспериментальные данные, обычно несколько и лишь одна из них, единственно верная, со временем становится научной теорией. Только эксперимент позволяет найти правильный путь в познании законов природы. Можно привести много примеров теоретических построений, которые пошли “в корзину”, поскольку они противоречили при проверке данным эксперимента. Каждая новая теория, в сущности, является гипотезой, теорией она становится после того, как ее предсказания подтверждаются в экспериментах. При этом есть теории, роль которых сводится в основном к систематизации накопленных экспериментальных данных, и они, разумеется, могут быть очень полезны. А есть и такие, которые, опираясь на экспериментальные данные, предсказывают явления, невероятные с точки зрения сложившихся ранее представлений.

Примерами такой теории являются специальная теория относительности Эйнштейна, квантовая механика и квантовая электродинамика. Если созданию квантовой механики предшествовал долгий период мучительных поисков теории, объясняющей большое количество экспериментальных фактов, относящихся к строению атомов и атомным переходам, то квантовая электродинамика возникла для объяснения результатов измерения лэмбовского сдвига в атоме водорода уже в конце 40‑х годов. Дело в том, что к этому времени была освоена и хорошо проверена на опыте не только обычная квантовая механика, но и уравнение Дирака, описывающее на очень высоком уровне точности поведение частиц с полуцелым спином, таких как электрон. Оказалось, что в кулоновском поле заряженных частиц происходят удивительные процессы рождения виртуальных частиц – фотонов и электрон-позитронных пар, в результате чего точечные частицы окружаются, особенно на самых малых расстояниях, облаком виртуальных частиц.

Эксперименты по измерению лэмбовского сдвига продолжались не один десяток лет и со все возрастающей точностью подтверждали правильность новой теории – квантовой электродинамики, которая сегодня считается самой совершенной теорией, описывающей электромагнитные взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время с помощью квантовой электродинамики рассчитана с точностью в одну миллиардную величина аномального магнитного момента электрона. С такой точностью удается оценить распределение зарядов и токов в облаке виртуальных частиц вокруг точечного электрона, из-за наличия которых и возникает аномальный магнитный момент. Оказалось, что результаты одного из самых точных теоретических расчетов совпадают с экспериментом, являющимся одним из самых точных в физике элементарных частиц. Такого рода теории по своей созидательной силе не уступают эксперименту. Первоначально трудно поверить, что природа устроена именно так.

Другим красивым примером сложной и удивительной теории является теория кварков, которая гласит, что все сильновзаимодействующие элементарные частицы сделаны из особых частиц – кварков, имеющих полуцелый спин, дробный заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона. Согласно кварковой модели протон состоит из двух u -кварков с зарядом +2/3 и одного d -кварка с зарядом –1/3, а нейтрон – из одного u - и двух d -кварков. Каждый кварк обладает барионным зарядом 1/3, так что протоны и нейтроны имеют единичный барионный заряд, который строго сохраняется при всех взаимодействиях. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Например, положительно заряженный пион состоит из u -кварка и анти-d -кварка. Пикантность ситуации заключается в том, что экспериментально ни тогда, ни позднее никаких частиц с дробным зарядом в свободном состоянии не было обнаружено, несмотря на большое количество экспериментов по их поиску. Прошло несколько десятилетий, прежде чем скептически мыслящие ученые смирились с этой теорией, видя, что ей нечего противопоставить и что только ее предсказания соответствуют результатам эксперимента.

С помощью теории кварков удалось провести всю классификацию элементарных частиц. Правда, для спасения принципа Паули, запрещающего частицам с полуцелым спином находиться в одном квантовом состоянии, пришлось ввести понятие “цвет”, так что каждый кварк может находиться в трех цветовых состояниях. Только при этом дополнении удалось классифицировать все наблюдаемые на опыте элементарные частицы. Наличие трех цветовых состояний у кварков было позднее подтверждено в экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках, когда оказалось, что количество рождающихся при аннигиляции частиц, расчитанное по формулам квантовой электродинамики, требует утроения числа каналов аннигиляции.

Согласно теории кварков взаимодействие между ними осуществляется глюонами – цветными безмассовыми частицами со спином 0 или 1. В соответствии с кварковой моделью кварки не могут наблюдаться в свободном состоянии именно из-за наличия цвета у каждого отдельного кварка. В свободном состоянии могут находиться составленные из кварков частицы, только в бесцветном состоянии. Так, протон и нейтрон составлены из красного, синего и желтого кварка, так что цвет протонов и нейтронов оказывается белым. Помимо двух главных кварков, из которых построены протоны, нейтроны и пионы, открыто еще четыре более тяжелых кварка – s , c , b и t -кварки. Самый тяжелый из них примерно в 200 раз тяжелее протона.

Силы взаимодействия между кварками оказались непохожими на другие известные силы. Гравитационные и электрические силы квадратично спадают с расстоянием, короткодействующие ядерные – экспоненциально, а силы, действующие между кварками, не уменьшаются при увеличении расстояния между двумя кварками. Поэтому, когда, например, на установках со встречными пучками происходит аннигиляция электронов и позитронов и в результате образуются кварк и антикварк, их разлет тормозится за счет силы притяжения, не спадающей с увеличением расстояния. Такое поведение силы соответствует появлению натянутой струны. Чем большей кинетической энергией обладают родившиеся при аннигиляции кварки, тем дальше они могли бы разлететься. Но когда запасенная в струне энергия оказывается достаточной для образования пар кварков и антикварков нужных цветов, вся конструкция немедленно превращается в бесцветные мезоны, и именно они наблюдаются в экспериментах. Когда энергия частиц в коллайдере очень велика, родившиеся мезоны вылетают в виде двух струй, летящих в направлении движения двух первоначально родившихся кварков. Распределения частиц по углам вылета и по энергиям согласуется с ожидаемым.

Такая теория, описывающая поведение сильновзаимодействующих частиц – адронов и названная квантовой хромодинамикой, безукоризненно описывает огромный объем экспериментальных данных, накопленных при изучении свойств сотен элементарных частиц, их взаимодействий и взаимных превращений. Но главный аргумент, свидетельствующий в пользу ее правильности, состоит в том, что все ее предсказания экспериментально подтверждаются.

Параллельно со становлением кварковой картины происходило накопление данных в секторе ядерно не взаимодействующих частиц – лептонов. Помимо электрона и мюона со своими электронным и мюонным нейтрино был открыт тау-лептон, в 3,5 тыс. раз более тяжелый, чем электрон, распадающийся по большому количеству каналов на более легкие элементарные частицы, но обязательно с участием своего тау-нейтрино. Таким образом, число лептонов оказалось равным числу кварков, что послужило основанием для гипотезы о симметрии в секторе лептонов и кварков.

Еще один революционный скачок в понимании законов природы произошел после того, как Вайнберг и Салам сформулировали гипотезу о единой теории электромагнитного и слабого взаимодествия, согласно которой вся разница связана с массой квантов поля – переносчиков слабого и электромагнитного взаимодействий. Согласно модели переносчиком электромагнитного взаимодействия является безмассовый фотон, а слабого – его “родные братья”, векторные заряженные W -бозоны и ней-тральный Z -бозон с массой в 100 масс протона. При этом слабость слабого взаимодействия обязана коротко-действию сил, которые почти в 1000 раз более короткодействующие, чем ядерные.

Теория Вайнберга – Салама вместе с квантовой хромодинамикой позволяют объяснить все наблюдаемые в настоящее время явления в мире элементарных частиц. Ожидается, что в ближайшие годы будут найдены бесспиновые хиггсовские бозоны, которые требуются для обоснования модели Вайнберга – Салама. Проектируются и строятся ускорители, по энергии на порядок большие, чем действующие. На них ожидается открытие новых тяжелых частиц, предсказываемых современными теориями Великого объединения.

Какие теории окажутся верными, может сказать только опыт. Так всегда было и так будет. Сколько времени может занять создание единой теории материи, сказать трудно, легче предсказать, сколько времени потребуется на строительство конкретных, гигантских по старым меркам, установок, которое уже запланировано на 10–20‑летний срок. За это время будет исследован диапазон энергий в системе центра масс вплоть до 14 ТэВ на протон-протонных и электрон-позитронных коллайдерах. Завершится строительство гигантских детекторов гравитационных волн, что даст возможность изучать крупномасштабные процессы во Вселенной на протяжении всей истории ее существования. Возможно, удастся найти и изучить с помощью развиваемых в настоящее время методик темную материю во Вселенной.

Вообще, работы по астрофизике будут иметь приоритетное значение наряду с работами по физике элементарных частиц. Дело в том, что эти две науки оказываются все более связанными друг с другом в русле изучения проблем Большого взрыва, от которого нам в наследство остались вещество во Вселенной и реликтовое микроволновое излучение. Переход в исследованиях в области физики элементарных частиц на более высокий уровень энергий позволит продвинуться в анализе явлений, происходивших на ранних стадиях развития Вселенной, когда температура вещества соответствовала температурам, возникающим при столкновениях тяжелых ядер, ускоренных до гигантских энергий. Такие эксперименты планируются на строящемся в ЦЕРНе коллайдере LHC. Дальнейшее развитие будут иметь работы по астрофизике на все больших по размерам составных телескопах на Земле и в космосе. Изучение потоков нейтрино из космоса с помощью расположенных под толщей земной поверхности нейтринных детекторов позволит разобраться, что же происходит внутри Солнца, при взрывах сверхновых звезд, какие процессы происходят в ядрах галактик.

Очевидно, что созданная и развитая за прошедшее столетие теория строения материи является далеко не законченной и человечеству предстоит пройти долгий путь до ее полного завершения. Каковы материальные, финансовые и прежде всего интеллектуальные ресурсы, которые человечество может выделить для решения все более сложных вопросов, возникающих по мере продвижения в указанном направлении научных исследований? Может быть, рациональнее использовать эти ресурсы для развития других направлений? Ответ на последний вопрос, очевидно, зависит от того, какие ожидается получить научные результаты и какую практическую пользу для человечества могут принести эти исследования.

Оглянемся на столетие назад. Можно ли было предвидеть, что изучение ядерной физики даст заметные плоды? Очень часто ученые делали пессимистические прогнозы. А между тем была создана наука о строении материи на очень глубоком уровне понимания, открыты источники получения ядерной энергии для нужд человечества, разработаны методики, применяемые на других научных направлениях. Так, ядерные реакторы дают пучки нейтронов, широко использующиеся в научных исследованиях и в медицине. Ускорители заряженных частиц дают пучки синхротронного излучения с уникальными возможностями для изучения свойств самых разнообразных веществ, биологических объектов, для нанотехнологий и т.д. Но может быть, главная заслуга ученых, работающих в физике элементарных частиц, состоит в том, что они создали установки, требующие использования вычислительной техники на самом высоком технологическом уровне. Применение мощной вычислительной техники, почти идеальные условия для проверки ее работоспособности на гигантских ускорительных комплексах способствовало развитию электроники все возрастающими темпами. В настоящее время не видно причин для замедления темпов ее развития. Если за последние 50 лет быстродействие ЭВМ возросло примерно в 1 млрд раз, то по крайней мере технологических причин для снижения темпов дальнейшего столь же значительного продвижения в области быстродействия нет.

Человечество должно быть благодарно природе за предоставленную возможность развивать свои способности и технологии, вкладывая средства в научные исследования, а не в гонку вооружений. В развитых странах Европы, в США, Японии строятся гигантские ускорители, на которые тратятся миллиарды долларов. К сожалению, российская наука сидит без денег, и мы в соревновании за лучшие успехи в научных исследованиях практически не участвуем. Не участвуем в том смысле, что у нас не строятся никакие установки. Между тем лет 10 и даже 50 лет тому назад в нашей стране строились лучшие в мире ускорители, а сейчас на этом, и не только на этом, направлении наблюдается полный крах. Наши ученые, конечно, продолжают работать, но за границей или на старых установках. Перестав участвовать в соревновании на самом престижном научном направлении, мы затормозили и работу западных исследователей. Один из ведущих американ-ских ученых, лауреат Нобелевской премии, назвал нашу страну виновницей прекращения строительства крупнейшего в мире коллайдера SSC со встречными протон-протонными пучками энергией 2 ґ 10 ТэВ и длиной почти 90 км. Конгресс США приостановил финансирование строительства, на которое было уже истрачено около 2 млрд долл., так как после развала Советского Союза соревнование с нашим ускорительным комплексом УНК в Серпухове для американцев потеряло смысл.

Приходится с сожалением констатировать, что в области эксперимента, который, как мы видели, определяет будущее науки, основная часть работы российских ученых будет проходить на Западе или в будущем на Востоке. Это очень печальный факт, но такова современная действительность.

Институт ядерной физики

СО РАН, Новосибирск

Barkov, L.M. The role of experiment in modern physics

The theory of matter structure which has been created during the last century is far from being completed. To complete it perfectly, the mankind has to travel a long road where experiment will play the most important part. However, political, ideological, financial and intellectual factors exert more and more destructive influence on organization and carrying out of experimental research in fundamental physics.