Е.А. НИНБУРГ

Технология научного исследования

Методические рекомендации

Что такое научное исследование

Прежде чем говорить о том, с чего начинается и как проводится научное исследование, попробуем выяснить, что же такое наука. Ответ, в общем-то, прост: наука – выяснение нового, неизвестного, процесс получения новых знаний. Новых не для одного человека, а для всех людей. И ученый, и ученик учатся, т.е. получают знания, узнают новое. Недаром слова «ученый» и «ученик» – однокоренные. Только ученик выясняет нечто новое для себя, но известное другим (скажем, штудирует учебники), тогда как ученый выясняет то, чего не знает никто, т.е. занимается наукой, исследует.

Итак, наука – способ познания мира, имеющий, однако, свои особенности. Ведь мир можно познавать и другими способами. Познанием мира занимаются и искусство, и религия, но способы познания здесь иные, нежели в науке. Если религия основана на изначальной вере, если искусство познает мир через воздействие на эмоциональную сферу человеческого мышления, наука оперирует строгой логикой. При этом не важно, какая это наука – математика, какая-то из естественных или гуманитарных наук. В основе научного подхода всегда лежат твердо установленные факты и логические умозаключения.

Любому исследователю часто приходится слышать вопросы такого рода: «А зачем это нужно?», «А какая от этого польза?» Так ставить вопросы попросту нельзя. Польза – в самом получении знания; как и когда оно будет использовано людьми, какую непосредственную выгоду принесет людям – совсем другое дело.

Различают науку теоретическую (часто ее называют фундаментальной) и прикладную. Прикладная наука стремится поставить данные, добытые теоретиками, на службу практическим надобностям человечества. Конечно, разделение ученых на «теоретиков» и «прикладников» очень условно. Нельзя ни отрывать эти две стороны процесса исследования друг от друга, ни, тем более, противопоставлять их. Генетика, например, выясняет закономерности наследственности и изменчивости, а селекция применяет их для выведения новых сортов растений и пород животных. В то же время многие данные, полученные селекционерами, легли в основу современной эволюционной теории.

Возникает и такой вопрос: «Современная наука очень сложна, стоит ли соваться в нее школьнику? Может ли он выяснить что-то действительно новое? Не будет ли это игрой в науку?»

Что ж, игрой, конечно, будет. Только ведь игра – это совсем не так плохо! Во-первых, играть интересно. Во-вторых, играя, мы учимся, «проигрываем» те ситуации, в которых можем оказаться в жизни. Подобно тому, как котенок, играя с бумажкой на ниточке, учится охотиться. Вы, играя в науку, подготовите себя к исследовательской работе в будущем. Важно играть «всерьез». Недаром и взрослые, вполне серьезные люди, желая заранее подготовиться к тем или иным ситуациям, которые могут возникнуть в процессе их деятельности, устраивают «деловые игры», польза которых очевидна.

Кроме того, надо помнить, что науки различаются по предмету и по методам исследования. Для многих из них необходимо сложнейшее оборудование, использовать которое может лишь исследователь, владеющий объемом знаний, намного превосходящим школьный курс. В других науках можно работать и с самыми простыми приборами и инструментами. В ряде наук еще идет процесс накопления фактов, для получения которых вовсе не обязательно высшее образование; если школьных знаний и не хватит, то приобрести дополнительные вполне по плечу обычному школьнику, если он не слишком ленив.

Биология как раз относится к числу таких наук. Конечно, не любая ее область доступна школьнику, но многие вполне по силам. Насколько интересными могут оказаться полученные результаты, можно судить по тому, что ряд работ петербургских школьников был в последние годы опубликован в серьезной научной литературе.

Итогом работы любого исследователя должна быть рукописная или печатная работа. Это может быть отчет, статья, дипломная работа и т.д. Иными словами, литературное произведение. Научный результат, не донесенный до читателя, следует считать несуществующим. О жанрах научной литературы и их особенностях мы поговорим позже, а пока подчеркнем самое важное – любой научный результат должен быть доступен всем, кого он интересует.

Выбор темы и цели исследования

Итак, с чего начать? Пожалуй, с того, что нужно сформулировать (пока только для себя) цель вашего исследования. Иными словами – четко сформулировать вопрос, на который вы хотите получить ответ.

Часто рассуждают так. Понаблюдаю-ка я за ... (муравьями, кошками, лесными растениями, аквариумными рыбками, да за кем угодно), а там, глядишь, что-нибудь интересное и получится. Иногда такого рода «темы для наблюдений» школьник получает в форме «летних заданий» по биологии. Заранее можно сказать, что ничего путного при таком подходе к делу у вас не получится.

Цель исследования должна быть конкретной. Нельзя наблюдать за муравьями вообще, но можно выяснить, к примеру, какие виды муравьев водятся в данной местности. Или постараться узнать, как муравьи находят дорогу к муравейнику: руководствуясь зрением или обонянием?

Второе условие, которому должна удовлетво-рять выбранная вами задача работы, – быть доступной. Есть вопросы, на которые найти ответ вы не сможете или из-за недостатка знаний, или из-за отсутствия необходимого оборудования. Наивно было бы задаваться проблемами молекулярной биологии человеку, не знакомому даже с органической химией. Точно так же неразумно ставить перед собой задачи, выполнение которых требует использования громоздкого, сложного и недоступного вам оборудования. Невозможность непосредственно участвовать в изучении многих интересней-ших проблем биологии нередко толкает старшеклассников на путь сочинения объемистых рефератов. Заметим сразу, что реферативная работа – один из самых трудных жанров научного исследования, за рефераты лучше браться попозже, когда накопится ваш собственный багаж знаний. Скажем, в студенческие годы.

Третье условие, соблюдение которого необходимо, – ваша работа должна быть нужной, ее результаты интересны не только вам, но еще какому-то кругу людей. Одно из самых бесспорных проявлений таланта ученого – умение выбрать наиболее актуальную тему исследования. Конечно, тем, кто работает в хороших юннатских кружках или лабораториях, в этом отношении проще, тут работа каждого – часть общей; сомнений в ее целесообразности не возникает. Не стесняйтесь советоваться со старшими, с учителями, специалистами. «Нужность» той или иной работы зависит от современного уровня соответствующей отрасли знаний, от тенденций ее развития. Понятно, что без помощи старших здесь вам не обойтись.

Наконец, условие четвертое. Работа должна быть вам интересна. Если самому не любопытно, каков будет полученный результат, если не доставляет радости сам процесс работы, лучше не беритесь за нее вовсе.

Впрочем, недаром говорят, что аппетит приходит во время еды. Часто интерес к работе проявляется именно в ходе самой работы.

Говоря о выборе темы исследования, хочется сделать одно замечание. Часто школьников привлекают очень общие проблемы, иногда – глобальных масштабов. Проблемы синтеза искусственного белка, например, или нахождение универсального лекарства от рака. Спору нет, наиболее общие проблемы всегда самые интересные. Не забывайте, однако, что начинать надо обязательно с частных вопросов, затем уже переходить к более общим.

Впрочем, не следует с возрастом забывать о своих детских увлечениях и интересах. Ведь не исключено, что в какой-то момент вы окажетесь в состоянии решать уже не частные, а общие проблемы науки. Не случайно на вопрос, как он пришел к созданию теории относительности, Альберт Эйнштейн ответил, что он никогда не терял своего детского интереса к вопросам: «Что такое время?» и «Что такое пространство?»

Планирование и выбор методики исследования

Предположим, что вы выбрали тему работы, сформулировали вопросы, на которые рассчитываете получить ответы. Попытайтесь собрать как можно больше информации о предмете изучения. Поговорите с руководителем кружка, учителем, разыщите специалистов, которые помогли бы вам найти книги и статьи по интересующей вас теме. Читая эти статьи и книги, вы найдете в них ссылки на другие работы по вашей теме, о существовании которых вы могли и не знать. Поскольку большую часть нужной литературы приходится брать в библиотеках, всю ее никогда не удается держать под рукой. Поэтому обязательно делайте выписки, не забывая при этом записывать, какие сведения откуда взяты (о том, как оформляются библиографические ссылки см. главу «Литература»). Знакомство с литературой не только избавит вас от опасности сделать работу, кем-то уже выполненную, но и поможет уточнить задачу исследования и разработать его план.

В последние годы помимо печатных источников информации появились еще и электронные. Если у вас есть возможность, поищите нужные вам сведения в Internet.

Планирование работы подразумевает необходимость выбрать методику проведения исследования, рассчитать, каким должен быть необходимый объем наблюдений или количество опытов, прикинуть, на какую часть работы сколько времени у вас уйдет.

Опыт показывает, что на сбор материала и его черновую обработку должно уходить не больше 2/3, а на написание и оформление работы – не меньше 1/3 общего времени, затраченного на работу.

Выбор методики работы зависит от цели и предмета исследования. В биологии различают экспериментальные исследования, которые проводятся в лаборатории, и исследования, проводимые в природе, в основе которых могут лежать наблюдения и сбор коллекций растений или животных.

При экспериментальных работах опыт заранее планируется, условия, в которых находятся подопытные животные или растения, строго контролируются. Тут надо учитывать, что любой опыт нуждается в контроле и в повторностях. Поясним сказанное примером.

Пусть мы хотим выяснить, как влияет 10% раст-вор английской соли на инфузорий туфелек. К 1 мл культуры с инфузориями добавляем каплю раствора соли. Через некоторое время животные перестают двигаться, а затем погибают. Подействовала английская соль? Не спешите с выводами. А вдруг вредна оказалась не соль, а вода? Надо сделать контрольный опыт: к 1 мл такой же культуры добавим каплю чистой воды. После добавления воды инфузории продолжают резвиться как ни в чем не бывало. Можем мы теперь поручиться, что причиной гибели животных была именно соль? Опять не будем слишком спешить с выводами. Единичный результат всегда может оказаться случайным. Выводы можно делать только тогда, когда, повторив опыт несколько раз, мы получим одинаковые или хотя бы сходные результаты.

К сожалению, наши юннаты часто пренебрегают повторностями (по принципу: «Чего там, и так все ясно»). Не мешает иметь в виду, что в современной науке повторяемость результата есть основной критерий его истинности. Не будь этого правила, ученым пришлось бы тратить время, силы и средства на изучение всяких чудес вроде полтергейстов или Лохнесского чудовища.

Если в основе выбранной вами методики лежит не эксперимент, а наблюдение или сбор научных коллекций, требование повторяемости не отменяется, но принимает иную форму. Сходных наблюдений должно быть несколько. Если результаты их несколько различаются, а чаще всего так и бывает, следует оценить их с помощью статистических методов (в самом простом случае – подсчитать среднюю арифметическую и оценить ее достоверность, т.е. выяснить, с какой вероятностью она не случайна). Впрочем, статистическая обработка и статистические оценки – предмет особого разговора, которому здесь не место. Отметим только, что для серьезной работы она совершенно необходима. Поэтому, если вы собираетесь в дальнейшем заниматься наукой, начинайте учиться статистике прямо сейчас. Руководитель работы, любой профессиональный исследователь, может порекомендовать вам соответствующие учебники и руководства.

Планируя объем материала, необходимый для надежных выводов, надо иметь в виду, что слишком много его никогда не бывает. Ведь мало что-то понять самому, надо и других убедить в том, что это именно так, а не иначе. Значит, не следует считать лишними однотипные опыты или наблюдения. Подчеркнем, однако, именно однотипные. Повторение неоднотипных наблюдений не только не имеет смысла, но и может привести к ошибкам. Так, если вы сравниваете видовой состав птиц на приусадебных участках в разные сезоны, нельзя летние наблюдения проводить в Комарове, а зимние – в Белоострове. В такой ситуации трудно поручиться, что различия вызваны разницей во времени наблюдений, а не в месте их проведения.

Если ваша работа основана на сборе зоологической или ботанической коллекции, например вы выясняете видовой состав растений или какой-либо группы животных определенного участка местности, учтите, что делать это надо очень тщательно, чтобы учесть не только самые обильные, но и достаточно редкие виды. В подобных случаях текст работы должен подтверждаться наличием реальной коллекции.

Первичная регистрация данных

Запомните: наблюдение или опыт, результаты которых не занесены на бумагу, не существуют. Да, да, просто не существуют. Как бы вы ни клялись в том, что «сами это видели и всё прекрасно помните», в науке действует непреложное правило: незарегистрированный факт равносилен его полному отсут-ствию. Какой бы феноменальной ни была чья-то память, полагаться на нее нельзя. Любые наблюдения, результаты любых опытов должны быть документированы, т.е. оформлены письменно. Выполнение этого требования совершенно обязательно.

При экспериментальной работе в особом журнале (им может служить любая тетрадь или блокнот; удобнее всего, впрочем, не очень маленького формата и с бумагой «в клеточку») регистрируются результаты каждого опыта. Иногда результат имеет форму словесного описания. Например; «при включении лампы хомяк двигается к кормушке» и т.п. Иногда результаты удобнее сразу представлять в виде таблицы. Так, при изучении поведения тех же хомяков в Т-образном лабиринте (это делается для того, чтобы выяснить, есть ли среди них «левши» и «правши») результаты проще всего протоколировать так:

Дата : __________________

Каждую повторность в этом случае заносят на отдельную страницу – это попросту удобнее. При проведении наблюдений, особенно в полевых условиях, записи ведутся в дневнике наблюдений. Для дневника может быть использована не очень маленькая записная книжка (около 10x15 см) в твердой обложке. Если на журнале опытов, который, как правило, не выносится за пределы лаборатории, достаточно написать имя, фамилию исследователя и тему опытов, то полевой дневник должен быть снабжен еще адресом и телефоном хозяина. Ну как, неровен час, вы его оброните где-нибудь!

В обоих случаях необходимо выполнять несколько несложных, но очень важных правил.

1. Писать мягким карандашом или шариковой ручкой с синей или черной пастой. Записи, сделанные гелевой ручкой, легко размываются водой. Особенно важно соблюдение этого правила при ведении полевого дневника, который может попасть под дождь вместе с хозяином. Дневник в такой ситуации пострадает не в пример больше.

2. Писать следует разборчивым, пусть некрасивым, но обязательно понятным почерком. Не исключено, что ваши наблюдения понадобятся еще кому-нибудь, важно, чтобы этот «кто-то» мог легко всё прочесть. Неразборчивая запись может привести к тому, что через некоторое время и сам автор в ней не сможет разобраться.

3. Нельзя сокращать слова, за исключением общепринятых сокращений, таких, как «т.е.», «т.д.» и «т.п.», единиц мер и весов.

4. Каждая запись должна начинаться с даты, а в полевых условиях – еще и с места наблюдений.

5. Пишите только то, что видите, стараясь не делать выводов преждевременно; если вы считаете полезным помимо наблюдений записать и свои соображения по их поводу, делайте это так, чтобы всегда можно было разобрать, где непосредственно наблюдения, а где – ваши мысли о них.

Будьте правдивы. Это не так просто, как кажется. Например, во фразе: «...при моем приближении воробей испугался и улетел» содержится невольная ложь. Улетел-то воробей и в самом деле, но откуда вы знаете, что он испугался? Это уже ваш домысел, а не факт.

6. Пишите подробно, не стесняясь описывать вещи, казалось бы, очевидные. Подробность записи никогда ей не повредит, а излишняя краткость может сделать ее непонятной. Часто между моментом наблюдений и обработкой результатов проходит немало времени, так что разобраться в содержании записи, если она сделана небрежно и недостаточно подробно, оказывается невозможным.

Обработка данных опытов и наблюдений

Любая обработка первичных научных данных сводится к концентрации информации в максимально сжатом виде. Обычно результаты опытов или наблюдений можно представить в виде таблиц, графиков, схем и диаграмм, которые позволяют легко заметить определенные тенденции, уловить какие-то закономерности.

Первое, что обычно делают, – сводят полученные результаты в таблицы. С таблицами гораздо удобнее работать, чем с первичными записями данных. Как это делается, легче всего показать на примере. Скажем, изучалась скорость роста растений одного какого-то вида. На определенный день после посева появились проростки, затем у растений в определенные сроки измерялась высота стебля – у каждого в отдельности, разумеется. Первичные данные выглядят так. 5-й день: 24 мм; 27 мм; 19 мм; 21 мм; 25 мм. 10-й день: 28 мм; 32 мм; 22 мм; 26 мм; 25 мм.

В итоговой таблице все будет выглядеть иначе:

По данным таблицы легко построить графики роста каждого из подопытных растений в виде линии (рис. 1); кроме того, можно построить обобщенный график на основе подсчитанных средних высот стебля.

Другой пример. Вы изучаете размерную структуру популяции улиток, т.е. выясняете, какой процент популяции составляют улитки каждого размера. Измерено огромное количество экземпляров. Как сконцентрировать эти данные? Близкие значения высоты раковины удобно сгруппировать в классы. При этом надо иметь в виду, что чаще всего классов должно быть 6–7, и расстояния между минимальным и максимальным числом в каждом классе должны быть одинаковыми. Получается так:

Графически это удобнее всего изобразить в виде столбчатой гистограммы (рис. 2). В тех случаях, ко-гда речь идет о доле чего-либо от целого, удобнее всего изобразить полученный результат в виде секторной диаграммы (рис. 3).

График, гистограмма и секторная диаграмма –наиболее популярные способы графического изображения результатов исследования, хотя, конечно, используются и многие другие способы.

Работа с таблицами, графиками, диаграммами нужна не только для того, чтобы представить ваш материал читателю. Она помогает самому исследователю глубже вникнуть в существо данных, сделать какие-то выводы. Закончив обработку материала, сделав определенные выводы, словом, получив ответы на поставленные вопросы, можно приступить к заключительному этапу исследования – оформлению полученных результатов в виде научного отчета.

Как оформить результаты исследования

Несколько предварительных замечаний

Окончательное оформление результатов исследования – один из самых трудных и важных этапов работы. Задача этого этапа – описать полученные результаты и выводы в такой форме, чтобы они были понятны читателю и убедительны для него.

К исследовательской работе школьника предъявляются по существу те же требования, что и к любой научной статье или отчету, с учетом, разумеется, того обстоятельства, что автор еще не имеет законченного среднего образования. Поэтому в дальнейшем, давая какие-то советы и рекомендации, мы будем придерживаться тех стандартов и правил, которые выработались за многие годы в научной литературе.

Все примеры, которыми иллюстрирован этот раздел, взяты из работ петербургских школьников, поданных в разные годы на городскую биологическую олимпиаду.

Внешнее оформление и язык

Работа должна быть аккуратно оформлена: набрана и распечатана на компьютере, перепечатана на машинке или переписана четким почерком, чтобы ее мог легко прочитать каждый.

Начинается работа с титульного листа, на котором, как и на обложке, указан автор, название и год выполнения. Если работа выполнена в каком-то кружке или лаборатории, должно быть упомянуто название кружка и учреждения, в котором он работает. Иначе можно запутаться – ведь только зоологических кружков в нашем городе несколько десятков.

Совершенно не нужно украшать титульный лист и обложку работы рисунками, наклеенными вырезками из журналов или открытками, витиеватыми рамочками вокруг текста и тому подобным. Ни о чем, кроме дурного вкуса, такие «украшения» не свидетельствуют.

Текст должен быть чистым, без помарок. Если слово или фраза были написаны ошибочно, аккуратно зачеркните их (но не берите в скобки, т.к. скобки – знак препинания!). Опыт показывает, к сожалению, что следует напомнить и такое обстоятельство: текст должен быть грамотным. В научной литературе грамматические и синтаксические ошибки также недопустимы, как и в школьном диктанте или сочинении.

Очень внимательно следует относиться к языку работы. В отличие от художественной, в научной литературе вольности не допускаются. Если стихи или проза воздействуют прежде всего на чувства читателя, а поэтому одну и ту же фразу в них можно понять, а часто и нужно понимать по-разному, научное сообщение должно быть предельно точным и однозначным.

Требование точности не так просто выполнить, как кажется. Крупный советский зоолог В.Г. Гепт-нер говорил по этому поводу, что нельзя сказать, что «Слоны под Москвой не водятся», а следует – «Слоны под Москвой не встречены». Разумеется, это шутка, но она имеет глубокий смысл. Стремясь к максимальной точности, не старайтесь писать «по-ученому», избегайте излишней терминологии. Вот один пример: «В силу особенностей настоящей работы (ее сравнительно-описательный характер) появилась надобность ее систематизировать». Что значит «сравнительно-описательный характер»? Как можно «систематизировать» работу? Похоже, что автор, подобно чеховскому герою, «хочут свою образованность показать».

Если работа разделяется на главы, названия глав надо писать одним и тем же шрифтом или подчеркивать одинаковым образом. В тех случаях, когда главы, в свою очередь, разделяются на подглавы, названия последних выделяются иначе, чем названия глав.

Особенно внимательно отнеситесь к названию работы. Оно должно точно отражать ее содержание. Нередко название сужает или расширяет предмет исследования. Так, например, работа, посвященная обрастаниям раковин морского гребешка, была выполнена в Онежском заливе Белого моря, а озаглавлена «Обрастания морских гребешков Белого моря». Получилось, что автор невольно обманул читателя.

Нередко к тексту работы прилагается коллекция или гербарий. В этих случаях следует соблюдать принятые при составлении научных коллекций правила. Не следует соединять текст и коллекцию вместе. Однажды на биологическую олимпиаду была представлена работа, посвященная мышам. К аккуратно оформленной тетрадке с текстом работы была привязана ниточкой за хвост тушка мыши, а к тушке, тоже на ниточке – череп. Такая «документация» могла вызвать только улыбку.

Общий план работы

Любая научная работа пишется приблизительно по одному и тому же плану. При этом отдельные его пункты могут быть выделены заголовками в отдельные главы, а могут и не выделяться ничем, кроме абзацев. Первое удобно при большом объеме текста, второе – при сравнительно малом. В любом случае сами по себе разделы всегда одни и те же. Конечно, в зависимости от специфики работы в схеме, которую мы дальше опишем, возможны отклонения, но они всегда незначительны. Выработанный в научной литературе стандарт потому и прижился, что он наиболее удобен и целесообразен.

В окончательном виде написанная работа должна включать в себя:

– введение, в котором поставлена и обоснована цель работы;
– описание материала и методики, которыми вы пользовались;
– изложение полученных результатов;
– их обсуждение;
– окончательные выводы;
– список использованной литературы.

В той или иной форме эти разделы содержатся в любой научной работе.

По этой же схеме рекомендуется описывать и результаты вашего исследования.

Разберем, что из себя представляет каждый раздел научной публикации (статьи, отчета) в отдельности.

Введение

Введение – первая глава работы, которая вводит читателя в курс дела. Она должна ответить на во-прос: почему, зачем выполняется ваша работа, какая в ней надобность. Обычно во введении содержится обзор литературы по интересующей автора теме, который должен подвести читателя к нерешенным еще проблемам и указать, какой пробел в наших знаниях может восполнить данная работа. В конце текста вступления логично сформулировать цель работы. Во многих случаях обзор литературы выделяется в отдельную главу (см. ниже раздел «Жанры научной литературы»).

Отметим две вещи. Первое: обзор литературы – не механическое переписывание фраз из разных книг и статей. Такое переписывание в действительности есть не что иное, как плагиат (плагиат – литературное или научное воровство; как и всякое воровство – занятие скверное и уголовно наказуемое). Сведения, полученные из литературы, должны быть изложены словами автора. Если необходимо какую-то фразу процитировать дословно, цитируемый текст берут в кавычки и указывают точно, откуда он взят. Часто полезно сослаться даже на соответствующие страницы, чтобы всегда можно было убедиться в точности цитирования. Обратите внимание на то, чтобы читателю было понятно, какие сведения из какой статьи или книги взяты (о том, как принято ссылаться на литературные источники, мы подробно поговорим в главе «Литература»).

Второе: не надо в обзоре литературы писать всё, что знаешь; следует приводить только те сведения, которые имеют прямое отношение к теме и задаче исследования. Например, в работе, посвященной дыханию обыкновенного прудовика, совершенно не нужно подробно описывать особенности его размножения. Точно так же в работе по развитию яиц тех же прудовиков нет надобности описывать дыхание или питание моллюсков.

Введение должно показать, насколько хорошо автор знает литературу по своей теме, правильно ли в ней разобрался, сумел ли четко поставить себе задачу. Цель работы должна быть сформулирована конкретно, а не в общих словах. Например, нельзя писать: «Цель моей работы – изучить поведение чаек». Здесь сразу две неточности. Во-первых, неясно, о каких чайках идет речь, ведь их много видов. Во-вторых, непонятно, что значит «изучить поведение». Можно изучить приемы добывания пищи, суточную активность, отношения между отдельными птицами в гнездовой колонии и т.д. Изучить поведение вообще – нельзя.

Продолжение следует