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中图分类号：N02 文献标志码：A 文章编号：1000-8934(2008)12-0037-05
人类技术行动都是从问题开始的，从一种不确定状态、有问题的状态开始。20世纪60年代，贝尔电话公司工程师A·D·霍尔在《系统工程方法论》一书中，将“问题解决”的一般认识程序和决策逻辑运用到工程技术领域当中，其中，他把技术认识程序的第一个关键步骤就界定为确定问题，展开对问题的分析。如果说科学问题是源于背景知识中的裂缝或鸿沟——理论与实验事实的矛盾，理论之间和理论内部的矛盾，那么技术问题就是人们的实际需要或潜在需要与现实条件不能满足这些需要的矛盾，是现有产品与人们所期望的理想产品间的差距。但是停留在这一层面上，还不足以清晰地刻画技术发明问题的特征，也无助于问题的解决。
1 什么是发明问题
20世纪，人们对认识过程和行动过程展开了许多重要的探讨，其中包括科学的探索过程，技术的开发过程，社会的经济管理过程以及其他许多人类活动过程。研究取得的重大进展表明，这些人类的认识和行动过程，存在着共同的模式。简单来说，可以归结为：问题是什么？有什么可供选择的方案？哪个方案是最好的？这一围绕问题技艺解决问题的认知模式，展示了问题提出与表达在认知过程中的重要性。
美国著名哲学家、实用主义哲学的创始人杜威在《我们怎样思维》一书中，对人类认识过程的共同模式给出了一个很好的表述。他认为，科学、技术以及我们的一切生活就是解决问题，生活本身就表现为一系列问题，最后以一个不能解决的问题而告结束。解决问题的过程可以划分为以下五个步骤：
(1)察觉到困难；
(2)困难的所在和定义；
(3)可能的解决方案的设想；
(4)运用推理对各种设想的意义与蕴涵所作的发挥；
(5)进一步的观察与实验，它导致对设想的接受或拒斥，即做出它们可信或不可信的结论[1]。
杜威提出的解决问题的认知程序，是人类认知行为的共同规律，同样适用于技术认识过程的分析。对于技术来说，“困难”的觉察源于我们在现实中或改造现实中面临的不确定的、难以抉择的境地。要进一步明确“困难的所在”，就需要我们界定问题的范围。杜威把“困难”界定为现有条件与所期望和企求的结果之间的冲突，这一定义，在现代认识论、人工智能学、控制论、系统工程学、管理学被广为接受。由此，技术问题可以看作是我们改造世界的实践目标、工程目标、技术设计目标与现有手段、条件之间的差距或冲突。
虽然，大部分的技术问题都是发明创新问题，但是，从问题的解决与处理来看，有一部分问题，(潜在)存在着明显的解决方案，通常只需要简单的技术改进，利用专业人员的个人经验就能够加以处理，如用承载量更大的重型卡车替代轻型卡车，以实现运输成本的降低。这类问题不涉及创新，存在着已知解决方案，只是知识和经验的应用，属于常规设计问题，并不是真正意义上的发明问题。一般认为，真正意义的发明性问题中至少包含一对冲突或矛盾，而且某一关键解决步骤或解决方案是未知的。例如，为了容易起飞，飞机的机翼应该有较大的面积，但为了高速飞行，机翼又应有较小的面积，这种要求机翼具有大的面积和小的面积的情况，就是该问题的基本冲突或矛盾，解决这一冲突就成为机翼设计的关键。发明问题的核心是发现矛盾并解决矛盾，不需要克服矛盾或冲突的设计并不是真正意义上的创新或发明设计。
对常规设计问题与发明创造问题的划分，我们的一个重要理论依据来自解决发明性问题的理论与方法——TRIZ(来自俄文首字母的缩写，其英文缩写为TIPS，Theory of Inventive Problem Solving)。TRIZ理论与方法出自前苏联海军部专利专家吉里科·奥特舒勒(Genrich Altshuller)的研究。从1946年开始，奥特舒勒研究了数以百万计的专利文献，发现技术系统的开发创新是有规律可循的，并在此基础上建立了一整套体系化的、实用的解决发明创造问题的方法。现代TRIZ理论的一个核心思想就指出，技术系统一直处于进化之中，解决冲突就是进化的动力，各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动技术进化过程的动力。通过对大量专利的分析及其知识来源的考察，TRIZ把技术问题划分为5个等级[2]：
创新等级划分及其知识来源
级别 创造程度
所占比例／％ 知识来源
第1级 技术系统简单的改进 32 个人知识
第2级 包含一个解决技术冲突的革新 45 公司内的知识
第3级 包含一个解决物理冲突的革新 18 行业内的知识
第4级 包含突破性解决方法的新技术
4 行业以外的知识
第5级 新现象的发现 1 所有已知的知识
根据上述层级划分，我们可以了解到，技术问题可以分为：
(1)通常的设计问题，或对已有系统的简单改进。这类问题主要凭借设计人员自身的经验即可解决，如通过厚隔热层减少建筑物墙体的热量损失。这也是我们上述所分析的常规设计问题，32％的问题属于这类问题。
(2)技术系统需要少量改进的问题：通过解决一个技术冲突对已有系统进行少量的改进。这类问题的解决主要采用行业中已有的理论、知识、经验和方法即可完成。45％的问题属于这类问题。
(3)需要对已有系统做根本性的改进问题。这类问题需要采用本行业以外已有的方法和知识加以解决，如汽车上用自动传动系统代替机械传动系统等。18％的问题属于这类问题。
(4)采用全新的原理完成已有系统基本功能的创新问题。该类问题的解决主要是从科学的角度，而不是从工程的角度出发，需要运用科学理论与科学的发现来实现新的发明创造，如集成电路的发明，虚拟现实等。4％的问题属于这类问题。
(5)罕见的科学原理导致一种新系统的发明。该类问题的解决需要依据科学的新发现，如计算机、激光等的首次发明。1％的问题属于这类问题。
其中，(1)属于普通的技术问题，(2)(3)(4)(5)可看做是真正意义上的发明问题。(1)类问题可以通过对问题的定义，运用类推的方法，与所熟悉的标准问题进行类比，如果能够获得正确的类推，就可以找到解决问题的正确方案。(2)-(5)类问题中，都涉及到矛盾，无论是技术矛盾还是物理矛盾，或是需要重大突破的技术方法。该类问题核心是如何描述与分析其中的矛盾与冲突，从矛盾之中找到突破点。发明问题的解决有时需要运用到行业内或行业外的知识，有时则需要引入新的设计方法或需要技术原理的突破，常常伴随重大的科学发现与技术发明，如美国贝尔电话公司首先发明的电话、半导体晶体管，德克萨斯仪器公司首先推出的集成电路。因此在产品创新过程中，发明问题被看做是创造或创新过程的真正问题，也是最难解决的一类问题。
2 技术客体二重性分析
根据霍尔对工程认识论的研究，定义问题或明确技术问题是需要研究和环境因素的研究结合起来，从环境因素及其发展中找到满足需要的条件，并从需要的状况中找到改变环境的方向。这样，定义或明确问题就包括两个方面的研究：需要研究与环境研究[3]。需要研究是要了解技术研究委托人、委托书对某项工程技术的开发有什么要求，有什么需要，但归根结底要研究顾客和市场有什么需要，社会的政治经济环境对系统有什么需要或要求。环境研究就是查明达到这种需要的环境条件或可行条件，即了解有什么可用的资源，寻找可能的工艺、材料、能源、信息等技术手段来解决问题。发明问题同样也需要进行需要研究，但是这些定性的需要如何与发明问题关联起来，或者如何能够进一步表述为矛盾或冲突呢？
近年来，欧洲学者克劳斯(P.Kores)与梅杰斯(A.Meijers)提出了技术客体二重性的研究纲领，认为技术客体具有物理与意向二重性，指出技术客体是人类用来实现一定功能(function)的，而物理客体则是功能的载体，凭借着功能物理客体才成为技术客体。我们认为，技术客体的功能知识为刻画发明问题中的矛盾与冲突提供了基本的哲学理念。
根据技术客体二重性的研究纲领，技术客体区别于自然科学研究对象——物理客体的一个重要方面就在于一个客体需要借助功能才成其为一种技术客体。我们在日常生活中给出的关于技术客体的许多名称，往往就是一种功能性的名称，如电视机、眼镜、体温计、汤匙……我们把各种技术装置、人工物的外部表现与性能，称之为人工客体的技术功能，或者说，凡是为了直接或间接满足设计者、制造者或使用者需要，服务于人类一定目的与意图的人工事物的外部表现与性能都可以称作是技术功能。人工物领域的研究表明，一方面，功能是理解技术客体一个不可或缺的重要方面，任何技术客体的一个本质的方面，就是它的功能，正是借助于功能客体才成其为一种技术客体[4]；另一方面，从技术客体内部组成及关系来看，它们与自然客体一样受到自然规律的支配，可以用纯粹的自然科学语言来进行描述。例如，一部汽车的部件耦合，它的重量、燃料消耗、热功效率、外形、运行的阻力等，就是关于它的自然构型与自然机理方面的特性与描述，需要受到自然规律的约束，但不涉及人的目的与价值。
由此，技术客体具有物理和意向二重属性，一方面它是具有特定物理结构的物理客体，其行为由自然律来支配的；另一方面，技术客体的一个本质的方面就是它的功能。当我们说一个技术客体具有某种功能的时候，就意味着在人类的行为语境中，它可以作为实现一定目的的手段，体现着人类的意愿、信念和愿望。克劳斯认为，如果没有这些意向性概念，如功能的描述，而只有物理性质的描述，那么我们是无法完整理解一个技术客体的。由此，我们可以借助物理概念与功能概念对技术人工客体做出结构和功能的描述。在作为物理客体的限度内，用物理概念来描述的技术人工客体，技术客体可以借助于它的物理的或结构的性质与行为来进行描述，如这条钨丝有15毫米长；用功能概念对功能来加以描述，如钨丝具有发光的功能，螺丝刀的功能是拧紧或拧松螺丝。现代物理学的语言中并没有功能、目的与企图这些概念，因此功能性的描述并不能够借助客体的物理描述而得到表达。对于技术人工客体，这两种概念都是不可缺少的。如果一个技术人工客体只用物理概念来描述，它具有什么样的功能一般是不清楚的，而如果一个人工客体只是在功能上进行描述，则它具有什么样的物理性质一般的也是不清楚的。因此技术人工客体的描述是运用两种概念来进行描述的。
人类技术行为的主要结果，就是设计和制造了各种人工客体。从技术知识、技术设计对技术客体知识的要求来看，技术客体的知识已经成为我们理解技术的一个重要方面。技术问题是技术设计，特别是常规技术设计的一个关键起点，因此，对技术问题的理解不可忽略的一个重要方面就是关于技术客体的基本知识。当我们说一个技术客体具有某种功能的时候，就意味着在人类的行为语境中，它可以作为实现一定目的的手段，体现着人类的意愿、信念和愿望。根据克劳斯的观点，技术功能的独特之处就在于它需要在使用者的意向性行为的语境中来得到理解。因此，在定义和明确技术问题中，当需要与目标具体落实到技术设计时，就要求工程技术人员把这样的需要与目标转化为人工制品或技术体系能够实现的功能，开列出详细的性质分析，然后再寻找哪些合适的物理性质能够实现和满足这样的功能。设计的概念，就是对一个物体客体做出完整的描述，使得在这描述的基础上这个客体能制造出来。但是，一个设计不仅仅是被设计事物的物理性质的完整描述，而且还应该包含(至少是暗含着)了关于这一物理系统怎样能够实现所要求的功能的理解。或者说，技术设计需要表明一个技术客体如何在物理结构基础上实现特定的功能[5]。由此，根据技术客体二重性研究，定义技术问题时，需要研究可以转变为功能分析：实现人类需求的技术客体或体系的基本功能。功能分析的目的是要确认技术客体中哪些功能是必需的，如果必需，系统的物理构成能否实现这一功能。设计中的重要突破、成本或复杂性程度的显著降低，往往就是在功能分析的基础上实现的。由此，在技术客体的功能分析之上，技术问题的需要研究就可以借助功能概念得到表达，进而为刻画发明问题中的功能与物理矛盾提供基本的切入点。
3 发明问题的分析与描述
技术发明问题是存在着至少一个以上矛盾或冲突，尚未有解决方案的问题。分析与描述发明问题就要发现这些矛盾，并对它们做出精细表达。发明问题中的矛盾与冲突分析得越清晰，问题就表达得越清晰，也才更容易找到解决的方案。
由技术客体二重性得到的对技术问题的分析表明，需要研究可以表述为技术体系实现的功能分析。由此，发明问题就可以从两个方面加以表述：一方面体现为技术客体系统功能上的冲突，即技术矛盾；另一方面体现在功能要求与实现这一功能的物理结构属性之间的冲突，即物理矛盾。技术矛盾或冲突来源于技术客体系统的功能矛盾，即当改进人工客体系统的一个功能参数时，可能会引起另一个功能参数的变化，甚至恶化，产生负面效果。例如，当年波音公司改进波音737的设计时，需要将使用中的发动机改为功率更大的发动机。但是发动机的功率越大，它工作时所需要的空气就越多，发动机机罩的直径就必须增大。而发动机机罩的增大，机罩离地面的距离就会减少，但该距离的减少是设计所不允许的。这一改进设计中就出现了一个技术冲突，既希望发动机吸入更多的空气，但又不希望发动机机罩与地面的距离减少。物理矛盾又称为内部系统冲突，表现为同一客体系统内部物理状态的相互冲突。例如，当增加一个零件的强度时，往往会引起该零件的质量或尺寸增加，而当设计者不希望增加零件的尺寸或质量时，就会产生物理冲突或矛盾。
在实际的技术活动中，这些问题可以进一步细分为：①功能矛盾和物理矛盾，体现为产品设计中功能要求与物理实现的结构之间的矛盾，如斜拉桥设计中，桥面所能承受的重量与桥的强度及安全性之间的冲突；②要实现某功能，但不知道实现这一功能的具体物理结构设计；③功能上，有效率但是效率不高，需要提高效率的更好的物理结构设计；④有害的作用或效果，希望消除这些效果；⑤必须寻找到新的物理结构方式来实现某一功能；⑥系统过于复杂。要解决上述矛盾与冲突。其中，问题①和②需要突破性的解决方法的新技术，要求来自不同科学领域的知识。这就意味着，需要来自技术原理、技术体系的创新与科学的发现才能够得到解决。问题③④和⑤，则需要来自与技术体系内相关的不同行业知识或行业外的知识来解决。问题⑥虽然不涉及矛盾，但是需要不同学科的知识简化系统，并找到问题的核心所在。
当确认技术系统的功能要求与可能的理想解后，进一步的工作就是确定可用的客体、能源、信息等，这些可用资源与系统中某些元件组合将改善系统的功能。技术问题中的环境研究包括物理与技术环境的研究，需要了解有哪一些新思想、新技术、新材料、新设计可用于满足我们的需要。此外，自然环境(气候、植物生活的状况)的研究，以及经济环境、政治环境和组织环境的研究都包含在环境研究之中。例如，工程技术项目的资金是否充分、人力是否充足，政府是否支持以及其他社会的和个人的因素如何等等，都需要在技术问题中得到充分认识。也就是说，技术问题除了自身的技术冲突与物理冲突之外，还需要考虑到环境因素，需要对系统问题、理想状态和系统环境作出识别。结合系统/环境调查(ISQ)的分析，技术问题可以分为以下几个方面：
Who：谁有问题？识别与问题相关的在系统制造、包装、运输、安装等过程中的人；
What：问题是什么？相关资源是什么？该问题主要致力于指明问题类型以及与问题相关的资源，以选择相应的解决方法；
When：问题什么时间、什么环境出现？确认是否是运行前还是运行中、运行之后发生，以及可用的时间资源；
Where：问题发生之处？确认技术系统冲突和矛盾产生的区域；
Why：问题产生的原因？分析技术系统的功能，建立物质场模型；
How：问题如何发生？找出问题的发生根源。
在技术设计中，问题分析得越清晰越明确，就越能有效地找到解决问题的方案，这是解决问题中不可忽视的关键步骤。
4 结语
从目前对技术的基本理解来看，除了作为客体的技术，还包含了作为活动的技术以及作为知识的技术，前者涉及到制造和使用人工物的过程，后者涉及到关于人工客体及其人工过程的实践智能体系。此外，技术创新一个重要的内容就是过程创新(process innovation)，也叫工艺创新，涉及产品生产技术的重大变革，它包括新工艺、新设备及新的管理和组织方法。本文主要是在技术客体层面上来探讨技术问题的分析与表达，虽然没有涉及到活动与知识领域的技术问题分析，但是，我们认为，无论是作为活动的技术，还是作为知识的技术，一个核心的层面就是关于设计、制造、调整、运作和监控各种人工事物及人工过程的活动，无论其中的知识、技能还是方法都围绕一个核心——技术人工客体。因此，基于技术人工客体层面的技术问题分析，不仅是技术问题表达的核心，而且对于拓展并推动其他领域关于技术问题的深入研究具有重要作用。