设计形态学

上善若水　上德若谷
万物皆具天性，明其理方能悟其道；世事尽现因缘，晓其始亦可得其终。设计形态学研究的核心内容是“形态研究”。而形态的生成与建构又受制于两方面：一是驱动形态的内部结构不断变化的“内力”；二是协调形态与外部环境相互适应的“外力”。内力掌控的是形态内在的“小系统”或子系统。每一形态都有与众不同的内力和小系统，它反映的是形态的“殊相”和本质规律，并因此促成了万物的千差万别与物种的多样性。而外力运作的是形态外在的“大系统”，如区域系统、生态系统甚至是宇宙系统，其呈现的是形态的“共相”和一般性原理，遵循的乃是天地万物的生存之道。  

上善若水，上德若谷。 这既阐释了“水”和“谷”的品性，又蕴含着老子深邃的哲学思想。水发端于广袤无垠的天穹，汇聚于宁静幽深的山谷。它依山顺流而下，沿途滋润着万物与生命，充盈着湖泊与沼泽，然后沿着奔腾的河流一路高歌，最终汇入浩瀚大海。事实上，“谷”与“水”的品性颇相似。世人游历山川，常会惊叹山峦之高耸、雄浑与峻秀，却鲜有人关注山谷之含蓄、奉献与坚守。山虽风光，却饱受疾风摧残；谷虽含蓄，却孕育万千生机。山谷总将无限风光谦让给山峦，却用博大的胸怀，汇聚清泉溪流，滋养森林草木，让万物生机盎然。若“上善”彰显的是水之品性，那么“上德”积蓄的则是谷之本源。天地遵循阴阳之道，世人恪守心性之德。万物生成皆会从普遍之“道”中获益，这便是“德”。“德”就是事物的内在能力或自然力量。或许，这就是老子极力主张“万物莫不尊道而贵德” 的缘故吧！古代文人皆崇尚“内圣外王”。其实，“内圣”就是强化自身修养；“外王”则是突出社会担当。倘若世人具备水之“善”、谷之“德”，实现“内圣外王”岂非难事？正如哲学大师冯友兰先生所言：“道是万物之所从生者，德是万物之所以是万物者。” 实际上，哲学思维就是为了引导人们获取知识与方法，进而产生思想与智慧。从道生万物，追求“人”与“宇宙”的同一，到理合心性，参悟“出世”与“入世”的统一，哲学思维从未停止过对人类、事物乃至宇宙的认识、思考与判断。因此，哲学亦可谓对人生系统反思的思想。以设计形态学视角观之，“道”便是针对形态规律、原理的探究与解析；“德”则旨在对形态本源的彻悟与阐释。而人类既是形态的创造者和生态的参与者，也是二者的协调者和维护者。 

赫伯特·西蒙（Herbert A. Simon）认为：我们生活的世界，是大自然所“设计”的事物和人类所设计的事物共同组成的，是一个错综复杂的混合体。就连经过我们耕作后呈现出一派生机，在绿毯般的田野上生长的稻、麦作物，也是人类运用作物杂交与选择的过程，以及近年来借助有关基因转移的新技术来操作和设计的产物。 事实上，人类在与大自然的抗争中不仅学会了敬畏和折服，同时也在大自然的启发下学会了模仿与创造。历经漫长岁月的洗礼与积淀，如今我们惊奇地发现：人类在享受以“自然形态”建构的“第一自然”带来的天赐恩泽之时，又通过模仿和创新，源源不断地创造了数目惊人的“人造形态”，并继而建构了与“第一自然”并行的“第二自然”。“第一自然”也称为“自然生态系统”，“第二自然”亦可谓“类生态系统”，两个系统相融合便构成了浑然一体的“全球生态系统”，乃至“宇宙生态系统”。而这正是设计形态学所致力探索与研究的生态系统。与大自然相比，人类的力量颇为渺小，但在自然生态系统和类生态系统的平衡中，人类却能发挥巨大作用，且肩负神圣的责任。在形态的“科学性”与“人文性”的驱动下，设计形态学的知识体系亦构成了两大分区：基于自然生态系统的知识体系和基于类生态系统的知识体系。将“生态”理念纳入设计形态学，其目的正是期望借助“生态学”的系统思维来研究设计形态学。这种理念和思维方式不仅能帮助人们提升其价值观和世界观，用新的思维与视角去解析形态研究，还有助于设计形态学知识体系的建构，并对设计形态学思维与方法主导的跨学科协同创新起到积极的推动作用。

大凡创建一个新学科，需要具备三个条件：其一，需要界定清晰、明确的研究领域（学科边界）；其二，需要确定独特的研究目标与任务（核心内容）；其三，需要拥有与之适应的研究方法（思维与方法）。学科建构好比“圆规”，“圆心”是学科的核心内容，“半径”是学科的期望与能力，“圆周”则是学科的边界。在设计形态学中，“形态研究”便是其研究的核心内容（圆心），而学科边界（圆周）则是由本学科的理想诉求、驾驭能力，以及其学术影响力所决定的（半径）。其实，学科边界还会随着与其他学科交叉融合的程度加剧而变得模糊。正因如此，设计形态学就更需要明确其研究的核心内容，且矢志不渝。而这亦成就了一种全新学科范式：明确学科核心，模糊学科边界。  
设计形态学是通过研究形态的生成规律、原理和本源，以及与人的关系，来启发和促进协同创新的学科。设计形态学的诞生源于“设计学”与“形态学”的结合，不过，其根基依然归属于设计学。虽说设计学在跨学科知识融合上颇具优势，但它也在不断被其他学科所侵蚀。那么，设计学坚守的核心价值究竟是什么呢？设计学可谓是与人类文明相伴而生的学科，其独特性和重要性正受到人们愈来愈广泛的关注。设计的核心思想便是为人类服务：从最初只为解决人们生活中的需求和难题，逐渐扩大到如何协调人与物（造物）、人与人（社会）、人与环境（生态），乃至人与未来（趋势）的关系。由于设计面临的问题越来越复杂，导致其解决问题所需的知识也更加多元与交叉。于是，设计的重心便逐渐从“创新”转向“协同”，并最终融合为“协同创新”。而设计研究的重心也从专注于“技”（解决实际问题的能力）的巧思与妙用，逐步上升至“道”（指导实践的理论方法）的研判与运筹。尽管设计形态学与设计学一脉相承，但它并非设计学的细分与深化。确切地说，它应该是设计学的拓展与延伸。况且，设计形态学在多学科交叉方面更具优势，只需通过“形态研究”这一学科“交叉点”，便可顺利与其他学科进行交叉融合，并实现协同创新。 

“形态研究”之所以能成为设计形态学的核心研究内容，还因为人类可通过自身的感觉器官来接收各种外界信息，而“形态”便是人类感受和认知世界的重要对象。人类在漫长的生存与发展过程中，逐渐认识到形态与人类的内在关联。或许是因为某种形态对人类的感官形成刺激而使人感到愉悦，并逐渐产生了对该形态的浓厚兴趣；抑或人类在生活中发现某种形态有利于人类生存，而逐渐形成了对该形态的认知经验，而这些最初的经验积累促成了人类与形态的关联，并逐渐发展成明确的“关系”。在人类的感受活动中，形态被人类注意、观察、理解、模仿、联想乃至创造，并最终帮助人类实现各种创新目标。形态还为人类提供了认知学习的内容及素材，使其在生存与发展过程中“有据可循”，并且在不断认识自然和生命的同时，也在不断思考自身生存的价值与意义。形态对人类的广泛影响还导致了人类探索形态的“科学性”与“人文性”旅程的开启，并为人类的创造活动赋予了独特而重要的意义。此外，人类对形态的认知也促进了二者审美关系的建立，从而很好地促进了人类在审美活动中形成美感经验并产生美。由此可见，设计形态学不仅需要研究形态的内在规律和原理，还需要研究形态与人的关系及意义，这便需要借助科学思想和人文精神的力量。而这两种研究需求，又最终成就了设计形态学的两个属性：科学属性与人文属性。

真实世界和虚拟世界是设计形态学的两个重要研究领域。真实世界是以“真实形态”（自然形态和人造形态）建构的，而虚拟世界则是由“虚拟形态”（数字形态）构筑的。在形态的“元形化”和“数字化”驱动下，两类形态（真实形态/虚拟形态）和构筑方式（形态元 作用力/比特 算法）产生了巨大差异，从而导致两个世界形成了截然不同的状态。然而，看似阴阳相隔的两个世界，其实却是以一种“共生”关系存在的。从设计形态学的视角去观察真实世界和虚拟世界（数字世界），实际上就是希望将研究聚焦于“形态”，并通过形态研究揭示隐匿于两个世界中的“形态奥秘”。如今人类可以借助先进的科技手段，如人工智能算法、脑机接口和先进传感器等技术集成生成的交互式人工现实，从而实现了真实世界与虚拟世界中的身份自由切换，甚至促成了自然人、虚拟人和机器人的共融共生。而这种变化也为智慧形态的创建提供了绝佳机遇。 

真实世界有显性形态（自然形态、人造形态和智慧形态）和隐性形态（社会形态、经济形态和文化形态）之分。设计形态学视阈下的真实世界还会向两端延伸：一是向着形态“客观存在”的方向探索发现，意在聚焦于“元形化”形态的生成与创造，即自下而上的建构方式；二是朝着形态的“主观认知”方向探究发掘，旨在强调人与形态的关系建构，即自上而下的建构方式。前者正与“自然生态系统”相合，后者恰与“类生态系统”相应。而真实世界所对应的正是基于设计形态学的生态系统。虚拟世界亦有“虚拟现实世界”和“虚拟幻想世界”之分，其区别在于是否与现实世界存在密切关联。设计形态学定义的虚拟世界是指以数字形态构筑的“数字世界”。其研究聚焦于三方面：形态的数字化、形态的运算化和形态的可感知化。实际上，虚拟世界既能通过“数字孪生”（数字镜像）模拟真实世界，以生成“虚拟现实世界”，也可通过算法设计、生成设计构筑“数字形态”，然后建构“虚拟幻想世界”。虚拟世界其实也在向两极分化：一方面会通过数字化手段模拟自然生态系统和类生态系统，即仿自然生态系统和仿类生态系统；另一方面则在人类的主导下创建超越真实世界的全新数字世界，而这也是设计形态学未来的发展趋势，是第三自然探索研究的重要内容。

本研究课题非常荣幸地获得了国家社科基金重大项目（项目号：17ZDA019）的鼎力资助，从而确保了项目的顺利进行，在此深表谢意！同时，也非常感谢众多专家的参与指导，以及课题组成员不畏艰辛、齐心协力，完成了这一艰巨且意义非凡的学科建设项目！尽管本书仍难免存在不完善之处，但我们终于实现了突破，让设计形态学有了清晰的学科雏形！

“设计形态学”是通过研究形态生成的规律、原理和本源，以及形态与人的关系，借以启发和促进协同创新设计的新兴学科。本书为国家社科基金重大项目“设计形态学研究”(17ZDA019)的研究成果，以“形态研究”为核心，分别从设计形态学的“科学属性”与“人文属性”、“真实世界”与“数字世界”，系统阐述了设计形态学的基本概念、原理、思维范式、方法论、知识体系，以及协同创新模式，并通过跨学科的知识融通，完整地建构了设计形态学理论体系。
《设计形态学》面向设计学、工程学和具有相关交叉学科背景的高校师生，对于高校研究型设计人才的培养，以及我国实施创新发展战略具有颇为重要的意义。本书也适于从事设计、工程专业工作的设计师、工程师等科研、技术人员阅读参考，在帮助读者学习和掌握系统科学的设计形态学思维与方法的同时，于形态研究与协同创新设计过程中不断拓展新视野、融通新知识。
《设计形态学研究与应用》(第2版)是本书的姊妹篇，也供相关从业者参考借鉴。

邱松，清华大学美术学院教授，博士生导师。国家社科基金重大项目首席专家；中国工业设计十佳教育工作者；北京工业设计促进会理事；北京设计学会理事；中国流行色协会理事；国际设计管理协会会员；中国工业设计协会资深会员。研究方向：设计形态学研究与应用；设计创新与品牌战略。教学成果多次荣获国家级、北京市和清华大学教学成果奖，以及精品课程、精品教材，优秀教学团队等奖项。主持或参与纵向、海外、横向科研项目六十多项。设计作品入选国际、国内设计大展，并荣获设计大奖数十项。

第1篇　设计形态学思维方法与知识体系 001

第1章　绪论 003
1.1　设计形态学产生的背景与条件 003
1.1.1　设计研究与未来的挑战   003
1.1.2　着眼学科交叉与知识融通 003
1.1.3　聚焦基础研究与前沿创新 004
1.2　设计形态学研究的目标与范围 005
1.2.1　确定设计形态学研究的目标 006
1.2.2　规划设计形态学研究的范围 006
1.3　设计形态学研究的价值与意义 008
1.3.1　为设计学探索研究拓宽道路 008
1.3.2　为多学科知识融通建构平台 008
1.3.3　为协同创新奠定坚实的基础 009
1.3.4　为设计实践提供新的方法论   010
第2章　设计形态学的基本概念与理论基础 012
2.1　设计形态学的基本概念   012
2.1.1　形态与造型 012
2.1.2　形态学与设计形态学 013
2.1.3　智慧形态与第三自然 016
2.1.4　原创设计与协同创新 018
2.2　设计形态学的理论基础 020
2.2.1　形态分类法  020
2.2.2　形态建构的逻辑 024
2.2.3　设计形态学的基本属性 027
2.2.4　形态的元形化与数字化 033
2.2.5　基于协同创新的原创设计 034
第3章　设计形态学的思维范式 036
3.1　设计形态学与交叉学科思维范式 036
3.1.1　交叉学科的分类与思维范式 036
3.1.2　设计形态学与交叉学科 037
3.2　设计形态学与科学世界观  038
3.2.1　人类感官与仪器检测 038
3.2.2　归纳主义与否证主义 038
3.2.3　理论范式与科学革命 040
3.2.4　研究纲领与客观规律 040
3.2.5　科学思维与工程思维 041
3.2.6　中国古代科学思想及专著 042
3.2.7　设计形态学的科学观与思维范式 044
3.3　设计形态学与人文世界观 045
3.3.1　哲学思维 045
3.3.2　美学思维 051
3.3.3　心理学思维 053
3.3.4　语言学思维 055
3.3.5　设计形态学的人文观与思维范式 057
3.4　设计形态学与艺术设计思维 058
3.4.1　艺术学思维 058
3.4.2　设计学思维 061
3.4.3　艺术与设计思维对设计形态学思维的启示 064
3.4.4　设计形态学思维的建构 064
第4章　设计形态学的逻辑与方法论 069
4.1　逻辑学与方法论 069
4.1.1　逻辑学 069
4.1.2　方法论 073
4.2　科学与工程学研究的方法论 077
4.2.1　科学研究的方法论 077
4.2.2　工程学研究的方法论 078
4.2.3　跨学科研究的方法论 079
4.3　设计学与设计形态学的方法论 084
4.3.1　设计学研究的方法论 084
4.3.2　设计形态学研究的方法论 091
第5章　设计形态学的知识体系建构 098
5.1　设计形态学知识建构的方法与途径 099
5.1.1　设计形态学的核心知识建构 100
5.1.2　设计形态学的一般知识建构 102
5.1.3　设计形态学的跨学科知识建构  103
5.2　设计形态学知识体系与范式 105
5.2.1　学科知识体系的建构模式 105
5.2.2　设计形态学的知识体系范式 106
5.2.3　基于设计形态学的生态系统与类生态系统 107
5.2.4　基于设计形态学的真实世界与虚拟世界 110

第2篇　设计形态学的科学属性 113
第6章　科学属性之概论 115
6.1　形态探究的重要途径 115
6.1.1　由物及理的探究模式 115
6.1.2　演绎推理的探究模式 115
6.2　形态建构的主要方法 117
6.2.1　自然的数学化 117
6.2.2　实验科学法 118
6.2.3　博物的传统 119
6.3　本篇研究框架 120
第7章　形态内在的本质性 122
7.1　形态的表达方式 122
7.1.1　形态的几何表达 122
7.1.2　形态的场域表达 124
7.2　形态的建构要素  126
7.2.1　形态的物质：材料  126
7.2.2　形态的组成：结构 129
7.2.3　形态的实现：工艺 132
第8章　形态建构的逻辑性 140
8.1　演绎推理 140
8.1.1　基本逻辑 140
8.1.2　升维推论 141
8.2　数理实践  145
8.2.1　自然的数学化 145
8.2.2　机械的自然观  147
8.3　博物观察 150
8.3.1　聚焦个体  151
8.3.2　经验习得  154
第9章　科学属性之总结 158
9.1　认知形态的本质 158
9.1.1　描述方法 158
9.1.2　建构要素 158
9.2　建构形态的理性  159
9.2.1　由理性及理性 159
9.2.2　由物质及理性 159
9.2.3　由经验及理性 159
9.3　现状与展望   159
9.3.1　经验与理性的局限 159
9.3.2　内外约束性的局限 160
9.3.3　基于智能制造的展望 160
9.3.4　基于材料智能的展望 160
9.3.5　基于交互经验的展望 161

第3篇　设计形态学的人文属性 163
第10章　人文属性之概论 165
10.1　人文属性的研究范畴、价值和意义 165
10.1.1　人文属性研究的范畴 165
10.1.2　人文属性研究的价值和意义 165
10.2　基于人文视角的形态分类 166
10.2.1　原生形态 166
10.2.2　意象形态  168
10.2.3　交互形态  169
第11章　形态的人文性研究 171
11.1　形态的符号学研究 171
11.1.1　形态与符号学 171
11.1.2　基于设计形态学的符号学研究 172
11.2　形态的美学研究 174
11.2.1　形态与美学 174
11.2.2　设计形态学中的美学研究  175
11.3　形态的心理学研究 177
11.3.1　形态与基础心理学 177
11.3.2　基于设计形态学的基础心理学研究 179
第12章　基于形态认知的人文属性研究 182
12.1　原生形态的感知与同构 182
12.1.1　原生形态的感知 182
12.1.2　原生形态同构的研究 187
12.1.3　原生形态的探索 190
12.2　意象形态的创造与移情 192
12.2.1　意象形态的创造 192
12.2.2　意象形态移情的研究 196
12.2.3　意象形态的探索 200
12.3　交互形态的生成与体验 203
12.3.1　交互形态的生成 203
12.3.2　交互形态体验的研究 205
12.3.3　交互形态的探索 210
第13章　人文属性之总结 214
13.1　设计形态学人文属性研究概述 214
13.2　设计形态学人文属性研究的价值与意义 216

第4篇　设计形态学与真实世界 219
第14章　真实世界的建构 221
14.1　真实世界的认知 221
14.1.1　真实世界认知的起源 221
14.1.2　农业革命的福音 222
14.1.3　向“微观”探索 223
14.1.4　交叉学科的必然 223
14.2　真实世界的形态 224
14.2.1　真实世界中的形态 224
14.2.2　自然形态与材料分类 224
14.2.3　人造形态与材料制备 225
14.2.4　智慧形态与材料探索 225
第15章　形态