设计的科学属性及核心，本文主要内容关键词为：属性论文,核心论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031文献标识码：A文章编号：1003-5680(2007)03-0023-06
什么是设计的核心问题？设计学科与其他学科本质的区别是什么？精确地对此问题给予陈述的一种途径是寻求哲学的帮助。这类研究可以归类为设计的哲学。依据Per Galle，设计的哲学的特征是思辨设计的内在特性[1]。Love进一步将设计的哲学和设计哲学加以区分，后者是对设计方法进行哲学研究，前者则关注设计的普遍性质[2]。
哲学主要关注概念和语言，借以表达对世界的理解。对“设计”进行哲学分析的目的在于界定“设计”的概念，从而清晰表述“设计”的内涵，对“设计”的研究范畴进行哲学定位，从而凸现“设计”最本质的特质。在设计的哲学方面，国内尚未见到有关文献。
本文从哲学角度讨论设计的性质。首先澄清设计的定义，回顾Simon关于人工科学的几个重要观点：系统可分离性和决策属性。然后根据亚里士多德科学分类将设计定位为创制科学。在创制科学语境下，分析人工制品的特点，比较自然科学研究和设计研究的异同，分析设计的核心。最后分析一般设计方法的不足，提出一种新的创制科学语境下的宏设计框架。
一 设计定义
首先澄清“功能”和“结构”的概念。功能是行为的结果；行为描述事物对其所处的环境的反应；目的是依据人的价值和效用考虑人工制品的功能；结构是构成一个物体的组织安排。因此，结构是人工制品在给定物理环境下的状态，在此环境下结构展现特定行为，这些行为产生各种各样的功能，功能依照特定社会——文化环境的价值被诠释为实现特定目的[3]。
其次考察设计的定义。设计通常被定义为将功能转化为形式，但是这个概念过于模糊。一些文献从不同视角给出不同定义，具有代表性的有：
设计(Design)：
a)意指制作一个特定的人工制品或理解一个特定的活动的计划或者安排[4]。
b)是用知识连接功能和结构[5]。
c)是一种社会性的调解活动[6]。
d)转换需求为设计描述，需求一般被称为功能，此功能具体表达所设计的人工制品的目的[7]。
e)是一种有目的的人类活动，使用认知过程转换人类需求和意图为物化的实体[8]。
f)将想法转化为现实。是复杂的问题求解活动。对一个特定的项目寻找最好的可能解。以最好的可能方式满足特定需要的智力尝试[9]。
g)是通过理解和应用自然定律，缓解人类条件的匮乏的创造和实现活动[10]。
h)是一种由设计代理(设计者)为获得在设计状态下以及其相关设计过程的知识变化而进行的活动或认知过程，以达到某个设计目标。设计代理关注的主体是目标、行动和知识[11]。
i)是推理性认知活动，被分解为更小的步骤、过程、和/或阶段[12]。
做设计(Designing)：
a)是一种导向产生一种设计的非常规人类活动[13]。
b)与思考和感知等同的原始人类功能[14]。
c)是一种特殊的活动，依次以计划、目的和实际的推理描述[15]。
d)是大的计划设计过程，目的在于使所设计的人工制品具有预定的用途[16]。
e)面向目标的、由决策约束的探索和学习活动，活动背景取决于设计者对情景的感知，活动的产出是对未来工程系统的描述[17]。
f)充满不确定性和模糊性的社会活动[18]。
设计的定义非常宽泛，但是可以概括地说，设计是思考如何连接功能和实体；而做设计是实现思考的行动，包括绘图、计算等。换句话说，“设计”指概念设计，“做设计”侧重指详细设计。详细设计是概念设计的物化过程，是设计思想的量化描述。
进一步考察设计，设计可以分为不同的类别，Gero称为常规和非常规设计[19]。常规设计指对现有设计做少量改动，非常规设计指与现有设计有显著差别。非常规设计可以进一步被分为创新设计和创造性设计。前者被定义为变量取值范围的约束环境改变导致产生原先无法实现的新结果；后者被定义为在设计中引入新变量。Love将设计过程限定为非常规过程，即设计仅指具有创造性的设计，并且为首次设计。
因而，设计又概括为三种：模仿、创新和创造。当发现或创造了新的功能和结构的影射关系时(引入新变量)可称为创造性设计；当对此做微小改动加以应用时可成为模仿；当应用同样的原理实现不同的功能则称为创新。在设计科学的语境下，研究对象主要为产生创造设计的设计思考。
设计又可依据抽象程度分为不同层次。Eekels and Roozenburg将设计分为5个层次：科学哲学；工程设计哲学(包括设计认知论和存在论)；工程设计科学(包括设计现象学和方法学)；工程设计方法论(engineering design methodics)；工程设计实践[20]。
二 设计的科学属性
(一)设计是人工科学
Herbert Simon将设计定义为人工科学[21]。Simon提出几个重要论点：(1)设计问题的特征是内部系统组成部分的基本行为规律是已知的，难点在于这些组成部分的总体将如何表现；(2)系统可分离性。所有复杂系统都具有程度不等的可分离性。依照某种层次联系法则逐级构成上一层的组织，每一层次上，系统行为只依赖于对下面一个层次上的系统进行的非常粗略简化和抽象的特征概括。一个特定系统能否实现特定的目标或能否适应环境，只取决于外部环境的少许几个特征，而与外部环境的细节根本无关；(3)理解现象的第一步是理解这些现象包含哪些种事物——即分类学；(4)设计的两个核心问题：在众多方案中合理选择的效用理论和决策理论；评价现有方案的优化方法学。
(二)设计作为创制科学
Simon将设计的核心问题定位为决策。事实上，关于人工制品的科学在哲学中有自己的独立位置。
科学起源于哲学，哲学起源于古希腊。按照亚里士多德(Aristotle)，既然存在自然的科学，显然另外还要有实践的科学和创制的科学，即科学分为三类，自然科学、创制科学、实践科学？natural science(phusikos episteemee),productive science(poieetikee episteemee),and practical science(praktikos episteemee)？[22] [23] [24] 自然科学依靠人类的思辨探索支配自然的定律，自然本身是研究对象。自然科学研究那些在自身之内具有本原的，属于思辨的，原理和思想就是研究对象。研究方法是综合和分析，观察、发现、归纳，再回到个体演绎、证实。“在创制科学中，如若撇开质料，就以实体及是其所是为对象”[25]。“在创制科学那里，运动的本原在创制者中，而不在被创制者中”。这种本原或者是某种技术，或者是其他的潜能。潜能的意思是运动和变化的本原、存在于他物之中或在自身中作为他物。实践科学也是这样，在这里运动不在实践事物中，而更多的在实践者中[26]。
希腊词" poieetikee" ，与生成generating(genesis)和思想thought(noeesis)对应，poieetikee指制作making，所有的制作或者出于思想或者出于技术潜能[27] [28]。Poieetikee在英语中被译为productive。Merriam—Webster' s Collegiate Dictionary给出productive下列定义[29]：
1:having the quality or power of producing especially in abundance(具有生产的特性或具有生产的能力，特别是大量生产)；2:effective in bringing about(有效的产出)；3a:yielding results,benefits,or profits(产生结果、利益或利润)；b:yielding or devoted to the satisfaction of wants or the creation of utilities(产生或致力于愿望的满足或效用的创造)……
The American Heritage Dictionary of the English Language给出productive下列解释[30]：
From Greek poiētikos， creative,from poiētēs,maker,from poiein,to make.(源于希腊语创造的、制作者和制作)
在中文中，poieetikee被译为创制[31] [32]。创制意为创造和制作。
如在第一部分所述，设计是思考如何创造物品实现特定功能。如果所有的思考或是实践的或是创制的或是思辩的，那么如同物理学必然是思辩的，设计必定为创制科学。
本文将研究范围限定为设计作为创制科学的语境下，见图1。
亚里士多德认为，每种科学或多或少或是推理的或是原本就是寻求其目标的特定原理和原因的推理[33] [34] [35]。科学是探索支配自然的法则，即对自然现象寻找解释。与科学的角色类比，探索连接功能和实体的法则应为设计的本质。简言之，设计作为创制科学应探索连接功能和结构的尽可能精确的解释。如此，仅创造性设计有可能属于创制科学，因为它提供了新的解释。然而，如果这种解释缺乏必要的精确和概括，仍然不能作为创制科学。在此，设计中的创造性和创制科学区分开来。
(三)设计方法学与科学研究方法
科学研究方法有两个主要模型[36]：分析/综合；猜想/综合。前者即自然科学研究的一般方法，后者根源于Karl Popper的科学方法观。
分析/综合研究方法(A.B Wolfe)：观察记录所有事实，不加选择，没有偏好；对事实进行分析、比较、分类，不加假设；通过分析，归纳概括；回到事实，根据前述归纳推导演绎，给出预测，对现象进行解释。
Popper的猜想/综合模型：猜想和反驳；大胆提出理论；尽最大努力证明这些理论的谬误；无法证明则假设其为正确。
决定论的科学研究方法是过程导向的，关注于特定的过程，合理的科学重构，对一个设想的程序进行描述，程序由合理的确定步骤组成，这些步骤必然产生一种确定的结果与实际过程产生的结果相同。设计方法学是面向过程的，研究方法是描述性的，产品导向的。设计方法学主要集中在描述真实而非想象的过程，这些过程由真实的步骤组成，最后能产生出更好的结果。不同之处在于：设计方法学致力于改进设计实践[37]。而科学是对支配自然的规律的研究[38]。
因此，设计方法学与科学研究方法具有过程相似性，但是本质不同。前者是描述性的，后者是思辨性的。设计作为创制科学不同于设计方法学，应比后者具备更高的抽象性和概括性。设计作为创制科学应具备科学研究方法的特质：是思辨性的，是对设计过程的解释，是合理的科学重构。
(四)设计过程与科学研究过程
自然科学研究的过程可以表述为：观察、归纳、演绎、验证。科学的发现是通过设想一个过程Procedure，从设定的起点Start出发，经过Procedure，必然获得结果End。设想这个过程即为发现一个新的理论，与已有理论相比，能够获得与结果更完美的吻合或更简洁的表达。见图2。
设计过程可以概括为：基于自然科学的研究，遵循自然科学的法则，设想一个程序，程序由几个步骤组成，在这样一个程序下确保达到预定的功能。这样一个程序由具体的实体体现，如机械系统，具体过程包括材料选择、机构选择、控制机制、驱动方式、零件设计等。如此设计过程与自然科学的研究过程表述一致。
在自然科学那里，程序表现为新的理论，暂时不能证伪，能够解释某一类现象的一般性理论，如进化论、相对论。在设计作为创制科学的语境下，设计应表述为：程序由实体体现，建构实体的依据是基于自然科学的研究成果，如物理学、化学、力学等，实体“必须为新”，建构方法应具备一般性。可见，设计过程与科学研究过程具有反向相似性。但是程序为“新”为必要前提。
三 设计的三重性
考察设计的本质需要首先考察人工制品的特性。
(一)人工制品二重性
亚里士多德对人工制品是这样定义的：“在生成的东西当中，有些因自然生成，有些因人工生成，有些因自发生成。所有生成的东西，或者被某物所生，或者出于某物，又成为某物。因人工生成的称为人工制品，或技术品”[39]。
人工制品具有双重性：一方面是物理对象，另一方面是意图的对象。以往的研究关注设计过程，而对技术品本身的性质研究不多[40]。第一，人工制品的突出特点是他们可以用功能和目的表征。因此功能成为意图和物理对象的连接桥梁。第二，作为物理对象，人工制品具有一定程度不确定性。按照普郎克的原子理论，不存在从此岸到彼岸的必然性。因为在目前的知识基础上，个别原子事件是不适合于用因果解释的，而只受概率规律控制[41]。
因而，对人工制品，当建构了某个实体或组合去实现某种预定功能时，实际上更严格的表述是在某种概率下或者在理想状态下实现某种预定功能。而设计的目标是提高实现的概率，或使实体更好地接近理想状态。
(二)设计的三重性
设计的结果为由实体体现的人工制品，人工制品具有双重性，一方面是物理对象，一方面是意图对象。作为物理对象，与其他自然物一样，其性能、性质有未知之处，对其的研究属于自然科学研究的范畴。作为意图对象，其标识性能是通过人为设计必须达到的，即通过构建实体实现预定功能，这个过程的描述属于设计理论和方法，对设计理论和方法的研究属于创制科学。在这里，将这种意义上的构建称为设计。另一方面，设计是将自然科学的原理具体通过实体复现，如风车、摆钟是力学原理的复现，在这层意义上，设计属于实践科学。
设计的三重性决定了设计具有不同的层次：第一层，属于自然科学研究的层次，将人工制品视为研究对象，研究某个特性，如摩擦、热力学特性、接触特性、微结构特性等。第二层，创造新的方式实现某种特定功能，属于创制科学。第三层，研究更好的方式(包括管理)实现预定功能，属于实践科学。设计的三重性使设计活动跨越三类科学，见图3。
四 设计作为创制科学的内涵
将设计定位为创制科学的意义在于将设计纳入科学的语境下研究设计的本质问题。
第一，设计核心问题是功能-结构匹配原理和规则。如亚里士多德所说，感性经验告诉我们事物存在的形态如何，而科学致力于探究和揭示事物何以是这样。
第二，设计研究具备科学属性，即设计程序具备可解释性、概括性和抽象性。知识的本质是概括，进一步说，概括也就是解释的本质[42]。设计作为创制科学比一般设计方法学具备更高层次的抽象和概括性，并提供更加精确的解释。即提供规范的、可形式化、可分析、可传递、可传授、可重复的科学程序。
第三，设计研究具备科学研究方法。亚里士多德认为，解释是通过对事物的本原或本质的理智了悟和理性思辨解决的，每种科学或多或少或是推理的或是原本就是寻求其目标的特定原理和原因的推理[43]。因此思辨和推理是设计研究的一种途径。另一方面，康德认为，纯粹理性无法把握自然的本质[44]。对设计尤其如此。因此，猜想和分析成为从功能到实体的另一个可能桥梁。Popper的C/A[45] 模型是所有设计活动的概括。首先设想某种结构，然后分析是否能够产生需要的结果。然而，当用结构替代了理论时，科学方法退化为设计方法，因为这种方法缺乏功能和结构影射的精确性。其缺陷是先天的：反复迭代修改和大量计算成本。设计作为创制科学与一般设计方法的区别在于通过理性思辨和推理将猜想和分析抽象和概括从而形成合理的科学重构。
第四，设计程序与科学研究具有过程反向相似性，即从结果到原因。因此设计研究应是始于功能终止于结构的规范程序。
第五，抽象层次转换。由于人工制品的双重性，存在主观功能到客观特性的转换以及客观特性到具体结构的转换。即主观到客观、抽象到具体两个转折。
第六，设计程序的阶段性。由于设计的三重性，设计过程具备明确阶段性，其中至少存在一个阶段能够容纳创造性思考和提供解释精确性。同时，将抽象特性物化为实体必然有多种选择(否则，意味着仅存在惟一的实体实现某种特性)，因此存在决策和优化阶段。
第七，设计程序层次性。设计作为一个系统可分离为阶层不等的层次，每一层次的特性只取决于上一层次的简单的抽象特征。
因此，作为创制科学，设计的核心是尽可能精确地匹配功能和结构，特别是探索描述这种映射的规则。这种思想导向一种功能驱动方法学，即基于诱导规则和自然原理，逐步从功能导出结构。简言之：结构是渐进内生的，结构、材料、控制和驱动等应该同步渐进生成。
那么，一个问题自然生起，功能与结构之间存在联系吗？Gero认为在功能与结构之间不存在联系，但是，在结构和行为之间存在联系[46]。
至于结构与行为的关系，进化论被大多数科学家接受。进化论告诉我们，适者生存，交叉和变异是进化的前提，即自然界的生物之所以是现在的样子是因为漫长的环境作用使然，生物和环境漫长的交互作用是使其所是的原因。有多漫长？至少5000年前，各种现存的动物就是他们现在的样子。进化计算利用计算机加快了进化进程，将进化时间缩短在几个小时或几十个小时内。通过在方案阶段引入调整基因(一般遗传算法则无此项)，进化设计能够生成有限的不同形式的产品家族[47]；或者利用连杆分类学技术，随机匹配求优可以生成不同的机构方案。但是初始形态与优化形态本质上通常不会产生出乎意料的差异，实际是在已知的形态集合中自动或人工搜索最满意的形态。由此似乎可以认为，计算机能够处理的(同时人可以忍受的)时间长度不足以产生类似使人从类人猿到现代人的那种进化，更不用说从混沌开初到现代生物的那种进化。另一方面，人工制品的寿命通常为几年至多几百年(建筑物可能达几百年，机械、电子产品一般5-10年)，其历经基本不变的可以预测的环境作用。因此，应该有比进化论更有效的途径研究人工制品设计。
由于有机体的特性是期望人工制品所具有的，有机体的发育是渐进内生的，所以借鉴生物胚胎发育探索功能和结构匹配的规则是一条可能的途径。依照佩利(1802)的观点，有机体的每一部分都是按照功能设计的[48] [49]。康德认为，有机体的各个部分并不是由一种外在于它们的计划而联系起来的，其形成力量在于有机体本身的内部[50]。近200多年后的哲学家道金(1986)也如是说：生物学是至少从表面上看为特定目的而设计的复杂事物的研究[51]。因此，一个可能的途径是，通过胚胎发育学和神经发育学类比，探求生成结构的规则以描述功能到结构的映射。
另一个问题接着产生。是否存在可资利用的技术资源实现从功能到结构的影射关系？结构、材料、控制、驱动等渐进内生的设计模式是否具有技术实施可能性？激光辅助制造技术、设计的材料、机敏材料、MEMs、多功能结构、构型优化、计算机技术、微电子技术等现代技术提供了传统材料和制造技术无法达到的更为宽广的设计空间。因此更为精确地匹配功能和结构在材料和制造以及算法上成为可能。
五 作为创制科学的宏设计框架
(一)一般设计过程分析
在设计作为创制科学的语境下考察传统的设计过程。以机械产品为例，传统的设计过程为：首先，选择质料和形式，质料为市场可供材料，形式为结构、连接、驱动、控制等，然后分析在给定质料和形式下的组合是否满足预定性能指标，若不满足，则通过优化策略重新选择，如此循环直至达到预定指标。如图4。
这样的设计过程本质上是试错法，是科学研究方法的一种。但是因为在设计过程中应用的解释(材料、机构、控制等)通常是可替代的，并不具备必然性。从本质上，这种框架下的设计不属于创制科学。首先，初步选择材料和实体以及连接形式即属于感性经验层次，而为什么会是这样，科学研究已经提供了部分解释，并有待进一步研究。其次，知识的本质是概括，把有关系的因素从无关系的因素中分离出来，即是知识的开始[52]。设计是实现预定功能的某种新的解释，这种解释不只适用于个案，而是能够用科学语言概括某一类现象。初步选择材料、实体、连接、驱动、控制等属于经验层次，不具备解释的一般性。在此，解释的含义如自然科学解释的含义，不同之处在于设计的解释最终必须物化为实体或实体的描述。
(二)作为创制科学的宏设计框架
实际上，现代设计早已超越了上述框架。如引入构型优化技术可使材料和构型同时确定，通过反复迭代寻优；引入进化计算可通过交叉、变异、相转换等概念扩大设计空间；引入设计的材料的概念可根据特性设计材料的微结构；引入优化技术可建立特性目标搜寻最优结构参数和材料等；引入基于激光的层加工技术可以完成材料和实体的同步加工等等。即在低层设计局部设计方面已经具备了一个更为科学的程序(即解释)。更进一步的工作是建立一个从功能到结构整个设计过程的更为科学的程序。
如前所述，设计科学是提供从功能到结构的规范程序，应具备解释精确性。基于这种指导思想，本文提出一种功能驱动的宏设计框架(Macro Framework of Design)，如图5。
宏设计框架将设计中与创造性有关的因素和无关的因素分离开，例如，功能分布、连接特性、材料特性都可以基于功能通过计算获得，不是对实现预定功能的“新的解释”，因此是与创造性无关的因素。
其次，将感性的或经验性的知识与创造性分开，例如，预先选定材料、结构等，包括通过优化方法每次迭代选取不同的结构参数或材料参数，都是基于经验知识或计算，不属于“新的解释”。
第三，将分析和设计区分。基于自然科学原理通过计算获得实现预定功能所需要的实体特性，主要任务是分析。依据这些特性，遵循自然科学的原理，提出“新的实现功能的方式或形式”。即设计的核心为新的解释。
第四，将运动本原和能够实现运动原理的形式区分，将研究聚焦在对运动本原的思考，即能够实现某种预定特性的原因，而不是某一个具体形式。一切科学都以本学科范围的什么本原和原因为对象[53]，设计的研究对象应该是“运动的本原和原因”，对运动的本原和原因的解释与一般科学解释不同之处在于，设计最终必须是一种物化的解释，是一种可观察的过程，是一种实际可获得的结果。这种解释比以前的解释能够以更高的概率实现预定的性能，或者能够实现原先无法实现的功能，或者能够以更加简洁的形式达到预定的功能。
第五，将运动本原和实现运动实体的数字特征区分，按照亚里士多德，数目也不是运动的本原[54]，对已有的形式赋予不同的数目(例如，参数优化)是解释的具体化。
第六，由功能到实体，“从没有体积的东西，怎样生成体积和连续呢”[55]？传统的方法是猜想和分析验证。本章提出的框架基于前述提出的思想：一种功能驱动方法学，即基于诱导规则，逐步从功能导出结构。简言之：结构是渐进内生的。结构、材料、控制和驱动等应该同步渐进生成。首先，功能转化为特性，特性分化演变为局部特性，根据局部特性基于力学原理、控制原理等推导出局部结构参数。即从功能到局部特性再到整体逐步完成实体构造，并且材料、控制、驱动等同时逐步并行设计，体现了结构由功能渐进发展演变的特质。
如此，创制意义下的设计是对实现某种特性的本原的新的物化解释，物化解释的形式和数目不是预先设定的，形式和数目仅仅是物化的表述方式。这种解释能够更加精确地或者更加简洁地实现预定功能，或者能够实现新的功能。形式和数目非预先设定意味着材料可以是非均匀，连接方式可以是非传统的，驱动和控制也可以是非常规的，例如设计的材料，柔性铰链，分布式驱动，smart材料和结构等。
六 结论
设计的对象是人工制品，人工制品具有物理对象和意图对象的双重性，这种双重性使设计的研究方法有别于自然科学研究的分析和综合的研究方法。人工制品的双重性使设计具有三重性，在不同层次上属于自然科学、创制科学、和实践科学。
本文讨论作为创制科学的设计，分析其科学属性和内涵。设计作为创制科学应探索连接功能和结构的尽可能精确的解释，提供规范的、可形式化、可分析、可传递、可传授、可重复的科学程序。在此基础上提出一种宏设计框架。此框架将感性知识或经验知识从科学研究中分离，将与新的解释无关的形式从设计中分离，将分析和设计区分，将运动本原和能够实现运动原理的形式区分，将运动本原和实现运动实体的数字特征区分，将设计者的研究聚焦在功能到实体的实现这种设计的核心问题上，将研究集中在如何寻找比现有方式更好的实现。