系統(tǒng)科學(xué)與探索復(fù)雜性

1、2012年2月 10.1 一般系統(tǒng)論一般系統(tǒng)論 系統(tǒng)論以系統(tǒng)論以“系統(tǒng)系統(tǒng)”為研究對(duì)象，這決定了為研究對(duì)象，這決定了“系統(tǒng)系統(tǒng)”以及與之以及與之緊密相關(guān)的緊密相關(guān)的“結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”、“功能功能”等必然是該理論中的基本概等必然是該理論中的基本概念和范疇，準(zhǔn)確理解這些概念是把握系統(tǒng)論的基礎(chǔ)。念和范疇，準(zhǔn)確理解這些概念是把握系統(tǒng)論的基礎(chǔ)。(一一)系統(tǒng)及其分類系統(tǒng)及其分類 貝塔朗菲認(rèn)為：系統(tǒng)即有相互作用的元素的綜合體。作者貝塔朗菲認(rèn)為：系統(tǒng)即有相互作用的元素的綜合體。作者認(rèn)為系統(tǒng)是存在于一定環(huán)境之中，由若干相互聯(lián)系、相互作認(rèn)為系統(tǒng)是存在于一定環(huán)境之中，由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素所構(gòu)成的具有特定功能的整

2、體。用的要素所構(gòu)成的具有特定功能的整體。 1、按照在時(shí)空中的存在狀態(tài)，分為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)、按照在時(shí)空中的存在狀態(tài)，分為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。 2、按照與外部環(huán)境的關(guān)系，分為開放系統(tǒng)（與外部環(huán)境、按照與外部環(huán)境的關(guān)系，分為開放系統(tǒng)（與外部環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的系統(tǒng)）和封閉系統(tǒng)。進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的系統(tǒng)）和封閉系統(tǒng)。10.1.2 一般系統(tǒng)論的基本概念一般系統(tǒng)論的基本概念 3、按照組成要素的性質(zhì)，分為：、按照組成要素的性質(zhì)，分為： （1）自然系統(tǒng)：指以自然物質(zhì)作為要素而構(gòu)成的系）自然系統(tǒng)：指以自然物質(zhì)作為要素而構(gòu)成的系統(tǒng)，是在自然界發(fā)展進(jìn)化

3、過程中自發(fā)形成的。如天體系統(tǒng)，是在自然界發(fā)展進(jìn)化過程中自發(fā)形成的。如天體系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等。統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等。 （2）人工系統(tǒng)：人們?yōu)榱诉_(dá)到某種目的而建造起來）人工系統(tǒng)：人們?yōu)榱诉_(dá)到某種目的而建造起來的系統(tǒng)，具有自為的目的。有實(shí)體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)之分。的系統(tǒng)，具有自為的目的。有實(shí)體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)之分。 （3）復(fù)合系統(tǒng)：由自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)共同組成的。）復(fù)合系統(tǒng)：由自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)共同組成的。如導(dǎo)航系統(tǒng)，天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。如導(dǎo)航系統(tǒng)，天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。 人類實(shí)踐的著重點(diǎn)，也正是立足自然系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人人類實(shí)踐的著重點(diǎn)，也正是立足自然系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人工系統(tǒng)并構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)自在目的性與自

4、為目工系統(tǒng)并構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)自在目的性與自為目的性的統(tǒng)一。的性的統(tǒng)一。 10.2.2 控制論與信息論的基本概念控制論與信息論的基本概念(一一)控制控制 控制，指的是一種帶有目性的因果聯(lián)系，即產(chǎn)生原因系統(tǒng)控制，指的是一種帶有目性的因果聯(lián)系，即產(chǎn)生原因系統(tǒng)（施控系統(tǒng)）對(duì)產(chǎn)生結(jié)果系統(tǒng)（受控系統(tǒng)）有目的的影響干預(yù)。（施控系統(tǒng)）對(duì)產(chǎn)生結(jié)果系統(tǒng)（受控系統(tǒng)）有目的的影響干預(yù)。是帶目的性的能動(dòng)作用。是帶目的性的能動(dòng)作用。 作為一種作用和過程，一般包含三個(gè)基本要素：施控主體、作為一種作用和過程，一般包含三個(gè)基本要素：施控主體、受控客體和傳遞控制作用的特定方式或途徑。受控客體和傳遞控制作用的特定方式或途徑。

5、 (二二)反饋反饋（見（見P179圖圖122，123） 控制系統(tǒng)根據(jù)是否有反饋分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種。控制系統(tǒng)根據(jù)是否有反饋分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種。 開環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力差，容易偏離目標(biāo)，不能自動(dòng)回到目標(biāo)開環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力差，容易偏離目標(biāo)，不能自動(dòng)回到目標(biāo)狀態(tài)，系統(tǒng)很不穩(wěn)定，因而它的控制作用受到很大限制。而閉環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)很不穩(wěn)定，因而它的控制作用受到很大限制。而閉環(huán)系統(tǒng)具有排除干擾的能力，可以控制系統(tǒng)達(dá)到或保持穩(wěn)定。系統(tǒng)具有排除干擾的能力，可以控制系統(tǒng)達(dá)到或保持穩(wěn)定。 控制論所研究的系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，是以反饋原理為理論控制論所研究的系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，是以反饋原理為理論基礎(chǔ)的，所以，有

6、人認(rèn)為控制論就是關(guān)于反饋的科學(xué)?；A(chǔ)的，所以，有人認(rèn)為控制論就是關(guān)于反饋的科學(xué)。 形成耗散結(jié)構(gòu)所必須的形成耗散結(jié)構(gòu)所必須的條件條件： 1、開放系統(tǒng)、開放系統(tǒng) 熱力學(xué)第二定律告訴我們，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵一熱力學(xué)第二定律告訴我們，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵一定會(huì)隨時(shí)間增大，熵達(dá)到極大值，系統(tǒng)達(dá)到最無序的定會(huì)隨時(shí)間增大，熵達(dá)到極大值，系統(tǒng)達(dá)到最無序的平衡態(tài)，所以孤立系統(tǒng)絕不會(huì)出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)。只有開平衡態(tài)，所以孤立系統(tǒng)絕不會(huì)出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)。只有開放系統(tǒng)才能從外界輸入負(fù)熵流來抵消系統(tǒng)本身的熵增，放系統(tǒng)才能從外界輸入負(fù)熵流來抵消系統(tǒng)本身的熵增，才能使系統(tǒng)從無序走向有序或使系統(tǒng)保持有序狀態(tài)。才能使系統(tǒng)從無序走向有序或使系統(tǒng)

7、保持有序狀態(tài)。 2、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、遠(yuǎn)離平衡態(tài) 只有遠(yuǎn)離平衡態(tài)，原有定態(tài)的穩(wěn)定性及其對(duì)漲落只有遠(yuǎn)離平衡態(tài)，原有定態(tài)的穩(wěn)定性及其對(duì)漲落的獨(dú)立性才失去保證，才有可能形成新的有序結(jié)構(gòu)。的獨(dú)立性才失去保證，才有可能形成新的有序結(jié)構(gòu)。 3、非線性作用、非線性作用 系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)存在非線性相互作用，因其具有相干性和耦系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)存在非線性相互作用，因其具有相干性和耦合的特點(diǎn)，這是系統(tǒng)產(chǎn)生新的整體性質(zhì)和功能的必備前提。合的特點(diǎn)，這是系統(tǒng)產(chǎn)生新的整體性質(zhì)和功能的必備前提。 4、漲落導(dǎo)致有序、漲落導(dǎo)致有序 系統(tǒng)處于近平衡態(tài)時(shí)，漲落只能使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生暫時(shí)的偏離，系統(tǒng)處于近平衡態(tài)時(shí)，漲落只能使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生暫時(shí)的偏離，最后

8、仍將回到原有的穩(wěn)定態(tài)。在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中一個(gè)微最后仍將回到原有的穩(wěn)定態(tài)。在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中一個(gè)微觀隨機(jī)的小擾動(dòng)就會(huì)通過相干作用得到放大，成為整體宏觀觀隨機(jī)的小擾動(dòng)就會(huì)通過相干作用得到放大，成為整體宏觀“巨漲落巨漲落”，推動(dòng)系統(tǒng)從一個(gè)不穩(wěn)定態(tài)躍遷到一個(gè)新的穩(wěn)定的，推動(dòng)系統(tǒng)從一個(gè)不穩(wěn)定態(tài)躍遷到一個(gè)新的穩(wěn)定的有序狀態(tài)。有序狀態(tài)。 耗散結(jié)構(gòu)理論中的耗散結(jié)構(gòu)理論中的“開放開放”是所有系統(tǒng)向有序發(fā)展的必要條是所有系統(tǒng)向有序發(fā)展的必要條件。如一個(gè)企業(yè)只有開放才能獲得發(fā)展，這種開放不僅是輸出件。如一個(gè)企業(yè)只有開放才能獲得發(fā)展，這種開放不僅是輸出產(chǎn)品，輸入原料，而且涉及人才、技術(shù)和管理等方面。不斷引產(chǎn)品

9、，輸入原料，而且涉及人才、技術(shù)和管理等方面。不斷引進(jìn)入才和技術(shù)，不斷更新設(shè)備，才能使企業(yè)充滿生機(jī)和活力進(jìn)入才和技術(shù)，不斷更新設(shè)備，才能使企業(yè)充滿生機(jī)和活力。 二、研究對(duì)象二、研究對(duì)象 協(xié)同學(xué)研究協(xié)同系統(tǒng)在外參量的驅(qū)動(dòng)下和在子系統(tǒng)之間的相互協(xié)同學(xué)研究協(xié)同系統(tǒng)在外參量的驅(qū)動(dòng)下和在子系統(tǒng)之間的相互作用下，以自組織的方式在宏觀尺度上形成空間、時(shí)間或功能有作用下，以自組織的方式在宏觀尺度上形成空間、時(shí)間或功能有序結(jié)構(gòu)的條件、特點(diǎn)及其演化規(guī)律。序結(jié)構(gòu)的條件、特點(diǎn)及其演化規(guī)律。 協(xié)同系統(tǒng)的狀態(tài)由一組狀態(tài)參量來描述。這些狀態(tài)參量隨時(shí)間協(xié)同系統(tǒng)的狀態(tài)由一組狀態(tài)參量來描述。這些狀態(tài)參量隨時(shí)間變化的快慢程度是不相同

10、的。當(dāng)系統(tǒng)逐漸接近于發(fā)生顯著質(zhì)變的變化的快慢程度是不相同的。當(dāng)系統(tǒng)逐漸接近于發(fā)生顯著質(zhì)變的臨界點(diǎn)時(shí)，變化慢的狀態(tài)參量的數(shù)目就會(huì)越來越少，有時(shí)甚至只臨界點(diǎn)時(shí)，變化慢的狀態(tài)參量的數(shù)目就會(huì)越來越少，有時(shí)甚至只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)。有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)。 協(xié)同學(xué)有廣泛的應(yīng)用。協(xié)同學(xué)有廣泛的應(yīng)用。 在自然科學(xué)方面主要用于物理學(xué)、化學(xué)在自然科學(xué)方面主要用于物理學(xué)、化學(xué) 、生物、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面。學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面。 例如，在生態(tài)學(xué)方面求出了捕例如，在生態(tài)學(xué)方面求出了捕食者與被捕食者群體消長(zhǎng)關(guān)系等；食者與被捕食者群體消長(zhǎng)關(guān)系等； 在社會(huì)科學(xué)方面主要用于社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、心理在社會(huì)科學(xué)方面主要用于社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、心理

11、學(xué)和行為科學(xué)等方面。例如，在社會(huì)學(xué)中得到社會(huì)學(xué)和行為科學(xué)等方面。例如，在社會(huì)學(xué)中得到社會(huì)輿論形成的隨機(jī)模型；輿論形成的隨機(jī)模型； 在工程技術(shù)方面主要用于電氣工程、機(jī)械工程和在工程技術(shù)方面主要用于電氣工程、機(jī)械工程和土木工程等方面。土木工程等方面。 混沌一詞原指宇宙未形成之前的混亂狀態(tài)，中國(guó)及古希臘哲學(xué)家對(duì)于混沌一詞原指宇宙未形成之前的混亂狀態(tài)，中國(guó)及古希臘哲學(xué)家對(duì)于宇宙之源起即持混沌論，主張宇宙是由混沌之初逐漸形成現(xiàn)今有條不紊宇宙之源起即持混沌論，主張宇宙是由混沌之初逐漸形成現(xiàn)今有條不紊的世界。在井然有序的宇宙中，西方的世界。在井然有序的宇宙中，西方自然科學(xué)家自然科學(xué)家經(jīng)過長(zhǎng)期的探討，逐一經(jīng)過

12、長(zhǎng)期的探討，逐一發(fā)現(xiàn)眾多自然界中的規(guī)律，如大家耳熟能詳?shù)陌l(fā)現(xiàn)眾多自然界中的規(guī)律，如大家耳熟能詳?shù)娜f有引力萬有引力、杠桿原理杠桿原理、相相對(duì)論對(duì)論等。這些自然規(guī)律都能用單一的數(shù)學(xué)公式加以描述，并可以依據(jù)此等。這些自然規(guī)律都能用單一的數(shù)學(xué)公式加以描述，并可以依據(jù)此公式準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物體的行徑。公式準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物體的行徑。 混沌現(xiàn)象起因于物體不斷以某種規(guī)則復(fù)制前一階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而產(chǎn)混沌現(xiàn)象起因于物體不斷以某種規(guī)則復(fù)制前一階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而產(chǎn)生無法預(yù)測(cè)的隨機(jī)效果。所謂生無法預(yù)測(cè)的隨機(jī)效果。所謂“差之毫厘，失之千里差之毫厘，失之千里”正是此一現(xiàn)象的正是此一現(xiàn)象的最佳批注。具體而言，混沌現(xiàn)象發(fā)生于易變動(dòng)的物體或系

13、統(tǒng)，該物體在最佳批注。具體而言，混沌現(xiàn)象發(fā)生于易變動(dòng)的物體或系統(tǒng)，該物體在行動(dòng)之初極為單純，但經(jīng)過一定規(guī)則的連續(xù)變動(dòng)之后，卻產(chǎn)生始料所未行動(dòng)之初極為單純，但經(jīng)過一定規(guī)則的連續(xù)變動(dòng)之后，卻產(chǎn)生始料所未及的后果，也就是及的后果，也就是混沌狀態(tài)混沌狀態(tài)。但是此種混沌狀態(tài)不同于一般雜亂無章的。但是此種混沌狀態(tài)不同于一般雜亂無章的的混亂狀況，此一混沌現(xiàn)象經(jīng)過長(zhǎng)期及完整分析之后，可以從中理出某的混亂狀況，此一混沌現(xiàn)象經(jīng)過長(zhǎng)期及完整分析之后，可以從中理出某種規(guī)則出來?；煦绗F(xiàn)象雖然最先用于解釋自然界，但是在人文及社會(huì)領(lǐng)種規(guī)則出來。混沌現(xiàn)象雖然最先用于解釋自然界，但是在人文及社會(huì)領(lǐng)域中因?yàn)槭挛镏g相互牽引，混沌

14、現(xiàn)象尤為多見。如股票市場(chǎng)的起伏、域中因?yàn)槭挛镏g相互牽引，混沌現(xiàn)象尤為多見。如股票市場(chǎng)的起伏、人生的平坦曲折、教育的復(fù)雜過程。人生的平坦曲折、教育的復(fù)雜過程。 四、運(yùn)用四、運(yùn)用 混沌理論在氣象學(xué)領(lǐng)域，在教育行政、課程與教學(xué)、教育混沌理論在氣象學(xué)領(lǐng)域，在教育行政、課程與教學(xué)、教育研究、教育測(cè)驗(yàn)等方面已經(jīng)有些許應(yīng)用的例子。研究、教育測(cè)驗(yàn)等方面已經(jīng)有些許應(yīng)用的例子。 由于教育的對(duì)象是人，人是隨時(shí)變動(dòng)起伏的個(gè)體，而教育由于教育的對(duì)象是人，人是隨時(shí)變動(dòng)起伏的個(gè)體，而教育的過程基本上依循一定的準(zhǔn)則，并歷經(jīng)長(zhǎng)期的互動(dòng)，因此，的過程基本上依循一定的準(zhǔn)則，并歷經(jīng)長(zhǎng)期的互動(dòng)，因此，相當(dāng)符合混沌理論的架構(gòu)。也因此，依據(jù)混沌理論，教育系相當(dāng)符合混沌理論的架構(gòu)。也因此，依據(jù)混沌理論，教育系統(tǒng)容易產(chǎn)生無法預(yù)期的結(jié)果。此一結(jié)果可能是正面的，也有統(tǒng)容易產(chǎn)