Найважливішою складовою частиною наукових досліджень є експеримент, основою якого є науково поставлений досвід з умовами, що точно враховуються і керованими. Само слово експеримент походить від латів. experimentum — проба, досвід. У науковій мові і дослідницькій роботі термін «експеримент» зазвичай використовується в значенні, загальному для цілого ряду зв'язаних понять: дослід, цілеспрямоване спостереження, відтворення об'єкту пізнання, організація особливих умов його існування, перевірка, передбачення. У це поняття вкладається наукова постановка дослідів і спостереження досліджуваного явища в умовах, що точно враховуються, явищ, що дозволяють стежити за ходом, і відтворювати його кожного разу при повторенні цих умов. Само по собі поняття «експеримент» означає дію, направлену на створення умов в цілях здійснення того або іншого явища і по можливості найбільш частого, тобто не ускладнюваного іншими явищами. Основною метою експерименту є 

З числа названих ознак природний експеримент передбачає проведення дослідів в природних умовах існування об'єкту дослідження (найчастіше використовується в біологічних, соціальних, педагогічних і психологічних науках).

Штучний експеримент передбачає формування штучних умов (широко застосовується в природних і технічних науках). Перетворюючий (творчий) експеримент включає активну зміну структури і функцій об'єкту дослідження відповідно до висунутої гіпотези, формування нових зв'язків і стосунків між компонентами об'єкту або між досліджуваним об'єктом і іншими об'єктами. Дослідник відповідно до розкритих тенденцій розвитку об'єкту дослідження навмисно створює умови, які повинні сприяти формуванню нових властивостей і якостей об'єкту, Констатуючий експеримент використовується для перевірки певних припущень. В процесі цього експерименту констатується наявність певного зв'язку між дією на об'єкт дослідження і результатом, виявляється наявність певних фактів. Контролюючий експеримент зводиться до контролю за результатами зовнішніх дій на об'єкт дослідження з врахуванням його стану, характеру дії і очікуваного ефекту. Пошуковий експеримент проводиться в тому випадку, якщо утруднена класифікація чинників, що впливають на явище, що вивчається, унаслідок відсутності достатніх попередніх (апріорних) даних. За результатами пошукового експерименту встановлюється значущість чинників, здійснюється відсіювання незначимих. Вирішальний експеримент ставиться для перевірки справедливості основних положень фундаментальних теорій у тому випадку, коли дві або декілька гіпотез однаково узгоджуються з багатьма явищами. Ця згода наводить до скрути, яку саме з гіпотез вважати правильною. Вирішальний експеримент дає такі факти, які узгоджуються з однією з гіпотез і противоречат інший. Прикладом вирішального експерименту служать досліди по перевірці справедливості Ньютонівської теорії виділення світла і хвилеподібної теорії Гюйгенса. Ці досліди були поставлені французьким вченим Фуко (1819—1868). Вони стосувалися питання про швидкість поширення світла усередині прозорих тіл. Згідно гіпотезі виділення, швидкість світла усередині таких тіл має бути більше, ніж в порожнечі. Але Фуко своїми дослідами довів зворотне, тобто що в менш щільному середовищі швидкість світла велика. Цей досвід Фуко і був тим вирішальним досвідом, який вирішив суперечку між двома гіпотезами (в даний час гіпотеза Гюйгенса замінена електромагнітною гіпотезою Максвелла). Іншим прикладом вирішального експерименту може служити суперечка між Птолемеєм і Коперником про рух Землі. Вирішальний досвід Фуко з маятником остаточно вирішив суперечку на користь теорії Коперника.

Лабораторний експеримент проводиться в лабораторних умовах із застосуванням типових приладів, спеціальних моделюючих установок, стендів, устаткування і так далі Найчастіше в лабораторному експерименті вивчається не сам об'єкт, а його зразок. Цей експеримент дозволяє доброякісно, з необхідною повторністю вивчити вплив одних характеристик при варіюванні інших, отримати хорошу наукову інформацію з мінімальними витратами часу і ресурсів. Проте такий експеримент не завжди повністю моделює реальний хід процесу, що вивчається, тому виникає потреба в проведенні натурного експерименту. Натурний експеримент проводиться в природних умовах і на реальних об'єктах. Цей вигляд експерименту часто використовується в процесі натурних випробувань виготовлених систем. Залежно від місця проведення випробувань натурні експерименти підрозділяються на виробничі, польові, полігонні, напівнатурні і тому подібне. Натурний експеримент завжди вимагає ретельного продумування і планерування, раціонального підбору методів дослідження. Практично у всіх випадках основна наукова проблема натурного експерименту — забезпечити достатню відповідність (адекватність) умов експерименту реальної ситуації, в якій працюватиме згодом створюваний об'єкт. Тому центральними завданнями, натурного експерименту є: вивчення характеристик дії середовища на випробовуваний об'єкт; ідентифікація статистичних і динамічних параметрів об'єкту; оцінка ефективності функціонування об'єкту і перевірка його на відповідність заданим вимогам.

Експерименти можуть бути відкритими і закритими, вони широко поширені в психології, соціології, педагогіці. У відкритому експерименті його завдання відкрито пояснюються випробовуваним, в закритому — в цілях здобуття об'єктивних даних ці завдання ховаються від випробовуваного. Будь-яка форма відкритого експерименту впливає (часто активізує) на суб'єктивну сторону поведінки випробовуваних. В зв'язку з цим відкриттів експеримент доцільний лише тоді, коли є можливість і достатня упевненість в тому, що удасться викликати у випробовуваного живу участь і суб'єктивну підтримку намічаній роботі. Закритий експеримент характеризується тим, що його ретельно маскують; випробовуваний не здогадується про експеримент, і робота протікає зовні в природних умовах. Такий експеримент не викликає у випробовуваних підвищеної настороженості і зайвого самоконтролю, прагнення поводитися не так, як зазвичай. Простий експеримент використовується для вивчення об'єктів, що не мають розгалуженої структури, з невеликою кількістю взаємозв'язаних і взаємодіючих елементів, що виконують прості функції. У складному експерименті вивчаються явища або об'єкти з розгалуженою структурою (можна виділити ієрархічні рівні) і великою кількістю взаємозв'язаних і взаємодіючих елементів, що виконують складні функції. Висока міра зв'язності елементів наводить до того, що зміна стану якого-небудь елементу або зв'язку спричиняє за собою зміну стану багатьох інших елементів системи. У складних об'єктах дослідження можлива наявність декількох різних структур, декількох різних цілей. Але все таки конкретний стан складного об'єкту може бути описаний. У дуже складному експерименті вивчається об'єкт, стан якого по тих або інших причинах до цих пір не удається детально і точно описати. Наприклад, для опису потрібний більше часу, ніж те, яке має в своєму розпорядженні дослідник між змінами станів об'єкту або коли сучасний рівень знань недостатній для проникнення в істоту зв'язків об'єкту (або вони незрозумілі).

Інформаційний експеримент використовується для вивчення дії певної (різною за формою і змістом) інформації на об'єкт дослідження (найчастіше інформаційний експеримент використовується в біології, психології, соціології, кібернетиці і тому подібне). За допомогою цього експерименту вивчається зміна стану об'єкту дослідження під впливом інформації, що повідомляється йому.

Речовий експеримент передбачає вивчення впливу різних речових чинників на стан об'єкту дослідження. Наприклад, вплив різних добавок на якість стали і тому подібне. Енергетичний експеримент використовується для вивчення дії різних видів енергії (електромагнітною, механічною, тепловою і так далі) на об'єкт дослідження. Цей тип експерименту широко поширений в природних павуках. Звичайний (або класичний) експеримент включає експериментатора як суб'єкта, що пізнає; об'єкт або предмет експериментального дослідження і засоби (інструменти, прилади, експериментальні установки), за допомогою яких здійснюється експеримент. У звичайному експерименті експериментальні засоби безпосередньо взаємодіють з об'єктом дослідження. Вони є посередниками між експериментатором і об'єктом дослідження. Модельний експеримент на відміну від звичайного має справу з моделлю досліджуваного об'єкту. Модель входить до складу експериментальної установки, заміщаючи не лише об'єкт дослідження, але часто і умови, в яких вивчається деякий об'єкт. Модельний експеримент при розширенні можливостей експериментального дослідження одночасно має і ряд недоліків, пов'язаних з тим, що відмінність між моделлю і реальним об'єктом може стати джерелом помилок і, крім того, екстраполяція результатів вивчення поведінки моделі на модельований об'єкт вимагає додаткових витрат часу і теоретичного обгрунтування правомочності такої екстраполяції.

Відмінність між знаряддями експерименту при моделюванні дозволяє виділити уявний і матеріальний експеримент. Знаряддями уявного (розумового) експерименту є уявні моделі досліджуваних об'єктів або явищ (плотські образи, образно-знакові моделі, знакові моделі). Для позначення уявного експерименту інколи користуються термінами: експеримент, що ідеалізується або уявний. Уявний експеримент є одній з форм розумової діяльності суб'єкта, що пізнає, в процесі якої відтворюється в уяві структура реального експерименту. Структура уявного експерименту включає: побудова уявної моделі об'єкту дослідження, умов експерименту і дій, що ідеалізуються, на об'єкт; свідома і планомірна зміна, комбінування умов експерименту і дій на об'єкт; свідоме і точне вживання на всіх стадіях експерименту об'єктивних законів науки, завдяки чому виключається абсолютне свавілля. В результаті такого експерименту формуються виводи.

Матеріальний експеримент має аналогічну структуру. Проте в матеріальному експерименті використовуються матеріальні, а не ідеальні об'єкти дослідження. Основна відмінність матеріального експерименту від уявного в тому, що реальний експеримент є формою об'єктивного матеріального зв'язку свідомості із зовнішнім світом, тоді як уявний експеримент є специфічною формою теоретичної діяльності суб'єкта. Схожість уявного експерименту з реальним значною мірою визначається тим, що всякий реальний експеримент, перш ніж бути здійсненим на практиці, спочатку проводиться людиною в думках в процесі обдумування і планерування. Тому уявний експеримент незрідка виступає в ролі ідеального плану реального експерименту, у відомому сенсі передуючи йому.

Уявний експеримент має ширшу сферу вживання, чим реальний експеримент, оскільки застосовується не лише при підготовці і планеруванні останнього, але і в тих випадках, коли проведення реальних  дослідів представляється неможливим. Так, Галлілей в уявному експерименті прийшов до виводу про існування руху за інерцією, що перевернув арістотелівську точку зору, згідно якої рухоме тіло зупиняється, якщо сила", що його штовхає, припиняє свою дію. Цей вивід міг бути отриманий лише за допомогою уявного експерименту. Із цього приводу А. Ейнштейн говорив наступне: «Ми бачили, що закон інерції не можна вивести безпосередньо з експерименту, його можна вивести лише умоглядно — мисленням, пов'язаним із спостереженням. Цей експеримент ніколи не можна виконати насправді, хоча він веде до глибокого розуміння дійсних експериментів».

Уявний експеримент, замінюючи собою реальний, розширює кордони пізнання, бо забезпечує здобуття такої інформації, яку іншими засобами добути неможливо. Уявний експеримент дозволяє здолати неминучу обмеженість реального досвіду шляхом абстрагування від дії небажаних, затемняючих причин, повне усунення яких в реальному експерименті практично недосяжно. Уявний експеримент є істотним моментом всякої творчої діяльності. А. Ейнштейн в автобіографічних спогадах у зв'язку з розробкою спеціальної теорії відносності писав: «Цього року в Аарау у мене виникло питання: якби можна було погнатися за світловою хвилею із швидкістю світла, то ми мали б перед собою не залежне від часу хвилеве поле. Але все-таки це здається неможливим! Це було першим дитячим уявним експериментом, який відноситься до спеціальної теорії відносності. Відкриття не є справою логічного мислення, навіть якщо кінцевий продукт пов'язаний з логічною формою».

Уявний експеримент використовується не лише ученими, але і письменниками, художниками, педагогами, лікарями. Уявне експериментування яскраво виявляється  у мисленні шахістів. Величезна роль уявного експерименту в технічному конструюванні  і винахідництві. Результати уявного експерименту знаходять віддзеркалення у формулах, кресленнях, графіках, накиданнях, ескізних проектах і тому подібне. Пасивний експеримент передбачає вимір лише вибраних показників (параметрів, змінних) в результаті спостереження за об'єктом без штучного втручання в його функціонування. Прикладами пасивного експерименту є спостереження: за інтенсивністю, складом, швидкостями руху транспортних потоків; за числом захворювань взагалі або якою-небудь певною хворобою; за працездатністю певної групи осіб; за показниками, що змінюються з віком; за числом дорожньо-транспортних випадків і тому подібне

Пасивний експеримент, по суті, є спостереженням, яке супроводиться інструментальним виміром вибраних показників стану об'єкту дослідження. Активний експеримент пов'язаний з вибором спеціальних вхідних сигналів (чинників) і контролює вхід і вихід досліджуваної системи.

Одинфакторний експеримент передбачає: виділення потрібних чинників; стабілізацію чинників, що заважають; почергове варіювання чинників, що цікавлять дослідника.

Стратегія багатофакторного експерименту полягає в тому, що варіюються всі змінні відразу і кожен ефект оцінюється за результатами всіх дослідів, проведених в даній серії експериментів. Технологічний експеримент направлений на вивчення елементів технологічного процесу (продукції, устаткування, діяльності працівників і тому подібне) або процесу в цілому. Социометрічеський експеримент використовується для виміру існуючих міжособових соціально-психологічних стосунків в малих групах з метою їх подальшої зміни.

Для проведення експерименту будь-якого типа необхідно: розробити гіпотезу, що підлягає перевірці; створити програми експериментальних робіт; визначити способи і прийоми втручання в об'єкт дослідження; забезпечити умови для здійснення процедури експериментальних робіт; розробити дороги і прийоми фіксації ходу і результатів експерименту; підготувати засоби експерименту (прилади, установки, моделі і тому подібне); забезпечити експеримент необхідним обслуговуючим персоналом. Особливе, значення має правильна розробка методик експерименту. Методика — це сукупність розумових і фізичних операцій, розміщених в певній послідовності, відповідно до якої досягається мета дослідження. При розробці методик проведення експерименту необхідно передбачати: проведення попереднього цілеспрямованого спостереження над об'єктом, що вивчається, або явищем з метою визначення вихідних даних (гіпотез, вибору варіюючих чинників); створення умов, в яких можливе експериментування (підбір об'єктів для експериментальної дії, усунення впливу випадкових чинників); визначення меж вимірів; систематичне спостереження за ходом розвитку явища, що вивчається, і точні описи фактів; проведення систематичної реєстрації вимірів і оцінок фактів різними засобами і способами; створення ситуацій, що повторюються, зміна характеру умов і перехресні дії, створення ускладнених ситуацій з метою підтвердження або спростування раніше отриманих даних; перехід від емпіричного вивчення до логічних узагальнень, до аналізу і теоретичної обробки отриманого фактичного матеріалу.

Правильно розроблена методика експериментального дослідження зумовлює його цінність. Тому розробка, вибір, визначення методики повинне проводитися особливо ретельно. При визначенні методики необхідно використовувати не лише особистий досвід, але і досвід товаришів і інших колективів. Необхідно переконатися в тому, що вона відповідає сучасному рівню науки, умовам, в яких виконується дослідження. Доцільно перевірити можливість використання методик, вживаних в суміжних проблемах і науках. Вибравши методику експерименту, дослідник повинен упевнитися в її практичній застосовності. Це необхідно зробити навіть в тому випадку, якщо методика давно апробована практикою інших лабораторій, оскільки вона може виявитися неприйнятною або складною через специфічні особливості клімату, приміщення, лабораторне устаткування, персонал, об'єкт досліджень і тому подібне

Перед кожним експериментом складається його план (програма), який включає: мета і завдання експерименту вибір варіюючих чинників; обгрунтування об'єму експерименту, числа дослідів; порядок реалізації дослідів, визначення послідовності зміни чинників; вибір кроку зміни чинників, завдання інтервалів між майбутніми експериментальними крапками; обгрунтування засобів вимірів; опис проведення експерименту; обгрунтування способів обробки і аналізу результатів експерименту. Вживання математичної теорії експерименту дозволяє вже при планеруванні певним чином оптимізувати об'єм експериментальних досліджень і підвищити їх точність. Важливим етапом підготовки до експерименту є визначення його цілей і завдань. Кількість завдань для конкретного експерименту не має бути дуже великою (краще 3...4, максимально 8... 10). Перед експериментом треба вибрати варійовані чинники, тобто встановити основні і другорядні характеристики, що впливають на досліджуваний процес, проаналізувати розрахункові (теоретичні) схеми процесу. На основі цього аналізу всі чинники класифікуються і складається з них убуває по важливості для даного експерименту ряд. Правильний вибір основних і другорядних чинників грає важливу роль в ефективності експерименту, оскільки експеримент і зводиться до знаходження залежностей між цими чинниками. Інколи буває важко відразу виявити роль основних і другорядних чинників. У таких випадках необхідно виконувати невеликий за об'ємом попередній пошуковий досвід. Основним принципом встановлення міри важливості характеристики є її роль в досліджуваному процесі. Для цього процес вивчається залежно від якоїсь одній змінній при останніх постійних. Такий принцип проведення експерименту виправдовує себе лише в тих випадках, коли такі характеристик мало 1...3. Якщо ж змінні величин багато, доцільний принцип багатофакторного аналізу. Необхідно також обгрунтувати набір засобів вимірів (приладів) іншого устаткування, машин і апаратів. У зв'язку з цим експериментатор має бути добре знайомий з вимірювальною апаратурою, що випускається в країні (за допомогою щорічний каталогів, що видаються, по яких можна замовити що випускаються вітчизняним приладобудуванням ті або інші засоби вимірів). Природно, що в першу чергу слід використовувати стандартні машини і прилади, що серійно випускаються, робота на яких регламентується інструкціями, Гостами і іншими офіційними документами. В окремих випадках виникає потреба в створенні унікальних приладів, установок, стендів, машин для розробки теми. При цьому розробка і конструювання приладів і інших засобів мають бути ретельно обгрунтована теоретичними розрахунками і практичними міркуваннями про можливість виготовлення устаткування. При створенні нових приладів бажано використовувати готові вузли приладів, що випускаються, або реконструювати існуючі прилади. Відповідальний момент — встановлення точності вимірів і погрішностей. Методи вимірів повинні базуватися на законах спеціальної науки — метрології, що вивчає засоби і методи вимірів. При експериментальному дослідженні одного і того ж процесу (спостереження і виміри) повторні відліки на приладах, як правило, неоднакові. Відхилення пояснюються різними причинами — неоднорідністю властивостей тіла (матеріал, конструкція і так далі), що вивчається, недосконалістю приладів і класів їх точності, суб'єктивними особливостями експериментатора і ін. Чим більше випадкових чинників, що впливають на досвід, тим більше розбіжності цифр, що отримуються при вимірах, тобто тим більше відхилення окремих вимірів від середнього значення. Це вимагає повторних вимірів, а отже, необхідно знати їх мінімальну кількість. Під потрібною мінімальною кількістю вимірів розуміють таку кількість вимірів, яка в даному досвіді забезпечує стійке середнє значення вимірюваної величини, що задовольняє заданій мірі точності. Встановлення потрібної мінімальної кількості вимірів має велике значення, оскільки забезпечує здобуття найбільш об'єктивних результатів при мінімальних витратах часу і засобів. У методиці детально розробляється процес проведення експерименту, складається послідовність (черговість) проведення операцій вимірів і спостережень, детально описується кожна операція окремо з врахуванням вибраних засобів для проведення експерименту, обґрунтовуються методи контролю якості операцій, що забезпечують при мінімальній (раніше встановленому) кількості вимірів високу надійність і задану точність. Розробляються форми журналів для запису результатів спостережень і вимірів. Важливим розділом методики є вибір методів обробки і аналізу експериментальних даних. Обробка даних зводиться до систематизації всіх цифр, класифікації, аналізу. Результати експериментів мають бути зведені в легкі для читання форми запису — таблиці, графіки, формули, номограми, що дозволяють швидко і доброякісно зіставляти отримане і проаналізувати результати. Всі змінні мають бути оцінені в єдиній системі одиниць фізичних величин.

Особлива увага в методиці має бути приділена математичним методам обробки і аналізу дослідних даних, наприклад, встановленню емпіричних залежностей, апроксимації зв'язків між варіюючими характеристиками, встановленню критеріїв і довірчих інтервалів і ін. Діапазон чутливості (нечутливості) критеріїв має бути стабілізований (эксплицирован).

Результати експериментів повинні відповідати трьом статистичним вимогам: вимога ефективності оцінок, тобто мінімальність дисперсії відхилення відносно невідомого параметра; вимога спроможності оцінок, тобто при збільшенні числа спостережень оцінка параметра повинна прагнути до його дійсного значення; вимога несмещенности оцінок — відсутність систематичних помилок в процесі обчислення параметрів. Найважливішою проблемою при проведенні і обробці експерименту є сумісність цих трьох вимог.

Після розробки і затвердження методики встановлюється об'єм і трудомісткість експериментальних досліджень, які залежать від глибини теоретичних розробок, міри точності прийнятих засобів вимірів (чим чітко сформульована теоретична частина дослідження, тим менше об'єм експерименту). Залежно від попередньої теоретичної підготовки можливі три випадки проведення експерименту:

1) якщо теоретично отримана аналітична залежність, яка однозначно визначає досліджуваний процес (наприклад, х/=3е~2х), то об'єм експерименту для підтвердження даної залежності виявляється мінімальним, оскільки функція однозначно визначається експериментальними даними;

2) якщо теоретичним дорогою встановлений лише характер залежності (наприклад, в = аекх), тобто задано сімейство кривих, то експериментальним дорогою необхідно визначити як а, так і до і, отже, об'єм експерименту зростає;

3) якщо теоретично не удалося отримати яких-небудь залежностей і розроблені лише припущення про якісні закономірності процесу, то доцільний пошуковий експеримент, при якому об'єм експериментальних робіт різко зростає.

У таких випадках доречно застосовувати метод математичного планерування експерименту. На об'єм і трудомісткість проведення експериментальних робіт істотно впливає вигляд експерименту. Наприклад, польові експерименти, як правило, завжди мають велику трудомісткість, що слід враховувати при планеруванні. Після встановлення об'єму експериментальних робіт складається перелік необхідних засобів вимірів, об'єм матеріалів, список виконавців, календарний план і кошторис витрат.

План-програму розглядає науковий керівник, обговорюють в науковому колективі і стверджують в установленому порядку.