Эксперимент осуществляется, как взаимодействие объектов, протекающее по естественным законам; как искусственное, человеком организованное действие. Любой научный эксперимент всегда направляется какой-либо идей.
Рассмотрим особенности эксперимента.
1)Сравнивая эксперимент с наблюдением, следует отметить, что эксперимент является более активным по отношению к объекту. В ходе опытного исследования объект может быть преобразован.
2) Эксперимент может быть многократно повторен в целях дальнейшего исследования.
3)Именно опытным путем ученый может обнаружить такие свойства объекта, которые никак не проявляются в естественных условиях.
4)Важной чертой эксперимента является возможность варьирования условий его проведения. (3, С. 343)
Каковы стадии эксперимента?
В методологии науки принято выделять 4 стадии опытных исследований.
1) Планирование эксперимента.
2) Построение эксперимента, включающее цель, тип, средства, методы и т.д.).
3) Контроль эксперимента.
4) Теоретическое обобщение результатов эксперимента.
Рассмотрим структуру эксперимента.
1) Субъект исследования, тот, кто проводит опыт.
2) Объект исследования, то на что направлен опыт.
3) Научное оборудование. Сюда же относятся приборы, которые являются своеобразными усилителями органов чувств. Они позволяют исследовать то, что недоступно наблюдению. Совокупность научных приборов объединяются в сложные экспериментальные установки. При всей значимости приборов они могут оказывать негативное воздействие на проведение эксперимента, поэтому исследователь должен свести к минимуму эти воздействия.
История науки показала, что научное открытие приводит к совершенствованию экспериментальной техники.
4) Методика проведения эксперимента, зависящая от области и предмета исследования.
5) Теоретическая гипотеза, которую требуется подтвердить или опровергнуть в ходе опыта.
Эксперимент имеет две возможные функции: опытная проверка гипотез и теорий, а также формирование новых концепций. В зависимости от функций выделяют виды научных опытов: поисковые, контрольные (проверочные), воспроизводящие, изолирующие и т. д.
Различные виды экспериментов можно выделить и в зависимости от характера исследуемых объектов. Выделяют физические, химические, биологические, социальные и другие эксперименты.
Также различают качественные и количественные эксперименты. Качественный эксперимент имеет целью установить наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления. Количественный эксперимент выявляет количественную определенность какого-либо свойства изучаемого явления. Этот опыт более сложен, чем качественный.
Глава 2. Эксперимент в экологии
§ 2.1 Понятие экологического эксперимента
В экологии часто используются методы, применяемые в других науках, как в биологических (биогеохимия, анатомия, физиология, и др.), так и небиологических (физика, химия, геодезия, метеорология и др.). Но для выявления специфики экологических закономерностей существуют исключительно собственные – экологические методы. Они делятся на полевые, лабораторные, экспериментальные, количественные (математическое моделирование) методы.
Экология имеет свою специфику: объектом её исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. Для эколога первостепенное значение имеют полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики и других биологических, да и не только биологических наук. Наиболее тесно экологические исследования связаны с физиологическими. Однако между ними имеется принципиальная разница. Физиология изучает функции организма и процессы, протекающие в нём, а также влияние на эти процессы различных факторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакции организма как единого целого на констелляцию внешних факторов, т.е. на совместное воздействие этих факторов при строгом учёте сезонной цикличности жизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности.
Полевые методы позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определённого комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях. Однако наблюдения не могут дать вполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образом изучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность. На основе результатов аналитического эксперимента можно организовать новые полевые наблюдения или лабораторные эксперименты. Выводы, полученные в лабораторном эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. Это даёт возможность глубже понять естественные экологические отношения популяций и сообществ. Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние.
Эксперимент может носить и самостоятельный характер. Например, результаты изучения экологических связей насекомых дают возможность установить факторы, влияющие на скорость развития, плодовитость, выживаемость ряда вредителей (температура, влажность, пища). В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно. Примером экологических экспериментов широких масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, при мелиоративных и различных сельскохозяйственных работах. Знание при этом конкретных экологических особенностей многих растений, животных и микроорганизмов позволяет управлять деятельностью тех или иных вредных или полезных организмов. В современных условиях экологические исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических и практических задач. Динамика численности организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных видов, прогнозы размножения и распространения – вот основные в настоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания полевых, лабораторных и экспериментальных исследований, которые должны взаимно дополнять и контролировать друг друга. (См. 9.)
Экспериментальные методы отличаются от полевых тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно дозировать размер изучаемого фактора, следовательно, можно точнее, чем при обычном наблюдении, оценить его влияние. При этом выводы, полученные в лаборатории, требуют обязательной проверки в полевых условиях.
В качестве примеров экологических экспериментов можно привести исследования осветления насаждений, влияния разных доз удобрений, вносимых под сельскохозяйственные культуры и т.д. Широко известен метод изучения конкурентных взаимоотношений деревьев в лесу путем ограничения определенной площади (площади питания). (См. 8.)
§ 2.2 Стадии экологического эксперимента
Эксперимент включает 5 последовательных стадий: гипотеза, планирование, реализация, статистический анализ и интерпретация. Гипотеза обладает первоочередной важностью, поскольку если она не удовлетворяет некоторым критериям качества, то даже самый правильно проведенный эксперимент будет иметь не слишком большую ценность.
Под планированием эксперимента понимается лишь логическая структура исследования. Полное описание целей эксперимента должно включать спецификацию природы используемых экспериментальных единиц, число и характер применяемых воздействий (включая "контрольные" воздействия), а также свойства или отклики (параметры экспериментальных единиц), которые предполагается измерять. Когда решение по этим вопросам принято, план эксперимента определяет схему, согласно которой для каждой доступной экспериментальной единицы назначается уровень воздействия. При этом определяется число экспериментальных единиц (повторностей), получающих воздействие каждого уровня, устанавливается физическое расположение экспериментальных единиц, а также частота или временная периодичность, с которой реализуются воздействия и осуществляются измерения контролируемых факторов на различных экспериментальных единицах.
Реализация эксперимента включает весь комплекс процедур и операций, в отношении которых осуществлялось планирование. Успешное осуществление в равной мере зависит от искусства экспериментатора, его проницательности и рассудительности, а также от его технических навыков. Непосредственной задачей исследователя обычно является выполнение технических операций эксперимента таким образом, чтобы избежать систематических ошибок (отклонений) и минимизировать случайные ошибки. Если изучается влияние хищника, охотящегося в приливной зоне, то расположение клеток, блокирующих хищника, не должно иметь прямого влияния на поведение экосистемы, за исключением самого хищника. Если изучается влияние питательных веществ на биомассу планктона в пруду, то отбор проб должен выполняться посредством устройства, производительность которого не зависит от обилия планктона. Систематические ошибки, допущенные как в распределении воздействий, так и в процедурах измерения или отбора проб, делают эксперимент некорректным, а его выводы неубедительными.