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第三节 系统科学与教学设计
系统科学是在第二次世界大战前后兴起的。它是以系统及其机理为对象，研究系统的类型、一般性质和运动规律的科学，包括系统论、信息论、控制论等基础理论，系统工程等应用学科以及近年来发展起来的自组织理论。它具有横断科学的性质，与以往的结构科学（以研究“事物”为中心）、演化科学（以研究“过程”为中心）不同。它涉及许多学科研究对象中某些共同的方面。系统论、信息论、控制论就是把不同对象的共同方面，如系统、组织、信息、控制、调节、反馈等性质和机理抽取出来，用统一的、精确的科学概念和方法来描述，并力求用现代的数学工具来处理。所以，系统科学是现代科学向系统的多样化、复杂化发展的必然产物。它在现代科学技术和哲学、社会科学的发展中具有十分重要的意义，为人们认识世界和改造世界提供了富有成效的、现代化的“新工具”。
一、系统论、信息论、控制论的产生 在人类思想史上，早已有关于系统的观念。古希腊思想家已提出“秩序”、“组织”、“整体”、“部分”等概念来认识世界。中国古代阴阳五行学说把事物看成相生相克的整体。但作为研究各种系统一般原则的系统论则是于本世纪20～30年代，由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲提出的。贝塔朗菲和一些科学家在20年代中期提出了机体论，创立了机体系统论的生物学研究方法，把协调、秩序和目的性等概念和数学模型应用于有机体的研究，主张把有机体作为一个整体或系统，用生物与环境相互关系的观点来说明生命现象的本质，从而解释以往机械论所无法解释的生命现象。贝塔朗菲机体论的基本思想是：（1）整体观点；（2）动态结构与能动观点；（3）组织等级性观点。这些基本思想已包含了贝塔朗菲后来提出的一般系统论的基本内容。他先后发表了《理论生物》、《现代发展理论》、《关于一般系统论》等著作，对系统概念、整体性、集中性、终极性以及封闭系统、开放系统等都作了深刻论述，从而奠定了现代系统论的基础。 信息论是本世纪40年代在现代通信技术发展的基础上诞生的，是研究信息的获取、储存、传递、计量、处理和利用等问题的一门新兴学科。上世纪30年代以后，科学技术所发生的革命性变化，主要表现在信息方面，表现在信息的传递、存储、加工处理等技术和通信、控制技术以及人工智能的发展，其实质是人的思维器官的伸展，使人的脑力劳动的解放。 1924年美国奈奎斯特和德国居普夫、缪勒等人发现电信号的传输速率与信道带宽度成比例关系，从而最早提出了信息问题。1928年，哈特莱发表《信息传输》，首先提出信息是包含在消息中的信息量，而代码、符号这类消息是信息的具体方式。他还提出了信息定量问题，认为可以用消息出现概率的对数来度量其中所包含的信息。另一方面，作为信息论数学基础的概率论也得到飞速发展。在这种条件下，许多科学家从不同角度对信息论的基本理论进行了研究。1948年香农发表《通讯的数学理论》，把物理学中的数学统计方法用于通讯领域，提出了作为负熵的信息公式和信息量概念，给出了信息的定义，为现代信息理论奠定了基础。从此，信息论作为一门独立学科而出现。随着信息论渗透到心理学、神经生理学、生物学和语言学等领域，信息论的含义越来越广泛。50多年来，信息论与系统论、控制论交织在一起获得迅速发展，形成一种综合性的信息科学。 控制论也是上世纪40年代末在通讯技术发展的基础上产生的。美国数学家维纳被认为是现代控制论和信息科学的创立者。第二次世界大战期间，维纳将数学工具应用于火炮控制系统，处理飞行轨迹的时间序列，提出了一套预测飞机将要飞到的位置，使火炮准确击中的最优办法。而火炮控制系统中一个重要问题就是如何将控制装置的误差反馈回来作为修正下一步控制的依据。维纳从生理学家罗森勃吕特那里了解到人的神经系统与火炮控制系统有相似之处，都有反馈不足和过度的问题，本质上是对信息的一种处理。于是开始找到了人、动物与机器在控制、通讯方面的共同点。维纳与罗森勃吕特合作发表《行为、目的和目的论》一文，论证了目的性就是负反馈活动。1948年，维纳所著的《控制论》一书出版，它标志着控制论的正式建立。1950年，维纳发表《人有人的用处——控制论与社会》一书，对控制论作了更广泛通俗的阐述。与信息科学的发展紧密联系，控制论的基本概念和方法被应用于各个具体科学领域，研究对象从人和机器扩展到环境、生态、社会、军事、经济等许多部门，使控制论向应用科学方面迅速发展。
二、系统科学的新进展 20世纪50年代以后，出现了一股研究现代系统理论的热潮，陆续出现了各种新的系统理论，如：普利高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、费根鲍姆等的混沌理论。 耗散结构理论是比利时理论生物学家普利高津首次提出来的。德国物理学家克劳修斯提出的热力学第二定律，无法解释系统从无序到有序、从简单到复杂、从低级到高级的进化过程，这引起了普利高津的兴趣。1969年，他终于发现：一个开放系统在从平衡态到近平衡态再到远离平衡态的非线性区时，系统内某个参量的变化达到一定阈值，通过涨落，系统就可能发生突变，由原来的无序状态变为在时间上、空间上或功能上的有序状态，形成一种动态稳定的有序结构。这种新的有序状态必须不断地与外界进行物质、能量和信息的交换，才能维持一定的稳定性，而且不因外界微小的扰动而被破坏，因而称为耗散结构。这种耗散结构能够产生自组织现象，所以耗散结构理论也叫“非平衡系统的自组织理论”。它解决了开放系统如何从无序转化为有序的问题，对于处理可逆与不可逆、有序与无序、平衡与非平衡、整体与局部、决定论与随机性等关系提出了良好的思考方法，从而把一般系统论向前推进了一大步。 协同学是由德国物理学家H·哈肯于1970年创立的。它以信息论、控制论、突变论等为基础，采用统计学和动力学考察相结合的方法，通过类比，对各类系统中从无序到有序的现象建立一整套数学模型和处理方案。它是耗散结构理论的突破与推广，也是一门关于自组织的理论。它进一步指出了一个系统从无序向有序转化的关键并不在于热力学平衡还是不平衡，也不在于离平衡态有多远，而在于只要是一个由大量子系统构成的开放系统。耗散结构理论只讨论了远离平衡态系统从无序向有序的转化，而协同学除了分析系统的“协同作用”外，进一步解决了近平衡态系统从无序向有序的转化。协同学开始只限于研究一个非平衡开放系统在时间和空间方面的有序问题，哈肯在《协同学：最新趋势与发展》一文中将协同学的内容扩展到功能有序。哈肯注意到混沌现象的重要性，认为一个非平衡的开放系统不仅可以从无序到有序，而且也可以从有序到混沌（指由决定性方程所描述的不规则运动）。这一发现使协同学进入到一个新阶段。1981年，哈肯在《20世纪80年代的物理思想》一文指出，在宇宙中也呈现有序结构。这些说明，无论是在宏观领域还是在微观领域，只要是开放系统，就可以在一定条件下呈现出非平衡的有序结构，都可以成为协同学的研究内容。 耗散结构理论和协同学在创立初期，着重研究系统是如何从混沌到有序的发展，并找到了一些系统从混沌到有序发展的机制和条件。80年代以来，人们在探索“热混沌”与“非平衡混沌”的联系和区别之后，着重研究系统怎样从有序进入新混沌，以及混沌的性质和特点等问题。混沌理论从科学上进一步说明了自然界有序和无序的辩证统一、确定性和随机性的辩证统一。
三、系统科学与教学设计的关系 ⒈ 教学设计是系统科学在教学领域的应用 教学设计是涉及到人的因素的活动，教学设计的最终目标是改变人，教学设计中最重要的因素是人。而人是最复杂的系统，至今关于人的研究还在探索中，这些造成了教学设计对人际交流的教学过程研究的复杂性。作为教学设计的理论基础，心理科学和教学科学研究成果众多，如何把这些原理协调起来，整合到一起，成为人们研究的领域。 系统科学认为系统即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体。世界上一切事物、现象和过程都是有机整体，它们自成系统、互为系统。任何一个系统和周围的环境组成一个较大的系统，而它的各个组成部分都可以看作其子系统。系统科学产生之后就为带有复杂性的研究提供了科学依据。 20世纪50至60年代期间，系统科学方法在美国军事、工业、商业、空间技术等领域得到空前成功的应用。在这些成功应用实例的推动下，系统方法也在教育界受到重视，60年代末期开始教育技术研究者致力于系统方法应用于教学实际的研究，形成教学系统方法，并应用于各级层次的教学系统的设计之中，建立起教学设计的理论与方法。 教学设计首先是把教育、教学本身作为整体系统来考察。以这种系统思想作指导，我们把为达到一定的教育、教学目的，体现一定的教育、教学功能的各种教育、教学组织形式看成教育系统或教学系统。如学校是一个教育系统，是社会系统的一个子系统。社会向学校教育提出人才的要求，提供教育资源(如教职员、教材、设备、设施等)等，而学校系统则通过各类教育工作把学生培养成社会需要的人才。学校系统是通过反馈信息来进行调整，以保持在社会系统中的动态稳定。教学系统是教育系统的子系统，它可以是指学校的全部教学工作，也可以是一门课程，一个单元或一节课的教学；当然也可指为达到教学目的、目标而组织的机构和方法、作为一种执行控制的教学信息传递过程，教学系统包含了教师、学生(均为人员要素)、课程(教学信息要素)和教学条件(物质要素)四个最基本的要素，组成系统的空间结构；而教学目标、教学内容、教学方法、教学媒体、教学组织形式和学习结果等过程性要素形成系统的时间结构。这些要素之间相互作用、相互依赖、相互制约又构成系统输入和输出之间复杂的运行过程，也就是我们常说的教学过程。教学系统的功能就是教学过程运行的结果。 面对包含各种要素的复杂教学系统，该如何综合考察、协调和控制各个要素，以保证系统的顺利运行和完成系统功能呢？其有效的方法就是要掌握系统方法。系统方法就是运用系统理论的观点、方法，研究和处理各种系统问题而形成的方法，即按照事物本身的系统性把对象放在系统的形式加以考察的方法。它侧重于系统的整体性分析，从组成系统的各要素之间的关系和相互作用中发现系统的规律，从而提供解决复杂系统问题的一般步骤、程序和方法。系统分析技术、解决问题方案的优化选择技术、问题解决策略优化技术以及评价调控技术等于技术构成了系统方法的方法体系和结构。 系统科学指导下的教学设计的特点： 教学设计把教学系统作为一个整体来进行设计、实施和评价，使之成为具有最优功能的教学系统。在系统科学指导下的教学设计以学习需要为开始，在确定学习需要之后，在对学习者和学习内容以及各种教学策略进行分析的基础上，通过系统的策略优化技术确定教学策略，实施教学策略，在实施的过程中进行形成性评价和实施后的总结性评价，力图使通过教学设计后的教学系统满足学习者的学习需要，促进学习者的发展。 在教学设计实施过程中，各种分析技术是教学设计成功的保证。教学设计在系统科学的指导下，把构成教学系统的元素分成整个教学系统的子系统，通过这些子系统的分析、研究，获得教学设计成功的条件。这些对子系统的分析，通过系统科学的方法整合在一起，获得1+1>2的效果。 教学设计综合教学系统的各个要素，在教学设计的经验基础之上，把运用系统方法的设计过程加以模式化、提供一种实施教学系统方法的具体可操作的程序与技术。经过人们的实践研究，系统科学在教学领域的应用获得成功，目前，几乎所有的教学设计模式都是采用系统科学方法构建，并且把教学设计和教学系统设计看成同义词。 ⒉ 系统科学的发展带动了教学设计的发展 系统科学的发展给教学设计带来了新的发展空间。系统科学作为一个科学体系，它的完善和发展直接带动了教学设计的完善和发展。 在系统科学产生初期，系统论、信息论、控制论是系统科学的主流，在这种情况下，教学设计大量的借用了这三种理论，在形成的教学设计模式中，关注各种信息（学习者的信息、学习需要的信息、教学信息等）的流程，以及教学的控制功能，强调线性流程，强调外部控制作用。 作为系统科学的新发展的耗散结构理论、协同学、混沌理论给教学设计的发展带来新的发展空间。新的系统理论，强调了非线性、强调了不可预测性，这样的理论有利于改善长期存在教学设计领域的线性控制，改善教学设计的线性思维，扩展教学设计理论。但是，目前的教学设计理论并不能把系统科学的新进展有效地融入到教学设计领域，人们对非线性的教学设计的研究依然在探索中。 |
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