Методология эксперимента

МЕТОДОЛОГИЯ 
ЭКСПЕРИМЕНТА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, исправленное

Э.А. СОСНИН 
Б.Н. ПОЙЗНЕР

Рекомендовано Федеральным учебно-методическим объединением 

в системе высшего образования по укрупненной группе специальностей 

и направлений подготовки 12.00.00 «Фотоника, приборостроение, оптические 

и биотехнические системы и технологии» в качестве учебного пособия 

для реализации образовательных программ высшего образования 

по направлениям подготовки магистратуры 12.04.02 «Оптотехника», 

12.04.03 «Фотоника и оптоинформатика»

Москва

ИНФРА-М

2021

УДК 16(075.8)
ББК 72я73
 
С66

Соснин Э.А.

Методология эксперимента : учебное пособие / Э.А. Соснин, 

Б.Н. Пойзнер. — 2-е изд., испр. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
162 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/textbook_5cd94a046c4
0a2.88885026.

ISBN 978-5-16-012591-6 (print)
ISBN 978-5-16-105766-7 (online)

Авторы утверждают, что человек — существо сознательно эксперимен
тирующее, и приглашают читателя освоить главные навыки экспериментатора.

В учебном пособии с позиций общей теории систем, теории целена
правленных систем и теории решения изобретательских задач представлены общие правила и законы, согласно которым мы познаём мир. Все они 
проиллюстрированы примерами из самых разных наук: от физики и биологии до криминалистики и социологии.

Как появляются на свет предмет и объект исследования? Можно ли ал
горитмизировать процесс познания? Как появляются случайные открытия? Как повысить результативность экспериментов? Зачем применять 
различные шкалы для представления данных опытов? Ответы на эти вопросы позволяют нам стать авторами собственных открытий.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Предназначено для студентов, магистрантов, аспирантов, соискателей 

учёной степени и научных работников.

УДК 16(075.8)

ББК 72я73

А в т о р ы:

Соснин Э.А. — доктор физико-математических наук, профессор Националь
ного исследовательского Томского государственного университета, ведущий научный сотрудник Института сильноточной электроники Сибирского отделения 
Российской академии наук (лекции 1—5);

Пойзнер Б.Н. — кандидат физико-математических наук, профессор, про
фессор кафедры квантовой электроники и фотоники Национального исследовательского Томского государственного университета (лекция 1, послесловие)

Р е ц е н з е н т:

Аникин В.М. — доктор физико-математических наук, профессор, декан фи
зического факультета Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского

ISBN 978-5-16-012591-6 (print)
ISBN 978-5-16-105766-7 (online)

© Соснин Э.А., Пойзнер Б.Н., 2017
© Соснин Э.А., Пойзнер Б.Н., 2019,

с изменениями

С66

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 

в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Список сокращений

ВЧС  — «вытеснение» человека из системы
ГПФ  — главная полезная функция системы
Д  
— двигатель
ИЭ  
— источник энергии
НИР  — научно-исследовательские работы
НЭ  
— нежелательный эффект
ОВ  
— объект внимания
ОИ  
— объект исследования
ОКР  — опытно-конструкторские работы
ОУ  
— орган управления
ПИ  
— предмет исследования
РО  
— рабочий орган
СО  
— случайное открытие
Тр  
— трансмиссия
ТРИЗ  — теория решения изобретательских задач
ЦСД  — целенаправленная система деятельности
P(p)  — вероятность целенаправленного (спонтанного) достижения цели
Q  
— оператор информации
R  
— ресурс
S  
— стартовая ситуация
W  
— побочный продукт
Z  
— цель

Введение

У нас очень часто пренебрегают описанием эксперимента… у нас 
эксперимент становится хуже, потому что мы не ценим и не понимаем 
его. Мы очень часто любим теорию, восхищаемся ею, а эксперименту 
не придаем значения. <…> В этом виноваты отчасти теоретики, потому 
что они не умеют ценить красоту эксперимента. Мы, экспериментаторы, умеем ценить красоту теории, а теоретики не умеют ценить красоту эксперимента1.
Петр Леонидович Капица (1894—1984) — советский 
физик, лауреат Нобелевской премии по физике 
(1978) за открытие феномена сверхтекучести гелия

Поставить эксперимент — это как срезать длинный обходной путь, 
в эксперименте природа объясняет тебе что-то напрямую. Двигаться 
на ощупь, опираясь на мысленные эксперименты, на структуру, концепции, теории, намного сложнее, и можно в итоге зайти не туда2.
Дэвид Джонатан Гросс (р. 1941) — американский 
физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии 
по физике (2004) за открытие асимптотической 
свободы в теории сильных взаимодействий

Есть множество книг, посвященных теории эксперимента. 
Зачем предлагать ещё одну? Так рассуждали и авторы этих строк, 
когда им поручили прочитать лекции по теории эксперимента для 
студентов Национального исследовательского Томского государственного университета в 2014 г.
Однако анализ массива текстов по теории эксперимента показал, что взять готовое и шагать дальше не всегда получается. Почему же?
1. Множество прекрасных учебников и монографий (см., например, [0.3—0.12]) посвящены не столько эксперименту3, сколько 
математическим методам обработки данных, полученных при его 
осуществлении. Спору нет, знать это нужно, но ведь прежде чем 
получить какие-либо данные и начать их обрабатывать, нужно как 
минимум понять, что, как и зачем мы собираемся исследовать. То 
есть сама живая плоть эксперимента остаётся за скобками. Неясно, 

1 
Цит. по: [0.1, с. 132].
2 
Цит. по: [0.2].
3 
От лат. experīmentum — проба, опыт, практика (experiri — пробовать, испытывать, ex — из, вне, *eghs (праиндоевр.) — вне + peritus — изведать, испытать).

зачем человек экспериментирует. Не значит ли это, что нужно обратиться к философии?
2. Человек — существо экспериментирующее, которое ставит 
как мысленные1, так и натурные эксперименты. Философы, чувствуя это, предложили нам ряд романтических формулировок, 
таких как «человек играющий», «человек, находящийся в вечном 
становлении», «человек трудящийся» и т.д. [0.13—0.17]. Это другой, 
крайний подход к человеческому опыту постановки опытов, из которого не следуют практически полезные рекомендации для читателя, желающего использовать эксперименты в своей ежедневной 
целенаправленной деятельности. В частности, философы далеки 
от того, чтобы открыть нам тайну и рассказать о средствах верификации2, например, процесса становления человека.
3. В литературе по истории науки подчёркивается, что вопрос 
о том, что такое эксперимент, отнюдь не является тривиальным 
[0.18]. И действительно, история науки обогатила нас описаниями 
конкретных великих экспериментов, появившихся в определённом 
культурном контексте [0.18—0.27]. Но всё же огромное количество 
исследований в этой области посвящено знаменитым мысленным 
экспериментам теоретиков и полученным с их помощью умозрительным выводам [0.28—0.35], а совсем не тем опытам, что были 
поставлены практически. То есть тем самым опытам, без которых 
не появились бы ни самые знаменитые теории, ни целые научные 

1 
Хотя даже такой видный методолог науки, как П.В. Копнин, справедливо 
указывал, «что иногда называется теоретическим, или мысленным, экспериментом, фактически не является экспериментом. Мысленный эксперимент — это обычное теоретическое рассуждение, принимающее 
внешнюю сторону эксперимента... Вывод в данном случае сделан не на основе чувственного, практического наблюдения действия, а в итоге умозрительного рассуждения. Исследователь мысленно представляет, что случится 
с интересующим его явлением в тех или иных условиях. Это помогает уяснить теоретическое положение, но не имеет той доказательной силы, которая присуща настоящему эксперименту. Здесь отсутствует одно из необходимых его качеств — непосредственная действительность. Однако, как 
и любое другое теоретическое рассуждение, мысленный эксперимент может 
приводить к достоверным заключениям, если исходные положения его доказаны практикой и не допускается логических ошибок в ходе самого рассуждения» [0.12, с. 31].
2 
Верификация (от лат. verus — истинный и facere — делать): 1) в быту — проверка; 2) доказуемость какого-либо утверждения, осуществляемая с помощью фактического подтверждения и/или логических доказательств; 
3) процедура подтверждения соответствия фиксированного состояния феномена заданным (эталонным) требованиям; 4) методика распознавания 
лжи (укрывательства, искажения).

направления, о чём в 1925 г. почтительно писал Эрнест Резерфорд1: 
«Общее направление физики за последние 25 лет шло под значительным влиянием трех фундаментальных открытий. <…> Я имею 
в виду открытие Х-лучей в 1895 г., радиоактивности в 1896 г. и доказательство независимого существования отрицательного электрона малой массы в 1897 г. Открытие электрона и доказательство, 
что он — составная часть всех атомов, дали нам первое определенное направление для атаки проблемы строения атома...» (цит. 
по [0.36, с. 200]).
4. Следует подчеркнуть, что очень часто экспериментируют 
с объектами техники или их «полуфабрикатами», когда требуется:
 
• изменить характеристики существующего прибора, чтобы довести его до уровня серийного производства;
 
• спрогнозировать развитие технологии;
 
• повысить конкурентоспособность производства продукции;
 
• стандартизировать производство продукта;
 
• создать технологию массового производства продукта;
 
• провести доводку опытного образца [0.37].
В этом случае проведение экспериментов следует планировать 
сообразно математической теории эксперимента [0.3—0.9], а выбирать направления развития объекта техники надо в соответствии 
с теорией решения изобретательских задач [0.38—0.49]. Всё это касается инженерных экспериментов и неприменимо в полном объёме 
по отношению к экспериментам научным. Почему? Потому что 
учёные имеют дело прежде всего с феноменами2, которые ещё 
не стали опытными образцами, т.е. ещё не включены в какую-либо 
технологию как составляющие3. Более того, часто учёные могут 
сомневаться в том, что феномен существует, а также в том, что он 
когда-либо станет полезным элементом или ядром какой-либо технологии!

1 
Эрнест Резерфорд (1871—1937) — британский физик новозеландского происхождения, поставивший знаменитый опыт по рассеянию -частиц, что 
позволило создать первую планетарную модель атома, и получивший за это 
признание как «отец» ядерной физики; лауреат Нобелевской премии (1908).
2 
Фенόмен (от нем. Phänomen < др.-греч. ϕινόμενον — являющееся < 
ϕινω — являть(ся), показывать(ся), обнаруживать(ся)) — явление, в котором обнаруживается, выдаёт себя сущность чего-либо; редкое, необычное 
явление, исключительный факт.
3 
И зачастую не очевидно, станет ли какой-либо объект внимания учёных 
впоследствии хотя бы объектом исследований (об этом речь пойдёт 
в лекции 1).

Об этой (первой) стадии эксперимента1 написано немного. Хотя 
именно с неё начинается любая научная работа.
С учётом сказанного остаётся немало поводов для того, чтобы 
рассказать об экспериментах иначе, не так, как это принято в процитированных источниках. И тогда цель курса — дать читателям 
сжатое представление о том, как осознанно строить практические 
исследования.
Для этого изложение построено следующим образом.
В лекции 1 показано, как появляется и развивается любая целенаправленная система наблюдений (измерений) и как её развитие 
связано с появлением объекта и предмета исследований. Знания 
об этом позволят читателю осознанно формулировать цель, задачи, 
объект и предмет своих исследований.
В лекции 2 рассматриваются характерные черты и этапы решения прямой задачи научного познания как целенаправленной 
системы деятельности (ЦСД) человека. Одновременно даётся представление о сущности экспериментальной работы на разных этапах 
познания объекта исследования. Обсуждаются различные пути 
и причины появления случайных открытий. Все материалы иллюстрируются конкретными примерами экспериментальной работы 
учёных. Описаны этапы появления и свёртки элементов научной 
ЦСД.
Лекция 3 посвящена подробному изложению постановки и проведения экспериментов, выполненных Э.А. Сосниным с коллегами 
в 2016 г., или, как принято теперь говорить, рассмотрению конкретных «кейсов». Метод кейсов, или метод конкретных ситуаций, 
представляет собой способ обучения, основанный на изучении 
и анализе реальных ситуаций, возникающих во время практической 
деятельности человека. Сегодня он активно применяется для 
изучения экономических и социальных дисциплин. Мы же применили его для изучения структуры экспериментальной работы.
В четвёртой лекции рассказано о том, как записывать результаты экспериментальных исследований, и о том, как вести их протоколы. Знания об этом позволят читателю осознанно анализировать данные экспериментов и повышать результативность при их 
повторении. Кроме того, на конкретных исторических примерах 
показано, как применяемое нами оборудование влияет на результаты исследований.

1 
О ней образно можно сказать как о превращении «странного объекта» 
в обыденный (см. [0.50]).

В последней лекции дано краткое представление о том, как 
и зачем экспериментальные данные представляют в разных шкалах, 
и собственно о методах квантификации1 результатов измерений, их 
особенностях и ограничениях по использованию.
Все лекции сопровождаются практическими рекомендациями 
по подготовке и проведению экспериментов, а также вопросами 
для самостоятельной работы. Кроме того, помимо списков цитированной литературы, в конце книги дан список рекомендуемой литературы.
Послесловие изложено в свободном стиле общения соавторов 
с читателем. 
Большая часть курса написана Э.А. Сосниным. Послесловие 
и части лекции 1 написаны Б.Н. Пойзнером.
Авторы благодарят Издательский центр РИОР за согласие 
на эдиционный эксперимент по публикации нашего учебного пособия.
Мы надеемся, что предлагаемый курс даст читателю почувствовать вкус к экспериментальной работе, позволит ему искать, 
ставить и решать задачи с удовольствием и азартом.

1 
От лат. quantitas — количество и facere — делать: 1) процедуры измерения 
и количественного выражения свойств и отношений объектов; 2) преобразование наблюдений в цифровые данные для анализа и сравнения [0.51, 
0.52].

Лекция 1
ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ 
НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ОБЪЕКТАМИ

Чем сложнее явление — а что сложнее жизни? — тем неизбежнее 
опыт. Только опыт, ничем, кроме естественных размеров изобретательности ума человеческого, не ограниченный опыт завершит, увенчает 
дело медицины. Наблюдение видит в животном организме массу явлений, существующих рядом и связанных друг с другом то существенно, 
то косвенно, то случайно. Ум должен догадаться насчет действительного характера связи — и это при множестве возможных предположений. Опыт как бы берет явления в свои руки и пускает в ход то одно, 
то другое и, таким образом, в искусственных, упрощенных комбинациях определяет истинную связь между явлениями. Иначе сказать, наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет 
у природы то, что он хочет1.
Иван Петрович Павлов (1849—1936) — русский 
физиолог, первый русский нобелевский лауреат 
(1904)

Авторы иногда спрашивают у студентов и школьников, с чем ассоциируется у них экспериментальная работа. Сумма ответов даёт 
такую картинку: в представлении респондентов устройство современной лаборатории мало отличается от устройства алхимической 
мастерской или даже лесной поляны, на которой шаман общается 
с духами. Как ни парадоксально, хотя такому представлению и не 
хватает точности, но кое-что юные разумники схватывают верно, 
а именно:
 
• и учёный, и алхимик заняты чем-то загадочным. Им-то понятно, 
что именно они делают, но нам, внешним наблюдателям, 
остаётся судить о происходящем в лаборатории, руководствуясь 
какими-то случайными впечатлениями, испытывать эмоции 
и ориентироваться на них. Ой, вспыхнуло! Эмоция. Вот что-то 
закипело и сменило цвет или вообще выпрыгнуло из пробирки. 
Ого! Тоже эмоция. Если же никаких «спецэффектов» нет, то мы 
просто пожимаем плечами и начинаем скучать уже через две минуты;

1 
[1.1, с. 274].

• как правило, всё происходит в некоем пространстве, которое неведомым нам образом приспособлено, организовано для загадочных манипуляций ученых, шаманов и алхимиков. Для этого 
ими используются некие специализированные инструменты Q 
(шаманские бубны, горелки, микроскопы) и особенные ресурсы R 
(порошок из высушенной травы, химические реактивы, электрические и магнитные поля и т.д.).
То есть деятельность в этом месте упорядочена и организована — мы это чувствуем. Но оценить и понять степень её упорядоченности и красоту организации нам не по силам. Для этого надо 
стать как минимум пользователями этой среды наравне с учёными, 
и как максимум — её активными создателями.
В данной лекции мы попытаемся разобраться в том, как появляются объект и предмет исследования и почему наблюдение является отправной точкой для развития научной деятельности.

1.1. ПОЯВЛЕНИЕ ОБЪЕКТА И ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Чтобы началось любое исследование, необходимо, чтобы у человека появился объект внимания, или, как принято говорить в научных кругах, объект исследования — явление и (или) процесс, вызывающие проблемную ситуацию и существующие независимо 
от человека. Но здесь не всё столь просто. Как говорится в известном шутливом афоризме, на миллионы людей сотни лет падали 
яблоки, но только Ньютон открыл закон всемирного тяготения.
Ежечасно вокруг нас много всего происходит, но лишь какие-то 
отдельные явления и (или) процессы привлекают наше внимание, 
т.е. становятся объектами внимания (ОВ). Между нами и ими устанавливается связь. Связь эта может быть кратковременной и неустойчивой. Вот упало яблоко на человека, набило ему шишку. 
Человек рассердился, почесал шишку, пнул дерево и пошёл 
дальше. Это связь неустойчивая, на рис. 1.1, а она обозначена 
пунктиром.
Если же «падение яблока» вызвало у человека пристальный интерес, т.е. буквально приковало внимание (рис. 1.1, б), то это становится предпосылкой будущей экспериментальной и (или) теоретической1) деятельности.

1 
Пускай мы и возмутим этим кого-то из теоретиков, но будем пока для простоты считать, что теоретическая работа — это тоже эксперименты, только 
объектами исследования являются образы реальных объектов (совокупности символов, знаков, обозначений, схемы) или абстракции, как в математике.