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人造物的认知、思维与创造过程

2014-04-05 16:28阅读：

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人造物的认知、思维与创造过程
摘要：考察了自然物与人造物，分析了人的思维与人造物形成之间的关系，提出思维关注点的概念。通过对工程设计中机械产品的形成过程、人脑内部的认知过程、思维方式及脑外表达形式的分析，提出一个产品设计过程模型。本文对工程设计、产品的自主创新及设计的计算机化解决方案的研究有重要的参考价值。
关键词：人造物 思维关注点 工程设计 过程模型
中图分类号：B80-05 TB21科学技术与辩证法 心理科学进展 心理发展与教育 心理科学 心理学报
人造物的认知、思维与创造过程

人造物的认知、思维与创造过程










1. 自然物与人造物
创造产生新物体。天地山水、动植物等等，活生生的自然世界使得人类生活丰富多彩。19世纪尤其是20世纪科技发展所造成的生产力的提高，让人创造出日新月异、五彩缤纷的、变化万千、玲琅满目的大千世界。现在，整个世界变得更快，人造物影响着自然世界，人用自己的智慧与力量去认识、利用、改造、适应着这个世界，也带来自然系统难以适应和自修复等问题。人用自己的智慧与能力去认识、改造、创造人造物，也能使人造系统适应和平衡着与自然的关系，并融入其中。通过认识、探索、试验获得可以与自然融合的新物体。
一般说来，自然物为不经人力干预而天然生成之物，在地球上原本就有的或经过自然作用产生的。人造物则是经过人的处理和参与而成之物。人造物从模仿自然物的外表，而不具备被模仿的自然物的某一方面或许多方面的本质特征，如自修复、自适应、自调节与自进化等能力，到了杂交、基因、克隆等人的因素的参与，获得了自然的各表本质特征。但无论如何，作为人造物，必然有人为的要素，是人类创造性实践活动的产物。这种人的要素体现在认知、思维、创造等智慧。人通过认知而将自然物、前人的人造物等作为知识存于脑中，在人造物之前，首先在大脑内部思考，其后用适当的形式在脑外表达所思，通过交流、评价，最后通过加工制造而实现，并通过各种形式加以保存，以备重用。[1]
人造物的这种人的要素还体现在，思考时要有思考对象或称之为思维资源，而这些思维资源在大脑中有其表现形式，在脑外需要某种形式来保存、传递；要有思考方式或称之为思维方式，而这些思维方式在大脑中有其形式，在脑外需要辅助形式协同；要有思考过程或称之为思维过程，这些思维过程在大脑中有其进程，在脑外需要表达形式协同。思维资源是用各种形式（文字、符号、图形、图像等）表达的知识。思维方式和大脑的基本工作原理及其思维者的个体经历（环境、所受教育、经验与训练、思维资源的占有等）密切相关。思维过程则是知识运用过程。
写文章前先打腹稿，作画下笔前先立意，建筑、机械、软件、电子等产品设计动笔前也要先立意，作为设计的主攻方向及需要解决的主要问题。
2. 人的认知与人造物
人的认知始于始于实践，这个实践最主要的是个人的环境和经历，也就是知识的积累和运用。在人的环境里，从远古的自然物占统治地位到现代的人造物占统治地位，人造物经历了逐步改进和复杂化的过程，也经历了从表象到本质的进化过程。从简单工具的手工作坊制作，到复杂机器的工业化生产，再到大工业和专门的、现代化的集成制造，机械产品的形成和机械设计过程演变经过的漫长历程可以证实这一点。考察这个历程，有助于发现人对人造物的认知、思维、创造。
人们对简单工具的思考、创造与制作是单人脑力与手脚可及，问题简单，边想边做边改便可以。即设计和加工混合而无需文档—脑外辅助形式。所有的重用问题一颗大脑即行，因此有师傅带徒弟之历程。随着人造工具及其机器的复杂化，首先遇到的问题是大脑一次性处理困难；另一方面是设计所涉及因素多样化，关系复杂，且制造过程趋于冗长，设计与制造同时并融的方式逐渐分离。随着复杂性的增加和漫长的演变过程，设计与制造分离而各自独立进行。随着工业化的进程和人们对机械产品设计本质的理解，复杂的设计过程又逐步被多方分割，出现了众多人员参与的设计过程。随之而来的是多个大脑的理解与思维方式的差异，各自的知识与专业训练背景、各个学科的知识的表达方式等等造成的沟通问题，设计结果的重用问题等。
机械产品在大脑中创造需要思维资源与思考过程。思维资源在这里就是设计资源，思考过程就是设计。因此，设计就是在脑中造物的过程，就是在脑中对思维资源的处理过程。基于大脑的特性与工作原理，基于机械产品的形成规律，这个过程从抽象到具体、从片面到全面、从模糊到清晰。因此，人造物从一开始就具有、并源于思维及其创造性。从自然的碎石片、木劈到作为劳动工具的石刀、石斧、竹签等就开始融入了人的智慧与创新，就出现了设计。古代人的狩猎工具、运载工具（橇等）、扁担等到农耕工具，农业进化而衍生出来的专门制造工具的手工业作坊到工业革命，再到大工业及其现代工业的复杂、组合、成套的机械，设计一直伴随其中。
对于复杂机器的设计需要规划，而规划的本意是：做某件事情或某种东西以及如何做某件事或某种东西的计划。做某件事情或某种东西是目标，如何做是方法且要经历一个过程，这个过程因目标的大小、过程的复杂程度而不同。对于复杂的、带有重复性的过程或说具有一般性和指导意义的过程，通常可以事先给出一个规划，这个规划或计划可以用一个体系结构模型来表达，以便评价、控制、循环、反馈、交流和重用。这个规划也先通过大脑思维获得一个想法，并将想法用适当的方式在脑外表达出来，经过交流、信息反馈和进一步思维处理而再表达出来，最终得到合理的结果。这里说的规划是思维的产物，应符合思维规律。作为思维对象的机械产品，应符合机械产品的形成规律，合乎科学规律。这个规划还要在脑外用适当的方式予以表达，这个表达应合乎人们在社会和学校所受训练中曾接受的表达方式，也就是自人类诞生以来所创造出的对自然界的认知所采取的表达方式。这种表达方式在脑外，用于辅助大脑思维和思维结果记载、交流、重用等。
大家知道，人通过五官和身体感受外界信息，这种感受以多种方式（声、光、味、神、图像、图形、文字、符号等）进行，而往往是综合的形式。在大脑内统统归结为概念、思维、处理与记忆。虽然对大脑生理、心理与生物层面的了解不尽详细，但可以从大脑的外在表现形式来研究其思维、处理与记忆。大脑行为总的是按照多种方式，并以最佳方式综合进行问题处理。然而，大脑的思维、处理方式及过程与外界的交换，却是方式单一。最主要的方式是语言，即以口头语言、书面语为主，辅以行为语言（或称肢体语言）。语言是以不同的符号及其组合表现出来的。如：自然语言、工程语言、数学物理语言、肢体语言等等。这些语言表达的是大脑中的概念及其关联。也就是人的大脑区分事物的属性及其组合。这些属性是事物的抽象和一般化描述。而事物的具体描述则要复杂得多，详细的多，麻烦的多，这便需要模型等。有些还只能意会不能言传。人们没找到合适的符号表达，无法用来交流，只能通过师傅带徒弟，通过亲身体验、感觉或说悟出其中的奥妙。[2]
人对外界的认知是从感觉开始的，而感觉、知觉、表象等都是感性认识的形式，是通过感觉器官感受客观事物。感觉可以对客观事物的个别特性在人脑中引起反应，是最简单的心理过程，是形成各种复杂心理过程的基础。进一步的心理过程则是知觉，它反映客观事物的整体形象和表面联系，在感觉的基础上形成，但比感觉复杂、完整。为了能整理感觉和知觉获得的客观事物，需要经过对感知的客观事物在脑中重现其形象。然后经过思维形成概念。也就是说，要经过在感性认识的和概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程。这些活动使人形成意识。意识是人的头脑对客观物质世界的反映，是感觉、思维等各种心理过程的总和，其中的思维是人类特有的反映现实的高级形式。思维的结果会形成思想。
思想是客观存在反映在人的意识中经过思维活动（在表象和概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程）而产生的结果。表达思想的方式有语言（口语、肢体语言、表情、专业语言--专用术语—数学、物理、机械、计算机等）、文字、图形、图像、音乐、色彩、符号等。人类用符号处理大脑与外部世界的关系，表达思想。人们通过学习、训练或经历将获得的事实、技术等等概念、思想进行关联、系统化、提炼抽象化，总结为知识。
人类在认识的过程中，把所感觉到的事物的共同特点抽出来，加以概括就成为概念。概念是思维的元素，是人的大脑思维的基本形式之一，它反映客观事物的一般的、本质的特征。机械产品的概念形成过程也是如此。概念作为思维的元素，以语言形式表达时，是以词标志同类事物的归类。概念有不同的等级，不同的概念可分别容纳十分具体的和十分抽象的事物。概念联系起来用以表达思想，而这种表达是将概念联系起来而构成的一种陈述或一个判断，即命题而进行的。作为以概念元素进行思维的过程具有多样性，总的说来是分析、综合、抽象、概括，具体讲则有动作、形象、逻辑等。它们的表达形式在脑内与脑外有区别，在不同阶段有区别，这便形成了相应的表达方式。在不同阶段使用不同的表达方式可以准确、高效、创新。参见图-1。
人造物的认知、思维与创造过程








图-1 脑内认知过程及脑外表达方式示意图
3. 机械产品-人造物、思维、脑外表达
人造物之人的要素体现在思维，思维大脑中的形式，在脑外的形式与大脑的基本工作原理密切相关，尤其是思维过程。
作为人造物的机械产品的形成过程是思维的连续变化过程，是对人造物需求的认识过程，是抽象概念的具体化过程，是人们对设计资源的运用过程。而思维的连续性受制于大脑的短时记忆特性，分段和脑外记载（辅助、重用作用）成为必然。其次，思维的层次性通过短时记忆而抓住本质，这就是通常说的，人们解决问题会将其逐级分解，从抽象到具体，从大概念到小概念（内涵、外延）。同层次概念按等级在相应的层次予以考虑和解决。
概念可以用语言、声音、图形与图像、各种符号等等来表达。利用不同阶段的适当表达形式构成相应的产品模型、设计过程模型等。人的思维取决于对问题的认知（机械产品），包括工作原理、基本构造、系统的动态特性、加工制造、形态与美学等，思维的结果是创造一个新东西，这个创造的新东西更符合当前或未来的工作原理、基本构造、系统的动态特性、加工制造、形态与美学等。就机械产品创新设计而言，却是从抽象到具体的过程，从想象到实现的过程。这里会将概念提出与具体对应。将概念具体化为功能、性能、构造、机构、加工制造要求等。人的思维与机械设计的关系是对需求进行的思维而到达物化，思维能力决定了使用阶段表达的方式进行。
人们在思考问题时，以短时记忆为依托，由于这个特点，通常会关注最有价值、信息量最大、最熟悉、已经证明是成功的东西，就是通常说的，为了能使问题的解决抓住本质，分级建立模型是必要的。首先应该建立机械产品从雏形到实体的全局模型，也就是机械产品设计过程模型。作为对人造实体形成过程的全局拟定一个设计计划，以便弄清楚人造实体如何在脑内产生？如何从抽象到具体，也就是如何获得雏形，再从雏形到实现。从人的认知与思维方式的角度，并结合机械产品的复杂程度，这个模型需要给出一套相互关联的文档集，以便在短时记忆侯村党、交流、重用。这套文档集需要用适合机械产品演变过程的、不同的、适当的文字、图形、符号等语言来表示。这套文档可以依据人脑集中注意力所能处理问题的能力和问题的关注点进行分割，也可以依据机械产品在脑中的抽象程度与相应的、适当的语言进行分割。这应反映在这个机械产品设计过程模型中。这些问题可以通过对人的认知过程与思维方式的了解，应用思维关注点的概念获得一个系统结构，通过按思维特点将系统结构按纵向与横向分层获得该体系结构的设计过程模型，各层按照思维关注点特点进行关联的产品表达模型。经过对各层进行纵向和横向变换，获得对于机械产品创新设计的解决。
概念有内涵与外延（属性的数量）之分，根据研究的不同领域和任务进行分科（某一个属性或属性的某一个方面）。脑中概念影像的多元特性—图像、场景、图形、文字、符号、静态动态等使得脑外表达难以全面，为了概念的脑外表达具有可操作性、可演化性、可预测性，可建立一个模型，参见图-2。[3]这个模型称之为思维关注点概念模型，采用概念的外延，即属性作为思维关注点，也就是在人造物的创造中，人们最关心的事情。
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图-2 思维关注点概念及其表达模型
思维关注点概念模型是对于现实世界的一个特定对象，为了一个特定的目的，根据特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的知识及相应的语言，给出的一个相关的体系结构。利用思维关注点概念可以建立机械产品的表达模型。思维关注点依据事情的确定性程度，可以分为：明晰确定的事情称为白色思维关注点，简称白点。由信息缺失的思维关注点称为灰色思维关注点，简称为灰点、无法预知的思维关注点称为黑色思维关注点，简称黑点。这些思维关注点依据个点之间的关系，可以分为：焦点—是指与其它思维关注点有许多密切关联的思维关注点。热点—是指与其它思维关注点有许多疏远关联的思维关注点。常规点—是指与其它思维关注点有少量密切关联或疏远关联的思维关注点。孤立点—是指与其它思维关注点没有任何关联的思维关注点。这些思维关注点通过关联而产生结构，用结构来表达一个复杂的概念，即增加内涵限制外延或减少内涵扩大外延等方式使抽象程度发生变化，从而表达机械系统设计中遇到的各种事情。基于思维关注点所表达的概念的大小、层、转换等达到机械系统设计的进程表达与控制评价。
4. 机械产品的创造过程及其模型
对于作为人造物的机械产品，因产品的复杂性而在造物时需要规划，因大脑生物特性、工作原理等而规划需要分段进行。规划表达了思维过程，表达了人造物的创造过程。一般说来，机械产品作为人造物，其造物过程作为产品设计或说工程设计具有普遍意义。可以用当前流行的进程表达。[4] [5] [6]参见图-3。将图-1、图-2的模型融入图-3的模型，获得机械产品的创造过程过程模型。参见图-4。
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图-3 工程设计过程、内容与参与者全景图


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