В своем развитии гипотеза проходит три основные стадии. На этапе эмпирического познания происходит накопление фактического материала и высказывание на его основе некоторых предложений. Далее из сделанных предложений развертывается предположительная теория – формируется гипотеза. На заключительном этапе осуществляется проверка гипотезы, ее уточнение. Таким образом, основу превращения гипотезы в научную теорию составляет практика.
Различают обычные и математические гипотезы. В обычной гипотезе делается предположение о физических свойствах объекта и затем производится его математическое описание. Примером такой гипотезы является закон Фурье – основной закон теплопроводности. Изучая процессы теплопроводности, Ж. Фурье первым предположил, что тепловой поток в любой точке пространства пропорционален градиенту температуры в этой же точке. В математической гипотезе сначала создается толкование полученных результатов. Для объяснения отдельных фактов выдвигаются рабочие гипотезы.
Теория представляет собой наиболее высокую форму обобщения и систематизации знаний. Она описывает, объясняет и предсказывает совокупность явлений в некоторой области действительности и сводит открытые в этой области законы к единому объединяющему началу. Создание теории основывается на результатах, полученных на эмпирическом уровне исследования. Затем эти результаты на теоретическом уровне исследования упорядочиваются, приводятся в стройную систему, объединенную общей идеей, уточняются на основе вводимых в теорию абстракций, идеализаций и принципов. В дальнейшем с использованием этих результатов выдвигается гипотеза, которая после успешной проверки практикой становится научной теорией. Таким образом, в отличие от гипотезы теория имеет объективное обоснование.
К новым теориям предъявляется несколько основных требований. Научная теория должна быть адекватной описываемому объекту или явлению, т.е. должна правильно их воспроизводить, что позволяет в определенных пределах заменить экспериментальные исследования теоретическими. Теория должна удовлетворять требованию полноты описания некоторой области действительности, объяснять взаимосвязи между различными компонентами системы; в ней должны существовать связи между различными положениями, обеспечивающие переход от одних утверждений к другим. Теория должна соответствовать эмпирическим данным. В противном случае она должна быть усовершенствована или отвергнута. Теория должна обладать эвристичностью, конструктивностью и простотой.
2.4 Методы теоретического и эмпирического уровней исследования
На теоретическом и эмпирическом уровнях исследования используется анализ, синтез, индукция, дедукция, аналогия, моделирование и абстрагирование.
Анализ – метод познания, заключающийся в мысленном расчленении предмета исследования или явления на составные более простые части и выделении его отдельных свойств и связей. Однако анализ – не конечная цель исследования. Понимание внутренней структуры объекта, характера его функционирования и закономерностей развития достигается с помощью синтеза явления.
Синтез – метод познания, состоящий в мысленном соединении связей отдельных частей сложно явления и познания целого в его единстве. Синтез дополняет анализ и находится с ним в неразрывном единстве. Без изучения частей нельзя познать целое, без изучения целого с помощью синтеза нельзя до конца понять функции частей в составе целого. Именно поэтому диалектический материализм подчеркивает единство и неразрывную связь методов анализа и синтеза.
Индукция представляет собой метод перехода от знания отдельных фактов к знанию общего, к эмпирическому обобщению и установлению общего положения, отражающего закон или другую существенную связь. При индуктивном методе исследования общее знание предмета исследования создается на основе исследования предметов определенного класса, нахождения в них общих существенных признаков, что служит основой для получения сведений об общем признаке, характером для данного класса предметов.
Дедукция – метод перехода от общих положений к частным, получение из известных истин новых истин с использованием законов и правил логики. Важным правилом дедукции является следующее: «Если из высказывания А следует высказывание В и высказывание А истинно, то высказывание В также истинно» [8]; при этом заключение об истинности В следует с необходимостью.
Аналогия – метод научного исследования, когда знания о неизвестных предметах и явлениях достигаются на основе сравнения с общими признаками предметов и явлений, которые исследователю известны.
Моделирование – метод научного познания, заключающийся в замене при исследовании изучаемого предмета или явления специальной моделью, воспроизводящей главные особенности оригинала, и ее последующем исследовании. Таким образом, при моделировании эксперимент проводят на модели, а результаты исследования с помощью специальных методов распространяют на оригинал.
Абстрагирование – метод научного познания, заключающийся в мысленном отвлечении от ряда свойств, связей, отношений предметов и выделении нескольких интересующих исследователя свойств или признаков. Результат абстрагирования называют абстракцией.
2.5 Основные этапы научного исследования
Научные исследования направлены на решение различных научных и практических задач; в теплоэнергетике это чаще всего: исследование рабочих процессов энергетических машин и установок (газодинамика, теплообмен, горение, термодинамика и т.д.), повышение их производительности, разработка принципов работы новых машин, перспективных преобразований энергии.
В общем случае, рассматривая научно-исследовательскую работу, можно выделить фундаментальные и прикладные исследования, а также опытно-конструкторские разработки. Последние направлены на создание конкретных образцов техники, разработку новых технологических процессов и имеют специфические особенности.
Рассмотрим основные этапы выполнения фундаментальных и прикладных научных исследований, которые имеют общие особенности (рис. 2.1.). Потребности науки и практики приводят к постановке определенных проблем в соответствующих областях знаний и отраслях производства, которые должны быть решены в процессе научного исследования.
Первым этапом научного исследования является подробный анализ современного состояния рассматриваемой проблемы. Он выполняется на основе информационного поиска с широким применением ЭВМ.
В результате анализа состояния проблемы составляются обзоры, рефераты и экспресс - информации, делается классификация основных направлений и ставятся конкретные задачи исследования. Далее осуществляется выбор метода исследования с использованием определенных критериев, составляется план – график выполнения работ, определяется ожидаемый экономический эффект.
Второй этап научного исследования сводится к выполнению поставленных на первом этапе задач. Чаще всего в фундаментальных и прикладных исследованиях используются математическое или физическое моделирование, а также сочетание этих методов.
Математическое моделирование включает в себя несколько этапов. Это составление математической модели исследуемого процесса на основе имеющихся сведений или использование готовой модели с правильным учетом основных и второстепенных факторов, что во многих случаях позволяет упростить составляемую модель. При этом для удобства решения и представления полученных результатов математическое описание явления выполняется в безразмерных единицах на основе теории подобия.
Далее осуществляется выбор метода решения (аналитического, приближенного) с учетом нескольких факторов – требуемой точности, затрачиваемого времени, материальных затрат. Вычислительный эксперимент, осуществляемый, как правило, с помощью ЭВМ, позволяет получить результат исследования в виде численных данных, которые затем подвергаются соответствующей обработке. В результате получаются расчетные уравнения, графики и номограммы, характеризующие закономерности изучаемого процесса. Следует отметить, что при проведении расчетов и обобщении полученных результатов широко применяются теория подобия, позволяющая получить уравнения подобия, и математическая теория планирования эксперимента, значительно сокращающая время на вычислительные процедуры.
Физическое моделирование может выполняться на модельной (лабораторной) или натурной установке, которые разрабатываются с учетом основных положений теории подобия физических явлений. Это позволяет определить геометрические размеры установок, диапазон изменения основных параметров, наметить необходимые измерения и подобрать соответствующую измерительную аппаратуру, предварительно оценить погрешность полученных результатов. Далее составляется программа проведения исследований.
Выполнение эксперимента может осуществляться по обычной схеме (схема последовательной переборки влияющих факторов) или с использованием математической теории планирования эксперимента. После выполнения программы исследований производится проверка правильности полученных результатов, в результате обобщения опытных данных получаются соответствующие уравнения (чаще всего в безразмерных единицах), оценивается погрешность расчета по ним. На всех этапах физического моделирования широко применяется ЭВМ – для управления экспериментом обобщения его результатов.
Третьим этапом научного исследования являются анализ полученных результатов и их оформление. Производится сравнение теории и эксперимента, дается анализ их возможных расхождений. Окончательно оценивается экономическая эффективность выполнения исследования. Конкретными результатами научно-исследовательской работы могут быть: уточнение математической или физической модели явления, разработка новой методики расчета, новой методики расчета, новой теории, рекомендаций по совершенствованию машин и установок, подготовка данных для выполнения опытно-конструкторских работ и т.д.