Учебное пособие 800314

Эмпирический уровень - система знаний, полученных из опыта, на основе которой выявляются определенные обобщающие характеристики технического объекта или процесса.

Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивнотехнические и технологические знания, являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении технических систем. Это - эвристические методы и приемы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.

Структура эмрирического уровня технической теории:

1.Конструктивно-технические знания: преимущественно ориентированы на описание строения технических систем как совокупности элементов, имеющих форму, способ движения, свойства, но включают также знания о технических процессах, в них протекающих, и параметрах их функционирования.

2.Технологические знания: фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования.

3.Особые практико-методические знания: рекомендации по применению научных знаний, полученных в технической теории и практике инженерного проектирования. Это, фактически, те же самые технологические и конструктивно-технические знания, только являющиеся уже не результатом обобщения практического опыта инженерной работы, а продуктом теоретической деятельности в области технической науки и поэтому сформулированы в виде рекомендаций для еще неосуществленной инженерной деятельности. В них также формулируются задачи, стимулирующие развитие технической теории.

Эмпирические знания технической науки отображаются на ее теоретическом уровне в виде многослойных теоретических схем, абстрактных объектов различных уровней.

Теоретический уровень знания предполагает использование не столько эмпирического материала, сколько закономерностей, выявленных на основе логического мышления (познания).

Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основных уровня, или слоя, теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.

1)Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа ее реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определенной технической теории – отражает определенные математические соотношения.

НАПРИМЕР: функциональные схемы в теории электрических цепей представляют собой графическую форму математического описания состояния электрической цепи. Каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определенное математическое соотношение, - скажем, между

силой тока и напряжением на некотором участке цепи или вполне

41

определенная математическая операция (дифференцирование, интегрирование

ит. п.).

2)Поточная схема (схема функционирования) описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое – схема естественного процесса. Такие схемы строятся, исходя из естественнонаучных (например, физических) представлений.

НАПРИМЕР: теория электрических цепей имеет дело не с огромным разнообразием конструктивных элементов электротехнической системы, отличающихся своими характеристиками, принципом действия, конструктивным оформлением и т. д., а со сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений, представляющих эти идеальные элементы на теоретическом уровне (емкость, индуктивность, сопротивление, источники тока и напряжения). Для применения математического аппарата требуется дальнейшая идеализация: каждый из перечисленных выше элементов может быть рассмотрен как активный (идеальные источники тока или напряжения) или пассивный (комплексное — линейное омическое и нелинейные индуктивное и емкостное — сопротивления) двухполюсник, т. е. участок цепи с двумя полюсами, к которым приложена разность потенциалов и через которую течет электрический ток. Все элементы электрической цепи должны быть приведены к указанному виду. Причем в зависимости от режима функционирования технической системы одна и та же схема может принять различный вид. Режим функционирования технической системы определяется прежде всего тем, какой естественный (в данном случае физический) процесс через нее протекает, т. е. какой электрический ток (постоянный или переменный, периодический или непериодический и т. д.) течет через цепь. В зависимости от этого и элементы цепи на схеме функционирования меняют вид: например, индуктивность представляется идеальным омическим сопротивлением при постоянном токе, при переменном токе низкой частоты — последовательно соединенными идеальными омическим сопротивлением и индуктивностью (индуктивным сопротивлением), а при переменном токе высокой частоты ее поточная схема дополняется параллельно присоединяемым идеальным элементом емкости (емкостным сопротивлением). Для каждого вида естественного (физического) процесса применяется наиболее адекватный ему математический аппарат, призванный обеспечить эффективный анализ поточной схемы технической системы в данном режиме ее функционирования. Заметим, что для разных режимов функционирования технической системы может быть построено несколько поточных и функциональных схем. В предельно общем случае поточные схемы отображают не только естественные процессы, но и вообще любые потоки субстанции (вещества, энергии, информации). Причем в частном случае эти процессы могут быть редуцированы к стационарным состояниям, но последние могут рассматриваться как вырожденный частный случай процесса.

42

3) Структурная схема фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки. Узловые точки представляют собой конструктивные элементы различного уровня, входящие в систему – идеальная конструктивная схема. Структурная схема фиксирует конструктивное расположение элементов и связей (т. е. структуру) данной технической системы и уже предполагает определенный способ ее реализации. Такие схемы, однако, сами уже являются результатом некоторой идеализации, отображают структуру технической системы, но не являются ни ее скрупулезным описанием в целях воспроизведения, ни ее техническим проектом, по которому может быть построена такая система. Это — пока еще теоретический набросок структуры будущей технической системы, который может помочь разработать ее проект. Структурные схемы позволяют перейти от «естественного» способа рассмотрения к «искусственному» - техническая реализация физического процесса.

Взаимоотношение эмпирического и теоретического в технических науках.

Теперь проследим специфику взаимоотношения теоретического и

обоснованными принципами организации целесообразно функционирующих структур, а знает только то, что достижение той или иной функции гарантируется соответствующими особенностями строения. Он может, опираясь на прошлый опыт, действовать по аналогии или, перебирая новые,

фиксируются лишь функциональные соотношения технического объекта.

применяются в ограниченном объеме, причем используются, главным образом, эмпирические знания естественных наук [67].

Переход к теоретическому уровню технического знания связан с более строгим разграничением «естественного» и «искусственного» в технических объектах. Техническое знание теоретического уровня возникает на основе применения теоретических моделей естественных (природных) процессов для описания связи строения и функционирования в соответствующих технических объектах. Выражаясь марксистским языком, на теоретическом уровне естественнонаучное знание и морфологическое знание являются базисом, а знание об «искусственном» и функциональное знание – надстройкой.

Таким образом, задача теоретического уровня познания технических наук – выявить необходимые свойства естественных объектов и приспособить их через эмпирический уровень для практических нужд, создав, сконструировав технику и соответствующие технологии.

43

Выводы: технические науки, в отличие от естествознания, имеют преимущественно практическую направленность, а посему в техникознании эмпирический уровень знания имеет большую степень функциональности. Теоретический уровень при этом тяготеет к более высокой степени теоретизации. Хотя традиционно в естествознании степень теоретизации выше. Теоретический уровень технических наук делает отправной точкой изучение естественных процессов, их морфологических свойств, которые необходимы не сами по себе, но для аппроксимации, приспособления под технические объекты.

§2. Техническая теория: структура и функции.

Основные понятия: теория, техническая теория, техникознание, абстрактный технический объект, теоретическая схема.

Вобщем виде теория - определенная абстракция (идеализация). Но суть идеального объекта различна в естествознании и техникознании. В естествознании целевая установка познания (определенного среза действительности) - естественная действительность, а для техникознания целевая установка познания - "идеальная конструкция". Техническая теория имеет дело с более сложной реальностью, поскольку не может элиминировать сложное взаимодействие физических факторов, имеющих место в машине, т.е. является менее абстрактной и идеализированной, более тесно связана с реальным миром инженерии.

Техническая теория - система обобщенного знания о технических объектах и их системах.

Втехнической теории важную роль играет разработка особых операций перенесения теоретических результатов в область инженерной практики, установление четкого соответствия между сферой абстрактных объектов и конструктивными элементами реальных технических систем, что соответствует фактически теоретическому и эмпирическому уровням знания. О соотношении эмпирического и теоретического в техникознании см. Тема 3, §1.

Внаучно-технических дисциплинах необходимо четко различать исследования, включенные в непосредственную инженерную деятельность, и теоретические исследования, называемые технической теорией. Специфика технической теории состоит в том, что она ориентирована на конструирование технических систем.

Процесс формирования технической теории связан с переходом от идеальных естественно-научных объектов и понятий к собственно идеальным техническим объектам. Например, формирование основных понятий фундаментальной технической науки (теории механизмов и машин: "машина", "механизм" и др. связано с переходом от понятий теории твердого тела к понятиям теоретической механики). Идет перенос (адаптация) представлений, выработанных в рамках естественных наук, в сферу техникознания (классический редукционизм) или "снятие".

44

Фиксируется несколько уровней теоретических схем технической теории:

1)Функциональный - ориентированный на математическое описание объекта или процесса.

2)Динамичный - описывающий естественные процессы, происходящие в техническом объекте.

3)Структурный - дающий конструктивные параметры и инженерные расчеты объекта.

Структура технической теории:

Теоретические схемы представляют собой совокупность абстрактных объектов, ориентированных как на применение соответствующего математического аппарата, так и на мысленный эксперимент, т.е. на проектирование возможных экспериментальных ситуаций. В теоретических схемах задается образ исследуемой и проектируемой технической системы. Абстрактные объекты, входящие в состав теоретических схем математизированных теорий, представляют собой результат идеализации и схематизации экспериментальных объектов. Теоретические схемы представляют собой особые идеализированные представления (теоретические модели), которые часто выражаются графически. Примером их могут быть электрические и магнитные силовые линии, введенные М. Фарадеем в качестве схемы электромагнитных взаимодействий. Г. Герц использовал и развил далее эту теоретическую схему Фарадея для осуществления и описания своих знаменитых опытов. Например, он построил изображения так называемого процесса «отшнуровывания» силовых линий вибратора, что стало решающим для решения проблемы передачи электромагнитных волн на расстояние и появления радиотехники, и анализировал распределение сил для различных моментов времени. Герц назвал такое изображение «наглядной картиной распределения силовых линий». Представители научного сообщества всегда имеют подобное идеализированное представление объекта исследования и постоянно мысленно оперируют с ним. В технической же теории такого рода графические изображения играют еще более существенную роль.

Первые технические теории строились по образцу физических, в которых, наряду с концептуальным и математическим аппаратом, важную роль играют теоретические схемы, образующие своеобразный «внутренний скелет» теории.

Теоретические схемы выражают особое видение мира под определенным углом зрения, заданным в данной теории. Эти схемы, с одной стороны, отражают интересующие данную теорию свойства и стороны реальных объектов, а с другой, — являются ее оперативными средствами для идеализированного представления этих объектов, которое может быть практически реализовано в эксперименте путем устранения побочных влияний техническим путем. Так, Галилей, проверяя закон свободного падения тел, выбрал для бросаемого шарика очень твердый материал, что позволяло практически пренебречь его деформацией. Стремясь устранить трение на наклонной плоскости, он оклеил ее отполированным пергаментом. В качестве

45

теоретической схемы подобным образом технически изготовленный объект представлял собой наклонную плоскость, т. е. абстрактный объект, соответствующий некоторому классу реальных объектов, для которых можно пренебречь трением и упругой деформацией. Одновременно он представлял собой объект оперирования, замещающий в определенном отношении реальный объект, с которым осуществлялись различные математические действия и преобразования. Фундаментальная теоретическая схема выполняет важную методологическую функцию в технической науке - методологического ориентира для еще неосуществленной инженерной деятельности. Инженер всегда ориентируется на такую теоретическую схему, осознает он это или нет. Он соотносит с ней образ исследуемой и проектируемой им системы, хотя и не всегда отдает себе отчет в том, что эта схема достаточно жестко направляет его поиски.

Специфика технической теории:

1. Однородность: объекты собраны из некоторого фиксированного набора блоков по определенным правилам «сборки». Например, в электротехнике таковыми являются емкости, индуктивности, сопротивления; в теоретический радиотехнике — генераторы, фильтры, усилители и т. д.; в теории механизмов и машин — различные типы звеньев, передач, цепей, механизмов. 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 их сборки. Любые механизмы могут быть представлены как состоящие из иерархически организованных цепей, звеньев, пар и элементов. Это обеспечивает, с одной стороны, соответствие абстрактных объектов конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой создает возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне. Поскольку все механизмы оказываются собранными из одного и того же набора типовых элементов, то остается задать лишь определенные процедуры их сборки и разборки из идеальных цепей, звеньев и пар элементов. Эти идеализированные блоки соответствуют стандартизованным конструктивным элементам реальных технических систем. В теоретических схемах технической науки задается образ исследуемой и проектируемой технической системы.

2. Ориентирована на конструирование технических систем. Научные знания и законы, полученные естественнонаучной теорией, требуют еще длительной «доводки» для применения их к решению практических инженерных задач, в чем и состоит одна из функций технической теории.

Функционирует техническая теория «челночным» (итерационным)

путем, ее этапы:

1.формулируется инженерная задача создания определенной технической системы;

2.представляется в виде идеальной конструктивной схемы;

46

3.преобразуется в схему естественного процесса отражающего функционирование технической системы для расчета и математического моделирования этого процесса;

4.строится функциональная схема, отражающая определенные математические соотношения. Этот путь - анализ схем.

Обратный путь - синтез схем.

Его этапы:

1.На базе имеющихся конструктивных элементов по определенным правилам дедуктивного преобразования.

2.Синтезируется новая техническая система.

3.Рассчитываются ее основные параметры.

4.Имитируется ее функционирование.

Функционирование технической теории направлено на аппроксимацию полученного теоретического описания технической схемы: его эквивалентное преобразование в более простую и пригодную для проведения расчетов схему; сведение сложных случаев к более простым и типовым, для которых существует готовое решение.

Выводы: техническая теория имеет дело с более сложной реальностью (мир машин, конструкций), нежели объективный мир физической реальности. Она является менее абстрактной и идеализированной, нежели естественно-

научная теория, более тесно связана с реальным миром инженерии. Теоретические знания в технических науках должны быть обязательно реализованы в практических инженерных рекомендациях.

§3. Особенности методологии технических наук и методологии проектирования.

Основные понятия: методология, метод, комбинационносинтезирующий метод, аппроксимация, конструирование, проектирование, системное проектирование, системно-структурный метод, системный анализ, математическое моделирование, проективно-прагматический метод, метод декомпозиции, экстраполяция, технический эксперимент.

Технические науки так же, как естественные и социально-гуманитарные имеют свою методологию, систему методологических принципов и подходов.

Методология науки – это учение о методах и процедурах научной деятельности, а также раздел общей теории познания, в особенности теории научного познания (эпистемологии) и философии науки. Научным методом именуется упорядоченный метод познания, исследования, приближающий исследователя к истине. В отличие от научного метода, более утилитарный термин «методика» обозначает всего лишь систему операций, процедур, приемов, либо их описание для работы с техническими средствами или данными, либо для установления фактов.

Методология науки в прикладном смысле – это система (комплекс, взаимообусловленная и взаимосвязанная совокупность) принципов и подходов

47

исследовательской деятельности, на которые опирается исследователь (ученый) в ходе получения и разработки знаний в рамках конкретной естественно-научной или технической дисциплины. Методы технической науки, ее методология меняются с течением времени очень мало. В целом методы познания технических объектов соответствуют общенаучным. Хотя для них характерны определенные особенности: особое значение придается системному подходу и методам моделирования.

Можно выделить отдельно проблему методологии исследования в технических науках, которая имеет ряд существенных отличий от исследований в естественных науках.

Отличия методологии исследований в технических и естественных науках.

Как видим, содержание исследований в технических науках методологически и по своей направленности неразрывно связано с практической деятельностью в экономике, оборонной сфере и обслуживании духовных запросов общества. Типовое содержание исследований в технических науках включает в общем случае ряд составляющих, в совокупности отображаемых установившейся за многие десятилетия хорошо отработанной методологией исследований [58].

В общем и целом, процедура (технология) получения знания (и научнопрактических результатов) в технических науках выглядит так:

48

1.«Библиографическое исследование».

2.Привлечение экспертов к оценке и детализации направленности исследования. В диссертационных исследованиях формирование темы диссертационной работы.

3.Выявление противоречия и обоснование актуальности проблемы исследования.

4.Выбор цели и объекта исследования.

5.Определение предмета исследования.

6.Обоснование актуальности исследования.

7.Поиск гипотезы исследования.

8.Математизация гипотезы, построение математической модели (теоретическое обоснование).

9.Планирование эксперимента.

10.Подготовка эксперимента.

11.Проведение эксперимента.

12.Обработка результатов.

13.Формирование предложения по трансформации объекта.

14.Теоретическое исследование по интерпретации результатов эксперимента (проверка адекватности гипотезы) и осознание результатов НИР.

15.Поиск и обоснование применений предложения.

16.Публикация результатов.

17.Подготовка нормативных документов или исходных данных для технического проекта.

Приведенная технология исследований в технических науках универсальна для поисковых и диссертационных исследований. В зависимости от содержания исследования отдельные этапы этой универсальной технологии могут быть пропущены. Однако на каждом из этих этапов применяется своя система методов.

Принципиальное методологическое значение имеет проблема общего метода технических наук. В этой связи особого внимания заслуживает позиция В.И. Белозерцева и Я.В. Сазонова, согласно которой общим методом технических наук и технического творчества является комбинационносинтезирующий метод. Он состоит в том, что в процессе создания новой техники, новых материалов, новых технологических процессов ученые, конструкторы, инженеры осуществляют многообразное комбинирование (частично на опытно-экспериментальном, а в основном на теоретическом уровне) самых различных естественных законов, процессов, сил, конфигураций деталей, принципов работы различных подсистем, входящих в то или иное проектируемое техническое устройство до тех пор, пока не будет найдена такая оптимальная, строго определенная последовательность взаимовлияний в целостном единстве уже точно определенных сил, свойств, процессов, законов

и подсистем, которая и приводит к появлению (производству) качественно новой техники. Комбинационно-синтезирующий метод технических наук – метод создания новых технических систем, новых материалов и

49

технологических процессов на основе объединения, использования отдельных естественных, природных законов, сил, свойств, процессов и материалов [57].

Сущность и методология проектирования.

Существует много определений термина «проектирование». Но чаще всего под «проектированием» подразумевают практическую деятельность, направленную на удовлетворение новых потребностей людей. Конечным итогом проектной деятельности является проект, т.е. комплект документации, предназначенной для создания определенного объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных решений, на основе которых был разработан данный объект. Объектом проектирования может быть материальный предмет, выполнение работы, оказание услуги.

Проектирование связано не только с техническими объектами. Так, имеется социальное проектирование, проектирование программного обеспечения и другие. Отличительной особенностью проектирования

является его практическая направленность (обязательное наличие практических результатов, иначе это будет «прожект», «маниловщина», творчество ради творчества) и персональная ответственность за полученные и переданные заказчику результаты.

Внутри процесса проектирования, наряду с расчетными этапами и экспериментальными исследованиями, часто выделяют процесс конструирования. Конструирование — деятельность по созданию материального образа разрабатываемого объекта, ему свойственна работа с физическими моделями и их графическими изображениями. Эти модели и изображения, а также некоторые виды изделий называют конструкциями.

Основные методы, методологические подходы и принципы технических наук и методологии проектирования:

Системное проектирование комплексно решает поставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных объектовсистем и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-экономические и экологические последствия их функционирования. Системное проектирование основывается на тщательном совместном рассмотрении объекта проектирования и процесса проектирования, которые в свою очередь включают еще ряд важных частей, показанных на рис.1.

В методологии проектирования используется системно-структурный метод - способ исследования объекта, в качестве которого в данном случае выступают техника, технология и инженерная деятельность, рассматриваемые

50