Тулмин определяет содержание научной дисциплины как взаимосвязь следующих элементов: 1) современные цели научного объяснения: 2) современная совокупность научных понятий и процедур объяснения; 3) аккумулированный опыт ученых, работающих в данной дисциплине. При этом Тулмин не согласен со сведением научного опыта к чувственным восприятиям в духе сенсуализма Э. Маха или к простым фактуальным обобщениям в соответствии с установками логических эмпиристов. Опыт ученого, по Тулмину, соответствует опыту представителей других профессий, например, юристов, инженеров или летчиков. Для научного опыта определяющими являются не чувственные данные или эмпирическая корреляция, а открытия в данной научной области или релевантность какого-либо способа изображения, например, установление границы релевантности методики геометрического изображения физических лучей в других первоначально не определенных ситуациях.
Тулмин дает классификацию различных концептуальных проблем научных дисциплин:
1) проблемы возникают из распространения современных научных процедур на новые явления;
2) из совершенствования известных апробированных научных методик;
3) из междисциплинарной интеграции методов, из решения конфликтов между научными и ненаучными идеями.
Эти классы проблем Тулмин иллюстрирует примерами из практики научных исследований в области оптики, биологии, химии и др. Он разъясняет, что поскольку каждое научное понятие имеет три различных аспекта - языковой, репрезентативный (методы изображения) и прикладной (процедуры применения), то концептуальные новшества, предложенные для того, чтобы решать подобные проблемы, могут вызывать изменения в любом из этих аспектов или сразу во всех.
При этом Тулмин подчеркивает, что концептуальные проблемы не совпадают ни с эмпирическими, ни с формальными проблемами. Он хочет показать ограниченность традиционной (неопозитивистской) философии науки, которая использовала всегда и везде логическую дихотомию между эмпирическими (условными, синтетическими, фактуальными) и формальными (логическими, математическими) предложениями. Он считает, что в историческом развитии научной инициативы значение научных понятий и научных проблем нельзя показать адекватно, если ссылаться только на эмпирический предмет исследования или только на формальную структуру науки. По Тулмину, рассмотрение и научных понятий, и научных теорий, и научных дисциплин требует стирания основных разграничений традиционной философии науки, предполагает сочетания того и другого (эмпирического и формального) подходов.
Тулмин предлагает рассматривать исторический процесс концептуальных изменений в интеллектуальных дисциплинах в терминах популяционной модели. Он пишет, что надо рассматривать содержание естественной науки не как связную и последовательную логическую систему, а как концептуальный агрегат или популяцию, в котором в большинстве случаев локализованы логически систематизированные участки. Причем данные популяции исторически развиваются как следствие взаимодействия между научными новообразованиями и отбором, который постоянно осуществляется в науке и модифицирует популяции, сохраняя лучшие варианты. Тулмин отмечает, что развитие этих популяций будет рассматриваться как выражение равновесия между факторами двух видов: факторами новообразования, ответственными за возникновение изменений в соответствующей популяции, и факторами отбора, которые модифицируют ее, постоянно сохраняя варианты, имеющие определенные преимущества. Он обращает внимание на то, что нововведения в науке носят коллективный характер, как, впрочем, и процедуры совершенствования введенных научных понятий, требующие воображения и опоры на интеллектуальные идеалы.
Новое понятие должно быть коллективно воспринято в качестве возможных способов решения тех проблем, которые являются источником коллективной неудовлетворенности. Необходимо, чтобы новации были эффективными и соответствовали установившимся интеллектуальным условиям, а новые научные понятия, прежде всего, обладали возможностями решения проблем. Научные нововведения должны также соответствовать "форуму конкуренции", проходить через научные дискуссии. Кроме интеллектуальных требуются и социальные условия для осуществления научных новаций. Тулмин имеет в виду экономические, политические и институциональные факторы, "которые либо создают, либо уничтожают возможности исследований в различных областях науки".