嵌入TRIZ的现代科学研究模式

MATRIZ 1周前


嵌入TRIZ的现代科学研究模式


作者简介

        张中月,陕西师范大学物理学与信息技术学院教授、博导,MATRIZ(国际TRIZ协会)三级认证、MATRIZ中国区域代表, 《TRIZ评论》和 《TRIZ REVIEW》 杂志主编、《International Journal of Photoelectronics, Biomedicine, and Sustainable Energy》 编辑、《中国光学》青年编委、陕西省科技厅创新工程师培训专家。

        摘要:方法学渗透于科学研究的全部过程,熟悉现代科学研究的特点和模式,并创新科学研究的方法是提高科学研究效率的重要手段。一方面,现代科学研究以应用为导向,探索基于新原理的新技术。科学和技术融为一体,二者相互渗透、相互转化,科学的技术化和技术的科学化同步发展。另一方面,科学研究有着特定的模式。虽然哲学家和科学家对现代科学研究的模式有着不同形式的表达,但是这些模式中包含着类似的环节。本文提出一种嵌入TRIZ思维方法的现代科学研究模式。在该模式中,TRIZ主要用来帮助研究者选题、明晰问题、提出更有针对性的假说,这对提高科学研究的效率具有重要的帮助。

        关键词:TRIZ,现代科学研究,模式

1、现代科学研究的特点

        虽然“科学”已经成为使用频率极高的词汇,但是到目前为止,对“科学”尚无统一的定义,即使在学术界,对“科学”也有着不同的理解和解释[1-2]。一般来说,科学是指建立在可检验的解释和对客观事物的形式、内容等进行预测的有序的知识系统。科学运用范畴、定理、定律等思维形式反映世界各种现象的本质的规律。按照研究的对象不同,科学可以被分为自然科学、社会科学和思维科学。在本书中,所述科学特指为自然科学。

        科学研究是指为增加知识包括人类文化和社会知识以及利用这些知识去发明新的技术而进行的系统地创造性工作。根据研究目的、任务和方法的不同,科学研究可被分为基础研究、应用研究和开发研究。基础研究的目的是探索新理论或新原理、发现新的科学领域,为发明和创造奠定基础。应用研究的目的是应用新的理论实现特定目标,将新理论转化为实用技术。开发研究的目的是将基础研究和应用研究的成果应用于生产,促进社会生产力进步。

        科学研究包括科学和技术两方面内容。科学研究主要是解决理论问题,主要是揭示自然界和人类社会中被掩盖的现象或规律,并建立新的理论、观念和知识;技术研究主要是解决应用问题,主要是将科学的成果应用到具体的实际问题解决中。科学与技术有着明显的区别,但是也有着更密切的联系。

        现代科学与技术关系表现为相互融合、相互渗透、相互转化的特点[3-7]。科学与技术甚至表现为一体化,现在很多研究已经很难区分哪一部分属于科学研究,哪一部分属于技术研究,现代科学与技术之间的界限变得越来越模糊,二者融合在一起,它们是一项研究的两个方面。这些特点在一些现代研究领域,例如生命科学与技术、信息科学与技术、纳米科学与技术、环境科学与技术、能源科学与技术有着更为突出的体现。这些领域研究同时包含了科学和技术两方面的研究,新技术是建立在新原理上的、新原理是为了实现新技术,这时科学与技术融为了一体。

        虽然现代科学与技术融为一体,但是在科学劳动者开展工作的过程中,往往是首先解决技术问题,然后再探索解决方案中蕴含的新原理、新机制。这样的操作有利于提高科学研究的效率和价值。相反,如果人们研究出很多新原理、新机制,但是当前这些新原理、新机制的性能又比较差、没有被应用的场合,那么这些研究的价值会大大弱化。

        所以,熟悉现代科学研究的模式和特点,掌握科学研究的方法,是提高科学研究效率的重要手段[8],也是培养创新型研究人才和建设创新型国家的基础[9]。

2、现代科学研究模式

        爱因斯坦创立相对论后,曾对其创造过程进行了反思,总结出了许多极具启发意义的思想。1952年,爱因斯坦提出了著名 “探索性的演绎法”的科学研究模式,如图1所示。

图1 爱因斯坦的“探索性的演绎法”科学研究模式

        爱因斯坦的“探索性的演绎法”共包含了三个阶段。第一个阶段中,从已知的经验事实直接提出假说或公理。第二个阶段中,由假说或公理推出各种结论。第三个阶段中,将推导出的结论与直接经验进行对比。爱因斯坦认为,人类认识自然界的科学研究活动是一个从经验事实开始到另一个经验事实的无限循环过程。爱因斯坦的“探索性的演绎法”被视为现代科学研究的基本方法,符合科学研究的实际过程。

        耗散理论创始人、著名物理学家普利高津总结了自己的研究方法,提出独特的七步科学思维方法[11]:1. 剖析:剖析现有理论,找出现有理论中的问题;2. 提问:找出现有理论不能解释新现象的具体问题;3. 博采:广收博采,用来解决上述关键问题;4. 思考:将上一步中“博采”到的潜在解决方案或解决问题的途径进行反复思考,不断地进行分析综合、抽象概括;5. 立案:将上一步中分析或概括的结果结合自己的直觉灵感,提出方案;6. 求解:针对上一步中的方案,应用科学理论进行严格论证或检验,方案被证实后,升华为理论;7. 应用:在实践中应用升华后的理论,以验证升华后理论的正确性。

        虽然爱因斯坦的“探索性的演绎法”、普利高津的“七步法”及其他科学家或科学哲学家提出的科学研究模式有着不同的表达形式,但是它们有着一些共性:

        (1)体现了现代科学与技术关系的新特点。现代科学与技术融为一体,但是,技术是人类更直接和迫切的需求,技术往往领先于科学,并引导着科学的发展与进步。

        (2)科学研究以现有理论为研究基础。具体的科学研究在已有的范式中展开,以现有理论为基础,具有自己本学科的独特模式。

        (3)科学研究以问题为导向。科学研究以围绕解决科学问题来展开[12]。两个模式中都是以问题为导向,通过科学研究解决新问题。

        (4)科学研究重在提出假说。解决科学问题以提出具有创造性的假说为前提,没有假说就没有办法开展科学研究。提出假说是科学研究中最重要的一环[13-16]。

        (5)科学研究的结果最终要经过验证。创造性

假说都需要经过实验验证其正确性,所以假说的选择依赖于现有的认知。没有经过验证的理论,不一定是科学研究的正确结果。

3、被重新描述的现代科学研究模式

        一般来说,现有技术或者方法均由基于已有的科学现有原理或者机制的,它们构成了一个整体。我们可以将现有技术或方法看作整体的显现一面,我们用“显”来代替;我们可以将现有科学原理或者机制看作整体的潜伏一面,我们用“潜”来代替。根据科学研究的共性,包含科学与技术在内的科学研究的模式可以被重新描述为图2。

图2 被重新描述的科学研究模式

        在图2中,技术或方法和原理或机制构成了一个整体。在科学研究中,首先解决的是技术问题(“显”的方面),然后解决的是科学问题(“潜”的方面)。下面分步描述整个重新描述的科学研究模式。

        (1)提出方向

        在这里,大家习惯说的词汇是“提出问题”。提出研究的方向意味着科学研究的开始。现代科学研究的目标往往是解决某一技术问题,而相关联的科学问题往往是埋藏在技术问题中。一般来说,提出进一步改进或提升现有技术中的关键技术指标的方向并不困难,是容易想到的,也是大家通常进一步努力的方向。但是,可能在某些特殊场合,现有技术的一些特殊指标会变得很重要,这对现有技术的应用产生某种局限,所以提升这个特殊指标成为科学研究中很好的科学研究方向。

        (2)提出具体方案或假说

        针对关键问题,提出假说的过程是最具有创造性和探索性的过程,是科学研究中最具有挑战性的环节。只有提出了假说,技术问题的解决和科学的研究才具有了发展的方向,因此,假说是科学发展的必经之路。提出具体方案或者假说的途径是多种多样的,但是提出更多、更有针对性的具体方案或假说是我们的目标。

        (3)从具体方案或假说中获得初选方案

        经过非逻辑思维或在TRIZ理论的帮助下,可能产生很多种具体方案或假说。然而,具体方案或假说不一定都能解决技术问题,同时也不一定具有创造性和正确性,这些具体方案或假说有待验证。但在现实中不可能验证全部假说,有些具体方案或假说经过经验的判断后,即可得出其可行性。这就需要首先从具体方案或假说中判断出初选方案。

        (4)从初选方案中获得最终方案

        初选方案经过逐一实验或计算验证后,获得最终方案。最终方案符合开始提出的技术发展的方向,该最终方案便会对现有技术有所改进或提升。

        (5)从最终方案中提炼出新原理或新机制

        基于最终方案的技术优于现有技术的原因是因为最终方案中具有区别于现有理论或机制的新理论或新机制,最终方案解决了阻碍技术效果的关键科学问题。从最终方案中提炼出新理论、新机制,促进了科学的进步,完成了整个现代科学研究的过程。

        在上面所述的研究过程中可能会出现以下几点情况:1、在验证具体方案时,发现没有一类具体方案有效果。这可能是由于研究者阅读文献少、基础薄弱,对问题的理解不尽然正确,需要查找错误的原因,逐步学习基础知识,并重新分析问题,再次提出具体方案;2、现实中的科学研究可能要在多轮循环上述过程后,才能得到合乎具体情况的方案。人们对科学规律的认识过程也是逐步提升的过程。因此,科学研究是逐步提升的过程、逐步积累的过程;3、现实中的科学研究也可能是上述流程的某一段,而不是整个流程。例如,可能是一个研究者提出了某一新技术或制备了某一新材料,而对新技术或新材料为什么具有新特性没有深入研究,但是报道了该新技术的实现方法或新材料的制备方法,实现了最终方案。但是没有总结出最终方案里面的新原理或新机制,接下来的另外一名研究者总结或者发现了其中的新原理或新机制,他们合力完成了整个科学研究过程。

4、嵌入TRIZ的现代科学研究模式

        TRIZ理论的主体,包括通用工程参数、发明原理、矛盾矩阵、标准解、发明问题解决算法等都是从大量专利技术中总结出来的[17],所以TRIZ理论的基础是归纳出来的,属于逻辑思维的范畴。图2中的科学研究模式中嵌入TRIZ思维方法后,科学研究的模式可表示为图3。

图3 应用TRIZ思维方法后的科学研究模式

        在将TRIZ思维方法引入到在科学研究模式中后,科学研究中多了两个步骤:即原来是从基于现有原理或机制的现有技术直接提出方向,现在则是从基于现有原理或机制的现有技术先提出一般方向,再在一般方向的基础上提出具体方向(具体方向是指具体提升某个参数)。原来是针对方向提出假说,现在则是针对具体方向对应的具体问题提出一般方案,再在一般方案的基础上提出具体方案或假说。如图2.1所示,现在将科学研究模式划分为7个步骤,下面将阐述各个步骤中的思维方式。

        1. 针对现有技术提出一般方向

        一项技术包含多个方面,可以提升的主要价值参数很多。对科学研究的初学者来说,往往看不到提升当前技术所遇到的障碍。TRIZ归纳了技术提升的39个通用工程参数,自己技术中需要提升的参数肯定是39个通用工程参数之一或几个,这样就形成“如何提升某个通用工程参数”的一般问题。因为TRIZ已经归纳好了39个通用工程参数,所以这一步骤主要应用逻辑思维。

        2. 在一般方向的指导下提出具体方向,形成具体问题

        得到需要提升的通用工程参数后,再结合自己的实际问题,得出自己项目的具体方向,然后将具体方向描述为具体问题。具体方向是在一般方向的指导下提出的,提出的过程主要基于研究者自己的知识和经验,提出这样或那样的具体方向,有很强的偶然性,过程是很难控制的。

        在现有技术中提出方向的过程是非逻辑思维的过程,非逻辑思维难度大,过程不容易控制。而逻辑思维难度小、方法易于掌握。在图3中,引入TRIZ思维方法后,将从现有技术直接提出方向的一个过程分为两个过程:首先提出一般方向,然后在一般方向的指导下提出具体方向。因为TRIZ属于逻辑思维,通过学习容易掌握,那么有难度的过程只剩下“在一般方向的指导下提出具体方向”,降低了直接提出具体方向的难度。

        3. 针对具体问题,提出一般方案

        TRIZ对不同类型的问题进行了归类,建立了四种问题的模型,即技术矛盾、物理矛盾、物场模型、功能。针对四种问题的模型,均有不同的解法。一旦将我们的具体问题描述为四种模型,TRIZ就会给出解决这类问题的一般方案。这个步骤的工作是基于TRIZ工具的,所以这个步骤主要应用的是逻辑思维。

        4. 在一般方案的指导下得出具体方案或假说

        在一般方案的指导下,研究者根据自己的知识与经验,针对自己的问题,得出具体方案或者假说,得出这样或者那样的具体方案,有很强的偶然性,过程是难以控制的,这一步骤主要应用的是灵感、直觉、想象等非逻辑思维方法。

        提出假说或者方案的过程也是非逻辑思维的过程,非逻辑思维难度大,过程不容易控制。在图3中,引入TRIZ思维方法后,将从具体问题提出具体假说的一个过程分成了两个过程:首先提出一般方案,然后在一般方案的指导下提出具体方案或者具体假说。由具体问题提出一般方案的过程是TRIZ方法的主体内容,属于逻辑思维,难度小,容易掌握。如此一来,剩下难度大的非逻辑思维过程只有“在一般方案的引导下提出具体方案或具体假说”这一步骤,这样就降低了直接提出具体方案或假说的难度。

        5. 从具体方案或假说中获得初选方案

        以上步骤得出的具体方案或假说可能是非常多的,研究者不可能逐一验证,这就需要对它们进行初选。初选过程中,没有用到具体的推导或者实验,只是在在研究者的知识和经验的基础上,主要依据灵感、直觉、想象等非逻辑思维,特别是直觉进行判断。

        6. 从初选方案中得出最终方案

        这个步骤主要依赖于推理或者实验,来验证自己提出具体方案或假说的可行性。如果所验证的方案证明自己提出的具体方案或假说可行,那么所验证的方案就可能是最终方案。当然我们也可以验证所有的初选方案,找到最优的,将它作为最终方案。这一步骤中,推理要严密;实验要严谨,推理或实验中的每一步都要依赖于专业知识。从初选方案出发,推理或实验的结果是确定的,是不依赖于研究者的。

        7. 从最终方案探索出新原理和新机制

        最终方案之所以优于现有技术,是因为其中蕴含着没有被发现的新原理或新机制。这一步的目的就是探索出最终方案中的新原理或新机制。完成了这一步,才实现了由技术到科学的重要转化,所以这一步是相当重要的。挖掘新原理或新机制,应该是在分析已有规律和机制的基础上,对最终方案不断地进行分析和综合、归纳和演绎,最终实现对新原理或新机制深刻的认识和明确的表达。所以,该步骤主要应用的是逻辑思维,是逻辑思维实现了由技术到科学的转化。此外,因为应用的一般方案是从大量不同领域的专利里面总结出来的,一般方案不拘泥于一个领域或某种类型的相互作用,所以这一步探索出的新原理或新机制也有可能突破现有技术背后的科学范式。

5、结论

        本文针对现代科学研究的特点和模式,提出了一种嵌入TRIZ创新思维方法的科学研究模式。在TRIZ一般方向或一般方案的基础上,运用非逻辑思维得到具体方向或具体方案,降低了直接进行非逻辑思维的难度。

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原文载于MATRIZ(国际TRIZ协会)旗下杂志《TRIZ评论》2018年第二期(总第十四期),如需转载与本刊编辑部 trizreview@matrizchina.cn和matriz@matrizchina.cn联系并请注明出处。


       MATRIZ为俄文中国际TRIZ协会的简写。国际TRIZ协会(MATRIZ)成立于1997年,由TRIZ理论的创始人阿奇舒勒建立,起源于1989在俄罗斯成立的TRIZ协会,阿奇舒勒为MATRIZ的第一任主席,他建立了协会的结构和基本目标以及TRIZ专家的认证过程。 MATRIZ正式于1999年注册。
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2018年07月04日

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