系统科学与探索复杂性

1、2012年2月 10.1 一般系统论一般系统论 系统论以系统论以“系统系统”为研究对象，这决定了为研究对象，这决定了“系统系统”以及与之以及与之紧密相关的紧密相关的“结构结构”、“功能功能”等必然是该理论中的基本概等必然是该理论中的基本概念和范畴，准确理解这些概念是把握系统论的基础。念和范畴，准确理解这些概念是把握系统论的基础。(一一)系统及其分类系统及其分类 贝塔朗菲认为：系统即有相互作用的元素的综合体。作者贝塔朗菲认为：系统即有相互作用的元素的综合体。作者认为系统是存在于一定环境之中，由若干相互联系、相互作认为系统是存在于一定环境之中，由若干相互联系、相互作用的要素所构成的具有特定功能的整

2、体。用的要素所构成的具有特定功能的整体。 1、按照在时空中的存在状态，分为动态系统和静态系统、按照在时空中的存在状态，分为动态系统和静态系统、稳态系统和非稳态系统。稳态系统和非稳态系统。 2、按照与外部环境的关系，分为开放系统（与外部环境、按照与外部环境的关系，分为开放系统（与外部环境进行物质、能量和信息交换的系统）和封闭系统。进行物质、能量和信息交换的系统）和封闭系统。10.1.2 一般系统论的基本概念一般系统论的基本概念 3、按照组成要素的性质，分为：、按照组成要素的性质，分为： （1）自然系统：指以自然物质作为要素而构成的系）自然系统：指以自然物质作为要素而构成的系统，是在自然界发展进化

3、过程中自发形成的。如天体系统，是在自然界发展进化过程中自发形成的。如天体系统、气象系统、生态系统等。统、气象系统、生态系统等。 （2）人工系统：人们为了达到某种目的而建造起来）人工系统：人们为了达到某种目的而建造起来的系统，具有自为的目的。有实体系统和概念系统之分。的系统，具有自为的目的。有实体系统和概念系统之分。 （3）复合系统：由自然系统与人工系统共同组成的。）复合系统：由自然系统与人工系统共同组成的。如导航系统，天气预报系统等。如导航系统，天气预报系统等。 人类实践的着重点，也正是立足自然系统，设计人人类实践的着重点，也正是立足自然系统，设计人工系统并构造复杂系统，以此实现自在目的性与自

4、为目工系统并构造复杂系统，以此实现自在目的性与自为目的性的统一。的性的统一。 10.2.2 控制论与信息论的基本概念控制论与信息论的基本概念(一一)控制控制 控制，指的是一种带有目性的因果联系，即产生原因系统控制，指的是一种带有目性的因果联系，即产生原因系统（施控系统）对产生结果系统（受控系统）有目的的影响干预。（施控系统）对产生结果系统（受控系统）有目的的影响干预。是带目的性的能动作用。是带目的性的能动作用。 作为一种作用和过程，一般包含三个基本要素：施控主体、作为一种作用和过程，一般包含三个基本要素：施控主体、受控客体和传递控制作用的特定方式或途径。受控客体和传递控制作用的特定方式或途径。

5、 (二二)反馈反馈（见（见P179图图122，123） 控制系统根据是否有反馈分为开环系统和闭环系统两种。控制系统根据是否有反馈分为开环系统和闭环系统两种。 开环系统抗干扰能力差，容易偏离目标，不能自动回到目标开环系统抗干扰能力差，容易偏离目标，不能自动回到目标状态，系统很不稳定，因而它的控制作用受到很大限制。而闭环状态，系统很不稳定，因而它的控制作用受到很大限制。而闭环系统具有排除干扰的能力，可以控制系统达到或保持稳定。系统具有排除干扰的能力，可以控制系统达到或保持稳定。 控制论所研究的系统是闭环控制系统，是以反馈原理为理论控制论所研究的系统是闭环控制系统，是以反馈原理为理论基础的，所以，有

6、人认为控制论就是关于反馈的科学。基础的，所以，有人认为控制论就是关于反馈的科学。 形成耗散结构所必须的形成耗散结构所必须的条件条件： 1、开放系统、开放系统 热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。只有开平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。只有开放系统才能从外界输入负熵流来抵消系统本身的熵增，放系统才能从外界输入负熵流来抵消系统本身的熵增，才能使系统从无序走向有序或使系统保持有序状态。才能使系统从无序走向有序或使系统

7、保持有序状态。 2、远离平衡态、远离平衡态 只有远离平衡态，原有定态的稳定性及其对涨落只有远离平衡态，原有定态的稳定性及其对涨落的独立性才失去保证，才有可能形成新的有序结构。的独立性才失去保证，才有可能形成新的有序结构。 3、非线性作用、非线性作用 系统内部应当存在非线性相互作用，因其具有相干性和耦系统内部应当存在非线性相互作用，因其具有相干性和耦合的特点，这是系统产生新的整体性质和功能的必备前提。合的特点，这是系统产生新的整体性质和功能的必备前提。 4、涨落导致有序、涨落导致有序 系统处于近平衡态时，涨落只能使系统状态发生暂时的偏离，系统处于近平衡态时，涨落只能使系统状态发生暂时的偏离，最后

8、仍将回到原有的稳定态。在远离平衡态时，系统中一个微最后仍将回到原有的稳定态。在远离平衡态时，系统中一个微观随机的小扰动就会通过相干作用得到放大，成为整体宏观观随机的小扰动就会通过相干作用得到放大，成为整体宏观“巨涨落巨涨落”，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的稳定的，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的稳定的有序状态。有序状态。 耗散结构理论中的耗散结构理论中的“开放开放”是所有系统向有序发展的必要条是所有系统向有序发展的必要条件。如一个企业只有开放才能获得发展，这种开放不仅是输出件。如一个企业只有开放才能获得发展，这种开放不仅是输出产品，输入原料，而且涉及人才、技术和管理等方面。不断引产品

9、，输入原料，而且涉及人才、技术和管理等方面。不断引进入才和技术，不断更新设备，才能使企业充满生机和活力进入才和技术，不断更新设备，才能使企业充满生机和活力。 二、研究对象二、研究对象 协同学研究协同系统在外参量的驱动下和在子系统之间的相互协同学研究协同系统在外参量的驱动下和在子系统之间的相互作用下，以自组织的方式在宏观尺度上形成空间、时间或功能有作用下，以自组织的方式在宏观尺度上形成空间、时间或功能有序结构的条件、特点及其演化规律。序结构的条件、特点及其演化规律。 协同系统的状态由一组状态参量来描述。这些状态参量随时间协同系统的状态由一组状态参量来描述。这些状态参量随时间变化的快慢程度是不相同

10、的。当系统逐渐接近于发生显著质变的变化的快慢程度是不相同的。当系统逐渐接近于发生显著质变的临界点时，变化慢的状态参量的数目就会越来越少，有时甚至只临界点时，变化慢的状态参量的数目就会越来越少，有时甚至只有一个或少数几个。有一个或少数几个。 协同学有广泛的应用。协同学有广泛的应用。 在自然科学方面主要用于物理学、化学在自然科学方面主要用于物理学、化学 、生物、生物学和生态学等方面。学和生态学等方面。 例如，在生态学方面求出了捕例如，在生态学方面求出了捕食者与被捕食者群体消长关系等；食者与被捕食者群体消长关系等； 在社会科学方面主要用于社会学、经济学、心理在社会科学方面主要用于社会学、经济学、心理

11、学和行为科学等方面。例如，在社会学中得到社会学和行为科学等方面。例如，在社会学中得到社会舆论形成的随机模型；舆论形成的随机模型； 在工程技术方面主要用于电气工程、机械工程和在工程技术方面主要用于电气工程、机械工程和土木工程等方面。土木工程等方面。 混沌一词原指宇宙未形成之前的混乱状态，中国及古希腊哲学家对于混沌一词原指宇宙未形成之前的混乱状态，中国及古希腊哲学家对于宇宙之源起即持混沌论，主张宇宙是由混沌之初逐渐形成现今有条不紊宇宙之源起即持混沌论，主张宇宙是由混沌之初逐渐形成现今有条不紊的世界。在井然有序的宇宙中，西方的世界。在井然有序的宇宙中，西方自然科学家自然科学家经过长期的探讨，逐一经过

12、长期的探讨，逐一发现众多自然界中的规律，如大家耳熟能详的发现众多自然界中的规律，如大家耳熟能详的万有引力万有引力、杠杆原理杠杆原理、相相对论对论等。这些自然规律都能用单一的数学公式加以描述，并可以依据此等。这些自然规律都能用单一的数学公式加以描述，并可以依据此公式准确预测物体的行径。公式准确预测物体的行径。 混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生无法预测的随机效果。所谓生无法预测的随机效果。所谓“差之毫厘，失之千里差之毫厘，失之千里”正是此一现象的正是此一现象的最佳批注。具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系

13、统，该物体在最佳批注。具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未及的后果，也就是及的后果，也就是混沌状态混沌状态。但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的。但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的的混乱状况，此一混沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某的混乱状况，此一混沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。混沌现象虽然最先用于解释自然界，但是在人文及社会领种规则出来。混沌现象虽然最先用于解释自然界，但是在人文及社会领域中因为事物之间相互牵引，混沌

14、现象尤为多见。如股票市场的起伏、域中因为事物之间相互牵引，混沌现象尤为多见。如股票市场的起伏、人生的平坦曲折、教育的复杂过程。人生的平坦曲折、教育的复杂过程。 四、运用四、运用 混沌理论在气象学领域，在教育行政、课程与教学、教育混沌理论在气象学领域，在教育行政、课程与教学、教育研究、教育测验等方面已经有些许应用的例子。研究、教育测验等方面已经有些许应用的例子。 由于教育的对象是人，人是随时变动起伏的个体，而教育由于教育的对象是人，人是随时变动起伏的个体，而教育的过程基本上依循一定的准则，并历经长期的互动，因此，的过程基本上依循一定的准则，并历经长期的互动，因此，相当符合混沌理论的架构。也因此，依据混沌理论，教育系相当符合混沌理论的架构。也因此，依据混沌理论，教育系统容易产生无法预期的结果。此一结果可能是正面的，也有统容易产生无法预期的结果。此一结果可能