系统科学方法

1、材料，对任何人都不会陌生，人们在生活中无时不接触到各种各样的材料。设计材料，往往 是指占有一定空间，有一定的构架形态，能被视觉、触觉感知的材料，如塑料、金属、石材、 玻璃、陶瓷等。在室内设计的发展历程中，每一次新材料的出现，都会引发一场新的设计运 动，形成设计文化发展的推动力。人类是在发掘和认识材料中提高设计的意识，材料既是设 计的物质基础和条件，也为设计师提供了丰富的创造灵感。随着现代科学技术的不断发展， 人们对设计材料的研究逐渐走上了正规的科学化轨道，形成了一个材料科学与工程新学科。人们对材料的认识经历了一个从外部形态到内部本质的逐渐发展的过程。当人类的生产 力水平还十分低下，对材料的发掘

2、和运用还处于一种最基本的自然状态时，人们对材料的认 识被限制在材料的外部形态上，这种对材料认识的外在化，无形之中使材料在艺术设计领域 具有了一种单纯的规定性，那就是材料仅作为艺术”的语言一一一种交流符号的物质载体， 一种艺术的媒介形态而存在。随着科技的进步，人类深化了其在艺术领域中对材料的认识。 新的设计材料以更新的姿态纷纷涌现出来，可塑性无机材料、复合材料等都丰富了设计师的 艺术表现。每一种材料都有自己的使命，都会在设计师的奇思妙想下变成它们应有的艺术形 象而奉献给全人类。每一种材料都是一种颜色，于是这些五彩缤纷的颜色构成了绚丽多彩的 图画。人类进行设计创作的历史，从某种角度讲也是一部不断发

3、现材料、发明新型材料，运 用材料的历史。每一位设计师都应当在使用材料进行艺术创作时，注重使用材料的科学性， 这一点正是我们经常忽略的。在相当长的历史时期内，人们对材料的认识和应用往往是经验 性的，没有准确的科学界定，对材料的认识多是一般性对其外在的描述和以往的经验感受， 而缺少科学的分析和把握。在现代艺术设计中，特别是在工业艺术设计中仅仅靠以往的经验 感受已经不能适应了。这一客观事实，要求我们学习和研究自然辩证法必须以自然科学技术 在经济、社会和文化等领域中的实际作用为根据，以自然科学发展史为基础，从辩证唯物主 义自然观、历史观和方法论相统一的辩证唯物主义世界观出发，研究和认识科学技术的性质、

4、 特点、体系结构、社会建制及其发展的内在矛盾和发展模式；研究和认识科学技术与社会的 相互作用影响：研究和认识科学技术、经济、社会的协调发展。这体现了辩证唯物主义自然 观和辩证唯物主义历史观的统一。系统是由若干相互联系、相互作用的要素组成的，具有特定功能的有机整体.系统研究方 法是把客观世界的一切事物和过程作为相互作用的动态系统.从系统整体的观点出发,对系统 联系的普遍性和多样性、结构性、功能性进行研究和阐述，从系统与要素之间、要素与要素 之间以及系统与外部环境之间的相互联系、相互作用中考察对象，以达到最佳的处理问题的 科学方法.系统方法具有它特定的一般方法论原则.1整体性原则所谓整体性原则，即

5、把研究对象作为由各个组成部分构成的有机整体在认识和改造某一系 统对象时要始终把着眼点放在系统整体的特性和功能上，而任何部分是作为一个组成要素或 环节进入整体联系之中，它的特性和功能受整体的控制和支配，它不可能保持其独立状态时的 功能特性.世间一切系统都是整体与部份的对立统一.一方面部份是构成整体的一个要素，部 份的有机结合组成整体，部份和整体是互相依存的，整体不能离开部分而独立存在，离开了各 个组成部份，整体也就不成其为整体了，部份也不能离开整体而单独存在，离开了整体,部份就 不再是该整体的部份了.比如说，人体是一个有机的整体,如果把人体的某一部份孤立起来考 察，那么，它就什么也不是了.另一方

6、面，整体性质不等于部份性质的总和，系统的整体功能不是 各要素功能的简单相加，它具有各个组成部份所没有的新功能，而系统的整体功能是由系统的 结构及内部的各要素相联系和作用的方式所决定的.如在材料完全相同的情况下，由于各原材 料互相搭配的方式不同，可以生产出不同的产品,创造出不同的总价值.我们通常所说的要“树 立全局观念”，这个“全局观念”就是系统观念.只有从整体、从系统与环境的种种联系和关 系出发来认识其部份.这样，才能合理的配置各个部份，恰当地处理各个部份之间的关系，才能 在总的目标指导下，充分发挥各个部份的功能.保证整个系统的正常运转，从而使整个系统达 到预期的最佳目标.整体性原则是系统方法

7、的基本出发点，观察事物和处理间题都要坚持这个 原则.大于104nm的材料可称为体材料，但当我们深入到对更小厚度的材料进行分析时，这时材 料就将呈现出薄膜所特有的特性，如很高的磁化率和矫顽力等。而当我们更深人地研究厚度 小于0.1nm的材料性质时，量子效应就不可忽略，这时的物质材料卫会呈现如量子小尺寸 效应等特征。因此，从薄膜技术分析中日r见.材料物质具有明显的系统|生与层次性。2相关性原则系统的整体性原则必须通过相关性原则而具体化.因此相关性原则是系统的最基本原则之 一组成系统的要素与要素之间、要素与系统之间、系统与环境之间不仅相互联系和相互作用, 而且相互依存、相互制约.它们之间的相互作用构

8、成整体性的运动，产生出系统的特定整体性 功能.从要素与要素之间的相互作用来看，每一要素在系统中不是平行地、孤立地起作用的， 而是处在多维的、多层次的、非线性的联系之中.每一要素的作用，都要对其它要素产生一定 的反应就系统与要素的关系来看，系统整体的特性和功能，控制和决定着各个要素在系统中 的地位、作用性质和范围大小，协调着各个要素之间的结构联系和功能联系.系统整体的特性和功能有所变化，必然要影响到要素及要素之间的关系.系统与环境的相互作 用由系统的功能来表征,而系统的功能又是由系统的结构所决定的.任何系统都与其所在环境 相互依赖、相互制约，它们都是具有内、夕卜相互作用的同一整体而客观事物相互联

9、系和相互作用的形式是多种多样的，正是这种多样性的联系，决定了系统的多 样性.无论是物理系统、化学系统、生态系统还是社会管理系统、经济系统、技术系统都与 内部各要素间的特殊的相互作用制约的结构相关，形成具有特殊本质的相对独立的动态系 统这种动态系统中的每一组成元素，都依照同其它要素和整个系统的相互关系而体现自身 的一定作用，去掉其中的任何一个元素，系统的稳定性就要遭到破坏，甚至最终要导致系统的 崩溃总之，客观世界就是一个相互联系、相互作用的整体3有序性原则任何系统都是有结构的，而任何系统都是由一定部份组成的整体，而这一整体中的各个部份 又是由更小的部份组成的整体，如此递降，以至无穷;反过来说，任

10、何一个系统又往往是更大系 统的组成部份，如此递升,以至无，由此形成了系统的层次性.系统的任何相互联系和相互作用 都是按等级和层次进行，系统都是次序井然、有条不紊的.总是作为有秩序、完整的有机整而 存在结构的有序性是系统功能得以实现的内在根据.战国时代齐威王和大臣田忌赛马的故 事是大家熟知的同样的三匹马，由于用不同的排列次序进行比赛，所获得的结果也不相同. 这说明，具有同样组成成份的事物，由于各成份在事物内部的排列次序上的改变可以引起事物性质上的根本变化系统与要素之间的有序结合可以获得大大不同于要素简单 相加所能得到的整体功能自然界就是一个有着无限层次结构的动态系统.有序性原则的意 义在于要求人

11、们通过认识系统的结构性、层次性来揭示系统的整体特性和功能，从系统内部 各要素之间的稳定联系和稳定结构找出系统变化和发展的规律性.认识自然界如何从无序到 有序，从较低级的有序状态走向较高级的有序状态的变化发展规律.这也是当代科学所面临的 重大课题薄膜的亚稳定态特眭苗先表现任刚淀积的薄膜中，当衬底温度远低于薄膜材料的熔点或“玻 璃”转换温度时，其、lt稳态特陛更加突出。其表现为结构疏松，填充因子小，特性随外界 环境变化而敏感。此种亚稳定特性可通过适当退火加以消除。薄膜亚稳态与稳忠之间的转换 是内部原子结构有序和无序排列的右观表现，有序和_： J已序是构成自然界的两极，一叼 实际系统都是这两方面的矛

12、盾统.只是不f司系统中具体情况小同，有的系统中有序占主导 地位，有的系统t,无序占主导地泣。有序和无序不仅相互渗透，而且可以相互转换。.4动态性原则任何事物都是发展变化的，任何系统也都是处在动态之中.因此，我们不仅要认识各种系统 变化发展的方向、趋势、速度和方式，而且要研究它们变化发展的原因、途径、动力和规律 系统论的动态性原则就是研究系统变化发展的原理系统的动态性是由两个因素决定:一是 系统内部各要素的相互联系、相互作用;二是系统的环境发生变化.这两个因素都要引起系统 的变化，而后者要通过前者才起作用运用系统动态性规则，就是要从系统的动态结构以及统 的开放性,来洞察事物的发展变化趋势，既要重

13、视研究和把握系统内部各要素的相互作用对系 统的影响;又要重视研究和掌握外部环境的变化对系统的.影响;并通过分析内外因的作用，把 握系统发展变化的规律，增强工作的预见性，特别是现代科学技术的迅猛的发展把过去、现在 和未来更加紧密地联系在一起，促使人们思考间题必须面向未来.因此，把握系统的动态性尤 为重要.5模型优化原则运用系统方法时，对于比较大或比较复杂，难于直接进行分析和实验的系统，一般都需要设计 出系统模型来代替真实系统，根据研究的目的，设计出相应的系统模型，确定系统的边界范围， 鉴定系统的要素及其相互联系、相互作用的情况，运用电子计算机进行模拟实验、定量计算、 系统仿真，从而不断检验和修正

14、系统方案，通过对系统模型的研究掌握真实系统的本质和规律 从多种可能的途径中，选择出最优的系统方案，使系统处于最优状态，达到最优效果模型化是实现系统方法定量化的必经途径，优化选择模型则是运用系统方法 所能达到的目标，这一点是任何传统方法所不能做到的.模型优化可以根据需要和可能为系统 定量地确定出最优目标，并运用最新技术手段和处理方法把整个系统逐步分成不同等级和层 次结构，在动态中协调整体与部分的关系，使部分功能和目标服从系统整体的最佳目标，以便 实现总体最佳实现系统整体功能最优化的关键则在于选择最佳的系统结构.随着人们对系 统结构研究的日益深入，已逐步发展出各种最优化理论如线性规划、非线性规划、

15、动态规划、 最优控制论和决策论等数学理论突变论可用于多场耦合条件下性能评价等方面；电场活化烧结常采用球磨细化粉末，或 使用通过机械合金化后所得的纳米、超细粉末；通过控制好电场活化烧结过程参数，采用晶 粒长大抑制剂，有可能得到纳米晶复合材料，其特性与普通复合材料（微米以上）有很大不同； 纳米材料有很大比例的界面，原子在外力作用下容易运动，因此表现出比较好的韧性与一定 的延展性，其力学性能异常变化。但纳米材料尺度内还存在一个突变尺寸即临界晶粒尺寸。 晶粒度大于临界值（随材料不同而变化）晶界阻碍晶粒变形，表现为细晶强韧化的特点；但晶 粒度小于临界值，晶粒阻碍晶界滑移，表现与细晶强韧化的一般规律相反。

16、从中看出针对具 体开发的材料找到临界晶粒尺寸是采用突变论解决材料力学性能问题的关键。利用混沌机理改善材料性质，其关键技术在于扰动对于含量较少的强化相的作用，以形 成混沌运动。更进一步的工作则是找到混沌产生所需的扰动强度临界门槛值；在混沌混合条 件下，可达到均匀混合的效果。这是因为混沌具有对初始条件的敏感依赖性，每个初始位置 不同的单元的运动轨迹都是独一无二的，并且占据了整个混合空间。在电场活化烧结wC硬 质合金过程中，除了脉冲电流可看成对粘结相（Co、Ni、Fe等）和晶粒长大抑制相（VC、NbC 等）一种强扰动外，交变或脉冲的磁场对这种扰动有叠加作用，可能会对烧结体的均匀性有 较大的作用，并促

17、进各相的扩散。因此，脉冲的频率、带宽和占空比以及交变磁场的频率和 磁场强度等扰动参数将直接决定最终烧结品的质量。（1）化学本体论-物质-世界是物质的。物质的组成。化学是一门自然科学，也是一 门实验科学，基础科学。这是由它所研究的对象物质所决定了的，这就从本质上决定了化学 与整个世界及其规律总的看法的不可分割的关系。因为世界是由物质构成的。物质是客观存 在的，是不以人的意志为转移的，不管你承认与否它都是存在着的，正如列宁所说：“唯物 论的基本前提是承认外部世界，承认物质存在我们的意识之外并且不依赖于我们的意识而存 在着。”只有首先承认物质的存在，才是研究化学问题的唯一正确的出发点。应该说我们目

18、前的技术已经到了只要是物质，我们的化学检验技术就能确认任意一种物质的元素组成，也 就是说，在化学家看来，不管是什么，只要是看得到摸得着的物质，都逃不脱100多种元素 的范围，逃不出三种基本微粒：质子、中子、电子。物质的结构。关于结构，我们目前能 够明确的是主要是原子结构、分子结构、晶体结构三方面。原子结构是所有结构的基础。我 们可以这样设想：原子结构相当于混凝土，分子结构相当于预制件，晶体结构就相当于建筑 物，宏观物质相当于一座大型城市。不同的物质不外乎是元素原子的不同组合，可以这样说， 四种微粒，四种作用力，构成了物质世界。（2）物质的性质-物质的普遍性和特殊性。普遍性和特殊性的关系是共性、

19、绝对性和 个性、相对性的关系，它们既相互联系又相互区别，普遍性存在于特殊性之中，特殊性之中 包含着普遍性。许多物质的性质制法等都是普遍性和特殊性的统一。结构决定性质，性质是 表象，是果，结构是本质，是因。（因果律是构建自然科学大厦的基石。）我们无法尽知所有 物质的性质，但我们可以在每个物种中找到一两个代表物加以研究记忆，找出相似点和递变 规律，比如，烷烃中的甲烷，烯烃中的乙烯，酯类中的油脂，等等。但是这仍然没有接触到 本质，最有本源意味的是关于元素周期律的研究。透彻了解了周期律和周期表，就找到了化 学的核心主线。在周期表中，可以找到元素的“家族”，明白了物质性质千奇百怪的原因以 及一般规律。在每个“家族”中找一两个元素作代表，详细研究它的存在形式、单质、氧化 物、氢化物、氧化物对应水化物以及盐类，对于不同的物质又分别研究其物理性质、化学性 质、制法、用途等等。这样，只要详细学习了极少数的物质，依据“相似性”（或者叫“通 性”）、“特殊性”和“递变规律”三种方式就可推导出同一 “家族”的其它物质的相关知识。 可以说，“相似性”、“特殊性”和“递变规律”是学习研究化学的最基本武器。（3）物质的变化-对立统一规律。对立统一规律是事物矛盾运动的规律，既是唯物辩 证法的基本规律，又是辩证法的实