自然辩证法在工程中的理论与应用.ppt
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1、自然辩证法在工程中的理论与应用l教学重点与难点:针对工程硕士的特点,以科学发展观为指导,根据建设创新型国家的要求,突破传统自然辩证法教材的体系结构,在讨论一般科学技术问题基础上,突出关于工程问题的讨论。第一章 科学、技术与工程的一般特点第一节 科学的含义和特征第二节 技术的含义和特征第三节 工程的含义和特征第四节 科学、技术、工程的联系与区别第一节 科学的含义和特征l科学的词源西方的古拉丁(公元前1千年前)语“scientia”是指“知识”,也就是将科学指向认识的“成果”,但是不涉及真理性、使用性乃至方法及表现形式的要求。古代中国没有科学一词,是19世纪下半叶由日本传来的外来语。将科学分开来讲
2、的,是“科”“学”即以分科的建制方法和研究方式去研究的学问。第一节 科学的含义和特征l科学的概念科学是以认识自然的知识体系、认知活动和社会建制。1.知识体系客观化、抽象化、系统化、理论化2.社会活动主体、客体以及主客体间的中介3.社会建制从业余兴趣职业分工社会工程4.研究方法“理性+经验”、“实验+逻辑”5.价值判断“不科学”、“科学化”l科学的对象自然、社会、思维l科学的门类自然科学、社会科学和工具性科学l科学的形式范畴、定理与定律(公理和假设)以逻辑的方式从基本概念和假设出发解释世界。第一节 科学的含义和特征l科学的特征解释性和预见性:实证主义精确性:可量化可验证性:经验主义可错性和可变性
3、:历史主义系统性:辨证主义主体际性:主观与客观的统一、抽象上升到具体区别于经验知识、局部知识、个人知识、宗教知识。第一节 科学的含义和特征l科学的分类F 培根:记忆的科学、想象的科学、理智的科学圣西门:天文学、物理学、化学、生物学黑格尔:数学、力学、物理学、化学、地质学、植物学、动物学(加入运动变化、普遍联系观点)恩格尔:机械、物理、化学、生物、社会现代:基础研究、应用研究、开发研究当代:l基础科学、技术科学、工程科学l边缘科学、横断科学、综合科学第二节 技术的含义和特征l技术的词源古希腊(公元前3千年前)语“techne”,含义是指技艺、手艺、技能、本领。现在的“technology”,是十
4、七世纪时将“techne”加上了“logos”(逻各斯:苏格拉底之前的哲学中,指支配宇宙的原则,此后被理解为理性、理念,被当作上帝一样的所有活动和产生的源泉,或存在于人类灵魂中的推理能力,圣经或基督教里之圣子,即神的属性中的智慧和创造力,以之与人沟通),“宇宙的律性”,加上“Techne”,直观的含义也就是在“技能中所包含的宇律性”的意思。我国战国(公元前四百年公元前221)的“工巧”,排在“天时”“地气”“才美”之后,是使人造的器物得以为“良”的条件。第二节 技术的含义和特征l技术的概念改造世界的知识体系及其物化载体、改造活动和社会建制。1.知识体系主体性、技能性、多样性、具体性2.物化载体
5、工具、装置、工艺、程序3.社会活动将自然转化为人工物,是目的(价值)与知识的结点4.社会建制谋生手段职业群体人员体系5.体系存在技术群落、连锁发展l第一次技术革命蒸汽-机器技术体系l第二次技术革命内燃机-电气技术体系l现代技术革命高新技术群第二节 技术的含义和特征l技术的特征1.自然属性和社会属性的统一2.主体要素和客体要素的统一3.物质因素和精神因素的统一4.潜在形态到显示形态的过程l技术的分类1.按运动形式:机械、物理、化工、生物2.按劳作过程:采掘、材料、机械、建筑、交通、通讯、动力第三节 工程的含义和特征l工程的概念工程的词源Engineering:Engine(设计)+ingenio
6、us(创造能力)工程含义的历史发展:l18世纪前:直觉与创意的彰显军事与艺术l19世纪:知识与技能的结合工程师群体l20世纪起:系统与组织的改造社会工程学科运用科学理论与技术手段,有组织、系统化的改造(客观)世界的具体实践活动及取得成果。第三节 工程的含义和特征l工程的特征1.工程的追求目标是社会实现2.工程是科学、技术与社会的动态整合3.工程活动是通过技术集成实现创新的过程4.工程本身是一个复杂系统l工程的分类1.按(技术)生产过程:采掘、材料、机械、建筑、交通、通讯、动力2.按产业类型:l第一产业部类:农业、林业、水利l第二产业部类:能源动力、材料、制造、建筑与土木、海洋l第三产业部类:信
7、息与通讯、交通工程、环境、保健、管理第四节 科学技术工程的联系与区别l科学的本质是发现由外及内将存在的世界变为“科学”的世界,实质上是将世界以特定方式在人类意识中重现和预演l技术的灵魂是发明由内及外将“科学”的世界变为“技术”的世界,实质上就是将可认知的世界变为可改变+可如何改变的世界l工程的核心是建造内外作用循环的实现将科学与技术连接起来,通过反馈与重设使内外作用实现持续的循环。第四节 科学技术工程的联系与区别科学技术工程任务和目的认识自然是什么为什么改造自然做什么怎么做建构人工自然过程和方法经验到理论理论与经验逻辑与试验理论到实践设计试验实践的系统化和组织化综合方法系统科学成果性质和评价标
8、准理论知识真伪判别实践方法和物化载体好坏判别环境与社会变化预期与协调研究取向和价值观念精神实现价值中立物质价值工具价值综合价值价值权衡研究规范普遍、公有、无私、创造、怀疑功利目的、保密、专利(知识变为权利)团结、协作第二章科学、技术与工程的历史及第二章科学、技术与工程的历史及发展趋势发展趋势l第一节科学的历史发展l第二节技术的历史发展l第三节工程的历史发展l 第四节 现代科学、技术与工程的特点和发展趋势l第一节科学的历史发展科学技术的起源科学技术的起源l科学和技术作为两种密切联系又根本区别的社会存在,其起源上的分别尤其明显。l一个民族没有科学是可以生存的,但没有技术是不可能生存的,从这个意义上
9、说,技术比科学更贴近人的本质,技术和劳动一起构成人类产生的条件。技术的起源技术的起源l人的产生1200万年前猿800400万年前猿人(“猿”?“人”?)300万年前起“智人”l人与动物的区别觅食方式l人从动物界分化的标志 劳动、语言、工具l伴随着劳动活动的出现、工具的产生,技术也就随之而来了。科学的起源科学的起源l脑体分工阶级出现是科学诞生的前提 有食、有闲、兴趣、自由奴隶主阶级l古代文明兴起:集群生活中的实践基础四大流域文明四大古文明l古埃及、古巴比伦、古中国、古印度海域文明古希腊、古罗马l农民和商人:职业群体塑造科学形态古代科学的形态之一古代科学的形态之一l自然哲学自自公公元元前前8 8世
10、世纪纪以以后后,古古代代科科学学是是以以自自然然哲哲学学的的形形式式存存在在和和发发展展的的。整整个个古古代代的的科科学学实实际际上上只只限限于于天天文文、气气象象、力力学学、数数学学以以及及建建筑筑、航航海海、医医学学等等。没没有有形形成成独独立立的的、系系统统的的分分门门别别类类的的知知识识体体系系,一一切有关自然的知识几乎都包含在自然哲学中。切有关自然的知识几乎都包含在自然哲学中。l西方:“原子论”“万物皆火(水、气)”分解的、无机的“物学”l东方:道家学说;儒家“天人感应”;墨家实验;还原的、有机的“人学”古代科学的形态之二古代科学的形态之二l实用知识(科学)体系中医中国式自然科学与意
11、识形态的关系官科技中国式自然科学与政治的关系三大发明中国式科技与社会的关系古代科学的形态之三古代科学的形态之三l理论自然科学萌芽亚里士多德:证明传统源流欧几里得的几何原本:几何学传统源流阿基米德:科学研究中实验方法的尝试古代技术的形式古代技术的形式l手工技术 以工具、身体和经验为构成要素,而且后两者更为关键。l思考:古代科学对古代技术为什么没有明显的推动或帮助?古代工程的起源古代工程的起源l公元前3000年古印度、古巴比伦冶炼工程铜青铜铁l公元前 700年古希腊、古巴比伦市政工程l公元前 250年中国水利工程、长城l文艺复兴时期工程师为主导的工程活动l古代工程趋于规模化、职业化、理论化近代自然
12、科学革命的起点近代自然科学革命的起点l以争取自然科学的独立为目的,从哥白尼(1473-1543)的“日心说”、维萨留斯(15141564)的“血液循环理论”开始,经伽利略的力学研究延续,以牛顿力学建立为标志科学革命。l1543年天体运行论和人体构造 从宇宙结构、天体运行的大循环角度和人体内部血液的小循环角度消除了神的位置,以太阳和心脏为中心的两种循环(圆周)宣告了神与神国的特权的终结。近代自然科学革命的发展近代自然科学革命的发展l伽利略的贡献 近代实验科学的奠基人,将实践操作、数学和逻辑同科学研究结合起来。一、天文学观察神的宇宙有瑕疵、拥护“日心说”;二、创建动力学落体定律、惯性运动;三、科学
13、方法的创新实验观测证实和数理逻辑推理相结合近代自然科学革命的发展近代自然科学革命的发展l开普勒的行星三定律是牛顿万有引力定律最重要的前提。l第一定律:行星轨道为椭圆,太阳在椭圆的一行星轨道为椭圆,太阳在椭圆的一个焦点上;(轨道定律)个焦点上;(轨道定律)第二定律:同时间内,行星与太阳联线扫过同时间内,行星与太阳联线扫过的面积相同;(面积定律)的面积相同;(面积定律)第三定律:太阳系内任意两颗行星的公转周太阳系内任意两颗行星的公转周期的平方与他们的轨道半主轴长的立方成正比。期的平方与他们的轨道半主轴长的立方成正比。(周期定律)(周期定律)l第谷布拉赫开普勒滕格纳尔近代自然科学革命的发展近代自然科
14、学革命的发展l新哲学的激励 弗朗西斯培根”归纳法”“实验科学方法”“知识就是力量”“经验和理性职能的真正的合法婚配”笛卡尔”演绎法”“实验方法的基础”我思故我在”解析几何学近代自然科学革命的完成近代自然科学革命的完成l牛顿(公元16421727 年)“牛顿因为发明了万有定律而创立了科学的天文学,由于进行了光的分解而创立了科学的光学,由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学。”恩格斯 伊萨克牛顿爵士安葬在这里。他以近于超人的智力第一个证明了行星的运动与形状,彗星的轨道,海洋的潮汐。他孜孜不倦地研究光线的各种不同的屈折角,颜色所生成的种种性质。对于自然、考古和圣经,他是一个勤勉、敏锐和忠实
15、的诠释者。在他的哲学中确认上帝的尊严,并在他的举止中表现了福音的纯朴。让人类欢呼曾经存在过这样伟大的一位人类之光。牛顿墓前铭文近代自然科学革命的完成近代自然科学革命的完成l自然哲学的数学原理 牛顿力学三定律、万有引力定律 第一定律:F=0 第二定律:F=ma 第三定律:F=F 万有引力定律 重要的刚体物理学概念:质点、(绝对)时间、绝对空间、质量、动量、力等近代自然科学革命的完成近代自然科学革命的完成l牛顿力学获得接受实证主义胜利1.哈雷彗星(返地周期)的发现(1759)2.地球形状的证实(1740)3.行星摄动现象的证实海王星的发现(1846年法国的勒维烈和1845年英国的亚当斯)l力学的新
16、分支弹性力学、流体力学、材料力学等纷纷建立l缺陷”绝对时间”、“绝对空间”、“质量恒定”l同神学的妥协完美机械的“第一推动”“关于上帝在七天中创造世界的考证”“关于圣父、圣子、圣灵三位一体的研究”“关于圣经史和自然史年表的一致性”近代自然科学革命的成果近代自然科学革命的成果l微积分的建立:牛顿和莱布尼兹l光学的发展:微粒说和波动说l热学:温度与热量区分、热质说l磁学:扭秤实验l静电:静电电容器、雷电研究、库仑定律l化学的初期成果:波义耳的元素概念、氧的发现、拉瓦锡的氧化燃烧理论、一系列气体的发现和吹管分析、事发分析等一系列化学分析方法的使用l生物学:毛细血管的发现、显微镜的发明改进、细胞学和微
17、生物研究、预成论和渐成论、动植物分法、早期的物种演化观念古代和近代思维方式的特征古代和近代思维方式的特征古代自然哲学思维方式l直观性l辩证性l思辨性近代科学思维方式l形而上学l机械论l唯心主义现代性的伏笔现代性的伏笔l倡导理性主义和经验主义l主客二分的思维方式l演绎和归纳方法的结合l还原论、机械论l宗教世界模型“终极粒子”“绝对客体”“完美机械”l人类中心主义l第二节技术的历史发展近代第一次技术革命和产业革命近代第一次技术革命和产业革命l机器系统的产生 一、工作机的发明和改进 凯伊飞梭、哈格里夫斯的手摇纺纱机、阿克莱特水利纺纱机、克伦普顿“骡机”、卡特赖特自动织布机 二、动力机的发明 萨弗里的
18、“矿山之友”纽可门的活塞式大蒸汽机 瓦特发明冷凝器、连杆和飞轮,改进蒸汽机 三、传动机的发明:离心调速器、传动装置近代第一次技术革命和产业革命近代第一次技术革命和产业革命l以机器制造机器 机床的发明和应用 威尔金斯的“镗床”、莫兹利的“移动刀架”l蒸汽机器时代的技术体系 蒸汽动力的推动 轮船、火车的发明和交通运输技术的变革 工业体系的形成:采煤业(炸药)、石油的使用(煤油灯)、化工业(制酸、制碱、染料业、化肥)、建筑业(钢筋混凝土的使用)、通讯业(有线通讯)l世界最早的工厂1771年水力纺纱机工厂 标志了工程活动规范化l工程师群体组织1818年英国民用工程师学会成立 标志了工程专业化近代第一次
19、技术革命和产业革命近代第一次技术革命和产业革命l为什么第一次工业革命比近代科学革命晚一百年?l为什么近代自然科学与技术革命都发生在欧洲?l中国为什么没有自发的产生近代科学?李约瑟之谜1 1为什么第一次工业革命比近代科学革命晚一百为什么第一次工业革命比近代科学革命晚一百年?年?科学要直接对技术起推动性的作用,机器必需先诞生马克思 机器与加工对象的关系是纯自然的关系,即物理学、动力学和化学的研究领域,而类似于感觉、经验之类与人的主观世界相联系的因素就被彻底剥离在外了。工程师职业群体的诞生 人从直接改造自然变为了间接改造自然,人类的劳动对象变为了机器。2 2为什么近代自然科学与技术革命都发生在欧洲为
20、什么近代自然科学与技术革命都发生在欧洲?l怀疑精神近代科学的生命力所在l以证明为核心的“几何学传统”和“因果律传统”l资本的本质需求增值,而技术是最好的增值手段l市场扩张社会需求的推动作用3 3中国为什么没有自发的产生近代科学?中国为什么没有自发的产生近代科学?李李约瑟之谜约瑟之谜l肯定派古代中国的实用知识体系l否定派古代中国只有技术没有科学l消解问题”鸡不生鸭蛋”文化传统的差异就像物种之间的差异一样大十九世纪的自然科学十九世纪的自然科学l十九世纪是科学的世纪1、各门科学都从经验科学变为理论科学并取得了重大的突破。2、科学研究的方式从个人研究转变为集体研究,建制化的科学得以产生。3、科学开始走
21、到了技术的前列,科学逐渐成为经济生活中起主要作用的手段。十九世纪的自然科学十九世纪的自然科学l世界科学活动中心的迁移18世纪英国道尔顿、戴维、法拉第、赖尔、哈密顿、焦耳、麦克斯韦、达尔文18世纪末和19世纪上半叶法国拉格朗日、拉普拉斯、柯西、库伦、达兰贝尔、拉瓦锡、盖吕萨克卢布兰、居维叶、布丰、拉马克19世纪30年代前后德国高斯、欧姆、楞次、李比希、迈尔、赫尔姆霍兹、克劳修斯、凯库勒、基尔霍夫、赫兹1809年柏林大学成立,实行常规试验课、课堂讨论日本、美国、英国以德国大学为样本进行改革十九世纪的自然科学十九世纪的自然科学1、能量守恒与转化定律l热力学研究卡诺原理、布朗运动、麦克斯韦的分子运动论
22、l伏特(伏特电池)、尼尔克逊(电解水)、奥斯特(电流磁效应)、法拉第和亨利(电磁感应)等人的研究l迈尔和焦耳的不同研究范式观察思辨方法和实验方法l19世纪70年代恩格斯明确提出“能量守恒与转化定律”十九世纪的自然科学十九世纪的自然科学l热力学第一定律永动机不可能实现 外界传递给一个物质系统的热量等于对该系统做作的功和系统内能增量的总合l热力学第二定律自然热运动不可逆 特定的封闭系统中,熵值趋向增大,当熵值达到最大时,热机不再做功,整个系统能量守恒,且处于热平衡状态克劳胥斯由热力学第二定律推出“热寂说”十九世纪的自然科学十九世纪的自然科学2、演化(进化)思想在天文学、地学、生物学理论上的突破性引
23、入l康德、拉普拉斯的星云假说 康德自然通史和天体论(1755)拉普拉斯宇宙体系论(1796)星云假说说明了宇宙现在的状态是经过长期发展过程形成的,从而否定了牛顿的“上帝第一推动”的存在。十九世纪的自然科学十九世纪的自然科学l地质演化理论 工业革命以来的地质勘探、矿山采掘、运河开凿等人类行为揭示了地壳的层叠结构,以及不同地层中的不同生物化石,人们开始寻求对地层成因的解答水成说伍德沃德、维尔纳火成说莫罗、赫顿灾变说居维叶渐变说赖尔、休斯地质学原理标志了近代地质学的系统化地球的面貌总结了近代地质学十九世纪的自然科学十九世纪的自然科学l生物学研究的三条线索生物的物种多样性和适应性生物进化论拉马克动物哲
24、学“用进废退”“获得性遗传”达尔文物种起源“根据自然选择,即在生存斗争中适者生存的物种起源”变异性、遗传性、繁殖过剩生存竞争、自然选择、优胜劣汰(贝格尔号加帕戈斯群岛18311836)物种稳定性和物种亲代性状在后代的表现遗传学的新进展孟德尔的遗传定律、魏斯曼的“新达尔文主义”生物个体发育的过程细胞学说微而和(细胞病理学)、巴斯德(免疫学)l塞奇威克致达尔文l 查理,寄来的书收到了,我首先表示十分的感谢,但是当我读着您的书时,我感到痛苦多于愉快,因为我认为你这些理论完全是错误的,有些地方简直是令人难堪的恶作剧,我不时不得不为你荒唐的章节而狂笑,直笑得我两肋酸痛。您这简直是理智的腐化,是妄想人性的
25、堕落,从上帝创造的人堕落成一群浑身长毛的动物。我过去曾说过您是我的学生中最优秀者,最有希望成为一名伟大的科学家,但是我现在不得不说,您是剑桥学生中最能胡思乱想,标新立异的一个了。最后我要告诉您的是,我过去您的老师,现在一个猴子的后代虽然体力和精力已大不如前,但是上帝在言行两方面的启示我都谦卑地加以接受,我知道唯有上帝能够在实践中支持我。如果您也能这样做,我们将在天堂里会面。塞奇威克塞奇威克塞奇威克塞奇威克剑桥大学三一学院地质学教授剑桥大学三一学院地质学教授剑桥大学三一学院地质学教授剑桥大学三一学院地质学教授l赫胥黎致达尔文:l我所看到的博物学著作没有一本给过我这样深刻的印象,我最衷心地向您致谢
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