科学意识是舰艇创新的重要维度

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

吴崇建430064中国舰船研究设计中心,湖北 武汉

要:创新具有巨大的不确定性与风险。据统计,在发现(Discovery)、发明(Invention)和 新(Innovation)三摘 创1%的发现和发明能够转化为创新并最终得到应用。推动创新思维成功转化的核心要素是创新者中,只有不到者的科学意识,这对舰艇之类开放的复杂巨系统工程尤为重要。许多优秀的创新思维之所以没能走向成功,是因为缺乏该维度的认知预警。增强科学意识就是为了识大体,形成整体的视野与惯通的眼光,保证创新设计走

大道正途,在前进中把控风险。关键词:科学意识;创新;舰船设计;减振降噪中图分类号:U662.2 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.001

Scientific consciousness: an important dimension in ship innovation

WU Chongjian China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China

Abstract:Innovation features huge uncertainties and risks. According to statistics, less than one percent of discoveries and inventions convert successfully into innovations and real applications. The key element in converting innovative ideas into applications is the scientific consciousness of the innovators, which is very important for such open, complex and large-scale system engineering as naval architecture. Due to the lack of early warning for the cognition of dimension, many innovative ideas fail to convert into successful applications. Thus, enhancing scientific consciousness is important for holding the general interest and forming an integral vision of innovation so as to lead innovative design to the correct roads and approaches, and control risks in advance. Key words:scientific consciousness;innovation;ship design;noise and vibration reduction

0引言

“大众创业、万众创新”是当前国家创新发展的重大举措,也是舰艇实现跨越式发展和“弯道超车”的根本推动力。当今国家重大工程创新群体持续年轻化,他们学历高、基础理论扎实、思想活跃,也积累了一定的工程经验,但部分人的科学意识较为缺乏。人们习惯将工程经验与科学意识画等号,认定科学意识也是自然积累的过程,其实正好相 反。在西方国家,高学历人士缺乏科学意识的亦不在少数,尽管工作经验日渐丰富,却降格为科研团队中的“蓝领”,甚至不能成为创新团队的技术骨干;倒是许多领军人物,未必学历高,但有较高的科学意识。这种现象哪个国家都有,但欧美国家表现得更为显性。

1 什么是科学意识

人们对意识并不陌生,比如质量意识、品牌意识、就业意识和创新意识等。科学百科中对意识

为[1]:“意识是具体事物的组成部分,是人的定义脑把世界万物从具体事物中抽象出来的绝对抽象事物或元本体,是具体事物存在、运动和行为表现的普遍性规定和本质,是每个具体事物普遍具有的自主、自新、自律的主体性质和能力。”意识还有许多别名:中国人称它为道、天道、灵感、方向感;外国人称它为必然性、绝对精神、意志等。当代还有很多人称它为规律、法则。意识的目的是为了实现有序化和条理化。比经验更重要的是工程研究的方向感[ 2 ]:一种带有些许神秘,对创新超前感知和判断的能力,这便是“科学意识”,它使创新更具指向性,同时又能把控创新中的风险。钱学森等[3]高度概括了科学意识下的方法论:“由于系统(导弹)的复杂性,要把科学机理和经验知识结合起来,把人对客观事物的星星点点知识综合集中起来,解决问题。”

2 科学意识决定成长高度

著名数学家周海中[4]指出:“机器人在工作强度、运算速度和记忆功能方面可以超越人类,但在意识、推理等方面不可能超越人类。”许多科学家都谈到科学意识是人类最宝贵的财富,它决定青年设计师未来的成长高度! 1),是科学意识和推理是人类独有的(图 科研创新的重要维度,一种更加宝贵的潜能,要有意识地养成。“排除机遇因素,科学意识基本划定了您是机器人水准、蓝领、白领、大师级别或领袖级别”。如航空母舰或其他水面舰艇一样,潜艇减振降噪[5-10]也是“开放的复杂巨系统”。从简单到复杂、从量变到质变,巨系统设计师尤其要养成科学意识,找准宏大科研攻关的方向感,发现持续改进的要素,掌握体系贡献率,从而把控风险。

3 “新纪元描述科学”是重要的科学意识

巨系统的认知方式不能等同于简单系统。钱学森对此有深刻的认知。在科学发展的历史上,一切以定量研究为主要方法的科学被称为“精密科学”,而以思辨方法和定性描述为主的科学则被称为“描述科学”[11],他们构成发展的两个车轮,呈动态演进。自然科学多半属于“精密科学”,而社会科学则多半属于“描述科学”。“描述科学”不断演进为“精密科学”,从而推动科学技术不断发展。吴有生院士关于船舶结构弹性力学向水弹性力学的演进,就是“精密”向“更精密”的演进。从不完整的定性到比较完整的定量,将实现从定性到定量的跨越。2),总“描述科学”处于时间坐标的前沿(图是先有“描述科学”而后演进为“精密科学”。面对重大创新或未知探讨,我们总是在“描述科学”与“精密科学”之间切换并呈螺旋式上升。迄今,社会科学的大部分和工程科学的少部分仍停留在“描述科学”阶段。在计算机、数值计算和商业软件高度发展的时期,工程界似乎遗忘了“描述科学”的存在! 2图 “描述科学”不断演进为“精密科学”是科学技术的持续深化和进步Fig.2 Evolution from descriptive science to exact science indicates improving and progressing of science and technology 创新总是在未知中探索。在“新纪元”时期, “描述科学”也是重要的科学意识。谁掌握了“精密科学”,又对新认知的“描述科学”有一定的超前认识,谁就能领先一步成为创新的领袖。从事巨系统(如舰艇减振降噪)创新攻关的设计师,总是要面对无法获得完整的“精密科学”描述的问题。不要为此感到遗憾,也不要因此而轻视“描述科学”,它不是“模糊”状态,而是站在精密科学的台阶上向更高层级未知的创新探索。

4 科学意识的培养

关于科学意识的培养,乔布斯本人的描述颇有借鉴意义[ 12 ]:“当你的心能够完全沉寂的时候,你的视野便扩展开来,于是你便看到了那些你原

来看不到的东西,这就是创新,也是我认为的创新所能够达到的最高境界。设计师如果能够真正全心全意为客户着想,以客户为中心,全然地利他,依然可以调动内心深处的灵感,而不是抵触甚至抵抗别人的创新和变化。”

4.1 意识不是经验的自然延伸

经验多当然好,但也有短板,一旦流俗,即因循守旧,得过且过,或机械模仿,或单纯的经验总结,便难以自我进阶为科学意识。1“:失败是成功之母”,一定要分析败因。案例能够从成功或失败的经验中凝炼有序思路,掌握其必然性,并总结提升成规律、法则和方法,人的悟性才会提高。比如某潜艇的低频强线谱,十年理论探索,不得其解。依靠传统的傅里叶变换、谱分析,找不到对应的噪声源。会不会是传导波形发生了转换?沿着新思路,发现了螺旋桨的水母模态。其作用机理——螺旋桨通过传导在潜艇另一端滋生出新线谱及旁瓣,与传统噪声源频谱识别不同——辐射噪声与结构噪声并不是精确的频点对应。2:既要勇于“逢山开路”,也要敢于“过案例河拆桥”。要达到安静型,中国潜艇有两条追赶路径:颠覆路径和成功路径。这里重点讨论成功路径。“逢山开路、遇水搭桥”表现的是勇往直前、“天道酬勤”的豪气。德国、俄罗斯等是潜艇减振降噪技术先进的国家,中国是追赶方。逻辑上沿着他们的技术路径,直面问题、解决问题,我国潜艇也一定能到达“安静的彼岸”。但经常的情况是,当理论解释与试验相悖时,我们习惯于绕道前行。在坚持实践结果时,只靠绕道并不能解决问题,在绕过去之后还要敢于“过河拆桥”——寻求新理论、多路径解释上的突破。立志成为优秀的减振降噪专家,不能靠自然进阶,一条道走到黑,更不能把教科书上的理论当“悟道”,走向教条。对于潜艇整体振动模态分析,20年前就有计算结果。很容易得到“呼吸模态”数值解。但实艇在低、中、高航速一直未测量到“呼吸模态”。是因为技术原因测不到,还是根本就没有被激发?伴随质疑的还有: 1)潜艇总振动模态是否已经成为辐射模态? 2)这些模态是否被激发并有效辐射噪声? 3)低阶、整体模态是否掩盖了真正的声辐射模态,从而导致误判?因此,单纯依赖总结提高,科学意识的自然进 阶是小概率事件,悟性虽有所提高,然非大彻大悟,达不到相当层级。只有那些善于在实践中不断整理事物或事件之间的深度逻辑关系,同时有广博知识量,对诸多矛盾点进行深度挖掘、广泛逻辑推理,不武断下结论,洞察事物背后的蛛丝马迹者,方能不断提高判断能力,增强科学意识。

4.2 试验对工程师认知的意义

众所周知,理论要联系实际。设计师参与试验、设计试验是理论联系实际的最好方式。国内设计师不重视试验能力的培养和对试验的深度解读,甚至不关心试验过程只关心结果。除了成熟和传统的试验外,创新试验结果总是存在多重解释。任何试验都带有与生俱来的缺陷。所以试验要有强烈的指向性,以减少其“旁瓣”损失。试验是设计出来的。听起来让人担心试验造假,其实大可不必,因为试验后面还有实艇考核。对于试验的考核,科学家靠重复性和科研道德,工程师则靠实艇。专业分工分家确实会将工程问题复杂化,这要靠体制改革来解决。R. G. White指出:“理论计算都是工程的某种近似描述”。受“中庸”文化的影响,中国学者容易将书本理论当成真理,滑向教条。认为理论没有错,往往是应用出错。创新是对现有理论的突破——包括深化、修正与演进。缺乏知识的广泛性和多视角解读与研判能力,就爱钻牛角尖,就是体育界常说的“缺少阅读比赛的能力”,容易酿成风险。不以试验结果而以理论去教条地争议,必然停留在浅表层无休止的转圈。中国缺试验,要牢记试验验证,经过体系化验证的理论计算才可放心使用。

4.3 团队的互补性和巨大张力

针对巨系统,钱学森指出:“这里提出的定性与定量相结合的综合集成方法,是研究处理开放[11]复杂巨系统当前唯一可行的方法……” 。科研过程可以多样性,可以“似是而非”。但工程创新结果只有“是”或“不是”。构成唯一终极结论的科研过程并非单一指向性,而是多通道。开放的复杂巨系统往往集复杂、矛盾于一身,甚至是无法全部自圆其说的统一体。中国的减振降噪如此,德国、俄罗斯也是这样,我们要有思想准备。巨系统的复杂性决定创新需要多维度判断,不可能期盼单一、完整的精密解。有的设计师知识面宽而不深,有的深而不宽。团队的专业融合、联合攻关,正好可以弥补个体能力的不足。这是

团队对开放复杂巨系统固有的互补能力,达成新的知识平衡,产生“化学反应”,既能形成创新的巨大张力,又能更好地把控风险。否则,就有可能沦为守旧的堡垒,相互掣肘。之所以有的创新变成“创退”,是因为在“悬崖”这个维度缺乏知识预警。探讨科学意识,就是为了识大体,形成整体的视野和惯通的眼光。这样搞设计、做创新,才是大道正途,才能在前进中把控风险。

5 科学意识决定第一反应

科学意识决定人们面对新生事物或创新时的第一反应。第一反应正确了,往往事半功倍;反之,则可能步入歧途。尤其重要的是,一旦形成思维定势,改变总是很困难!错误思维定势的形成,往往是潜在逻辑支撑点少,形成“缺项自闭”。一些有天赋的年轻研究者,对“点”研究深,对“面”宽泛性不够。可能存在10 5个逻辑点,他只认识到 个,当自信遮蔽双眼,自然就觉察不到风险。最终结果还没出来,就坚信分析正确、技术路线已经洞察透彻,急于下结论。因此,年轻研究者要增加知识宽度与纵深,做有准备的大脑,警觉短板与风险点。没有量的积累、尚未归纳出变化规律,就不可能形成良好意识下的首次选择,更多依赖现有知识,进行主观或传统逻辑关系判断,出错便可能成为大概率事件!

科学意识是良好的基础功力“附体”实践,不

断逻辑推理,随时间流逝的产物[2]。基础理论是软实力,“科学意识”则是硬实力。如果没有建立良好的科学意识,面对巨系统会迷失科学研究的方向。第一反应不正确,使蛮劲只会更加偏离正确方向。科学意识难培养,我们总结的经验是: 1)加强多专业融合和互动; 2)多分析典型案例; 3)团队在某段时间集中于一个话题或者共同研读某本专著; 4 )研究国际“大家”审视问题的视野和思维方式; 5 )让年轻设计师亲历创新全过程,包括成功、失败和反复的过程。3:在某型潜艇声学改进中决定“减去”案例 2t结构上约 的阻尼材料。当时大多数意见趋向认为风险和失败的几率大于成功的几率。不同的视角产生不同的推论,问题的核心不是阻尼材料能否抑振,而是结构刚度与阻尼控制相比,哪种方 式更合理,对体系的贡献率更高。于是,将原先零4 7~8散的 个逻辑判据增加到 个有序的因果逻辑关系,最终形成确切数据链,并导致了成功。该案例具有普遍性。成功之后再回头评价改进动因、分析错误原因,就是一本活的科学意识教案:有了正确的材料、在正确的地方还需正确应用理论。该案例的成功是在多专业融合下,对设计师观念的一次成功“颠覆”。虽是一次大胆超前的10预判,却是 年积累形成的第一反应。在工程实践中,因数据链不足导致分析错误、出现风险的例子比比皆是。

6 严谨与自由结合的果实

西方科研人员涉猎的知识面相对比较宽泛,而且尤其重视仿真数据、模型测量与工程实际之间的逻辑关系及符合性,体现出大局观和总体把控能力,其实就是科学意识较强。比较而言,中国科研人员基础知识更好,尤其擅长数学、物理等基础学科,本应成为深入研究的强项和保障。但是,中国学者的基础优势并未转化为技术领域带头人评聘的加分项,而降格为科研骨干甚至是“蓝领”的现象比比皆是。许多中国设计师面对繁复的数学推演可以信手拈来,对数学、物理方程有天生的亲切感,习惯于理论推导,骨子里认定试验是“附加的”和“重复性正确”。不关心试验的复杂性和多样性,将成为最大的风险。理论研究不修正,好比射击不瞄准!一旦形成思维惯性,便是天生短板、未来成长的“天花板”。不是所有知识积累都对形成科学意识是正能量,也可能产生负能量!基于多年的工程实践,作者认为:“科学意识是长期科学严谨与自由思考的产物。而关于逻辑关系的独立思考和有意识的修3炼是关键”,如图 所示。

图1科学大脑和科学意识决定了遇到新事物或困难时的第一反应Fig.1 Scientific brain and scientific consciousness determine the first reaction when new phenomena or difficulties are appearing

图3 4科学意识的 项基本构成要素,重点是建立逻辑推理能力Fig.3 Four essential elements of scientific consciousness,and the major of which is to construct logical reasoning ability

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