工程技术认识的一般方法（下）

工程技术认识的一般方法（下）_当代科学技术哲学

三、工程技术认识的一般方法（下）

1.技术原理构思方法

所谓技术原理，是指在实现技术目标的技术实践中，根据已有的科学原理和技术经验，通过创造性思维和技术试验所获得的关于实现技术目标的途径、手段、方式和方法的特定的理论规范。

技术原理作为关于实现一定技术目的的途径、手段、方式和方法的理论规范，它表现为概念、关系、原则以及图像和数学公式等理论形式，即技术原理表现为知识的或理论的形态。技术原理与同样作为知识形态的科学原理虽有紧密的联系和许多相同之外，却存在实质性的差别。技术原理中的概念、关系、原则与纯粹的科学概念、关系、原则不同，不是作为一种普适性的描述提出来的，而是与实际的技术对象、技术过程、技术工艺等直接对应，具有很强的指向性或具体性。如果把科学原理看作普遍性的原理的话，那么，技术原理是一种具体的原理，它总与具体对象相联系，是一种特定的理论规范。

技术原理构思方法也被称为技术发明创造法，因为在许多情况下，技术发明的成果都是以技术原理或原理模型的形式出现的。通过对技术发明史的考察，我们可以发现，技术原理的构思方法已发展为包括经验方法和科学方法在内的系统。限于篇幅，下面，我们仅就技术原理构思的科学方法作一介绍。

技术原理构思的科学方法是以科学知识为基础的方法。近现代以来，科学发现的潜在利用价值开始被认识，发明家们都自觉地在科学知识的基础上进行工作。技术的发明与开发开始主要不再是来自直接的经验感受，而是建立在科学发展的基础上，并用科学理论来指导技术开发的全过程。技术原理构思的科学方法主要有如下几种形式。

（1）原理推演法

原理推演法是从基础科学揭示的普遍规律出发，以技术科学研究的特殊规律为中介，解决工程技术中的实际问题，即将科学原理转化为技术原理。因此，原理推演法的一个鲜明的特点，即是以科学突破为先导，形成新的技术原理，然后物化为崭新的技术，从而引起技术上的飞跃。

运用原理推演法的关键是考虑如何将普遍的科学原理转化为具体的技术原理。从基础科学原理引申出技术原理构思方案的大致过程是：从基础科学给出的基本科学原理出发，经过一系列的实验研究和理论探索，形成技术科学的基本原理，然后再由技术科学的基本原理，加入人改造自然的合目的性要求，形成作为技术发明依据的技术原理。在有些情况下，采取多种科学原理的新组合，形成技术原理。例如，在激光发展史上，从受激辐射原理的提出，微波波谱学的发展，到微波放大器技术原理的形成，就是运用科学原理推演法的一个例证。一般来说，技术科学是其中的中间环节；发电机、电动机技术原理是在电磁理论的指导下而产生的；W·B·肖克莱、J·巴丁等人对晶体管技术的发明是建立在量子力学、固体物理学、扩散理论和导电机理模型等科学理论的基础之上，从而为微电子技术、通讯技术、电子计算机技术奠定了基本的技术原理；基因工程技术、蛋白质工程技术则是人们在对生物体的遗传变异规律、生物遗传物质DNA的双螺旋结构模型、中心法则、三联密码、基因结构的认识以及工具酶、基因载体发现的基础上，通过对DNA的切割和重组而实现的。再如原子核技术、激光技术、空间技术、海洋技术、新材料技术等高新技术的出现，无不是在科学理论成果的基础上产生和发展起来的。总之，让技术发明建立在牢固的科学理论基础之上，从科学原理和科学发现中推论或提炼出技术原理，是当今技术发明创造的重要途径和方法。

（2）实验提升法

科学实验是科学前沿最活跃的领域之一。在实验中发现新的自然现象往往隐含着新的科学原理和技术原理，从中进行追加试验予以提炼，弄清机理，就可以形成新的技术原理构思。所谓实验提升法，就是把观察实验中所发现的隐含的某种机制提炼出来形成技术原理的方法。例如，电磁感应的实验，导致发电机技术原理的构思；电磁波发送和接收的实验，是无线电通讯技术的起点；光电效应的发现，引出了光电技术在自动控制和传真、电视等方面的应用；超导现象的发现，引发了超导技术原理的提出；液晶态的发现，成为液晶显示技术的先导，等等。但是，大多数情况下，实验中发现的被暗示的技术原理都是以经验形态存在的。所以，要想将技术原理从经验形态中提炼出来，还必须经过创造性的科学研究工作。

（3）模拟法

是人们通过研究模型来揭示原型的形态、特点和本质的一种方法。这种方法的根本特点在于，它不是直接研究现实世界的某一现象或过程本身，而是设计一个与该现象或过程相类似的模型，通过模型间接地研究该现象和过程。它不但是基础科学研究中的一种重要方法，而且是技术原理构思的有效工具。类比推理是模拟方法的逻辑基础。如果把自然界的客观事物作为原型，把人们要研究的技术对象作为模型，把模型和原型相类比，两者具有一定的相似关系，那么人们就能把自然事物（原型）的某些形式、结构、功能赋予技术对象（模型）。

按照从自然界选择的模型不同，模拟法可以分为三种类型：

一是似非生物类比。是指通过与非生物类比来提取技术原理。例如，当前已发现有不少金属材料具有“记忆”其高温相中形状的能力，它可以执行温度传感器和操作器两种功能。如，开闭窗户用的弹簧，在气温低于18℃时窗户关闭，气温高于18℃时开始依靠形状“记忆”——弹簧位移力打开窗户，气温到了约25℃，窗则被彻底打开。

二是拟生物类比。是指通过和生物（包括微生物、植物、动物）的类比，来提取技术原理。如响尾蛇导弹的制导系统，是从研究响尾蛇视觉问题出发，发现它的视力不佳，靠一种特殊的热定位器感受红外辐射来辨别事物，热定位器位于蛇的眼睛和鼻孔之间的颊窝区，通过研究响尾蛇这种感受红外辐射的原理，制造出导弹的红外线自动导引系统。生物系统是经过大自然千百万年选择的，各种生物体都具有最合理、最巧妙的原理与结构，它是现代工程技术人员寻求新的技术进行发明创造的重要源泉。

三是拟人类比。是指通过和人的类比，将创造的对象加以拟人化。例如，挖土机的前臂模拟人的手臂，可以左右移动、上下弯曲；它的挖土斗模拟人的手掌，可以插入土中，将土捧起。能模拟人的更多功能的自动机械，称为“机器人”。

（4）综合创造法

综合就是创造。所谓综合创造法，就是将不同技术领域已经发现的技术原理移植到某个技术领域中并加以综合，形成新的技术原理和新的技术系统的一种方法。例如，英国发明的雷达，在第二次世界大战对付德国飞机的轰炸中发挥了重要作用，这是一项前所未有的新技术。这种新技术就是通过综合创造的途径而实现的。它综合了电视技术与电波测量技术，发明了新的雷达技术。英国在1936年已建立了电视发射台和电视网络，与此同时，美国也已实现用电波测量电离层高度的技术。这项技术被英国吸收，经过实验发现了电磁波碰到飞机发生反射的现象，从反射波测量飞机的高度、方向和数量的技术构思，与电视显示技术相结合，综合构思成了雷达的技术原理，由于制成的雷达适应于英国国防和战争的需要，它就很快转化为产品。至于战后著名的美国阿波罗登月计划、苏联的米格25型飞机的设计制造，无一不是由于在技术综合上下了功夫，因而产生了新的总体性能。

2.技术方案设计方法

设计，是指在实际制造某一新事物之前，想象、构思、创造这个新事物的模式活动。它是人类所特有的能动性和创造性的表现。美国技术哲学家P·A·克罗斯指出：“工程设计的过程可以理解为一种解决问题的过程，在这一过程中，一种功能被翻译或转换成一种结构。这一过程通常是从搜集关于所渴望的功能知识开始的，而用一个设计作为结束，这个设计是一个关于可实现所渴望功能的物理客体、系统或过程的描绘蓝图。”⁽⁸⁾技术方案的设计，就是根据技术目标的要求，运用设计的理论与方法，把技术原理具体转换成可实现要求的、功能的、具体特定结构形态的技术客体、系统或过程。设计即是创造某种观念结构的过程，设计的技术客体是可以重复生产的和能够操控的。一般说来，技术方案是以系统设计法为基础，结合常规设计法、可靠性设计法、最优化设计法等而有序地进行设计的。

（1）系统设计法

系统设计法，是从系统的观点出发，把系统工程的基本原理应用于技术设计，通过系统分析和系统综合，寻求合理设计的一种方法。该方法是把设计对象视为一个系统，用系统方法处理整体与要素、要素与要素之间的相互作用关系，着眼于系统的功能，以求整体功能最优的设计方法。

系统设计的基本步骤是：

①明确系统的整体功能目标和约束条件。系统设计把设计对象作为一个系统来考察，因而首先必须明确系统的整体功能目标，并对系统与环境的相互关系进行分析，以确认约束条件。

②把系统的整体功能分解为部件功能，又把部件功能分解为零件功能。

③把确定的部件或零件功能综合为整体功能，并使整体最优。由于在设计的初始，对系统的基本组成部件的划分并不一定十分确切，一般要随着设计的进行而逐渐明朗，因此，最初分解的部件功能在设计过程中往往要加以修正和完善，这样就有再综合直至使系统整体最优这一反复考虑的必要。

（2）常规设计法

亦称形式设计法，它是从现有的技术规划、技术手段、技术信息中寻找解决问题方案的设计方法。其最大特点是立足于现有技术思想。大量的设计手册、零部件目录、专利说明书，都是常规设计的重要工具。常规设计的途径主要有：

①从已有的设计规范中找答案。已有的设计规范是人们长期设计经验积累形成的，通常具有简便、省时、省物、省力、可靠的特点。常规设计在已有规范基础上加以创新，可能获得某种程度的改进。

②从已知结构元件组合中寻求设计方案。各种简单或者复杂的机械设备、仪器仪表、电子产品，都是运用各种元器件，经各种组合构成的，改变元器件的选用和组合方式就可能产生出新颖的设计。

③从前沿的技术信息和情报资料中寻找思路。这里的信息和情报，既包括与本专业前沿密切相关的领域，也包括本专业领域之外技术发展的新思想和新方法。

（3）可靠性设计法

又称概率设计法。是运用数理统计知识，计算出系统、工程或产品完成规定功能的概率和使用寿命（概率指标和寿命指标），考虑系统、工程或产品在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力，从而设计出尽可能少地发生故障的系统、工程或产品的一种方法。

一般情况下，进行可靠性设计，首先要定出系统、工程或产品的功能和结构方面的设计，然后，再从可靠性的角度加以审视，对其薄弱环节或不甚可靠之处进行修正，从而使设计具有可靠性。可靠性设计的基本程序是：

①进行可靠性预计。系统、工程或产品的可靠性预计是指在设计阶段，根据系统、工程或产品使用的元件功能、环境以及它们之间的关系，运用数理统计知识，推测和计算系统、工程或产品在什么方面不可靠，继而确定系统、工程或产品的可靠性指标。

②根据预计的系统可靠性指标，对各个分系统直到零部件作出可靠性分配。但这种分配不是平均分配，而是根据各分系统或零部件的任务、重要程度、生产的可改进性及维护等因素，进行通盘考虑，合理分配。

③根据分配和要求的可靠性指标，采取相应的可靠性措施。这些措施主要有：

第一，有机选配原材料与零部件。主要根据系统需要、材料特性及零部件重要程度等合理搭配，以利整体协调。

第二，贮备设计。为了增强系统的可靠性，在已有元器件的基础上，再附加一些零部件，以便接替故障部分的工作。

第三，耐环境设计。即设计时采取适当措施，如附加防震、防热、防腐、防潮、防辐射等设计，对系统实行环境保护。

第四，维修性设计。即在系统故障时能及时、方便、有效、快速地进行维修，减少损失。

第五，人-机系统设计。即根据人类工程学的原理，设计中考虑人的因素，以体现以人为本的原则。

（4）最优化设计法

最优化设计是近几十年来随着电子计算机的发展而得到越来越广泛应用的现代设计方法之一。它是以数学最优化理论为基础，在满足各种给定的约束条件前提下，合理地选择设计变量数值，以获得一定意义上的最佳设计方案的设计方法。

最优化设计的一般过程是：

①建立有关设计对象的数学模型。最优化设计的目的是找到一组合适的设计变量数值，使得由这组设计变量数值确定的设计为最优方案。为此，首先要把技术设计问题转化为可通过计算求解的数学问题，即建立数学模型，通过数学模型来反映技术方案中设计变量与工作性能的关系。

②求解数学模型，选出最优方案并进行试验验证。求解数学模型就是在满足全部设计约束条件的前提下，寻找使方案指标最佳的那组设计变量值，在数学上就是求极值的问题。随着微分法和变分法的发展，特别是运筹学的发展，出现了线性规划、非线性规划、动态规划、几何规划等许多处理优化问题的数学分支，为寻找最优方案提供了大量新的计算方法。

由于从实物客体的研究转化为数学模型，中间进行了许多抽象和简化，设计变量选择得是否恰当，约束条件是否合适，目标函数是否代表了主要性能要求等都对设计方案的结果有很大影响，因此，得到的设计还需经过验证才能付诸实施。

3.技术试验方法

技术试验是在应用研究或技术开发中，对技术思想、技术设计、技术成果进行探索、考察、检验的实践活动。它是实现技术构思和设计向实物对象转化的技术研究方法。科学理论和技术构思必须经过试验才能物化为技术成果；技术成果也必须通过试验才能转化为现实的生产能力。

技术试验和科学研究中的实验既有联系，又有区别。试验和实验的共性主要表现在：

试验和实验都是社会实践的一种特殊形式。两者都属于认识事物的实践环节，都是人们利用科学仪器、设备、物质手段在强化、纯化、简化或模拟等人为控制研究对象的条件下，认识研究对象的一种方法。

试验和实验都是获取研究对象特性、规律、数据资料的重要手段。获得数据是实验和试验的重要资料来源和科学依据。

试验和实验既相互渗透又相互转化。基础理论研究与技术开发是两个不同的过程，但两者又密切相关。尤其在计算机技术、激光技术、光导纤维通信技术等现代科学技术的许多领域里，理论研究与技术开发已融为一体，技术开发既需要实验方法，也需要试验方法。在技术理论研究中，常常先进行试验，再进行实验研究。

试验和实验具有的这些共同之处，才使得人们有时不加区分地使用这两个概念。但是从认识论和方法论的角度看，试验和实验还是有很大区别的。

从认识过程看，实验属于变革客观物质世界的实践活动，是主观反映客观、物质到意识的认识过程。而试验则是从主观到客观的过程，试验的目的是实现理论的物化，是理论向实践转化的技术创造过程。

从试验和实验的对象上看，实验的对象极为广泛，包括一切客观存在的自然物。通过实验，研究自然物的性质、特点、运动形式及其规律等。而试验研究对象的范围相对实验则小得多。试验的主要对象是人工物质客体，它是对拟定的技术规则、设计、工艺、研制和实施等实践活动作出考察。

从认识的目的性上看，实验的目的是为了揭示自然的客观规律，生产出精神产品。而试验则是运用自然规律性的知识，创造出人工自然物，是为了寻求技术实施的条件和技术成果推广的可能性及检验技术成果的优劣，试验的目的是直接为生产服务。

技术试验的类型多种多样。根据试验的目的不同，有试探性试验、验证试验与析因试验；根据试验结果的性质的不同，有定性试验与定量试验；根据试验的方式和方法的不同，有对比试验和模型试验；根据试验的主要影响因素的多少有单因素试验、双因素或多因素试验；根据技术研究与开发的阶段不同，有实验室试验、中间试验和生产试验。

在众多的试验方法中，最常用的试验方法主要有下述几种。

（1）实验室试验法

是指为了检验技术原理的科学性和可行性，而对原理性样机所进行的试验。工程技术认识的主要任务之一在于确定研制目标方案，构思技术原理。要完成这一任务，除了充分调动和发挥技术主体的创造性以外，还需要实验室试验作为必要手段。技术方案是否可行，技术原理是否科学，只有在实验室试验中才能予以验证和确定。

（2）中间试验法

又称“半工业试验”，是把实验室中取得的关于技术开发项目的研究成果，推广到工业生产过程中的一种过渡性的试验。它是由纯粹研究性质的试验向生产过渡的环节。通过中间试验，可以预先解决应用实验室成果进行批量生产时可能出现的技术上的、生产上的、市场上的种种问题。任何一项实验室成果都必须经过中间试验，才能正式投入生产和使用。

中间试验一般通过相应的物理模型来进行，模型与原型在外形结构方面呈几何相似。通过模型研究设计原型的结构和功能，验证或修改原型设计，为生产、施工取得精确的数据，是中间试验方法的主要内容。20世纪60年代初，上海江南造船厂承接制造我国第一台大型万吨水压机的任务。工程浩大，结构复杂，工程师们并没有按设计方案立即组织生产，而是仿照万吨水压机先制造了一台千吨级的水压机，通过这一缩尺模型进行中间试验，取得了必要的数据和经验，然后正式投产，取得了成功。

（3）析因试验法

是从已知结果中去寻找未知原因的方法。在技术开发的过程中，由于要涉及大量的以往没有遇见过的因素，因而常常会产生预料不到的结果。而析因试验的目的正在于寻找影响结果的各种因素，原因找到了，也就找到了解决问题的症结。

（4）性能试验法

性能试验方法是为了定性或定量地了解研究对象的各种性能所进行的试验。性能范围很广泛，既包括功能特性、机械性能、化学性能、电性能、生物性能等，也包括一切工程技术对象的功能特性。工程技术中的性能试验，主要是用以检验研究对象是否具有所要求的性能，如产品性能指标的试验等。性能试验在技术开发中是最为普遍应用的基本试验方法，它贯穿于所有试验过程的始终。