大科學研究系統方法論的邏輯結構

劉維寶

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽 621900）

1 大科學研究范式的形成及內在要求

1.1 大科學研究的概念與特點

“大科學”（large-scale science）研究是第二次世界大戰后逐步興起的科學研究概念。1962 年美國科學家普萊斯（Price DJD 1922-1983）根據其時代科學研究的規模呈指數級發展的統計學規律，在其出版的《小科學 大科學》一書中首次提出了“大科學”概念［1］；綜合自那以后諸多科學研究范例，大科學研究通常是指那些追求重大科學目標，對人類社會發展進步具有重大影響,且一般由那些綜合國力相對強大的特定國家或國家集團協作開展的重大研究使命。從系統科學的觀點出發，大科學研究具有一般系統的普遍存在特征［2］，又屬于復雜性科學范疇，因而必然是系統化的科學研究實踐，這種復雜且系統化的科學研究實踐，存在三方面的突出特點：一是大科學研究目標的實現過程，一般須經較長研究周期，少則三、五年，多則幾十年；二是大科學研究通常牽動廣泛的學科、專業配套，呈現跨學科、跨專業、甚至跨領域、跨行業的廣泛協作；三是大科學研究既可能表現為學科專業上的大跨度交叉、大協作實施的前沿基礎性研究，也可能是建立在某種特殊的工程化設施基礎上的科學研究；這就意味著，在某些情況下，大科學研究又必須與大科學工程相結合，大科學工程是創造大科學研究條件的必備過程，大科學研究又反過來促進大科學工程技術升級發展。作為特定的復雜系統，從系統結構和系統定義角度看，大科學研究系統實際上既包含了那些結構良好（Well-structured）、易定義的（welldefined）的硬系統問題（Hard systems proplem），如大科學研究設施系統研制問題，又包含了一些不良結構（ill-structured）、難以定義（ill-defined）軟系統問題（Soft systems proplem），如大科學研究的多學科交叉的重大研究命題系統問題；因此，大科學研究系統又是“硬系統問題”與“軟系統問題”共為一體的復雜系統問題［3］。

1.2 大科學研究范式的方法論要求

根據大科學研究的系統形態及固有特點，必然存在其系統化科學研究命題破解過程的科學方法論，這個所謂的科學方法論與它的客觀對象相對應，稱之為系統方法論［4］，它是解決包括大科學研究在內的所有系統問題的科學方法論，概括地講，系統方法論是解決系統問題的邏輯層次結構的總稱，包括決定系統價值認知的系統思維概念層次［5］，系統方法形成機制的主體層次，基于系統方法生成機制的組合方法應用層次等三層次結構；這個三層次結構既是知識的、也是邏輯的；層次之間的邏輯關系：系統思維決定系統方法的形成機制，系統方法的形成機制結合特定的系統對象產生解決系統問題的組合方法；這一結構層次，逐級遞進，不可混亂，其中系統思維作為思想的傾向或對事物的整體把握，起到支配作用，系統思維決定系統方法形成機制的內在邏輯，系統方法形成機制產生不同適用對象的特定的方法組合。對于科研實踐，尤其是具有復雜系統特征的大科學研究實踐，科研目標的成功，本質上是思維或邏輯的成功；可以說，包括大科學研究在內的一部科學研究歷史，既是揭示自然規律的知識創造過程，更是科學方法論的探究與完善過程，在人類每遇重大科學挑戰，遁入迷宮，千回百轉的困難境況下，總是樂于回歸本原性（或哲學）的反思，今天諸多大科學問題，正是處于這樣的情境之中，與早期的科學研究形態相比，部分大科學研究要么導致現存的局部或整體科學體系的革命性變化，要么就是某種程度的資源浪費，面對這類極具挑戰性的宏大科學研究事業，科學共同體須在哲學反思與科學實踐之間，構架與完善科學方法論這座橋梁，這是我們對系統方法論結構層次解構分析的認識基礎。

2 大科學研究系統方法論的結構層次

2.1 大科學研究的系統思維理念

2.1.1 系統思維

思維方式是人看待客觀世界的特有心理定勢，通俗點理解，這個定勢大體上就是態勢或傾向的意思，它是由每個人所處的環境和個體經歷塑造而成的。由于環境和個體經歷千差萬別，人的思維方式就存在不同的表現形式；那些致力于科學的人，由于他們的系統知識的教育背景及所處的科學研究環境，科學工作者及所屬科學共同體的思維方式也在此特定背景與環境中得以塑造，這種思維方式整體看是科學思維方式［6］，而不大可能是其他的思維方式，如宗教思維方式；但科學發展的不同階段，科學工作者這種科學思維方式則存在很大的不同，我們觀察科學的發展階段，常有傳統科學與現代科學之分，傳統科學研究遵循“有序”“可分”“絕對理性”三條基本法則［7］，追求簡單與絕對理性，從哲學思想看，它還是還原論思想及其結果；大科學研究屬于現代科學研究范式的新發展［8，16］，與傳統科學研究既有聯系，又存在顯著不同，大科學研究誕生于傳統科學研究基礎上，它從傳統科學研究的簡單系統實踐走向復雜的大系統研究實踐，當傳統科學實踐中那些統御各學科研究的認識和理解自然事物的法則被顛覆（如無序對有序、不可分對可分、相對理性對絕對理性的顛覆等），這就不可避免地觸及到思維層面某些固有理念的動搖，這種思維領域的矛盾折沖是個過程，從“還原論”到“整體論”［9］，再到這二者在現代科學研究的實踐中，相互補充，辯證統一的思維融合，進而凝聚成為統御新世代科學研究的“系統認識論”［10］；從這個角度觀察，大科學研究也可稱之為是系統思想的產物，系統思維自然也就成為大科學研究科學共同體的共同思想基礎。

2.1.2 反映系統思維的科學形態的演變

系統思維是科學實踐日益復雜化的趨勢性要求。在人類解決自身諸多發展命題，對科技持續提升要求的過程中，科學的形態持續發生重大變化，以上世紀40 年代所發生的一些重大科學研究事件為標志，在此之前，一場重大的科學演繹或實驗，通常就是科學工作者個體，在一個有限空間的獨立個體行為，就科學而言，那些所謂容易解決的，在此過程中解決的也都差不多了，剩下的，都是些難于解決的［11］，這場發端于上世紀40 年代的復雜化了的科學的形態的變化，逐步導致思維層次的新演繹，到二十一世紀的今天已達前所未有的程度；在科學界直觀地提出“大科學”這個一定程度上反映復雜化了的科學的形態的新概念同時，在認識論上，這個新的科學研究概念的產生與復雜性緊密聯系起來，而這一切又是由科學上“做成事”或“沒做成事”的過程決定的，這種科學范式的變化與上世紀六十年代以來所興起的“后現代主義文化思潮”遙相呼應［12］，哲學上又稱之為“復雜性思維”或“復雜性世界觀”［13］，它是系統運動的自然演化，也是系統思維的新發展；這樣大科學研究就是復雜性科學在語義上的近似表達，基于這一邏輯，大科學研究復雜性也就獲得了與復雜性科學近似的語義內含，關于復雜性，根據美國哲學家雷舍爾［14］在《復雜性：一種哲學概觀》一書中所做的歸納：復雜性分為“兩類、四種”：兩類是指認識論模型、本體論模型；四種是計算復雜性、組分復雜性、結構復雜性、功能復雜性；這四種又進一步析出更精細的九種具體復雜性的結構；在國內的各種文章中的表達則不很統一，但總是與這樣一些語境相關聯：如，可分與不可分、有序與無序、線性與非線性、對稱與破缺等；那么，放在大科學研究這樣特定科學研究范式中，如何認識和理解系統思維演繹出的那些帶有普遍意義的新內含呢，這里筆者從大科學研究的實踐出發，試做如下歸納：

（1）走向開放的復雜系統：大科學研究誕生于傳統科學研究基礎上，從傳統科學研究的簡單系統實踐走向復雜的大系統研究實踐，大科學研究打破了傳統科學研究的相對封閉體系，將研究對象本體與環境統一于一個大系統；顯然，一旦這一研究的主體對象系統與環境聯系在一起時，就形成了這二者之間的雙向影響，通常有什么樣的研究對象就產生什么樣的系統環境，環境是系統對象的附屬物，大科學研究范式出現后，大科學研究的系統主體對象某種程度上是由環境塑造的，環境變化了，系統主體對象也發生變化，這樣的大科學研究系統就具有了某種開放性系統特征［15］，在這個開放性系統中，傳統科學研究遵循的法則在某些條件下可能失效，大科學研究使命之一，需探索各學科共同遵循的新法則及聯動機制，而這并不必然意味著對傳統科學所遵循法則的全盤否定，更多情況下可能是二者的融合與貫通，如可分的與不可分的，還原的與整體的，線性的與非線性的等；科學思想的變革是科學突破的前奏。

（2）持續演化的系統運動：運動是永恒的。大科學研究實踐是復雜系統運動的演化過程，這一演化是大科學研究作為復雜系統內在特征所決定的，這可以從幾方面加以具體認識：一是大科學研究目標與大科學智力系統的整體認知能力之間的雙向影響，促使大科學研究目標的持續演化；二是大科學研究目標與大科學研究設施之間的雙向影響，促使大科學研究過程持續演化；三是大科學研究設施與相應領域的科技發展水平的雙向影響，促使大科學研究能力的持續演化；這三方面演化特征，從大科學研究實踐的總體目標看，始終表現為由某種不確定性走向確定性，再由某種確定性走向新的不確定性的循環演變；從大科學研究實踐過程看，始終是由研究的某種無序走向有序，再由某種有序走向新的無序的過程循環；總體走勢是大科學研究水平的持續提升。

（3）在涌現與貫通中發現新規律：大科學研究作為系統化的科學研究實踐，通常包含系統總體層次的研究行為，以及一系列子系統的分解性研究行為或其他配套行為；總體與局部之間，局部子系統研究行為是系統總體性研究的基礎和前提，系統總體性研究全部或部分超越局部子系統研究，二者一般不具有替代性，也就是一般情況下，在局部子系統研究基礎上，一定要進行系統總體層次的研究，系統總體性研究具有涌現性，這種涌現性是該系統的局部子系統所不具有的，大科學研究聚焦、獲取這種涌現性，并借助整體涌現性，尋求某種不確定中的確定，某種無序中的有序。但是，在追求整體涌現性的探索路徑中，也有這樣之情形，某些特定系統的系統規律是蘊含在局部子系統中的，大系統的規律是通過局部子系統的研究，加以推演獲得的；如局部天體系統研究之于宇宙系統規律的認識，細胞分子結構層次的研究之于生命系統的科學認識等，即為這類情形，謂之：上窮碧落下微塵，整體與微觀上下貫通，在整體涌現與微觀細推中尋求對大科學復雜系統規律的全面認識。

2.2 大科學研究系統方法的形成機制

2.2.1 通向解決系統問題的方法機制

系統思維是形而上的，它還只是一種思想的傾向，或者就是一種領悟，還不能達到解決問題的層次，通向解決問題的則另有存在。關于這個存在，可從人的個體學習體驗中加以反證，在人接受系統教育的過程中，一個人從幼兒園、小學、中學、大學的學習過程大約占據人生的1/4 時間，這個過程人接受了一系列的系統知識學習，直至走向社會；我們發現，這套系統知識的大部分隨著人年齡的增長和社會實踐的延伸，到后來大部分都忘記了，但當遇到某個現實問題時，特定個體似乎又總是能夠形成某種即時的思想反應，通常結合具體對象，只要基本信息輸入是充分的，這個特定的個體一般總是能夠在第一時間，對問題做出某種明快的判斷，或自然浮現某種處理步驟；這時起作用的實際上是一種思想機制，這個思想機制是一種結合問題對象的方法形成機制，它可能調動一切關聯性知識，如物理的、化學的、生物學的，或多學科綜合的，它是受過教育的人，在遭遇問題時，在意識上自動生成的一種處理問題的方法形成機制；這是我們學習系統知識過程中，獲得的已經成為我們思維中的內化了的一種理性結構，這套理性結構產生持久的作用，不隨系統知識忘卻而消失。由此推論：如果某種思維傾向是針對客觀事物的整體透視、領悟和把握，那么特定方法的形成機制就是通向解決問題的橋梁；同樣，系統思維是針對系統問題的整體透視、領悟和把握，系統方法的形成機制則是通向解決系統問題的橋梁，這樣的一個形成機制就構成了系統方法論的主體層次。

2.2.2 系統方法形成機制的解構分析

系統方法總是與系統聯系在一起的，我們說系統方法形成機制，也就是說它是一套關于處理系統問題理性化了的思維結構，這個結構根源于系統特征，而系統特征反映的是系統存在的本質；因此，方法論對解決系統問題起作用，實際是通過這個精細結構的形成機制在發揮作用，它將系統方法的形成機制引入到特定的系統運動過程，促使脫離了客觀對象的理性化了的方法形成機制與具體的系統運動關聯起來，從而產生某種解決問題的具體機制。

這個具有普遍意義的結構機制是：（1）需求：初始出自于人類的某種客觀需求，這種客觀需求一般都是由某一特定現實問題牽引而來；（2）客體信息：基于需求輸入，通常存在與此類需求相關聯的客體信息及其相關聯的環境信息，對于這些客體信息與環境信息是需要做具體分析與甄別的，這是確保對問題系統的準確描述必不可少的步驟；（3）系統概念：通過分析與綜合，或歸納與演繹，提出某種概念系統，這僅是回應需求的初始步驟，有關復雜系統的概念系統生成，不是一蹴而就的，通常是一個反復權衡的過程；（4）方案性（或程序性）設定：這是為實現概念系統，所生成的一套解決方案以及處理問題（包括統籌資源）的程序，通俗一點講就是打定了做事與如何做事的主意；（5）施與客體對象：將所設定方案與程序付諸實施，這是與問題對象具體結合的過程，也就是做事的過程；（6）價值再判斷：做事有結果，針對某種輸出的結果，需作價值再判斷；如圖1 所示。

圖1 系統方法形成機制

“（6）”與“（1）”之間構成了循環關系；“（2）”～“（5）”作為系統方法的一般形成機制，圖中的系統思維表示對客觀事物的整體透視、領悟和把握的意識形態功能，全程起決定性作用，極端情況下可導致生成步驟中止。在系統方法形成機制中，始終存在著潛層狀態的龐大的知識體系，這個龐大的知識體系就是自然科學的各學科以及社會科學相關學科，均可視之為對這個結構機制的方法支撐，就這些方法的屬性看，整體上是定性與定量相結合，因為這種結構機制，它們就處于了某種可調用的秩序中。

關于系統方法的形成機制的解析，重點在于復雜系統的方法形成問題，對于復雜系統，它的方法形成機制，與簡單系統問題的方法形成機制，在時間和空間兩個維度的展開程度上顯著不同，對于簡單系統，它的方法形成機制，特別是在遭遇性的極端情況下，可在極有限的時、空限定條件下就完成，可簡化為一個輸入，一個輸出，中間則如同一個黑匣子，而復雜系統則相反，系統方法的形成機制是一個在時間上持續循環、在空間上大跨度展開的機制。

2.3 大科學研究組合方法的應用集合

方法論與方法分屬不同范疇。如前所述，方法論是一種有層次的邏輯結構，方法在這個邏輯結構中是方法論的基礎，沒有方法論的方法，僅是一種客觀存在方式，沒有方法做支撐的方法論，實則淪為方法論的空談；大科學研究實踐中的方法組合，總是與特定的方法論聯接在一起，而方法作為人類智慧的結晶，始終是技術性的、具體的、動態的。基于實踐的豐富性，已凝練形成了系統方法論的多種理論論述，如系統工程方法論、綜合集成方法論、WSR 方法論等［17-18］，系統方法論的某種理論學說，在與其系統運動過程相結合時，往往牽引某些新技術、新方法的形成，也牽引某些新技術、新方法的組合，這種新技術、新方法的組合，實質是創新行為，在這個創新過程中，可能是新技術、新方法的創新，但更多的是基于現有技術、現有方法的再組合。

關于系統方法論的理論結構及其結構層次中所處的不可或缺作用的方法組合，有廣泛、鮮活的實踐可資佐證，這里借助ICF 激光聚變研究案例略加剖析：

3 案例分析

3.1 中美ICF 激光裝置研制案例的簡要描述

為了破解人類的終極能源需求，美國人建立了國家點火裝置（National Ignition Facility，簡稱：NIF），這是一座歷時10 年（1999—2009）建造完成，已經投入運行10 余年（2009—2020）的數兆焦耳的超大型激光裝置設施，位于美國加利福尼亞州的勞倫斯·利弗摩爾國家實驗室。NIF 裝置共有192 路釹玻璃激光器，能夠提供高達約4MJ 的1 053nm 激光和約1.8MJ 的351nm 激光，并被聚焦到靶室中心的靶丸上，用以聚變物理的研究工作；其在物理外觀形象上占據面積約相當于數個標準足球場的規模。

中國ICF 激光裝置具有與NIF 裝置某種類似或超越的規模特點及復雜的功能特性。在研制目標上具有與NIF 裝置類似的長遠追求目標，鑒于涉及到理論模擬、實驗、診斷、驅動器和制靶等五位一體的復雜系統屬性，中美ICF 激光裝置研制均面臨同等性質的科學技術及工程層面的長期挑戰，反映在雙方決策層對全局把握與掌控的戰略構思，如ICF研究實施路線圖、ICF 研究戰略規劃等是典型的系統思想的產物。

在受到多方面資源約束條件下的中美ICF 激光裝置設施研制戰略推進層面，毫無疑義，雙方在實踐層次共同將這一戰略研究項目，建立在系統工程的認知基礎上［19］，并將做這件事的過程，作為系統工程過程；系統工程是中美ICF 界共同遵循的一套方法論的特定理論結構，而且這個眾所周知的理論結構的最初起源，正是諸如曼哈頓工程、NASA的航天工程等類似的大科學研究實踐的凝練，又反過來應用于更廣泛層面的大科學研制實踐，包括上世紀七、八十年代以來逐步大規模展開的ICF 激光裝置研制，并在實踐中不斷豐富與完善。

因此，這里將中美ICF 激光裝置研制工作定義為系統工程方法論應用的典型案例之一，且由一系列更精細的方法組合而成的方法論應用結構。

3.2 中美ICF 激光裝置研制方法組合比較

適應于規模特點和復雜的系統功能特性要求，中、美沿各自戰略發展路線圖，致力于ICF 激光慣性約束聚變研究及與其階段目標相適應的ICF 激光裝置研制過程中，基于系統工程方法論，逐步形成了一套特定的做事方法組合，這里所謂特定意指服從于該項的專屬方法組合，雖不排除，但又不直接納入那些廣義社會實踐活動中，被廣泛應用的數學、物理、化學、或其他任何相關普適性方法（專業）。對這些經年實踐、反復運用，被證明行之有效的特定方法組合的具體歸納，詳見表1 中美ICF 激光裝置研制系統方法組合比較。

表1 中外ICF 激光裝置研制系統方法組合比較

圖2 中國ICF 激光裝置研制系統工程“V”圖

圖3 美國NIF 裝置研制系統工程“V”圖

3.3 案例分析的基本結論

通過表中的歸納對比，至少可得出以下3點結論：

（1）表1 的對比分析案例，反映了ICF 大科學研究領域，基于系統工程方法論，所形成的一套特定方法組合，這些方法組合，既有共性的、也存在由各自宏觀系統環境差異所決定的特定方法組合上的局部差異，隨著相關ICF 激光裝置的成功研制并達成相應目標，佐證了基于系統工程方法論的特定方法組合應用的有效性。

（2）中外ICF 科學共同體，共同遵循的這套既有共性特征、又有差別的方法組合，絕非偶然，這套方法運用的行為背后，正是系統方法論的內在邏輯結構在大科學研究實踐中的作用范例。

（3）大科學研究系統方法論的邏輯結構是解決系統性問題的普適性結構。鑒于實踐的豐富性，它與具體實踐對象結合方式也是豐富多樣的，不局限于大科學研究領域的這一類結合方式，還可推演到更加廣泛的系統實踐中，歸納而言，可以推演到所有自然系統和社會系統的問題解決過程中，當系統方法形成機制與具體的系統運動過程相結合，并由此形成解決特定系統問題的方法組合，從而導致廣泛的系統性問題的有效解決。

4 結語

方法論是一切學科發展的本質問題。世界上所有成功的大科學研究實踐，一方面表現為科學或工程領域的巨大成就，另一方面則總是凝聚著鮮明的科學方法論與創新，可以說，凡是具有重大影響力的大科學研究，它的整體實踐行為都必須建基于某種核心的科學方法論基礎上，而不是一組實踐活動或經驗行為的簡單聚合。基于實踐探索，本文提出了大科學研究系統方法論的層次結構及邏輯關系，從系統思維到系統方法形成機制，系統方法形成機制與具體系統運動結合而產生解決系統問題的方法組合，大科學研究共同體應遵從大科學研究的系統實踐邏輯，持續豐富與完善科學方法論并作為自我塑造的組成部分，促進大科學研究新突破。