Лекция 5. Особенности технической теории

1. Специфика соотношения теоретического и эмпирического в технических науках.

2. Структура технической теории..

3. Функционирование технической теории.

3. Этапы формирования технической теории.

1. Наряду с рассмотренным нами ранее структурным делением научно-технических работ по основ­ной целевой установке на фундаментальные и прикладные, очень важным в методологическом плане является разделение их по характеру и методам исследования. По этому основанию обычно выделяют два уровня научного постижения действительности – эмпирический и теоретический.

Первый из них (эмпирический) базируется на непосредственном взаимодействии исследователя с изу­чаемым объектом и опирается, прежде всего, на чувственное познание исследуемого объекта, отражающее его преимущест­венно со стороны внешних проявлений. Основными его методами являются: систематическое наблюдение, измерение, опи­сание, сравнение и, конечно же, эксперимент;

Второй уровень (теоретический) характеризуется доминированием рационального позна­ния, способного отражать изучаемый объект со стороны его внутренних связей и закономерностей. Основными применяемыми здесь методами являются методы, в основе которых лежат абстрагирование и идеализация: мысленные анализ и синтез, индукция и дедукция, аналогия и моделирование, исторический и логический методы, вероят­ностно-статистические методы, системный подход и ряд других методов.

Основная задача исследования на эмпирическом уровне – сбор и первичный отбор научных фактов, их обобщение и систематизация, без чего вообще невозможно научное познание. Понятие «научный факт» означает знание о каком-либо событии (явлении), достоверность которого строго установлена или доказана. При этом следует обратить особое внимание на то, что всякий научный факт, не есть простая констатация явления, а содержит в себе некоторую долю его истолкования с позиций сущест­вующих в данной области науки теорий. Иначе говоря, научный факт всегда в определенной степени теоретически «нагружен». В этой связи можно сослаться на А. Эйнштейна, который в беседе с В. Гей­зенбергом, считавшим необходимым создать физическую теорию, опирающуюся исключительно на факты, заметил, что даже сама возможность наблюдать физическое явление зависит от того, какой теорией пользуется ученый, так как именно теория во многом определяет, что можно наблюдать.

Таким образом, эмпирическое исследование в современной науке никогда не бывает «слепым»: оно, во-первых, базируется непосредственно на практике, порождаясь ее целями, осмысливаемыми учеными и, во-вторых, в значительной мере планируется и конституируется теорией.

Спецификой технических наук является то, что здесь в эмпирический уровень включаются также конструктивно-технические и технологические знания, являющиеся результатом обобщения практиче­ского опыта при проектировании, изготовлении, отладке и эксплуатации технических систем. Это эвристиче­ские методы и приемы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.

Конструктивно-технические знания преимущественно ориентированы на описание строения (или конструкции) технических систем, представляющих собой совокупность элементов, имеющих опреде­ленную форму, свойства и способ соединения. Они включают также знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования.

Однако эмпирический уровень технической теории содержит в себе не только такие знания, которые по сути дела ориентированы на обобщение опыта инженер­ной работы, но также особые практико-методические знания, представляющие собой реко­мендации по применению научных знаний, полученных в технической теории, в практике инженерной деятельности. 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. Такие рекомендации, од­нако, формулируются на основе теоретических знаний, полученных в специаль­ных научно-технических и инженерных исследованиях. 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. В качестве основного средства познания здесь выступают так называемые теоретические объекты (абстрактные схемы, мысленные модели и др.), которые наделены не только признаками, обнаруживаемыми у реальных объектов, но и такими, которыми последние не обладают (примерами могут служить идеальный газ, абсолютно твердое тело и т. д.).

2. Для разъяснения структуры технической теории очень важно показать ее сходства и отличия по сравнению с естественнонаучной, прежде всего, физической теорией, поскольку первые технические теории строились по ее образцу. Как известно, в структуре развитой естественнонаучной теории наряду с концептуальным и математическим аппаратом важную роль играют теоретические схемы, образую­щие ее своеобразный «внутренний скелет». Не менее важную роль они играют и в технической теории.

Теоретические схемы представляют собой особые идеализированные представления (теоретические модели), которые часто (в особенности в технических науках) выражаются графически. Они ориенти­рованы, с одной стороны, на применение соответствующего математического аппарата, а с другой, – на мысленный эксперимент (мысленное проектирование возможных экспериментальных ситуаций). Приме­ром их могут быть электрические и магнитные силовые линии, введенные М. Фарадеем в качестве схемы электромагнитных взаимодействий. В дальнейшем Г. Герц использовал и развил эту теоретиче­скую схему для осуществления и описания своих знаменитых опытов, построив, в частности, изобра­жения так называемого процесса «отшнуровывания» силовых линий вибратора, что стало определяющим для решения проблемы дистанционной передачи электромагнитных волн и тем самым для появления радиотехники. Он также анализировал распределение сил для различных моментов времени, назвав такое изображение «наглядной картиной распределения силовых линий».

Представители научного сообщества всегда имеют подобное идеализированное представление объ­екта исследования и постоянно мысленно оперируют с ним. Но если в современной физике оно может и не выражаться в графической форме, то в технической теории его графические изображения играют исключительную роль.

Теоретические схемы выражают особое видение мира под определенным углом зрения, заданным в данной теории. Они, с одной стороны, отражают интересующие данную теорию свойства, стороны и связи реальных объектов, а с другой, – являются 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 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.

Абстрактные объекты технической теории обладают целым рядом особенностей. Прежде всего они являются «однородными» в том смысле, что собраны по определенным правилам из некоторого фикси­рованного набора блоков. 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.

Любые технические системы 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 технические системы оказы­ваются собранными из одного и того же набора типовых элементов, то остается задать лишь опреде­ленные процедуры их сборки и разборки из идеальных цепей, звеньев, пар и элементов. Эти идеализи­рованные блоки соответствуют стандартизованным конструктивным элементам реальных технических систем. Тем самым в теоретических схемах технической науки задается образ исследуемой или проек­тируемой технической системы.

Теоретические знания, получаемые в технических науках, должны быть обязательно доведены до уровня практических инженерных рекомендаций, в связи с чем проблема интерпретации и эмпириче­ского обоснования в них формулируется как задача инженерной реализации. Поэтому в технической теории важную роль играет разработка особых операций перенесения теоретических результатов в область инженерной практики, установление четкого соответствия между сферой абстрактных объек­тов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, что соответст­вует фактически теоретическому и эмпирическому уровням знания.

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

Функциональные схемы являются результатом идеализации технической системы на основе принципов определенной технической теории и фиксируют общее представление о технической системе, независимо от спо­соба ее реализации. Они совпадают для целого класса технических систем. Блоки этих схем фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради кото­рых они включены в нее для выполнения общей цели. Совокупность такого рода свойств, рассмотренных обособлено от тех нежелатель­ных свойств, которые привносит с собой элемент в систему, и определяют функциональные элементы таких схем или их блоки. Как правило, они выражают не обобщенные математические операции, а функциональные связи или отношения между ними, т.е. математические зависимости.

Функциональные схемы, представляют собой графическую форму математического описания системы. Причем каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определенное математическое соотношение или вполне определенная математическая операция (диффе­ренцирование, интегрирование и т.п.). Порядок расположения и характеристики функциональных элементов должны быть адекватны схеме.

В классической технической науке функциональные схемы всегда привязаны к определенному типу физического процесса, т.е. к определенному режиму функционирования технического устройства, и всегда могут быть отождествлены с какой-либо математической схемой или уравнением. Однако они могут быть и не замкнуты на конкретный математический аппарат и в этом случае выражаются в виде простой декомпозиции взаимосвязанных функций, направленных на выполнение общей цели, предписанной данной технической системе. С помощью функциональной схемы строится алго­ритм функционирования системы и выбирается ее внутренняя структура.

Поточная схема, или схема функционирования, описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие элементы ее в единое целое. Блоки таких схем отражают различ­ные действия, выполняемые над естественным процессом элементами технической системы в ходе ее функционирования. Такие схемы строятся, исходя из естественнонаучных (например, физических) представлений. Режим функционирования технической системы определяется прежде всего тем, какой естествен­ный процесс в ней протекает.

Для каждого вида естественного 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 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 сведены к стационарным состояниям, а последние могут рассмат­риваться как частные случаи процесса.

Структурная схема технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются про­цессы функционирования. Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы, представляющие собой конструктивные элементы различного уровня, входящие в данную техническую систему. Они могут отличаться по принципу действия, по техническому исполнению и по ряду других характеристик. При этом они обладают кроме функциональных свойств и такими, которые привносят с собой в систему определенным образом реализованные элементы, в том числе и нежела­тельными (например, усилитель может привносить с собой искажения усиливаемого сигнала).

Структурная схема фиксирует структуру, т.е. конструктивное расположение элементов и связей данной технической системы и уже предполагает определенный способ ее реализации. Такие схемы, являясь результатом некоторой идеализации, отображают структуру технической системы, однако не являются ни ее скрупулезным описанием, ни ее техническим проектом. Это, скорее, еще теоретический набросок будущей системы, помогающий разработать ее проект. Это может быть продуцированный технической теорией исходный пункт для последующей инженерной деятельности, или же теоретическая схема уже существующей техниче­ской системы, имеющая цель ее теоретического расчета и поиска возможностей для усовершенствования, или даже разработки на ее основе новой системы. Часто эти схемы строятся на основе представле­ний более специализированных научно-технических дисциплин и решают теоретическими средствами возникшие в них задачи.

Структурные схемы, таким образом, представляют собой идеализированное изображение техниче­ского устройства, абстрагированное от многих его частных характеристик (например, габаритов, веса, способов монтажа и т.д.). Эти характеристики учитывают уже в процессе проектирования и изготовле­ния, т.е. в самой инженерной деятельности. На структурных же схемах указываются обобщенные конст­руктивно-технические и технологические параметры стандартизированных конструктивных элементов, необходимые для проведения дальнейших расчетов: их тип и размерность в соответствии с инженер­ными каталогами, способы наилучшего расположения, соединения и т.д.

Структурную теоретическую схему следует отличать от различного рода изображений реальных, встречающихся в инженерной деятельности схем, например, конкретных монтажных схем, служащих руководством для сборки технического устройства на производстве. Для идеализированных элементов структурных теоретических схем вводятся специальные условные изображения.

Таким образом, структурная схема в идеализированной форме отображает техническую реализацию физического процесса. В классической технической науке такая реализация, во-первых, является всегда технической и, во-вторых, осуществляется всегда в контексте определенного типа инженерной дея­тельности и вида производства. В современных человеко-машинных системах такая реализация может быть самой различной, в том числе и нетехнической. В этом случае термины «технические параметры», «конструкция» и т.п. не годятся. Речь идет о конфигурации системы, ее обобщенной структуре.

В технической теории на материале одной и той же технической системы строится несколько опера­тивных пространств, которым соответствуют различные теоретические схемы. В каждом таком «про­странстве» используются разные абстрактные объекты и средства оперирования с ними, решаются особые задачи. В то же время их четкая адекватность друг другу и структуре реальной технической системы позволяет «транспортировать» полученные решения с одного уровня на другой, в том числе и в сферу инженерной деятельности. Механизмы взаимодействия этих оперативных пространств могут быть раскрыты в результате методологического анализа функционирования технической теории.

3. Функционирование технической теории осуществляется своеобразным «челночным» способом. Прежде всего, формулируется инженерная задача создания определенной технической системы, потом она представляется в виде идеальной структурной схемы, которая в свою очередь преобразуется в поточную схему. Для расчета и математического моделирования этого процесса строится функцио­нальная схема. Таким образом, как мы видели выше, инженерная задача переформулируется вначале в научную проблему, а затем в математическую задачу, решаемую дедуктивным путем. Этот путь назы­вается анализом схем.

Такой анализ создает возможность приступить непосредственно к решению поставленной инженер­ной задачи, которое осуществляется обратным путем – синтезом схем, который позволяет на базе имею­щихся конструктивных элементов (точнее – соответствующих им абстрактных объектов) по определен­ным правилам синтезировать теоретическую схему, представляющую идеальную модель новой технической системы, рассчитать ее основные параметры и проимитировать функционирование. Решение, полученное на уровне теоретической схемы, последовательно трансформируется на уровень инженерной деятельности, где уже учитываются второстепенные, с точки зрения идеальной модели, инже­нерные параметры и проводятся дополнительные расчеты, поправки к теоретическим результатам.

Полученные теоретические расчеты должны быть также скорректированы в соответствии с различ­ными инженерными, социальными, экологическими, экономическими и т.п. требованиями. А это может потребовать введения соответствующих новых элементов в состав теоретических схем. Такие элементы можно рассматривать как дополнительные сопутствующие признаки этих схем и одновременно как ограничения, накладываемые на эти схемы их конкретной реализацией. Формулировка системы сопут­ствующих признаков и ограничений, может привести к необходимости многократного возвращения на предыдущие стадии, составления новых поточных и функциональных схем и проведения новых экви­валентных преобразований и расчетов.

Одна из основных задач функционирования развитой технической теории заключается в тиражиро­вании типовых структурных схем с учетом всевозможных инженерных требований и условий и форму­лировке практико-методических рекомендаций проектировщику, изобретателю, конструктору и т.д. Тогда решение любых инженерных задач, построение любых новых технических систем данного типа будет заранее теоретически обеспеченным. В этом состоит конструктивная функция технической тео­рии, ее опережающее развитие по отношению к инженерной практике.

Следует отметить также, что в технической теории синтез теоретической схемы новой системы, как пра­вило, связан с анализом уже существующих аналогичных систем.

В практической инженерной деятельности синтез в чистом виде также встречается редко, т.к. определен­ные параметры технической системы и ее элементов, как правило, уже заданы в условиях задачи. По­этому синтез зачастую сводится лишь к модернизации старой системы. Кроме того, в обычной инже­нерной практике всегда существуют традиционные эмпирически полученные структурные схемы, которые обычно берутся готовыми и синтез в этом случае сводится к анализу, в ходе которого опреде­ляются лишь некоторые неизвестные параметры проектируемой системы. В условиях массового и серийного производства технические системы создаются из стандартных элементов, поэтому и в тео­рии задача синтеза заключается в связывании типовых идеализированных элементов в соответствии со стандартными правилами преобразования теоретических схем.

Функционирование технической теории направлено на аппроксимацию² полученного теоретического описания сложной технической системы, т.е. его эквивалентное преобразование в более простую и пригодную для проведения расчетов схему, например, типовую, для которой уже существует готовое решение. Поэтому главное внимание в технической теории направлено на разработку типовых спосо­бов решения инженерных задач, стандартных методик проведения инженерных расчетов как можно более простыми средствами. Этим определяется в значительной степени и характер технической тео­рии, доказывающей правомерность такого рода преобразований. Сущность метода аппроксимации заключается в компромиссе между точностью и сложностью расчет­ных схем: точная аппроксимация обычно приводит к сложным математическим соотношениям и расче­там, слишком же упрощенная эквивалентная схема технической системы снижает точность расчетов.

Эту особенность применения математики в инженерном деле отмечал еще создатель теории корабля академик А. Н. Крылов, критиковавший тот суеверный страх перед приближенными вычисле­ниями, который прививается в высших учебных заведениях будущим инженерам. Аппроксимирующие (заменяющие) выражения и схемы должны по возможности точно выражать характер заменяемой функции или схемы и в то же время быть как можно проще, чтобы и математические решения были более простыми.

Таким образом, в технической теории заданы и специально нормированы не только правила соот­ветствия функциональных, поточных и структурных схем, т.е. эквивалентные преобразования их друг в друга, но и правила преобразования абстрактных объектов в рамках каждого такого слоя теоретиче­ских схем. При этом ведущую роль в технической теории играют структурные схемы, описывающие в идеализированной форме конструкцию технической системы, поскольку именно через них полученные теоретически результаты решения инженерных задач транслируются в область инженерной практики.

Поскольку инженер обычно ограничен в выборе конструктивных элементов и способов их изготов­ления, конструктивные и технологические параметры оказывают существенное влияние на выбор структурной и соответствующей ей поточной схем технической системы, а это, в свою очередь, опре­деляет и те математические средства, которые могут быть использованы для ее расчета. Поэтому тех­ническая теория содержит несколько теоретических слоев, ориентированных на различные реализации технической системы.

Например, для теоретической радиотехники это будут теория радиопередатчиков, теория усилителей (выделяемые по функциональному признаку); импульсная техника, техника сверхвысоких частот (вы­деляемые по типу естественного процесса, протекающего в технической системе); теория электронных и ионных приборов, теория полупроводников (выделяемые по конструктивно-технологическому прин­ципу) и т.д. Каждая такая теория более полно учитывает особенности тех или иных режимов функцио­нирования и конструктивно-технические и технологические параметры технических систем и их эле­ментов.

Однако все вышеназванные теории опираются на одну базовую техническую теорию, исследующую общие свойства электродинамических процессов в радиотехнических устройствах, т.е. получение, передачу, распространение в пространстве, прием и различные преобразования электромагнитных волн в разных физических средах. Эта базовая техническая теория в свою очередь генетически определяется соответствующей базовой естественнонаучной теорией.

Таким образом, функционирование технической теории заключается в решении определенного типа инженерных задач с помощью развитых в теории методик, типовых расчетов, удобных для применения в различных более специальных научно-технических и инженерно-проектных исследованиях и разра­ботках. Создание же новых таких методик, выработка правил и доказательство теорем об адекватности эквивалентных преобразований и допустимых аппроксимаций, конструирование новых типовых теоре­тических схем и моделей относится к развитию технической теории. Но вначале остановимся на осо­бенностях формирования технических теорий.

4. Первые технические теории, как уже отмечалось, формировались как приложение физических теорий к конкретным областям инженерной практики. Это происходило, как правило, в два этапа, которые во многом характерны и для развития современных технических теорий.

На первом этапе осуществляется переработка заимствованных из базовой естественнонаучной тео­рии схем экспериментальных ситуаций в структурные схемы конкретных технических устройств, а также со­вершенствование и модификация их конструкции. Объект исследования и проектирования рассматри­вается здесь лишь как разновидность объекта исследования базовой естественнонаучной теории.

На втором этапе осуществляется разработка обоб­щенной теоретической схемы, которая чаще всего транслируется из смежных областей или из базовой естественнонаучной теории. Однако если к этому моменту в базовой естественнонаучной теории нет соответствующего раздела, то он строится заново, что является специальной задачей. В технической теории вводятся ранее рассмотренные нами однородные абстрактные объекты, которые обязательно ставятся в соответствие конструктивным элементам реальных технических систем, т.е. осуществляются анализ и синтез теоретических схем. Если же область инженерной деятельности уже сложилась, то возможна ее перестройка под теоретическую модель, т.е. подведение конструктивных элементов под идеальные элементы абстрактных объектов.

На втором же этапе производятся попытки построить проекцию обобщенной теоретической схемы на класс гипотетических технических систем, что приводит к необходимости создания математизиро­ванной теории. Здесь же на эмпирическом уровне технической теории происходит создание блока практико-методических знаний (например, рекомендаций для будущей инженерной деятельности). Апробация же технической теории производится уже в самой инженерной практике, а доказательством ее жизненности является создание на ее основе новых технических систем.

Развитие технической теории проходит двумя основными способами: эволюционным и революцион­ным. В первом случае происходит выделение новых исследовательских направлений и областей в рамках одной и той же фундаментальной теоретической схемы; во втором – смена одной фундаментальной теоретической схемы на другую при переходе в новое семейство на­учно-технических дисциплин.

Примером такого перехода является изменение парадигмы научного и инженерного мышления в ра­диолокационной системотехнике, а именно – когда электродинамическая картина мира замещается системно-кибернетической. Радиолокация попадает в новое семейство научно-технических дисциплин, имеющих системную ориентацию. Переход от классической радиолокации к радиолокационной систе­мотехнике это прежде всего переход от разработки отдельных радиолокационных станций различ­ного назначения к созданию многофункциональных систем, позволяющих решать задачи, которые не под силу отдельным радиолокационным средствам.

Многие современные научно-технические дисциплины ориентируются на системную картину мира, в классических же технических науках она использовалась в качестве исходной физическая картина мира. В радиоэлектронике (которая представляет собой сегодня целое семейство дисциплин) использу­ется, например, преобразованная радиотехникой фундаментальная теоретическая схема электродина­мики. Физическая картина электромагнитных взаимодействий (колебаний, волн, полей) совмещается со структурным изображением радиотехнических систем, в которых эти физические процессы протекают и искусственно поддерживаются. Таким образом, она преобразуется в картину области функциониро­вания технических систем определенного типа. С одной стороны, данная картина является результатом развития и конкретизации фундаментальной теоретической схемы базовой естественнонаучной теории к области функционирования технических систем, например, к диапазону практически используемых радиоволн как разновидности электромагнитных колебаний. С другой стороны, эта схема формируется в процессе систематизации и обобщения различных частных теоретических описаний конструкции данных технических систем и включает в себя классификационную схему потенциально возможных технических систем данного типа и режимов их функционирования.

Фундаментальная теоретическая схема выполняет важную методологическую функцию в техниче­ской науке – методологического ориентира для еще неосуществленной инженерной деятельности. Она задает принцип видения вновь создаваемых технических систем и позволяет выбирать для решения данной инженерной задачи наиболее подходящие теоретические средства из смежных технических, математических или естественных дисциплин. 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.