系统科学方法在专业中的应用

1 系统科学方法在专业中的应用系统科学方法在专业中的应用 二十世纪以来 随着科学技术的迅速发展 各种新理论 新方法不断涌现 系统论的出现 进一步深化了人类对客观世界的认识 并以其特有的新颖思想改 变了人们的思维方式 为科学研究提供了一种崭新的方法 实际上 系统思想 早在古代就有了萌芽和具体应用 战国时期 公元前 2 5 0 年 由李冰父子主持 修建的四川都江堰水利工程就是一个典范 都江堰的 3 大主体工程 鱼嘴 分 水 飞沙堰 分洪排沙和 宝瓶 口 引水 和 1 2 0 个附属渠堰工程 形 成了一个相互联系缺一不可的有机整体 是我国古代朴素的系统思想和方法用 于工程建设的一大杰作 现代系统论是在本世纪 4 0 年代产生 发展起来的 至今仍在发展 完善之中 目前 人们普遍接受的关于系统及系统方法的观点 是 所谓系统 是一个有机整体 由若干个具有相互作用的要素构成 具有一定的 层次结构 目的和功能 它具有有机整体性 要素相互性 结构层次性 对 外开放性 动态有序性等基本特征 采用上述观点思考间题 处理问题的方法 就 是系统方法 现代系统方法在 自然科学 社会科学和思维科学各个领域中得 到了广泛的应用 美国阿波罗登月计划的实施充分说明了这一点 目前 关于系统的研究已形成 了一个庞大的科学理论体系 本文仅就系统 的结构与功能原理展开讨论 并结合材料科学中的一些事实以及社会现象进行分 析 以一个科研实例对结构方法的原理及其应用予以论证 1 系统结构与系统功能的辩证关系 系统的结构与功能相互关系的原理表明 结构决定了功能 功能反作用于结 构 结构与功能在一定的条件下又会相互转化 系统的结构是 系统 内诸要 素 构成 结合和相互关联的形式 即系统 内诸要素之间稳定的联系方式 而系 统的功能是指系统与外部环境相互联系和作用过程的秩序和能力 它体现 了一 个系统与环境之 间的物质 能量和信息的输入与输出的交换关系 系统结构与 2 功能的上述定义及其相互关系决定 了它们是一对辩证统一的哲学范畴 二者互 不可分 既没有无功能的结构 也没有无结构的功能 结构对功能的决定作用体现在以下 3 个方面 l 一定的结构是产生相 应的功能的基础 这一点在 晶体材料 X 射线研究中得到 了很好的验证 晶体 材料 X 射线结构分析就是利用 X 射线衍射图确定晶体的空间群 晶胞参数的 方法 每一种晶体物质都具有一定的内部结构 而结构则决定 了晶体对 X 射线 的衍射图案 这些衍射图案便体现 了晶体的性质 功能 如衍射 角的大小体现 了晶胞的形状和大小 而衍射强度则反映了原子在晶胞中的空间位置 非晶态物 质由于其内部没有使 X 射线产生衍射的空间结构 也就不会产生晶体般的功能 2 不同的结构产生不同的性能 恩格斯在他的哲学名著 自然辨证法 和 反杜林论 中 都曾以物质的各种同分异构体 同素异性状态和聚集状态为 例解释了这个问题 无机非金属材料金刚石和石墨就是同素异性状态的典型例 子 它们的化学成分都是由相同的碳元素构成 然而其物理性质却截然不同 金刚石是目前已知自然界 中最硬的矿物 等轴晶系 硬度为 1 0 不导 电 不易 传热 但透明 而石墨则为六方晶系 具典型的层状结构 硬度为 l 导热性和导电 性良好 不透明 这是 由于碳原子在两种物质中空间排列和组合的结构形式不 同所致 3 由于系统的整体性质是 由要素的性质 r 数量 q 和要素间的结 合方式 即结构 S 三个因素所决定的 S F r q 所以在系统的结构 稳定不变情况下 改变系统中的个别要素乃至全部其整体性能可以保持不变晶体 生长过程中由于内因或外因的干扰作用形成部分缺陷 如部分格点离子被其它离 子取代或置换 但由于晶体结构本身没有根本变化 故其宏观性能不变 系统的功能由其结构所决定 但功能反作用于结构 根据系统观点 当系统 的微小涨落影响了系统的功能 系统的结构会将这种涨落平息下去 当系统的微 小涨落经过放大形成宏观上的巨涨落 改变 了系统的功能时 系统的结构便无 力平息这种涨落 必须根据新功能 改变 调整原有结构 也就是说 系统功 能要求系统具有相应的结构 而功能又随环境的变化而变化 从这一点来讲 系 统的外部环境可以改变系统的结构 因而 人们就有可能根据功能的要求 适 3 当地调整结构 形成新的功能 这一原理近年来在科学技术领域得到充分地利 用 如在材料的科学上 把两种或两种以上不同性质的材料结合在一起 使它们 取长补短 变成具有某些特殊性能的优 良新材料 这就是材料复合新技术 众 所周知 金属比较坚韧 但大多不能耐很高的温度 而陶瓷材料耐高温却又很脆 用 粉末冶金的方法 把它们掺合一起制成金属陶瓷 就会使这种新材料具有金属的 韧性和陶瓷的耐高温的双重性能 未来的材料科学正向着 分子工程学 发展 就 是说 人们可以根据原子 分子的结构理论 把每种元素 杂质的作用 和它 们 之间的相互作用搞清楚 列成数学模型或方程 然后用 电子计算机解决这些方 程 得出科学的答案 这样 人们就能象设计房屋和定做服装一样 根据意愿来 制备具有指定性能的新材料 当然 这是一项巨大的科学任务 其本身也构成了 一个庞大的系统工程 系统观点还指 出 结构与功能在一定条件下会相互转化 这是因为结构的要 素并非处于同一层次上 同时 任何一个系统都是更高层次系统的一个子系统或 部分 系统中的任何要素都是由更低层次的部分构成的子系统 如水分子是一个 系统 但作为水分子组成部分的氢原子和氧原子 它们本身又都是一个系统 如 氢原子是由一个电子 一个中子和 一个质子构成的 而水分子作为一个系统 又可以是更高层次系统的构成要素 它与氰结合构成 了草酸 这反映了结构的 层次性 2 结构方法的实际应用 所谓结构方法 就是通过调整结构来获取新功能的方法 系统方法指出为 了提高整体的功能 达到整体的最佳 获得整体的新质 必须克服传统思维 研究 方式 注重孤立的要素数量和质量的缺点 转向注重要 素之间的联系 即注重系统的结构 由上面的讨论可知 结 构就是系统内部各个要素之 间的内在联系和组合方式 系统的结构决定系统的功能 功能又反作用于结构 4 1Prigogine 曾用公式系统地说明了功能 结构和 由于偶然因素引起的随机 涨落三者之间的相互联系和作用 科学地阐明了结构的产生与发挥功能的机制 从而为系统方法通过认识结构 掌握功能 制造结构 获得功能 改变结构 增 强功能奠定了理论基础 促使人 们从系统的观点 出发来分析 间题 改变结构 以求新质 下面结合本专业的方向介绍一下系统方法在合成中的应用 常用的湿化学制备方法 根据合成和制备过程的不同 可将湿化学法分为沉 淀法 喷雾热解法 溶胶一凝胶法 水热法 微乳法 万一射线法 下而我们对 其作分别介绍 沉淀法 沉淀法是在配制的溶液 溶质是单组分或么组分 中入适当的沉淀剂 制备超 细颗粒的前驱体沉淀物 内经过滤 洗涤 干燥或热分解得到超细粉影响因素有 溶解度 Ph 温度 溶剂等 粉体最小粒径可达数一 纳米 L 沉淀法进一步划分 又有以下几种方法 l 直接沉淀法 在单一金属离子的溶液中加入沉淀 而生成沉淀物的方法 2 共沉淀法 调整工艺参数 实现多种阳离子同时沉淀而获得成分较为均匀 的沉淀物的方法 3 化合物沉淀法 在化学计量比的配液中加入沉淀剂而得到化学计量化合 物形式的沉淀物的方法 4 水解沉淀法 化合物水解生成相应的沉淀物的方法 5 5 均匀沉淀法 将沉淀剂的前驱体溶入溶剂中 使之缓慢的化学反应产生沉 淀剂 反应体系内沉淀剂浓度完全均匀 而同时进行沉淀反应的粉体制备方法沉 淀法是较为传统的粉体制备方法对它的研究既广泛又深刻 现已广泛用于制备铁 氧体材料 荧光十州斗 敏感材料 钙钦矿型材料及尖晶石型材料等的超细粉 喷雾热解法 喷雾热解法 Spray Pyrohysis SP 法 又称溶剂蒸发法 EDS 其主要制 备过程是将金属盐溶液喷入低压高温品气氛中 形成微小液滴行 直接制得超细 粉 这种方法操作较简单 可连续生产 制备能力强 因而在工业生产中广泛应用 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是以液体化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐的前驱体 前 驱体溶于溶剂中形成均匀的溶液 加入适当的凝固剂使盐水解 醇解或聚合反应 生成均匀 稳定的溶胶体系 再经过长时间放置 陈化 饿干燥处理 浓缩成凝胶 经热处理即可得超细粉 这种方法最 JJ 几是由 Ewoll 等在1935年提出 但真正 在陶瓷制备中使用这种方法是在1952年左右 当时 Roy 利用这种方法制备了多 种陶瓷材料 控制溶胶凝胶化的主要参数有溶液的 pH 值 溶液浓度 反应温度和时间等 通 过调节工艺条件 可以制备粒径小 分窄的超细粉 与其它方法相比溶胶一凝胶 法具有可以在低温下制备出纯度高 粒径分布均匀 化学活性大的单成分或多 成分分子级混合物 以及可制备传统方法不能或难于制得的产物等优点 越来越 得到广泛的应用 目前报道的有莫来石 尖晶石 氧化错 氧化铝以及复合超 细粉 水热法 6 水热法是高温 高胀下在水 水溶液 或蒸汽等流体中进行有关化学反应的 方法 基本原理是 高温 高压下些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物 在水中的溶解度 于是氢氧化物溶入水中 同时析出氧化物也可将制备好的氢氧 化物通过化学反应 如水解反应 在高温 高压下主成氧化物 由于水热法直接 生成氧刁七物 避免了沉淀法需要缎烧转化成氧化物这可能形成硬团聚的步骤 所以合成的陶瓷粉体具有分散性好 无团聚或少团聚 晶粒结晶良好 晶面显 露完整等特点 晶格发育完整 有良好的烧结活性 水热法用于粉体制备的主要 途径有 水热沉淀 水热脱水 水热结晶 水热合成 水热分解 水热氧化 反 应电极理弧法等 近年来 水热法已被广泛地应用于各种粉体的制备 特别是用 于纳米粉体的制备引起人们的高度重视 微乳法 微乳法是以乳化液的分散相作为微型反应器 通过液滴内反应物的化学沉淀 来制备超细粉体的方法 在微乳法中 作为分散相的液滴可以是分散在水中的 油溶胀粒子 W 刑微乳液 也可以是分散在油中的水溶胀粒子 w O 了代微乳液 它们是由水 油 有机溶剂 表面活性剂和助表面活性剂组成的透明或半透明 的 各相同性的热力学稳定体系 具有粒于细小 大小均一 稳定性高等特点 正由于微乳液有以卜的特征 故才被应用到超细粉体的合成中 微乳法的过程原 理是 分别制备以反应液为分散相的两种不同的乳化液 当两种乳液混合后 不同 液滴问的碰撞 合并 发生液滴问的物质交换或传递 随之发生化学反应而生成 粉体粒子 微乳法合成粉体的粒径是受控的 其粒径受控因素有两个 一是在乳 化液中 微液滴的表面为表面活性剂和助表面活性剂所组成的单分子层界面包围 可 视为一个微型反应器 其大小在几十到几百埃之问 尺寸小且彼此分离 为超细粉 的获得提供了 个理想的反应条件 可从反应器的大小尺寸制粒径 是液滴内生 成的粒子长大到定尺寸后 表面活性剂分子将附在粒子表面 使粒子稳定井防止 进步长大 最终得到的颗粒粒径受液滴大小的控制 在微乳法合成超细粉体的过 程中 乳液的制备是个重要的环节 其常规的制法有两种 一种是把有机溶剂 水 乳化剂均匀混合 再向该乳化液中加醇 在某一时体系会突然变得透明 这样就制 7 得微乳液 此法称侧法 另种方法是把有机溶剂 醇 乳化剂均匀混合 再向该乳 化液中加入水 体系也会瞬间变得微透明 此法称为 shah 法 近年代以来 用 W O 微乳液制备超细粉的技术得到迅速发展 因为具有装置 简单 操作容易 粒子可控等诸多优点而引起人们的广泛兴趣 己制备出超细磁 性材料山月 b 超细氧化物陶瓷粉 L 之 己到 超细超导材料等 射线法 x 一射线辐照制备各类金属超细颗粒是近年发展起来的种新方法 其基本原 理是金属盐在 x 一射线辐照下还原成金属粒子 x 一射线使溶液生成了溶剂化 电子 不需使用还原 可还原金属离子 降低其化合价 经成核成长形成纳米颗粒 与其它制备方法比较 下一射线法工艺简单易行 且反应条侧为常温常压 易于扩 大生产规模 特别是采用该方法制备超细粉时 颗粒的生成和粒径的保护可以同 步进行 从而有效地防止颗粒的团聚 然而 丫一射线辐照法的产物处于离散胶 体状态 因此超细颗粒的收集非常困难 为此人们又将犷射线辐照与水热丫结晶 技术结合起来 近年来被用于制备各种超细颗粒 系统科学方法是指用系统科学的理论和观点 把研究对象放在系统的形式 中 从整体和全局出发 从系统与要素 要素与要素 结构与功能以及系统与 环境的对立统一关素中 对研究对象进行考察 分析和研究 以得到最优化的 处理与解决问题的一种科学研究方法 研究方法分类 调查法 调查法是科学研究中最常用的方法之一 它是有目的 有计划 有系统地 搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法 调查方法是科学研究中 常用的基本研究方法 它综合运用历史法 观察法等方法以及谈话 问卷 个 案研究 测验等科学方式 对教育现象进行有计划的 周密的和系统的了解 8 并对调查搜集到的大量资料进行分析 综合 比较 归纳 从而为人们提供规 律性的知识 调查法中最常用的是问卷调查法 它是以书面提出问题的方式搜集资料的 一种研究方法 即调查者就调查项目编制成表式 分发或邮寄给有关人员 请 示填写答案 然后回收整理 统计和研究 观察法 观察法是指研究者根据一定的研究目的 研究提纲或观察表 用自己的感 官和辅助工具去直接观察被研究对象 从而获得资料的一种方法 科学的观察 具有目的性和计划性 系统性和可重复性 在科学实验和调查研究中 观察法 具有如下几个方面的作用 扩大人们的感性认识 启发人们的思维 导 致新的发现 实验法 实验法是通过主支变革 控制研究对象来发现与确认事物间的因果联系的 一种科研方法 其主要特点是 第一 主动变革性 观察与调查都是在不干预 研究对象的前提下去认识研究对象 发现其中的问题 而实验却要求主动操纵 实验条件 人为地改变对象的存在方式 变化过程 使它服从于科学认识的需 要 第二 控制性 科学实验要求根据研究的需要 借助各种方法技术 减少 或消除各种可能影响科学的无关因素的干扰 在简化 纯化的状态下认识研究 对象 第三 因果性 实验以发现 确认事物之间的因果联系的有效工具和必 要途径 文献研究法 文献研究法是根据一定的研究目的或课题 通过调查文献来获得资料 从 而全面地 正确地了解掌握所要研究问题的一种方法 文献研究法被子广泛用 于各种学科研究中 其作用有 能了解有关问题的历史和现状 帮助确定研究 课题 能形成关于研究对象的一般印象 有助于观察和访问 能得到现实资料 的比较资料 有助于了解事物的全貌 实证研究法 9 实证研究法是科学实践研究的一种特殊形式 其依据现有的科学理论和实 践的需要 提出设计 利用科学仪器和设备 在自然条件下 通过有目的有步 骤地操纵 根据观察 记录 测定与此相伴随的现象的变化来确定条件与现象 之间的因果关系的活动 主要目的在于说明各种自变量与某一个因变量的关系 定量分析法 在科学研究中 通过定量分析法可以使人们对研究对象的认识进一步精确 化 以便更加科学地揭示规律 把握本质 理清关系 预测事物的发展趋势 定性分析法 定性分析法就是对研究对象进行 质 的方面的分析 具体地说是运用归 纳和演绎 分析与综合以及抽象与概括等方法 对获得的各种材料进行思维加 工 从而能去粗取精 去伪存真 由此及彼 由表及里 达到认识事物本质 揭示内在规律 跨学科研究法 运用多学科的理论 方法和成果从整体上对某一课题进行综合研究的方法 也称 交叉研究法 科学发展运动的规律表明 科学在高度分化中又高度综合 形成一个统一的整体 据有关专家统计 现在世界上有2000多种学科 而学科 分化的趋势还在加剧 但同时各学科间的联系愈来愈紧密 在语言 方法和某 些概念方面 有日益统一化的趋势 个案研究法 个案研究法是认定研究对象中的某一特定对象 加以调查分析 弄清其特 点及其形成过程的一种研究方法 个案研究有三种基本类型 个人调查 即对 组织中的某一个人进行调查研究 团体调查 即对某个组织或团体进行调查研 究 问题调查 即对某个现象或问题进行调查研究 功能分析法 功能分析法是社会科学用来分析社会现象的一种方法 是社会调查常用的 10 分析方法之一 它通过说明社会现象怎样满足一个社会系统的需要 即具有怎 样的功能 来解释社会现象 数量研究法 数量研究法也称 统计分析法 和 定量分析法 指通过对研究对象的规 模 速度 范围 程度等数量关系的分析研究 认识和揭示事物间的相互关系 变化规律和发展趋势 借以达到对事物的正确解释和预测的一种研究方法 模拟法 模型方法 模拟法是先依照原型的主要特征 创设一个相似的模型 然后通过模型来 间接研究原型的一种形容方法 根据模型和原型之间的相似关系 模拟法可分 为物理模拟和数学模拟两种 探索性研究法 探索性研究法是高层次的科学研究活动 它是用已知的信息 探索 创造 新知识 产生出新颖而独特的成果或产品 信息研究方法 信息研究方法是利用信息来研究系统功能的一种科学研究方法 美国数学 通讯工程师 生理学家维纳认为 客观世界有一种普遍的联系 即信息联系 当前 正处在 信息革命 的新时代 有大量的信息资源 可以开发利用 信 息方法就是根据信息论 系统论 控制论的原理 通过对信息的收集 传递 加工和整理获得知识 并应用于实践 以实现新的目标 信息方法是一种新的 科研方法 它以信息来研究系统功能 揭示事物的更深一层次的规律 帮助人 们提高和掌握运用规律的能力 经验总结法 经验总结法是通过对实践活动中的具体情况 进行归纳与分析 使之系统 化 理论化 上升为经验的一种方法 总结推广先进经验是人类历史上长期运 用的较为行之有效的领导方法之一 描述性