系統(tǒng)科學(xué)方法

1、材料，對任何人都不會陌生，人們在生活中無時不接觸到各種各樣的材料。設(shè)計材料，往往 是指占有一定空間，有一定的構(gòu)架形態(tài)，能被視覺、觸覺感知的材料，如塑料、金屬、石材、 玻璃、陶瓷等。在室內(nèi)設(shè)計的發(fā)展歷程中，每一次新材料的出現(xiàn)，都會引發(fā)一場新的設(shè)計運(yùn) 動，形成設(shè)計文化發(fā)展的推動力。人類是在發(fā)掘和認(rèn)識材料中提高設(shè)計的意識，材料既是設(shè) 計的物質(zhì)基礎(chǔ)和條件，也為設(shè)計師提供了豐富的創(chuàng)造靈感。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 人們對設(shè)計材料的研究逐漸走上了正規(guī)的科學(xué)化軌道，形成了一個材料科學(xué)與工程新學(xué)科。人們對材料的認(rèn)識經(jīng)歷了一個從外部形態(tài)到內(nèi)部本質(zhì)的逐漸發(fā)展的過程。當(dāng)人類的生產(chǎn) 力水平還十分低下，對材料的發(fā)掘

2、和運(yùn)用還處于一種最基本的自然狀態(tài)時，人們對材料的認(rèn) 識被限制在材料的外部形態(tài)上，這種對材料認(rèn)識的外在化，無形之中使材料在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域 具有了一種單純的規(guī)定性，那就是材料僅作為藝術(shù)”的語言一一一種交流符號的物質(zhì)載體， 一種藝術(shù)的媒介形態(tài)而存在。隨著科技的進(jìn)步，人類深化了其在藝術(shù)領(lǐng)域中對材料的認(rèn)識。 新的設(shè)計材料以更新的姿態(tài)紛紛涌現(xiàn)出來，可塑性無機(jī)材料、復(fù)合材料等都豐富了設(shè)計師的 藝術(shù)表現(xiàn)。每一種材料都有自己的使命，都會在設(shè)計師的奇思妙想下變成它們應(yīng)有的藝術(shù)形 象而奉獻(xiàn)給全人類。每一種材料都是一種顏色，于是這些五彩繽紛的顏色構(gòu)成了絢麗多彩的 圖畫。人類進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)作的歷史，從某種角度講也是一部不斷發(fā)

3、現(xiàn)材料、發(fā)明新型材料，運(yùn) 用材料的歷史。每一位設(shè)計師都應(yīng)當(dāng)在使用材料進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作時，注重使用材料的科學(xué)性， 這一點(diǎn)正是我們經(jīng)常忽略的。在相當(dāng)長的歷史時期內(nèi)，人們對材料的認(rèn)識和應(yīng)用往往是經(jīng)驗 性的，沒有準(zhǔn)確的科學(xué)界定，對材料的認(rèn)識多是一般性對其外在的描述和以往的經(jīng)驗感受， 而缺少科學(xué)的分析和把握。在現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計中，特別是在工業(yè)藝術(shù)設(shè)計中僅僅靠以往的經(jīng)驗 感受已經(jīng)不能適應(yīng)了。這一客觀事實，要求我們學(xué)習(xí)和研究自然辯證法必須以自然科學(xué)技術(shù) 在經(jīng)濟(jì)、社會和文化等領(lǐng)域中的實際作用為根據(jù)，以自然科學(xué)發(fā)展史為基礎(chǔ)，從辯證唯物主 義自然觀、歷史觀和方法論相統(tǒng)一的辯證唯物主義世界觀出發(fā)，研究和認(rèn)識科學(xué)技術(shù)的性質(zhì)、

4、 特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)、社會建制及其發(fā)展的內(nèi)在矛盾和發(fā)展模式；研究和認(rèn)識科學(xué)技術(shù)與社會的 相互作用影響：研究和認(rèn)識科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。這體現(xiàn)了辯證唯物主義自然 觀和辯證唯物主義歷史觀的統(tǒng)一。系統(tǒng)是由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的，具有特定功能的有機(jī)整體.系統(tǒng)研究方 法是把客觀世界的一切事物和過程作為相互作用的動態(tài)系統(tǒng).從系統(tǒng)整體的觀點(diǎn)出發(fā),對系統(tǒng) 聯(lián)系的普遍性和多樣性、結(jié)構(gòu)性、功能性進(jìn)行研究和闡述，從系統(tǒng)與要素之間、要素與要素 之間以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的相互聯(lián)系、相互作用中考察對象，以達(dá)到最佳的處理問題的 科學(xué)方法.系統(tǒng)方法具有它特定的一般方法論原則.1整體性原則所謂整體性原則，即

5、把研究對象作為由各個組成部分構(gòu)成的有機(jī)整體在認(rèn)識和改造某一系 統(tǒng)對象時要始終把著眼點(diǎn)放在系統(tǒng)整體的特性和功能上，而任何部分是作為一個組成要素或 環(huán)節(jié)進(jìn)入整體聯(lián)系之中，它的特性和功能受整體的控制和支配，它不可能保持其獨(dú)立狀態(tài)時的 功能特性.世間一切系統(tǒng)都是整體與部份的對立統(tǒng)一.一方面部份是構(gòu)成整體的一個要素，部 份的有機(jī)結(jié)合組成整體，部份和整體是互相依存的，整體不能離開部分而獨(dú)立存在，離開了各 個組成部份，整體也就不成其為整體了，部份也不能離開整體而單獨(dú)存在，離開了整體,部份就 不再是該整體的部份了.比如說，人體是一個有機(jī)的整體,如果把人體的某一部份孤立起來考 察，那么，它就什么也不是了.另一方

6、面，整體性質(zhì)不等于部份性質(zhì)的總和，系統(tǒng)的整體功能不是 各要素功能的簡單相加，它具有各個組成部份所沒有的新功能，而系統(tǒng)的整體功能是由系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的各要素相聯(lián)系和作用的方式所決定的.如在材料完全相同的情況下，由于各原材 料互相搭配的方式不同，可以生產(chǎn)出不同的產(chǎn)品,創(chuàng)造出不同的總價值.我們通常所說的要“樹 立全局觀念”，這個“全局觀念”就是系統(tǒng)觀念.只有從整體、從系統(tǒng)與環(huán)境的種種聯(lián)系和關(guān) 系出發(fā)來認(rèn)識其部份.這樣，才能合理的配置各個部份，恰當(dāng)?shù)靥幚砀鱾€部份之間的關(guān)系，才能 在總的目標(biāo)指導(dǎo)下，充分發(fā)揮各個部份的功能.保證整個系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使整個系統(tǒng)達(dá) 到預(yù)期的最佳目標(biāo).整體性原則是系統(tǒng)方法

7、的基本出發(fā)點(diǎn)，觀察事物和處理間題都要堅持這個 原則.大于104nm的材料可稱為體材料，但當(dāng)我們深入到對更小厚度的材料進(jìn)行分析時，這時材 料就將呈現(xiàn)出薄膜所特有的特性，如很高的磁化率和矯頑力等。而當(dāng)我們更深人地研究厚度 小于0.1nm的材料性質(zhì)時，量子效應(yīng)就不可忽略，這時的物質(zhì)材料衛(wèi)會呈現(xiàn)如量子小尺寸 效應(yīng)等特征。因此，從薄膜技術(shù)分析中日r見.材料物質(zhì)具有明顯的系統(tǒng)|生與層次性。2相關(guān)性原則系統(tǒng)的整體性原則必須通過相關(guān)性原則而具體化.因此相關(guān)性原則是系統(tǒng)的最基本原則之 一組成系統(tǒng)的要素與要素之間、要素與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間不僅相互聯(lián)系和相互作用, 而且相互依存、相互制約.它們之間的相互作用構(gòu)

8、成整體性的運(yùn)動，產(chǎn)生出系統(tǒng)的特定整體性 功能.從要素與要素之間的相互作用來看，每一要素在系統(tǒng)中不是平行地、孤立地起作用的， 而是處在多維的、多層次的、非線性的聯(lián)系之中.每一要素的作用，都要對其它要素產(chǎn)生一定 的反應(yīng)就系統(tǒng)與要素的關(guān)系來看，系統(tǒng)整體的特性和功能，控制和決定著各個要素在系統(tǒng)中 的地位、作用性質(zhì)和范圍大小，協(xié)調(diào)著各個要素之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系和功能聯(lián)系.系統(tǒng)整體的特性和功能有所變化，必然要影響到要素及要素之間的關(guān)系.系統(tǒng)與環(huán)境的相互作 用由系統(tǒng)的功能來表征,而系統(tǒng)的功能又是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的.任何系統(tǒng)都與其所在環(huán)境 相互依賴、相互制約，它們都是具有內(nèi)、夕卜相互作用的同一整體而客觀事物相互聯(lián)

9、系和相互作用的形式是多種多樣的，正是這種多樣性的聯(lián)系，決定了系統(tǒng)的多 樣性.無論是物理系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)還是社會管理系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)都與 內(nèi)部各要素間的特殊的相互作用制約的結(jié)構(gòu)相關(guān)，形成具有特殊本質(zhì)的相對獨(dú)立的動態(tài)系 統(tǒng)這種動態(tài)系統(tǒng)中的每一組成元素，都依照同其它要素和整個系統(tǒng)的相互關(guān)系而體現(xiàn)自身 的一定作用，去掉其中的任何一個元素，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就要遭到破壞，甚至最終要導(dǎo)致系統(tǒng)的 崩潰總之，客觀世界就是一個相互聯(lián)系、相互作用的整體3有序性原則任何系統(tǒng)都是有結(jié)構(gòu)的，而任何系統(tǒng)都是由一定部份組成的整體，而這一整體中的各個部份 又是由更小的部份組成的整體，如此遞降，以至無窮;反過來說，任

10、何一個系統(tǒng)又往往是更大系 統(tǒng)的組成部份，如此遞升,以至無，由此形成了系統(tǒng)的層次性.系統(tǒng)的任何相互聯(lián)系和相互作用 都是按等級和層次進(jìn)行，系統(tǒng)都是次序井然、有條不紊的.總是作為有秩序、完整的有機(jī)整而 存在結(jié)構(gòu)的有序性是系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)的內(nèi)在根據(jù).戰(zhàn)國時代齊威王和大臣田忌賽馬的故 事是大家熟知的同樣的三匹馬，由于用不同的排列次序進(jìn)行比賽，所獲得的結(jié)果也不相同. 這說明，具有同樣組成成份的事物，由于各成份在事物內(nèi)部的排列次序上的改變可以引起事物性質(zhì)上的根本變化系統(tǒng)與要素之間的有序結(jié)合可以獲得大大不同于要素簡單 相加所能得到的整體功能自然界就是一個有著無限層次結(jié)構(gòu)的動態(tài)系統(tǒng).有序性原則的意 義在于要求人

11、們通過認(rèn)識系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性、層次性來揭示系統(tǒng)的整體特性和功能，從系統(tǒng)內(nèi)部 各要素之間的穩(wěn)定聯(lián)系和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)找出系統(tǒng)變化和發(fā)展的規(guī)律性.認(rèn)識自然界如何從無序到 有序，從較低級的有序狀態(tài)走向較高級的有序狀態(tài)的變化發(fā)展規(guī)律.這也是當(dāng)代科學(xué)所面臨的 重大課題薄膜的亞穩(wěn)定態(tài)特眭苗先表現(xiàn)任剛淀積的薄膜中，當(dāng)襯底溫度遠(yuǎn)低于薄膜材料的熔點(diǎn)或“玻 璃”轉(zhuǎn)換溫度時，其、lt穩(wěn)態(tài)特陛更加突出。其表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)疏松，填充因子小，特性隨外界 環(huán)境變化而敏感。此種亞穩(wěn)定特性可通過適當(dāng)退火加以消除。薄膜亞穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)忠之間的轉(zhuǎn)換 是內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)有序和無序排列的右觀表現(xiàn)，有序和_： J已序是構(gòu)成自然界的兩極，一叼 實際系統(tǒng)都是這兩方面的矛

12、盾統(tǒng).只是不f司系統(tǒng)中具體情況小同，有的系統(tǒng)中有序占主導(dǎo) 地位，有的系統(tǒng)t,無序占主導(dǎo)地泣。有序和無序不僅相互滲透，而且可以相互轉(zhuǎn)換。.4動態(tài)性原則任何事物都是發(fā)展變化的，任何系統(tǒng)也都是處在動態(tài)之中.因此，我們不僅要認(rèn)識各種系統(tǒng) 變化發(fā)展的方向、趨勢、速度和方式，而且要研究它們變化發(fā)展的原因、途徑、動力和規(guī)律 系統(tǒng)論的動態(tài)性原則就是研究系統(tǒng)變化發(fā)展的原理系統(tǒng)的動態(tài)性是由兩個因素決定:一是 系統(tǒng)內(nèi)部各要素的相互聯(lián)系、相互作用;二是系統(tǒng)的環(huán)境發(fā)生變化.這兩個因素都要引起系統(tǒng) 的變化，而后者要通過前者才起作用運(yùn)用系統(tǒng)動態(tài)性規(guī)則，就是要從系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)以及統(tǒng) 的開放性,來洞察事物的發(fā)展變化趨勢，既要重

13、視研究和把握系統(tǒng)內(nèi)部各要素的相互作用對系 統(tǒng)的影響;又要重視研究和掌握外部環(huán)境的變化對系統(tǒng)的.影響;并通過分析內(nèi)外因的作用，把 握系統(tǒng)發(fā)展變化的規(guī)律，增強(qiáng)工作的預(yù)見性，特別是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛的發(fā)展把過去、現(xiàn)在 和未來更加緊密地聯(lián)系在一起，促使人們思考間題必須面向未來.因此，把握系統(tǒng)的動態(tài)性尤 為重要.5模型優(yōu)化原則運(yùn)用系統(tǒng)方法時，對于比較大或比較復(fù)雜，難于直接進(jìn)行分析和實驗的系統(tǒng)，一般都需要設(shè)計 出系統(tǒng)模型來代替真實系統(tǒng)，根據(jù)研究的目的，設(shè)計出相應(yīng)的系統(tǒng)模型，確定系統(tǒng)的邊界范圍， 鑒定系統(tǒng)的要素及其相互聯(lián)系、相互作用的情況，運(yùn)用電子計算機(jī)進(jìn)行模擬實驗、定量計算、 系統(tǒng)仿真，從而不斷檢驗和修正

14、系統(tǒng)方案，通過對系統(tǒng)模型的研究掌握真實系統(tǒng)的本質(zhì)和規(guī)律 從多種可能的途徑中，選擇出最優(yōu)的系統(tǒng)方案，使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)，達(dá)到最優(yōu)效果模型化是實現(xiàn)系統(tǒng)方法定量化的必經(jīng)途徑，優(yōu)化選擇模型則是運(yùn)用系統(tǒng)方法 所能達(dá)到的目標(biāo)，這一點(diǎn)是任何傳統(tǒng)方法所不能做到的.模型優(yōu)化可以根據(jù)需要和可能為系統(tǒng) 定量地確定出最優(yōu)目標(biāo)，并運(yùn)用最新技術(shù)手段和處理方法把整個系統(tǒng)逐步分成不同等級和層 次結(jié)構(gòu)，在動態(tài)中協(xié)調(diào)整體與部分的關(guān)系，使部分功能和目標(biāo)服從系統(tǒng)整體的最佳目標(biāo)，以便 實現(xiàn)總體最佳實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能最優(yōu)化的關(guān)鍵則在于選擇最佳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).隨著人們對系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的日益深入，已逐步發(fā)展出各種最優(yōu)化理論如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、

15、動態(tài)規(guī)劃、 最優(yōu)控制論和決策論等數(shù)學(xué)理論突變論可用于多場耦合條件下性能評價等方面；電場活化燒結(jié)常采用球磨細(xì)化粉末，或 使用通過機(jī)械合金化后所得的納米、超細(xì)粉末；通過控制好電場活化燒結(jié)過程參數(shù)，采用晶 粒長大抑制劑，有可能得到納米晶復(fù)合材料，其特性與普通復(fù)合材料（微米以上）有很大不同； 納米材料有很大比例的界面，原子在外力作用下容易運(yùn)動，因此表現(xiàn)出比較好的韌性與一定 的延展性，其力學(xué)性能異常變化。但納米材料尺度內(nèi)還存在一個突變尺寸即臨界晶粒尺寸。 晶粒度大于臨界值（隨材料不同而變化）晶界阻礙晶粒變形，表現(xiàn)為細(xì)晶強(qiáng)韌化的特點(diǎn)；但晶 粒度小于臨界值，晶粒阻礙晶界滑移，表現(xiàn)與細(xì)晶強(qiáng)韌化的一般規(guī)律相反。

16、從中看出針對具 體開發(fā)的材料找到臨界晶粒尺寸是采用突變論解決材料力學(xué)性能問題的關(guān)鍵。利用混沌機(jī)理改善材料性質(zhì)，其關(guān)鍵技術(shù)在于擾動對于含量較少的強(qiáng)化相的作用，以形 成混沌運(yùn)動。更進(jìn)一步的工作則是找到混沌產(chǎn)生所需的擾動強(qiáng)度臨界門檻值；在混沌混合條 件下，可達(dá)到均勻混合的效果。這是因為混沌具有對初始條件的敏感依賴性，每個初始位置 不同的單元的運(yùn)動軌跡都是獨(dú)一無二的，并且占據(jù)了整個混合空間。在電場活化燒結(jié)wC硬 質(zhì)合金過程中，除了脈沖電流可看成對粘結(jié)相（Co、Ni、Fe等）和晶粒長大抑制相（VC、NbC 等）一種強(qiáng)擾動外，交變或脈沖的磁場對這種擾動有疊加作用，可能會對燒結(jié)體的均勻性有 較大的作用，并促

17、進(jìn)各相的擴(kuò)散。因此，脈沖的頻率、帶寬和占空比以及交變磁場的頻率和 磁場強(qiáng)度等擾動參數(shù)將直接決定最終燒結(jié)品的質(zhì)量。（1）化學(xué)本體論-物質(zhì)-世界是物質(zhì)的。物質(zhì)的組成。化學(xué)是一門自然科學(xué)，也是一 門實驗科學(xué)，基礎(chǔ)科學(xué)。這是由它所研究的對象物質(zhì)所決定了的，這就從本質(zhì)上決定了化學(xué) 與整個世界及其規(guī)律總的看法的不可分割的關(guān)系。因為世界是由物質(zhì)構(gòu)成的。物質(zhì)是客觀存 在的，是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，不管你承認(rèn)與否它都是存在著的，正如列寧所說：“唯物 論的基本前提是承認(rèn)外部世界，承認(rèn)物質(zhì)存在我們的意識之外并且不依賴于我們的意識而存 在著。”只有首先承認(rèn)物質(zhì)的存在，才是研究化學(xué)問題的唯一正確的出發(fā)點(diǎn)。應(yīng)該說我們目

18、前的技術(shù)已經(jīng)到了只要是物質(zhì)，我們的化學(xué)檢驗技術(shù)就能確認(rèn)任意一種物質(zhì)的元素組成，也 就是說，在化學(xué)家看來，不管是什么，只要是看得到摸得著的物質(zhì)，都逃不脫100多種元素 的范圍，逃不出三種基本微粒：質(zhì)子、中子、電子。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。關(guān)于結(jié)構(gòu)，我們目前能 夠明確的是主要是原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)三方面。原子結(jié)構(gòu)是所有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。我 們可以這樣設(shè)想：原子結(jié)構(gòu)相當(dāng)于混凝土，分子結(jié)構(gòu)相當(dāng)于預(yù)制件，晶體結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于建筑 物，宏觀物質(zhì)相當(dāng)于一座大型城市。不同的物質(zhì)不外乎是元素原子的不同組合，可以這樣說， 四種微粒，四種作用力，構(gòu)成了物質(zhì)世界。（2）物質(zhì)的性質(zhì)-物質(zhì)的普遍性和特殊性。普遍性和特殊性的關(guān)系是共性、

19、絕對性和 個性、相對性的關(guān)系，它們既相互聯(lián)系又相互區(qū)別，普遍性存在于特殊性之中，特殊性之中 包含著普遍性。許多物質(zhì)的性質(zhì)制法等都是普遍性和特殊性的統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)是 表象，是果，結(jié)構(gòu)是本質(zhì)，是因。（因果律是構(gòu)建自然科學(xué)大廈的基石。）我們無法盡知所有 物質(zhì)的性質(zhì)，但我們可以在每個物種中找到一兩個代表物加以研究記憶，找出相似點(diǎn)和遞變 規(guī)律，比如，烷烴中的甲烷，烯烴中的乙烯，酯類中的油脂，等等。但是這仍然沒有接觸到 本質(zhì)，最有本源意味的是關(guān)于元素周期律的研究。透徹了解了周期律和周期表，就找到了化 學(xué)的核心主線。在周期表中，可以找到元素的“家族”，明白了物質(zhì)性質(zhì)千奇百怪的原因以 及一般規(guī)律。在每個“家族”中找一兩個元素作代表，詳細(xì)研究它的存在形式、單質(zhì)、氧化 物、氫化物、氧化物對應(yīng)水化物以及鹽類，對于不同的物質(zhì)又分別研究其物理性質(zhì)、化學(xué)性 質(zhì)、制法、用途等等。這樣，只要詳細(xì)學(xué)習(xí)了極少數(shù)的物質(zhì)，依據(jù)“相似性”（或者叫“通 性”）、“特殊性”和“遞變規(guī)律”三種方式就可推導(dǎo)出同一 “家族”的其它物質(zhì)的相關(guān)知識。 可以說，“相似性”、“特殊性”和“遞變規(guī)律”是學(xué)習(xí)研究化學(xué)的最基本武器。（3）物質(zhì)的變化-對立統(tǒng)一規(guī)律。對立統(tǒng)一規(guī)律是事物矛盾運(yùn)動的規(guī)律，既是唯物辯 證法的基本規(guī)律，又是辯證法的實