Раздел 3. Глава 3. Научный метод

Главный объект заботы любого учебного процесса  это мышление. Следовательно, если речь идет об ученом, то необходимо определить особенности мышления ученого. Такая особенность действительно существует, и она определяется двумя словами – «Научный метод». Вот о том, что такое научный метод и как можно развивать умение мыслить в рамках этого метода, и следует поговорить.

Свойства научного метода

Дать точное определение научного метода, наверное, невозможно. Таковое определение окажется коротким и совершенно не информативным текстом, из которого трудно будет делать какие-то то содержательные выводы. Уточнение же полученного определения запустит неконтролируемое расширение его объема, в силу сложности понятия, что уже совершенно бессмысленно. Но нам короткое определение не нужно, так же как и длинное. Для дальнейших рассуждений вполне достаточно указать несколько ключевых свойств. И такие у научного метода есть.

Объективность

Научные утверждения не должны быть зависимы от личных качеств ученого. Это в частности означает, что ровно к тем же выводам, к которым смог придти один, может придти и другой ученый, при условии добросовестности мышления обоих. От личных качеств ученого зависит, как быстро он сможет придти к требуемым выводам, в какой они будут записаны форме, насколько они будут полны, но от личных качеств не  зависит суть умозаключений. И если появляются два принципиально разных умозаключения об одном и том же предмете, то одно из них обязательно ложное, вне зависимости от автора и его научного веса, и это  должно быть проверяемо. Конечно, для реального выполнения  процедуры проверки не всегда есть технические возможности здесь и сейчас, но они должны  существовать принципиально.

Объективность, необходимо отметить, не обязательное свойство человеческого мышления вообще. К примеру, в искусстве, которое можно считать формой познавательной деятельности, в отношении одного и того же предмета: литературного, музыкального произведения, рисованной картины и т.д. вполне допустимы диаметрально противоположные суждения и их истинность не проверяема. В этой сфере больше играет роль не истинность, а убедительность аргументации и чисто психологическая готовность согласиться именно с этими доводами, чем от искусства и в том числе от религии отличается наука.

Опора на эксперимент

Научное утверждение в силу своей объективности обязано быть проверяемым. Должен быть возможен эксперимент с внятным результатом. Важное свойство эксперимента состоит в том, что он может опровергнуть утверждение, но не может однозначно его подтвердить. Поясню сказанное. Допустим, выведена закономерность, заключающаяся в том, что величина Y зависит от величины X некоторым вполне определенным образом. Для экспериментальной проверки необходима техническая возможность задавать значения для X и фиксировать значения Y. Проводим эксперимент, задав некоторый X. Если результат окажется существенно отличным от Y, то закономерность однозначно неверна. Если результат окажется достаточно близким к Y, то это увеличивает вероятность истинности закономерности, не доказывает истинность, а лишь увеличивает правдоподобность.

Существенно важно понятие точности эксперимента, так как человек не располагает методами абсолютно точного количественного контроля. Поэтому в любой количественной теории вводится понятие приемлемой точности, и отсюда следует вероятностный характер истины. Таким образом, требования эксперимента уничтожают абсолютность истины и делают ее лишь более или менее вероятной. 
Признание вероятностного характера положительного результата следует из того соображения, что мы не можем учесть всех факторов влияющих на исследуемые явления и величины их описывающие, поэтому разумно предполагать успешный результат вероятностным, а неуспешный достаточным контрпримером (разумеется при гарантии чистоты эксперимента).

Опора на эксперимент в математике имеет свои особенности. Математические утверждения могут носить характер утверждений существования. Это утверждения вида -  существует объект, имеющий некие заданные свойства (например равносторонний треугольник, множество простых чисел и т.д.). Если построить такого объекта не удалось, это не означает ложности утверждения (не сумели, не значит невозможно). Если же хотя бы один объект с заданными свойствами построен, то утверждение истинно. Вопрос только в том, насколько оно интересно для дальнейшего анализа, что уже зависит от объема множества примеров. Несуществование объекта с заданными свойствами желательно доказать, но не обязательно, можно просто отказаться от его рассмотрения. Помним, что математика - это не наука о реальном, а скорее наука о  конструировании возможного. Вариантов возможного бесконечно много, поэтому всегда законен вопрос - насколько придуманный математикой объект соответствует чему-то в реальном мире.   

Математика также располагает средствами экспериментальной проверки, причем менее вероятностной природы, нежели в естественных науках. Если речь идет о количественном утверждении, а не о теореме существования (эта ситуация рассмотрена выше), то необходимо то, что называется «сесть и честно все посчитать». Успешное применение расчетного метода это такой же эксперимент, как в физике или другой естественной науке. О математике упомянуто особо, так как математика – язык записи знания в любой науке.

Гипотеза – проверка – теория

Утверждения, формулируемые в рамках научного метода, имеют два возможных статуса. Начинается любое исследование с гипотезы, имеющей высокую степень свободы. Ученый до стадии подтверждения имеет право на любое, самое невероятное утверждение, это его право на свободу мышления. Вопрос только в осмысленности. Необходимо понимать, что чем менее утверждение соответствует общепринятым теориям, тем больше потребуется усилий для его доказательства и тем меньше вероятность успеха. Но, с другой стороны, чем больше оно соответствует существующим теориям, тем меньше шансов получить по настоящему новые и интересные  результаты.

В процессе формулировки гипотез и доведения их статуса теории очень важен человеческий фактор. Есть легенда, что Карл Фридрих Гаусс, имевший в свое время неформальный титул короля математики, не рискнул опубликовать  идеи неэвклидовой геометрии, так как не был уверен в  возможности убедить математическое сообщество в ее реальности. Ведь существование геометрии в пространстве с ненулевой кривизной этот как раз тот случай, когда нельзя «сесть и точно все посчитать», а есть необходимость построить объект с такими свойствами и более того, показать, что это имеет какое-то отношение к реальному пространству. А возможная кривизна физического пространства стала реальностью намного позже, лишь после создания Альбертом Эйнштейном Общей теории относительности (ОТО).
Таким образом, на формулировку научной гипотезы накладываются ограничения  разумности. Ученый, отправляющийся в полностью свободный от всех достигнутых достижений научный поиск,  рискует свалиться в поиск философского камня или создание вечного двигателя. А ученый, жестко регулирующий свои предположения известными теориями, может отказаться от интересных предположений. 

Следующее важное свойство делающее гипотезу научной – это возможность ее хотя бы принципиальной проверки. Это не означает, что мы можем проверить ее уже сейчас. Приведу крайний пример. Существует физическая гипотеза (есть физики, для которых это не гипотеза, а вполне обоснованная теория) утверждающая, что при  массе Вселенной ниже некоторого критического уровня наш мир будет неограниченно расширяться, а при массе выше этого порога расширение сменится сжатием.
Во-первых, заметим, что гипотеза эта  имеет высокую степень разумности, так как она следует из довольно хорошо проверенной Общей теории относительности. Возможно, есть ученые не согласные с такой оценкой ОТО, но то насколько часто ОТО цитируется и используется, говорит о том, что она все же хорошо подтверждена. А значит, высокую степень разумности имеют и утверждения, следующие из ее положений, даже несмотря на то, что некоторые из них сегодня не проверяемы.
Я специально взял для демонстрации очень значимую теорию. Естественно существует масса ситуаций, в которых мы сегодня не имеем возможности экспериментальной проверки того или иного утверждения, но то что невозможно сегодня может оказаться возможным в  будущем. Научный же статус гипотезы требует лишь принципиальной возможности проверки.

А теория - это хорошо разработанная и хорошо проверенная гипотеза. Пример – механика Ньютона – Галилея (трудно сказать, кого из них упомянуть первым), описывающая движение тела  в поле тяготения. Естественно в начале исследования Галилео Галилея это была гипотеза. Теорией она стала после того, как были получены детальные формулы движения, содержащие достаточно точное значение ускорения свободного падения и эти формулы были многократно экспериментально проверены. Коротко можно сказать – научная теория это комплекс утверждений позволяющих предсказать результат какого-либо процесса в будущем. Если речь идет о природном процессе, то теория дает возможность предсказать изменения физических величин с течением времени. Если речь идет о математической теории, то она либо должна показать условия существования абстрактного объекта, либо дать метод вычисления необходимых величин.
   
Системность научного метода

Теории создаваемые наукой не существуют каждая сама по себе. В своей совокупности они создают общую картину мира. Поэтому новая теория должна укладываться в имеющуюся картину мироздания. И хотя  научное мировоззрение  иногда существенно изменяется, ни одна хорошо проверенная и отработанная теория никогда и ни кем не опровергается.
Конечно, можно вспомнить древние представления о трех слонах стоящих на ките и держащих Землю под хрустальным небесным сводом, но это на самом деле была не теория, а гипотеза. Гипотеза вполне проверяемая, что оказалось лишь вопросом пары тысяч лет. Она не выдержала экспериментальной проверки, и не превратилась в теорию. Впоследствии, когда наука вышла из состояния эмпирического накопления фактов, любая правильно оформленная теория создавалась на вечность, единственно со временем уточнялась сфера ее действия и степень соответствия реальности. Это очень важный момент. Научный метод не обещает абсолютной истины, он лишь гарантирует приближение к ней. Поэтому сегодня, будет ошибкой, утверждать возможность опровержения скажем Теории относительности, или теории строения атома от Нильса Бора. Точно также как нельзя говорить об опровержении механики Галилея и Ньютона механикой Эйнштейна. Любая теория верна, но в определенных рамках физических, химических и т.д. параметров, если говорить о естественных науках.

Справедливость гуманитарных наук ограничена историческим периодом и соответственно уровнем развития человечества. Поэтому все правы и Адам Смит и Карл Маркс и современные экономисты. Каждый лишь уточняет своего предшественника, даже если это уточнение выглядит как совершенно новая теория, точно также как Альберт Эйнштейн уточнил механику сэра Исаака Ньютона на случай скоростей близких к  скорости света и больших гравитационных сил.
Таким образом, наука всегда развивается последовательно и системно, уточняя картину мироздания, постепенно приближая ее к какой-то абсолютной истине, существование которой пока тоже только гипотеза.

Вопросы «Как это происходит?» и «Почему это происходит?»

Есть в науке две принципиально разные задачи. Два разных вопроса отделяющих прикладное знание от фундаментального. Вопрос «Как это происходит?» на самом деле прикладной, но иногда ответ на него выглядит как фундаментальное знание. Открытие Галилеем закона ускоренного движения в поле тяготения можно рассматривать как прикладное, так как в этом законе говорится о том, как движется тело, но сам факт связанности движения с силой тяготения, конечно, был фундаментальным. Ответ на вопрос «почему так» от Галилея Галилео и Ньютона выглядит на наш современный взгляд не убедительным. Неясен механизм притяжения. Но в ту эпоху  это открытие, безусловно, было революционным.
Но все же в отношении причин движения,  классическая механика не ответила на главный вопрос – откуда берутся силы создающие движение, как появляется конкретно сила тяготения, в чем ее механизм. Механика Эйнштейна более прозрачно отвечает на вопрос, «почему и откуда» введя понятие искривления пространства. После ОТО (Общей теории относительности) сила тяготения это не более чем результат искривления пространства. Хотя конечно можно сказать, что вопрос механизма появления силы тяготения заменен на вопрос о природе геометрии  пространства, может быть даже более сложный.

Но нас сейчас не особо интересуют чисто физические вопросы. Я лишь пытался показать, что в рамках научного метода есть движение человеческого мышления от ответа на вопрос «Как это происходит?» к вопросу «Почему это происходит?». Наука постоянно уточняет знание и стремится к пониманию причин происходящего, что является важным признаком научного метода.

Педагогический вопрос

Выше я изложил свое восприятие сути научного метода. Если понимание этого вопроса читателем на слишком сильно отличается от моего, то есть смысл потратить время и на вопрос – «Причем здесь педагогика?»
Ответ на этот вопрос очевиден, если образовательный процесс понимать, как воспитание умения мыслить. Не трудно заметить, что свойства научного метода раскрытые выше – это свойства хорошо организованного мышления. Можно даже утверждать, что мышление вообще от научного отличается не предметом, как это может показаться, а уровнем организованности мышления, его дисциплиной. Не будет сильным преувеличением сказать и так: ученый и просто мыслящий человек думают об одном и том же, но по разному.

И нетрудно заметить, что современный учебный процесс имеет научный метод мышления своим стержнем. Школьная наглядность на уроках естественных наук это конечно же стремление экспериментально подтвердить изучаемые законы и свойства материи. Проверка решений математических задач это тот же эксперимент, который выше обозначен как – «Сесть и честно все посчитать».
Учебный процесс имеет свойство системности, что безусловно отражает системность науки. Уже в школе учащиеся знакомятся с понятиями: гипотезы, теории, теоремы, закона, а это фундаментальные понятия, на которых строится все человеческое знание.
 
Что не достает?

Ориентация образовательного процесса на научный метод кажется довольно последовательной и неукоснительной, что безусловно хорошо. И может показаться, что в этом отношении уже ничего не добавить и не убавить, а если что и не так, то система образования в своей массовой деятельности не ученых готовит. У будущих же исследователей впереди университет и работа в научных школах, под руководством опытных людей, что и поможет им стать настоящими учеными.
Это все конечно верно. Но дело в том, что на самом деле именно ученых мы и готовим. Из всех, кто приходит в учебное заведение любого уровня. Как уже было сказано выше, научный метод это форма мышления, и даже более, это высшая форма эффективного мышления, следовательно, овладеть им должен каждый, вне зависимости от своих последующих занятий. Но если так, то недостает по крайней мере одной важной вещи – завершенности понимания учеником научного метода.

Поясню примером. Можно много говорить о явлениях и свойствах тяготения, но если в конце не будет сформулирован закон Всемирного тяготения, то работа проведена напрасно. Можно много говорить о различных химических свойствах веществ, позволяющих объединять их в группы, но если не будет сформулирован Периодический закон Менделеева, то работа была проведена напрасно.
Человеческое восприятие работает таким образом – вы можете наговорить много разных интересных и полезных утверждений о природе изучаемого явления, но в конце должно быть запоминающееся резюме, в виде фундаментального закона или системы уравнений как в электродинамике Максвелла. В общем, должно быть проговорено нечто, объединяющее изученное в стройное понимание, выраженное строгими, ясными словами.

И вот этого завершающего резюме в отношении научного метода в образовательном процессе, в общем-то, нет. Нет по очень простой причине. В образовательном процессе, особенно школьном, нет момента философского осмысления. Таковой появляется только в высшей школе, но там философия - отдельный предмет и   надо еще убедиться, что студент способен увязать получаемое философское знание с конкретными предметами своей области знания.
Сразу отмечу, я отнюдь не за введение философии как отдельного предмета как можно раньше, лишь для того, чтобы учащиеся школы могли осознать суть и технику научного метода. Я полагаю, лишь, что некоторый уровень философского осмысления возможен и должен быть. Грамотный учитель физики, химии, математики, должен быть способен увидеть момент, когда класс или группа учащихся окажутся способными к осознанию того обстоятельства, что они уже долгое время не просто мыслят, а делают это особенным, специальным способом и в этот момент, в рамках своего предмета дать грамотное, завершающее пояснение сути научного метода, показать механику его работы  на своем предметном материале, тем самым завершив его формирование в сознании ученика, как понятной, хорошо определенной сущности.

В заключение 

Учащийся, и не важно сколько ему в этот момент будет лет, осознав, что он не просто мыслит, а участвует в специально организованном процессе, имеющим свою технологию и законы, перейдет на новый уровень личного развития. Он поймет, что мышление – это то, что можно специально развивать, как мы развиваем технологию, и научный метод – это технология мышления.
Его ожидают и серьезные мировоззренческие вопросы. Насколько мышление действительно мощный инструмент познания, действительно ли мышление безгранично, какова роль и место мыслящего существа в общей картине мироздания. Мировоззренческие вопросы ведь никто не отменял и наша способность мыслить тоже элемент творения, а понять свое место и роль человек может, только осознав свои собственные возможности. И конечно, такое понимание должно стать задачей каждого человека, а не только профессионала – исследователя. Так научный метод мышления становится вопросом мировоззрения и построения отношения человека, становящимся по настоящему мыслящим, к окружающему миру.   


Группа для обсуждения: https://vk.com/club214198675