Структура и методы научно-технического познания. Теоретический и эмпирический уровни

В философско-методологической литературе, как правило, основное внимание обращают на проблемы методоло­гии научного познания, хотя накоплен значительный материал по практике технического познания.

Бесспорно, техническое знание принадлежит к одному из ви­дов научного знания, что позволяет говорить о научно-техниче­ском знании. Однако общность не устраняет вопроса о различиях научного и технического знаний. Если для научного познания вполне уместна схема движения мысли в границах субъект-объ­ектного отношения с выделением эмпирического и теоретическо­го уровней исследования, то техническое познание может не иметь своего непосредственного объекта исследования, так как его еще следует сконструировать. Для этого вида познания больше подходит формула неокантианцев, согласно которой предмет не «дан», а «задан». Конечно, неокантианцы имели в виду теоретиче­ское исследование, когда предметная область науки определяется не эмпирически, а теоретически. В отличие от объекта естествен­ных наук технический объект не естественного происхождения. Этот объект можно сконструировать, создать. Лишь тогда уместно говорить о данности объекта технического познания, имея в виду его искусственное происхождение.

В современных публикациях по вопросу о специфике техниче­ского знания обращается внимание на ряд аспектов: можно ли понять технику из понимания специфики технического знания? Какие особенности обнаруживает знание в специфиче­ской среде «технического» в отличие от среды «научного»? Какого рода деятельность обслуживает техническое знание?

Остановимся лишь на основных проблемах методологии тех­нического познания, таких, как: технический эмпирический опыт и техническая научная теория, моделирование технического объ­екта, критерии оценки технического объекта.

За всю историю технического творчества накоплен огромный опыт по конструированию и созданию технических объектов. Для исследователя он имеет значение как технический эмпирический опыт. По отношению к этому опыту вполне уместны логико-методологические процедуры сравнения, обобщения, анализа и синтеза. Цель такого исследования состоит в том, чтобы выявить идеальные образцы технических решений и допущенные ошибки («брак» конструирования). Исследования в этом направлении да­ют материал для последующих технических идей и теоретических подходов. По мнению А.Н. Боголюбова, известного исследовате­ля истории техники, о современных технических объектах можно говорить как о саморазвивающихся объектах, которые затем, воз­можно, смогут воспроизводить себе подобных.

Техническая теория. Понятие «техническая теория» сравни­тельно недавно введено в философско-методологическую литера­туру. Как известно, основу теории образуют абстрактные идеализированные объекты. Они также образуют и основу тех­нической теории. Отличительными особенностями абстрактных объектов технической теории являются их «однородность» и их «сборка» по определенным правилам. «Подобное строение абст­рактных объектов является специфичным и обязательным для технической теории, делая их однородными в том смысле, что они сконструированы, во-первых, с помощью фиксированного набора элементов и, во-вторых, ограниченного и заданного набора операций по их сборке».

Природа «однородности» и правила «сборки» не являются произвольными, а определяются содержанием реального техни­ческого объекта. Если технический объект является механизмом, в нем выделяются составляющие его элементы — стандартизован­ные конструктивные элементы реальных технических систем. Любые механизмы могут быть представлены как состоящие из ие­рархически организованных цепей, звеньев, пар и элементов. К примеру, немецкий ученый и инженер Франц Рело для построе­ния технической теории провел детальное расчленение механизма, взятого в качестве абстрактного объекта технической теории. Он разработал представление о кинематической паре, а состав­ляющие ее тела назвал элементами пары. Несколько кинематиче­ских пар образуют кинематическое звено, несколько звеньев — кинематическую цепь. Механизм является замкнутой кинемати­ческой цепью принужденного движения, одно из звеньев которой закреплено.

В отечественной мысли теоретический подход к выделению основных структур технического объекта разрабатывал акад. И.И. Артоболевский, основоположник советской школы механи­ки. Он предложил начинать исследование с изучения структуры и классификации кинематических пар, а затем переходить к изуче­нию кинематических цепей. Логическим завершением теоретиче­ского исследования является изучение структуры и классифика­ции механизмов. Развивая теорию кинематических пар, Артобо­левский ввел представление о пяти их основных классах. К первому классу были отнесены пары, накладывающие одну связь. Пары второго класса имеют две связи, третьего класса — три связи, четвертого — четыре связи, пары пятого класса — пять свя­зей. При этом любая пара высшего класса может быть заменена кинематической цепью из ряда звеньев, входящих в пары низшего класса. На этом основании исследование структуры цепей, обра­зованных парами разных классов, можно свести к исследованию цепей, звенья которых входят только в пары пятого класса. Это обеспечивает единство в исследовании механизмов и теоретиче­ски обосновывает возможность исследования механизмов в еди­нообразных схемах.

Специфика технической теории состоит в том, что она ориен­тирована на конструирование технических систем и поэтому должна учитывать специфику механизма конструируемой техни­ческой системы, ее основные составляющие, а также процессы, обеспечиваемые данным механизмом. Основу технической тео­рии составляют идеализированные технические структуры, кото­рые подлежат классификации. Например, в структуре кинемати­ческих цепей различают пять семейств. Семейство, не имеющее никаких общих связей, называется нулевым. Это пространствен­ные механизмы в самом общем виде. Затем следуют механизмы первого семейства, имеющие одну общую связь; механизмы вто­рого семейства имеют две общие связи; механизмы третьего семейства имеют три общие связи (сферические пространственные и плоские) и т.п.

Геометрические преобразования являются существенным мо­ментом технических теорий. При образовании кинематических групп различных семейств можно пользоваться единым принци­пом, который Артоболевский назвал методом развития контура. Всякая достаточно развитая группа может состоять из одного или нескольких контуров, образующих каждый в отдельности замкну­тую кинематическую цепь, и нескольких незамкнутых цепей, кото­рыми звенья контура могут присоединяться к звеньям первона­чального механизма. Поэтому основной структурной группой слу­жит замкнутый контур. Класс контура определяет число его степеней свободы. К примеру, основой поводка, выступающего как кривошип или ведущее звено, является контур первого класса, а трехшарнирного звена — контур второго класса и т.п.

Применение математических методов — существенная осо­бенность технической теории. Структуры механизмов можно рас­сматривать как топологические задачи, решаемые на основе мате­матических методов, прежде всего теории графов. Например, Л.В. Асур, ученик Н.Е. Жуковского, исследуя математическую сторону поставленных им структурных проблем, указывал на их топологическое происхождение. Он считал, что изучение слож­ных шарнирных образований не только само по себе представляет интерес для геометров, но сможет стать основой и для дальнейше­го развития топологии.

Эмпирический уровень технической теории образуют конструк­тивно-технические и технологические знания, являющиеся ре­зультатом обобщения практического опыта проектирования, из­готовления, отладки технической системы, а также эвристические методы и приемы, разработанные в самой инженерной практике. Конструктивно-технические знания ориентированы на описание строения технических систем и включают знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем. Техно­логические знания фиксируют методы создания технических сис­тем и принципы их использования.

Эмпирический уровень технической теории содержит и осо­бые практико-методические знания, представляющие собой прак­тические рекомендации по применению научных знаний, полу­ченных в практике инженерного проектирования.

Теоретический уровень научно-технического знания образован тремя основными уровнями теоретических схем:

функциональная схема фиксирует общее представление о техниче­ской системе независимо от способа ее реализации и является ре­зультатом идеализации технической системы. Каждый элемент технической системы выполняет определенную функцию. Сово­купность функциональных свойств технической системы, пред­ставленных в виде определенных математических зависимостей, составляет содержание данного уровня теоретической схемы;

поточная схема, или схема функционирования, описывает естест­венные процессы, протекающие в технической системе и связы­вающие ее элементы в единое целое;

структурная схема фиксирует те узловые точки, на которые замы­каются процессы функционирования технической системы. Это могут быть детали или технические комплексы разного уровня, различающиеся по принципу действия, техническому исполне­нию и т.п. Структурная схема фиксирует конструктивное распо­ложение элементов и связей данной технической системы.

Все отмеченные уровни теоретической схемы являются ре­зультатом идеализации будущей технической системы, теорети­ческим ее наброском. При этом следует учитывать пространствен­ные параметры. В противном случае может оказаться, что постро­енный механизм не будет выполнять свои функции. К примеру, кривошип — ведущее звено многих механизмов должен иметь воз­можность сделать полный пространственный оборот вокруг ба­зисного шарнира. Поэтому размеры звеньев механизма должны находиться в определенных пределах и пропорциях. Соответст­вующие математические уравнения, описывающие параметры звеньев механизма, называются условиями существования меха­низма.

Таким образом, техническая теория по своим основаниям об­ладает рядом отличительных особенностей. Главная из них — бо­лее «жесткий» характер по отношению к предметной области, чем в научной теории, по отношению к которой вполне допустимы идеализации самого высокого порядка.

Методы технического исследования. На предварительном этапе решения технических задач по разработке того или иного техни­ческого объекта проводится анализ явлений или процессов, лежаших в основе конструируемого объекта. Методы проведения анализа технического объекта основываются на принципах системного подхода. Под технической системой в данном случае понимается взаимосвязь основных ее элементов. Структура тех­нической системы определяется составом ее элементов и спосо­бами их связей. Множество всех возможных состояний системы зависит от числа элементов, степеней их свободы, определяется уровнями связей между ними, а также функциями технической системы.

Метод декомпозиции применяется для решения сложной тех­нической задачи и сводится к расчленению системы на подсисте­мы или даже на элементы с целью их детального исследования с последующим их синтезом. Например, ракета-носитель как слож­ная техническая система расчленяется на блоки, которые в свою очередь делятся на отсеки, имеющие законченное конструктив­ное и функциональное назначение. Каждый отсек (топливный, переходный, отсек двигательной установки) подвергается анали­тической проработке, а для каждого его элемента проводятся теп­ловые, прочностные и другие расчеты.

В техническом, как и в научном исследовании, используются анализ и синтез, индукция и дедукция и ряд других общих методов.

Метод моделирования имеет наибольшее значение в силу спе­цифики конструирования технического объекта.

Под моделированием понимается исследование объектов по­знания посредством построения их моделей, когда реальный объ­ект заменяется его моделью, а знания, полученные на основе ис­следования модели, переносятся на реальный объект.

В техническом познании, как уже отмечалось, зачастую отсут­ствует реальный объект. В этом случае моделирование можно рас­сматривать не только как процесс познания объекта, но и как про­цесс его создания.

В целом цикл моделирования включает в себя ряд этапов: про­цедуру создания модели технического объекта, исследование мо­дели, преобразование модели, переход от модели к техническому объекту.

Для моделирования структуры технического объекта необхо­димо предварительно описать его состав и выявить характер взаимосвязей между его элементами, представив их в виде математических выражений. На этом этапе моделирования должны быть установлены правила соответствия, которые выражают соот­ношения между свойствами реального технического объекта и свойствами математических объектов. Для описания структуры и свойств технического объекта используется логико-математиче­ский аппарат, включающий теорию множеств, математические операции с матрицами и теорию графов.

Задача моделирования заключается не в том, чтобы буквально воспроизвести в тех или иных моделях технический объект. Про­блемное поле исследования составляют не сами по себе элементы технического объекта, а их взаимоотношения друге другом. Исполь­зуя аппарат теории множеств (логические отношения принадлежно­сти, подчинения, эквивалентности и т.д., логические операции ум­ножения, сложения, пересечения, вычитания и дополнения), полу­чают некоторую математическую модель реального технического объекта. Анализ этой модели, «эксперименты» над ней выявляют те возможности структурирования технического объекта, которые не обнаружены при его непосредственном описании.

Теория графов является одним из эффективных методов мате­матического моделирования структуры технического объекта; она позволяет осуществить изоморфное преобразование графическо­го образа объекта — графа, удобного для проведения логического анализа, к представлению его в виде булевых матриц, удобных для проведения вычислительных операций.

В моделировании технических объектов, как правило, пред­почтение отдается функциональным моделям. Функциональные модели описывают функционирование каждого элемента техниче­ского объекта, а также связи между элементами. Для этого исполь­зуются компонентные и топологические уравнения, выражающие связи разнородных фазовых переменных элементов, отражая объ­ективно существующие законы и закономерности, и топологиче­ские функциональные уравнения, которые описывают связь между однородными фазовыми переменными, относящимися к разным элементам подсистем структуры технического объекта.

В техническом познании критерий объективности должен быть дополнен этическим «Не навреди». Уже на этапе разработки новых технических идей должна проводиться экологическая, эр­гономическая и этическая экспертиза. Возможны разные варианты создания технических систем, но жизнеспособными должны признаваться лишь те, которые этически обоснованы, экологиче­ски безвредны, имеют эргономические преимущества.

Такой подход имеет огромные преимущества перед традици­онным вариантом внедрения новой техники, когда что-то изме­нить бывает почти невозможно. Ясно, что более выгодно дать все­стороннюю оценку технических проектов, моделей будущей тех­ники, чем потом предпринимать те или иные шаги по снижению негативных последствий. Тем более на уровне моделирования технического объекта можно предусмотреть все параметры, влия­ние которых следует просчитать, оценить.

Итак, методология научно-технического познания включает проблемы: соотношение технического эмпирического опыта и технической научной теории, в том числе ее специфики; модели­рования технических объектов как процесса их познания и созда­ния; методов технических исследований; критериев оценки тех­нических объектов.