第3篇-第5章系統(tǒng)科學(xué)方法-第6章科學(xué)假設(shè)和科學(xué)理論

1、第五章 系統(tǒng)科學(xué)方法 第六章 科學(xué)假說和科學(xué)理論,第五章 系統(tǒng)科學(xué)方法 系統(tǒng)論、信息論、控制論是20世紀(jì)40年代來產(chǎn)生的橫斷學(xué)科。70年代又形成了以耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)說、突變理論、超循環(huán)理論為主的非平衡自組織理論。它們都是以系統(tǒng)類型作為研究對(duì)象的，其理論基礎(chǔ)是一般系統(tǒng)論，所以，統(tǒng)稱為系統(tǒng)科學(xué)。它們撇開研究對(duì)象的具體物質(zhì)形態(tài)和內(nèi)容（天體、生物、機(jī)器、社會(huì)），從不同的

2、側(cè)面研究事物和過程所共有的本質(zhì)和規(guī)律，具有普通的認(rèn)識(shí)論和方法論意義。本章主要介紹系統(tǒng)論、信息論和控制論方法的一般特征和意義，自組織理論則給予省略。,第一節(jié) 系統(tǒng)論方法 《一般系統(tǒng)論》是由奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲20世紀(jì)40年代創(chuàng)立的。其思想基礎(chǔ)淵源于解釋生命現(xiàn)象的有機(jī)論觀點(diǎn)，即來源于20世紀(jì)20年代英國(guó)數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家懷德海關(guān)于把生命看成一個(gè)有機(jī)的整體的觀點(diǎn)。機(jī)械論和活力論。,一、系統(tǒng)和系統(tǒng)方法 1.

3、關(guān)于系統(tǒng)的概念 （1）貝塔朗菲認(rèn)為：系統(tǒng)是“處在一定相互聯(lián)系中的并與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成部分的總體?！保?）錢學(xué)森則認(rèn)為：系統(tǒng)是“由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成的具有特定功能的有機(jī)整體，而且這個(gè)系統(tǒng)又是它們從屬的更大系統(tǒng)的組成部分?！庇纱丝芍跋到y(tǒng)”概念主要包含以下涵義：,① 系統(tǒng)是一個(gè)整體。 是由相互作用、相互依賴的若干要素（組成部分）有機(jī)結(jié)合起來的； ② 系統(tǒng)各要素的這種有機(jī)結(jié)合又賦予系統(tǒng)

4、整體以特定功能。這種特定功能不僅是由組成系統(tǒng)的所有要素所造成的，而更主要的是由組成這些要素的相互關(guān)系所造成的； ③ 系統(tǒng)具有層次性。對(duì)于下一個(gè)層次來說是系統(tǒng)，而對(duì)于上一個(gè)層次來說，則是要素；④ 系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)。它與環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換，在多變的環(huán)境中以求得自身的穩(wěn)定性。因而，系統(tǒng)的特征和功能又表現(xiàn)為系統(tǒng)與環(huán)境的聯(lián)系之中。,2. 系統(tǒng)方法 所謂系統(tǒng)方法是指將研究對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)整體來看

5、待，著重從系統(tǒng)與要素、要素與要素、系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互聯(lián)系、相互作用的關(guān)系中，綜合地、定量地考慮研究對(duì)象，以達(dá)到全面而精確地了解和把握研究對(duì)象，并對(duì)問題作出最佳處理的方法。,二、系統(tǒng)方法的原則 1. 整體性原則。這是系統(tǒng)方法最基本的原則。它要求我們，無論是認(rèn)識(shí)、研究、控制自然對(duì)象，還是設(shè)計(jì)、控制、制造人工系統(tǒng)，都必須從系統(tǒng)整體出發(fā)，探索系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間，系統(tǒng)與要素之間，以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的辯證關(guān)系，以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)整體的深刻

6、理解和全面認(rèn)識(shí)。整體性原則是基于要素對(duì)系統(tǒng)的非加和性關(guān)系而提出的。它認(rèn)為：①系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)并不是各個(gè)要素的簡(jiǎn)單相加或機(jī)械拼奏，而是各個(gè)要素（或各個(gè)部分）按照一定的方式組成的有機(jī)統(tǒng)一體；②系統(tǒng)整體的功能也不是各個(gè)要素（或各個(gè)部分）功能的簡(jiǎn)單相加或重疊，而是各個(gè)要素（或各個(gè)部分）在相干、協(xié)調(diào)、耦合的條件下表現(xiàn)出來的新質(zhì)（整體效應(yīng)和特定功能）。,2. 動(dòng)態(tài)原則。這是系統(tǒng)方法的歷時(shí)性原則。它要求我們不能把系統(tǒng)看成是靜態(tài)的 “死系統(tǒng)”，而應(yīng)把系統(tǒng)

7、看成是動(dòng)態(tài)的“活系統(tǒng)”。雖然在科學(xué)研究中，人們經(jīng)常采用理想的“孤立系統(tǒng)”或“封閉系統(tǒng)”，這只是為了研究的需要而人為地設(shè)定的理想系統(tǒng)，而實(shí)際存在的系統(tǒng)從原則上講一般都是開放的、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。因此，這就要求我們?cè)谘芯亢驼J(rèn)識(shí)系統(tǒng)整體時(shí)，不僅要了解它的過去，掌握它的現(xiàn)在，還要預(yù)測(cè)它的未來，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的運(yùn)動(dòng)過程。,3. 優(yōu)化原則。這是系統(tǒng)方法的基本目的。也是任何一個(gè)系統(tǒng)所追求的目標(biāo)。①整體效應(yīng)的最優(yōu)。這是系統(tǒng)優(yōu)化原則的核心。②多級(jí)優(yōu)化。對(duì)系統(tǒng)整

8、體做出逐級(jí)優(yōu)化的處理。即從最低的層次到最高的層次進(jìn)行逐級(jí)優(yōu)化，使系統(tǒng)達(dá)到整體效應(yīng)的目的。反之，亦然。③最優(yōu)與滿意。最優(yōu)化是系統(tǒng)方法所追求的目標(biāo)。,4. 模型化原則 模型化原則是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體原型的簡(jiǎn)單化、定量化和最優(yōu)化的必要途徑和手段。它是指在運(yùn)用系統(tǒng)方法時(shí)，由于系統(tǒng)規(guī)模龐大或很小，或者由于系統(tǒng)的因素眾多，或者由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或者由于難于直接作用于系統(tǒng)（如人體系統(tǒng)）或者由于研究對(duì)象時(shí)過鏡遷，難以追蹤等原因，從而設(shè)計(jì)出與原

9、型系統(tǒng)相同或相似的系統(tǒng)模型，來代替真實(shí)系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)模型的研究，來認(rèn)識(shí)和掌握原型系統(tǒng)的本 質(zhì)和規(guī)律。系統(tǒng)方法建立的模型通常是用數(shù)學(xué)方法、,系統(tǒng)方法建立的模型通常是用數(shù)學(xué)方法、原理實(shí)物模型等手段來表達(dá)。利用這種模擬方法比文字?jǐn)⑹龈鼮榫?、?jiǎn)潔和準(zhǔn)確，并可借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。下圖就是一個(gè)醫(yī)學(xué)模型的建立過程：,動(dòng)物疾病模型、建立專家系統(tǒng)、人造器官,運(yùn)用已知生理、病理知識(shí),,,,,,No,Yes,達(dá)到預(yù)期目標(biāo),總之，整體性原則是基礎(chǔ)，動(dòng)

10、態(tài)原則是過程，最優(yōu)化原則是目的，模型化原則是手段。,,模,第二節(jié) 信息方法 信息論是由美國(guó)科學(xué)家申農(nóng)于20世紀(jì)40年代創(chuàng)立的，其代表作是1948年寫的《通訊中的數(shù)學(xué)理論》。 （一）信息及其本質(zhì)和特征 1. 信息的含義。 ①通俗地講，信息就是能帶來新知識(shí)、新內(nèi)容的消息；②維納從控制論的角度出發(fā)，把信息看作是控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)活動(dòng)時(shí)相互作用、相互交換的內(nèi)容。③申農(nóng)則從通訊角度，把信息看作是通訊

11、者“消除不確定性”的東西，是系統(tǒng)的“不確定性”的消除。,由此我們可知：①?gòu)恼J(rèn)識(shí)論的角度來說：信息就是主體接收到的，可消除對(duì)事物認(rèn)識(shí)的不確定性的新消息、新內(nèi)容、新知識(shí)，是對(duì)系統(tǒng)的確定程度的量度；②從傳遞即信源、信道和信宿的關(guān)系來看，信息又是控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)其有目的性運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；③從本體論角度看，信息又是被認(rèn)識(shí)客體發(fā)出的聲音、顏色、結(jié)構(gòu)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律等表現(xiàn)出來的普遍存在方式。 2. 信息的本質(zhì) 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于信息的

12、本質(zhì)問題有以下幾種看法： ① 認(rèn)為信息是獨(dú)立的物質(zhì)實(shí)體，它以“信息場(chǎng)”的形式存在；（載體）,② 認(rèn)為信息是非物質(zhì)的精神的東西，是純粹的精神活動(dòng)；（語言、文字、數(shù)字、符號(hào)等） ③ 認(rèn)為信息不僅是物質(zhì)的，而且也是觀念的; ④ 認(rèn)為信息既非物質(zhì)，也不是精神，而是“某種第三者”； ⑤ 認(rèn)為信息是物質(zhì)的普通屬性或存在方式。3. 信息的重要特征： ① 信息存在于尚未確定的事物之中。只

13、有尚未確定或尚未認(rèn)識(shí)的事物中才會(huì)有信息，未確定的程度越高信息就越多。對(duì)于已經(jīng)認(rèn)識(shí)或確定的事物不含有信息。 ② 信息具有知識(shí)性。借助于信息可獲得知識(shí)，消除認(rèn)識(shí)上的不確定性，變不知為可知，由少知轉(zhuǎn)化為多知。因此，知識(shí)量與信息量總是成正比的。我們說某人知識(shí)豐富、知識(shí)面廣，是指某人獲得的信息量大 。,③ 信息是可以識(shí)別的。它既可通過感官直接識(shí)別，也可借助于儀器間接識(shí)別。例如，當(dāng)你看見病人無欲外貌，軀體皮膚玫瑰疹，并有相對(duì)緩脈時(shí)，你可

14、通過感官獲得信息：病人患有傷寒。當(dāng)你看到病人心電圖上出現(xiàn)寬而深的Q波形，ST段抬高，T波倒置時(shí)，你會(huì)獲得信息：病人患有心肌梗塞疾病。④信息是可以轉(zhuǎn)換的。例如，各種語言文字的信息可以轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語言；各種不同顏色的物體可轉(zhuǎn)化為各種不同的數(shù)字化圖像。⑤信息在時(shí)間上是滯后的。任何信息的獲得必然是在事件發(fā)生以后才可有之，所謂的超前信息僅僅是一種預(yù)測(cè)，而所有的預(yù)測(cè)信息盡管是建立在一定的科學(xué)依據(jù)之上，但仍然具有一定的或然性。,二、信息方

15、法及其基本特點(diǎn) 1. 信息方法是運(yùn)用信息的觀點(diǎn)，把系統(tǒng)看作是借助于信息的獲取、貯存、轉(zhuǎn)換、傳遞、加工、處理而實(shí)現(xiàn)其有目的性運(yùn)動(dòng)的一種研究方法。（生物、機(jī)器、社會(huì)） 2. 信息方法的基本特點(diǎn)：以信息的運(yùn)動(dòng)作為分析和處理問題的基礎(chǔ)。它完全撇開對(duì)象的具體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，把系統(tǒng)的有目的性運(yùn)動(dòng)抽象為信息的變換過程，僅從信息可能出現(xiàn)的概率變化來研究事物運(yùn)動(dòng)、發(fā)展、變化的內(nèi)在規(guī)律。 （生物、機(jī)器、社會(huì)）,這樣，就可以從信息的發(fā)射、接

16、收、傳遞、加工等過程來研究對(duì)象的特征，研究系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)以及系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的信息輸入和輸出的關(guān)系。（疾病的診斷和治療） 三、信息方法的作用 1. 信息方法（信息技術(shù)）為實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和各種社會(huì)管理活動(dòng)現(xiàn)代化提供了重要的工具和手段。 2. 信息方法可把研究對(duì)象看作是接收、傳遞、加工、處理和輸出信息的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。 3. 信息方法在醫(yī)學(xué)研究中起著極為重要的作用。從認(rèn)識(shí)人體內(nèi)部各種信

17、息的傳遞到各種疾病的診斷和治療。,4. 應(yīng)用模糊信息方法能使診斷的準(zhǔn)確性有所提高。利用模糊數(shù)學(xué)方法使許多臨界信息得到確定 。 5. 信息方法揭示了機(jī)器、有機(jī)體和社會(huì)不同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的信息聯(lián)系。這種聯(lián)系主要體現(xiàn)在雖然它們不屬于同一系統(tǒng)，但其具有共同的特征：即它們的信息流動(dòng)過程是相同的。如下圖所示： 信息→輸入→貯存→加工、處理→輸出

18、 反饋 這一系統(tǒng)始終是在信息的作用下，控制著系統(tǒng)朝著自身的目標(biāo)值而運(yùn)動(dòng)。,,,,,,四、獲取信息的基本原則及要求： 1. 等概率性原則 這是保證獲取最大信息量的一條基本原則。所謂概率，通俗講就是事件可能發(fā)生的程度。①某一事件絕對(duì)不會(huì)發(fā)生、稱為不可能事件，其概率為零；②某一事件絕對(duì)會(huì)發(fā)生，稱為必然事件，

19、其概率為一；③兩個(gè)事件不能同時(shí)發(fā)生，稱為獨(dú)立事件。④一個(gè)事件的出現(xiàn)會(huì)引起另一事件的發(fā)生，稱為相關(guān)事件；,⑤在一條件下，可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)的事件，稱為隨機(jī)事件，其概率在零和一之間。在日常工作和生活中人們總想獲取最大的信息量，這一問題與事件發(fā)生的概率密切相關(guān)。①當(dāng)一事件發(fā)生的概率等于一時(shí)，即屬于必然事件，它的發(fā)生不會(huì)給人們提供任何信息，因?yàn)檫@已是人們預(yù)知的；②當(dāng)某一事件發(fā)生的概率等于零時(shí)，即屬于不可能事件，它的發(fā)生將給人們提供無限多的信息

20、量，因?yàn)樗陌l(fā)生是人們根本沒有預(yù)料到的； ③一般說來，每一事件發(fā)生的概率總是介于零和一之間即屬于隨機(jī)事件，發(fā)生概率是零和一的事件是比較少見的。,那么在發(fā)生概率介于零到一之間的事件中，到底選擇多大概率事件才能獲取較大的信息量呢？要選擇哪些等概率事件呢？信息論告訴我們：當(dāng)一個(gè)信息源包含有若干個(gè)可能消息時(shí)，只有在每個(gè)消息出現(xiàn)的概率彼此相等時(shí)，信息源的平均信息量才最大。這是信息論揭示的概率與信息源平均信息量的關(guān)系的一條規(guī)律。 什么是信

21、息源的平均信息量？信息論認(rèn)為，信息源一般是以符號(hào)的形式發(fā)出信息的，這種符號(hào)不只是一個(gè)而是一系列的符號(hào)。信息源可能發(fā)出的全部符號(hào)所包含的信息量之和，就是信息源所具有的總信息量?？傂畔⒘砍苑?hào)總數(shù)則是信息源的平均信息量。,信息源的平均信息量反映了信息源的不確定程度。只有在等概率情況下，信息源的平均信息量才最大。這樣，我們?cè)讷@取信息時(shí)就有一個(gè)可遵循的基本原則：選擇那些具有獨(dú)立等概率可能符號(hào)的信息源，選擇那些出現(xiàn)概率彼此相等的可能消息。

22、 2. 簡(jiǎn)單性原則 它要求我們應(yīng)盡量減少信息傳輸過程中的中間環(huán)節(jié)，以確保信息的保真度。,第三節(jié) 控制論方法 《控制論》是20世紀(jì)40年代產(chǎn)生的最重要的科學(xué)成就之一，其創(chuàng)始人是美國(guó)數(shù)學(xué)家、科學(xué)家維納。 一、控制論及其基本概念 1. 什么是控制論？,按照維納的觀點(diǎn)，控制論就是關(guān)于動(dòng)物和機(jī)器的控制和通訊的科學(xué)。維納等人在研究和類比了生物系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)（機(jī)器系統(tǒng)）的某些可以調(diào)

23、控的機(jī)制后，從中找到了它們之間的相似性和統(tǒng)一性，即，都含有控制和通訊的過程。從而打破了不同學(xué)科之間的界限，撇開了各種物質(zhì)系統(tǒng)的具體形態(tài)和內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)了把各門學(xué)科和不同領(lǐng)域的物質(zhì)系統(tǒng)（機(jī)器、生物、社會(huì)等）統(tǒng)一起來的新途徑，為人們研究任何物質(zhì)系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)的一般規(guī)律提供了重要的理論和方法。,2. 控制論的思想淵源和技術(shù)條件 在古代，古希臘語對(duì)于控制來說就是指駕船的舵手。到了近代，尤其是19世紀(jì)后半期到20紀(jì)世初隨著生物學(xué)、神經(jīng)生

24、理學(xué)的發(fā)展，從而提出了許多與控制相關(guān)的生物學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)概念。①如著名生物學(xué)家謝靈頓在19世紀(jì)末提出的“反射概念”，他在對(duì)生物體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的低部位——脊髓的神經(jīng)活動(dòng)機(jī)制：興奮和抑制的關(guān)系進(jìn)行研究后，從而提出了生物體的反射概念及其反射活動(dòng)過程，并認(rèn)為在這一過程中，是受興奮性突觸和抑制性突觸而控制的。,②1862年俄國(guó)的生理學(xué)家謝切諾夫和1913生物學(xué)家巴甫洛夫分別對(duì)生物體的腦神經(jīng)控制系統(tǒng)（高部位的神經(jīng)系統(tǒng)）進(jìn)行研究后，提出了：無條件反

25、射是生物的先天本能，條件反射是生物后天造就的思想。并提出了“反射弧”是由感受器、輸入神經(jīng)元、中間神經(jīng)元、輸出神經(jīng)元和效應(yīng)器五個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。,③1879年，法國(guó)生理學(xué)家伯爾納和美國(guó)生理學(xué)家坎農(nóng)，分別提出了與控制論有關(guān)的另一個(gè)經(jīng)典神經(jīng)生理學(xué)的基本概念——穩(wěn)態(tài)。他們認(rèn)為，如果動(dòng)物受環(huán)境條件的影響，動(dòng)物機(jī)體內(nèi)部必然存在著一種能夠調(diào)節(jié)自身狀態(tài)的機(jī)制，以便使自己恢復(fù)正常，以維持其與環(huán)境的平衡。這種機(jī)制就是穩(wěn)態(tài)，從而建立了“穩(wěn)態(tài)學(xué)”。④同時(shí)，數(shù)理

26、邏輯也為控制論奠定了一定的理論基礎(chǔ)。,控制論產(chǎn)生的技術(shù)條件是：20世紀(jì)初以來的無線電通訊技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和火炮技術(shù)。 因此，控制論實(shí)質(zhì)上是自動(dòng)控制、電子技術(shù)、無線電通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和神經(jīng)生理學(xué)、數(shù)理邏輯、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多種科學(xué)和技術(shù)相互濟(jì)透、相互綜合的產(chǎn)物，是研究各種不同系統(tǒng)所共同具有的控制規(guī)律的科學(xué)。,結(jié)合以上理論和技術(shù)研究成果，1943年維納等人發(fā)表了《行為、目的和目的論》的文章，第一次把只屬于生物的有目的

27、性的行為賦予了機(jī)器，闡明了控制論的基本思想。1948年維納又發(fā)表了《控制論》或稱為《關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，為這門科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。 總之，控制論的產(chǎn)生和發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：1942年以前為控制論的醞釀階段；1943~1948年為其形成階段；1948年以后為其發(fā)展階段。,3. 控制及其控制系統(tǒng)的概念和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)制 （1）控制是控制論中的一個(gè)基本概念。主要指施控裝置對(duì)受控裝置的一種能

28、動(dòng)作用。 （2）控制系統(tǒng)是指：具有不確定因素和控制作用的矛盾的系統(tǒng)?？刂普摬⒉谎芯咳魏蜗到y(tǒng)，它主要研究具有不確定因素和控制作用的矛盾的系統(tǒng)。 （3）控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單模型如下：,施控裝置,受控裝置,,,控制系統(tǒng)又可根據(jù)有無反饋回路，區(qū)別為：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩個(gè)類型。如下圖所示：,施控裝置,受控裝置,,輸入控制信號(hào),,輸出,開環(huán)控制系統(tǒng),,,施控裝置,輸入控制信號(hào),,受控裝置

29、,輸出,,反饋裝置,閉環(huán)控制系統(tǒng),,,,,,,（4）控制系統(tǒng)的機(jī)制——信息 一切控制系統(tǒng)都離不開信息，所以，我們可以說實(shí)施控制的過程和信息傳遞的過程則是統(tǒng)一的過程。正如前蘇聯(lián)學(xué)者索波列夫所講：“控制論原理的實(shí)質(zhì)在于，巨大質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)和行動(dòng)，巨大能量的傳遞和轉(zhuǎn)變，可通過帶有信息的不大的質(zhì)量和不大能量來指揮和控制，這個(gè)控制論的原理是任何控制系統(tǒng)的組織和工作的基礎(chǔ)”。因此，用信息的觀點(diǎn)來研究自動(dòng)化機(jī)器和設(shè)備、研究人體的機(jī)理和社會(huì)管理

30、的調(diào)節(jié)過程則是控制論方法的一個(gè)重要特點(diǎn)。同時(shí)，我們應(yīng)該知道，信息的大小并不與其質(zhì)量和能量的大小有一定的比例關(guān)系。,4. 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，還須注意以下幾個(gè)問題： （1）必須了解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)發(fā)展的趨勢(shì)； （2）必須明確預(yù)期控制的目標(biāo)； （3）必須善于選擇控制條件； 二、控制論方法主要包括：功能模擬法、黑箱方法、反饋控制方法等具體的方法。 （一）功能模擬方法 1.

31、 定義：所謂功能模擬方法是以模型和原型之間的功能相似為基礎(chǔ)，用模型來再現(xiàn)原型功能的一種方法。,2. 功能模擬方法與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單模擬方法的區(qū)別: （1）傳統(tǒng)的模擬方法一般僅限于純粹的外表形態(tài)或結(jié)構(gòu)的模擬，或者通過對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)后，才能認(rèn)識(shí)其功能，然后再進(jìn)行功能的模擬。而功能模擬法則完全撇開其外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否具有相似性，只要模型與原型在功能和行為上是相似或等效的就可以相互模擬，從而撇開了對(duì)復(fù)雜困難的原型結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)這一麻煩的環(huán)節(jié)

32、。,（2）在傳統(tǒng)模擬方法中，模型只是認(rèn)識(shí)原型的手段，其目的是對(duì)原型的認(rèn)識(shí)，而在功能模擬方法中，模型已經(jīng)成為研究原型的目的，它（模型）是依據(jù)原型的功能而模仿出來具有生物目的性行為的機(jī)器。如仿生學(xué)等。 3. 功能模擬方法在科研中的作用 （1）運(yùn)用功能模擬方法，可以通過功能模擬來揭示原型本身的秘密，作為認(rèn)識(shí)原型的手段。 （2）運(yùn)用功能模擬方法，可以通過模型來代替或增進(jìn)原型的功能和行為，使模型本身成為研究的目的。,a.

33、從模型代替原型功能和行為方面來看。例如：人工眼、人工腎、假肢、心肺機(jī)、心臟起搏器等功能模擬裝置，可以代替某些功能暫停、功能失常、功能喪失或衰竭的病變器官來執(zhí)行其功能。b. 從模型要以增進(jìn)原型的行為和功能方面來看。例如，電眼、機(jī)械手、機(jī)器人等自動(dòng)機(jī)，能代替人到危險(xiǎn)和惡劣的環(huán)境中去從事裝配、打撈、消防、探險(xiǎn)等繁多的工作。尤其是電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)則代替人在計(jì)算方面的遠(yuǎn)不及它的計(jì)算速度和準(zhǔn)確度。,4. 醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中運(yùn)用功能模擬方法的步驟生物

34、機(jī)體→ → → 第一，先通過對(duì)生物機(jī)體功能或行為的研究，提煉出一個(gè)生物原型；第二，將生物原型轉(zhuǎn)譯成數(shù)學(xué)模型；第三，運(yùn)用電子線路 、機(jī)械結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)等手段，把生物原型或數(shù)學(xué)模型發(fā)展為技術(shù)裝置。,生物原型,數(shù)學(xué)模型,技術(shù)模型,（二）黑箱方法 1. 什么是黑箱 象這種不透明的箱子或者系統(tǒng)，我們稱之為黑箱。黑箱也是相對(duì)而言的。①當(dāng)人們對(duì)它一無所知

35、時(shí)，它是黑箱；②如略知一二就轉(zhuǎn)為灰箱；③若了解的一清二楚，我們稱它為白箱。 2. 黑箱方法 黑箱方法是指在不打開黑箱的前提下，利用外部觀測(cè)、試驗(yàn)，通過輸入、輸出信息，來研究對(duì)象的功能和特性，探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的科學(xué)方法。,黑箱方法對(duì)于研究具有高度組織性和活動(dòng)性的生命系統(tǒng)；對(duì)于研究規(guī)模巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因素眾多，功能多的大系統(tǒng)，如生物生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、大型工程，則具有重要的作用。 3. 運(yùn)用黑箱方法的步聚

36、 ① 確認(rèn)黑箱。即根據(jù)研究對(duì)象的性質(zhì)和研究任務(wù)的要求，把作為黑箱進(jìn)行研究的對(duì)象，從環(huán)境中分離出來，確定它的邊界，找出它與環(huán)境相互作用的主要矛盾，并有目的地造成某種輸入，來觀察其輸出結(jié)果。也就是說由于研究的角度不同，同樣是一個(gè)研究對(duì)象，會(huì)產(chǎn)生不同的黑箱類型。在確定黑箱時(shí)，不應(yīng)先對(duì)箱子的性質(zhì)和內(nèi)容作任何假定，但必須明確研究的范圍和目標(biāo)，以便確定黑箱的類型。,② 觀察黑箱。黑箱確定之后，就應(yīng)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行特定的輸入，并觀察其輸出及

37、其動(dòng)態(tài)過程。在觀察過程中，除輸入因素外，一般不對(duì)系統(tǒng)施加別的干預(yù)，只觀察或測(cè)量輸入、輸出及其變化的數(shù)據(jù)。 ③ 闡明黑箱。在獲取到輸入、輸出端的數(shù)據(jù)后，就應(yīng)進(jìn)行比較和分析，并運(yùn)用已有科學(xué)理論和技術(shù)知識(shí)，甚至可借鑒以往的經(jīng)驗(yàn)來推導(dǎo)系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)或內(nèi)部過程，這就是闡明黑箱。在這里人們常利用數(shù)學(xué)模型來描述黑箱的功能和特征。如 Y（S）=KW（S）·X（S），就是常用的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。其中X（S）表示輸入；y（S）

38、表示輸出；KW（S）表示傳遞函數(shù)；它定量地描述黑箱輸入與輸出之間的關(guān)系，反映了黑箱的信息傳遞、變換、處理的功能。,④ 對(duì)黑箱認(rèn)識(shí)結(jié)果的檢驗(yàn)。在對(duì)黑箱認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)認(rèn)識(shí)的結(jié)果，給于系統(tǒng)造成新的輸入，再觀察其輸出結(jié)果，把新輸入和新輸出的結(jié)果與原來“觀察黑箱”時(shí)相應(yīng)的輸入與輸出結(jié)果相比較。a. 如果正確，則證明原來的分析認(rèn)識(shí)是正確的；b.反之，則是不正確的。 4. 黑箱方法的局限性： 不能認(rèn)識(shí)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和機(jī)

39、理過程，僅可從輸入輸出作出某種假定，要達(dá)到準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，可結(jié)合打開黑箱的方法并結(jié)合其它認(rèn)識(shí)方法，以便準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)研究對(duì)象。,（四）反饋控制方法 1. 反饋和反饋控制方法 ①反饋是控制論中的一個(gè)重要概念，亦稱回授或回輸。用維納的話說，意即：“為了使任何機(jī)器能對(duì)變動(dòng)不居的外界環(huán)境做出有效動(dòng)作，那就必須把自己動(dòng)作后果的信息、作為使它繼續(xù)動(dòng)作下去所需的信息的組成部分再提供給它?！?所謂反饋：即將施控系統(tǒng)的信息（又稱

40、給定信息）作用于受控系統(tǒng)后所產(chǎn)生的后果信息（真實(shí)信息），再反饋回施控系統(tǒng)，從而對(duì)輸出和再輸出施加影響的過程。如下圖所示：,施控系統(tǒng),被控對(duì)象,輸出信息,反饋信息,,,,,②所謂反饋控制方法：就是運(yùn)用反饋的原理、用系統(tǒng)活動(dòng)的結(jié)果來控制系統(tǒng)活動(dòng)的方法。這種根據(jù)過去的操作情況去調(diào)整未來行為的活動(dòng)，則是反饋控制方法的顯著特點(diǎn)。,,,,a. 從層次上看，在人體系統(tǒng)中，就存在著神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、液體調(diào)節(jié)、器官、組織、細(xì)胞的自身調(diào)節(jié)等等。b.從類型上看

41、，目前比較清楚的有二種類型，即正反饋、負(fù)反饋。 2. 反饋控制的類型 反饋控制方法主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于u=j-y位的變化特性，將反饋分為正反饋和負(fù)反饋，在這里j是目標(biāo)位，y是輸出位，u是二者的差位。,①正反饋:U當(dāng)u位越來越大，從輸出端反饋到輸入端的反饋信號(hào)是增強(qiáng)系統(tǒng)輸入效應(yīng)的，也就是說，反饋信息不是制約控制部分的活動(dòng)，而是促進(jìn)與加強(qiáng)控制部分的活動(dòng)，即反饋信息是促進(jìn)系統(tǒng)偏離目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的

42、，這就是正反饋。這種反饋控制在生物體內(nèi)可表現(xiàn)為控制者與被控對(duì)象的相互促進(jìn)，也可表現(xiàn)為二者的相互阻抑：前者可表示為A B，如排尿、分娩、應(yīng)激等就是屬于這種反饋的情形；后者可表示為A B，如睡眠抑制和感官、交感神經(jīng)活動(dòng)的關(guān)系就是如此。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疲勞引起睡眠抑制，使感官、交感神經(jīng)活動(dòng)減少，而感官、交感神經(jīng)活動(dòng)減少，又會(huì)加深睡眠抑制。,,總之，不論是相互促進(jìn)或相互阻抑，正反饋都起著打破機(jī)體相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的作用。 ②負(fù)反饋

43、：U如果反饋是傾向于反抗系統(tǒng)偏離目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，u位是下降的，從輸出端反饋到輸入端的反饋信號(hào)是減弱輸入系統(tǒng)效應(yīng)的，或者是保持系統(tǒng)處于某一穩(wěn)定狀態(tài)的，則是負(fù)反饋。 負(fù)反饋是控制的基本機(jī)制，這對(duì)人體來說則是大量的而且是主要存在的，它能使機(jī)體維持某種穩(wěn)定的狀態(tài)。例如人體體溫的恒定，血壓、心率的穩(wěn)定，血糖、血中的酸堿度和電解質(zhì)的平衡，都要靠人體內(nèi)各種負(fù)反饋機(jī)制調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。一般來說，負(fù)反饋機(jī)制都有一個(gè)決定調(diào)節(jié)水平、調(diào)節(jié)點(diǎn)（即系統(tǒng)穩(wěn)

44、定的閾值范圍）機(jī)構(gòu)，反饋信息必須和這個(gè)機(jī)構(gòu)發(fā)出的參考信息比較后，才能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。,,第六章 科學(xué)假說和科學(xué)理論,第一節(jié) 科學(xué)假說 一、假說及其特點(diǎn)和作用 １. 什么叫假說 所謂假說就是根據(jù)已知的科學(xué)原理和科學(xué)事實(shí)，借助于一定的思維方法對(duì)未知的自然現(xiàn)象及其規(guī)律所作的一種假定性說明和理論解釋。,2. 科學(xué)假說的特點(diǎn) （1）科學(xué)性。這是指假說是以一定的科學(xué)原理和科

45、學(xué)事實(shí)為依據(jù)的，是按照一定的思維方法，經(jīng)過大腦加工、整理或聯(lián)想、想象、靈感思維而提出來的。 （2）推測(cè)性。這是指假說雖然是以一定的科學(xué)事實(shí)和科學(xué)知識(shí)為背景，但它所占有材料不完全、不充分，僅根據(jù)有限的事實(shí)而提出某種思想、觀點(diǎn)或假說，因而，必然帶有一定的想象和推測(cè)的成分，其結(jié)論的真實(shí)性尚待驗(yàn)證。,（3）預(yù)見性。這是指科學(xué)假說往往是以理性的形式出現(xiàn)，如果以此作為前提或依據(jù)，則可推出一些邏輯結(jié)論，對(duì)某類事物的個(gè)別對(duì)象作出科學(xué)的預(yù)見。

46、 （4）變動(dòng)性。這是指假說作為向科學(xué)理論過渡的一種形式或橋梁，需要不斷地在實(shí)踐中和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到檢驗(yàn)，隨著實(shí)踐的發(fā)展，它隨時(shí)都有被證實(shí)或證偽或修正的可能。,a. 假說因逐漸純化、被越來越多的事實(shí)所證實(shí)而發(fā)展成理論；b. 假說因部分修正、補(bǔ)充、完善而發(fā)展為理論；c. 假說被越來越多的事實(shí)證偽即否定，從而又被新的假說所代替；d. 有些假說永遠(yuǎn)是一種理論性假說，而不能被科學(xué)實(shí)踐直接檢驗(yàn)。 3. 作用 （1）

47、假說在科學(xué)觀察和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有先導(dǎo)作用。 （2）假說在科學(xué)理論的形成中起著橋梁作用。,二、建立科學(xué)假說的方法論原則。 1. 解釋性原則。這是指假說和已知事實(shí)的關(guān)系。 2. 對(duì)應(yīng)性原則。這是指假說與已有的科學(xué)規(guī)律和理論的關(guān)系。 3. 簡(jiǎn)單性原則。這是指所提出的假說應(yīng)具有邏輯上的簡(jiǎn)單性。 4. 可檢驗(yàn)性原則。即所提出的假說要能夠被觀察實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐中所檢驗(yàn)，從而驗(yàn)證其是否具有真理性

48、。 5. 創(chuàng)造性原則。即假說的思想或觀點(diǎn)必然具有新穎性。,三、檢驗(yàn)假說的方法 1. 直接檢驗(yàn)。即用觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果直接驗(yàn)證假說的結(jié)論。 2. 間接檢驗(yàn)。即理論推導(dǎo)與實(shí)踐檢驗(yàn)相結(jié)合的方法。如對(duì)四大起源的假說和光的粒子說的檢驗(yàn)。（如果光具有質(zhì)量，那么它照到物體上必然產(chǎn)生壓力）。,第二節(jié) 科學(xué)理論 一、科學(xué)理論的基本特征 1. 內(nèi)容上的客觀真理性。 （1）它基本反映了客觀

49、對(duì)象（研究對(duì)象）的本質(zhì)和規(guī)律； （2）它所依據(jù)的事實(shí)材料是真實(shí)可靠的，經(jīng)過實(shí)踐反復(fù)檢驗(yàn)過的； （3）它能解釋同一研究對(duì)象或同一研究領(lǐng)域在某一方面的全部事實(shí)材料。 （4）它的結(jié)論得到了實(shí)踐的證明。,2. 結(jié)構(gòu)上的邏輯嚴(yán)密性 （1）科學(xué)理論是一個(gè)概念體系，是系統(tǒng)化了的知識(shí)體系，它將科學(xué)知識(shí)采用概念、判斷、推理等形式準(zhǔn)確地表達(dá)出來。 （2）邏輯上的嚴(yán)密性主要表現(xiàn)在 ①概念

50、是明確和準(zhǔn)確的。明確是指概念反映了某一特定事物的內(nèi)涵和外延；準(zhǔn)確是指它所提示的內(nèi)涵和規(guī)定的外延是恰如其分的。 ②推理是遵循一定的推理規(guī)則的，整個(gè)理論首尾連貫一致，不能前后矛盾，要自圓其說。即要遵循不矛盾律。 ③判斷是真實(shí)可靠的，不具有虛偽性。 （3）科學(xué)理論在邏輯結(jié)構(gòu)上具有簡(jiǎn)單性，以避免龐大復(fù)雜的邏輯推理過程。,3. 理論上的全面性。 科學(xué)理論應(yīng)能全面反映客觀事實(shí)，雖然它只是對(duì)自然界的一定

51、領(lǐng)域、一定層次、某一過程或某一方面的正確反映，但它又是從某一領(lǐng)域、某個(gè)層次、某一過程或某些方面的所有現(xiàn)象中抽象，概括出來的，反映了事物的本質(zhì)，具有一定的普遍性，能全面地說明各領(lǐng)域、層次、方面或過程的所有現(xiàn)象。解釋所研究對(duì)象某一方面的所有事實(shí)。,4. 功能上的科學(xué)預(yù)見性。 科學(xué)理論不僅能解釋現(xiàn)有的科學(xué)事實(shí)，而且能夠以此為前提，科學(xué)地邏輯演繹出一系列的結(jié)論，從而獲取對(duì)個(gè)別事物的認(rèn)識(shí)，獲取新知識(shí)。達(dá)到指導(dǎo)人們對(duì)未知領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)之

52、目的。 二、建立科學(xué)理論的方法 1. 公理化方法。,公理化方法就是從少數(shù)的幾個(gè)基本概念、公理（不證自明，不能證明的規(guī)定）、公設(shè)出發(fā)，由它們邏輯地演繹出一系列的推論。這些推論又表現(xiàn)為概念、定理、定律、公式或其它判斷形式，這種邏輯方法稱為公理化方法。由這種方法推導(dǎo)出來的邏輯演繹體系稱為公理化體系。希爾伯特提出了運(yùn)用公理化方法必須遵循的原則。 （1）無矛盾性。即在整個(gè)公理化體系中不能演繹出相互矛盾的命題，要

53、求整個(gè)邏輯系統(tǒng)遵循不矛盾律，首尾一貫，不相矛盾。,（2）完備性：這是指所有的前提、公理、公說、定義等應(yīng)當(dāng)足夠的多，從它能推出有關(guān)本學(xué)科的全部定理定律。若減少其中任何一條公理、公設(shè)或定義，有些定理、定律就推導(dǎo)不出來。這是保證體系完整性的要求。 （3）獨(dú)立性：這是指推理的前提、公理、公設(shè)或定義彼此要獨(dú)立，其中任何一個(gè)不能從其他公理中推導(dǎo)出來。這是保證邏輯系統(tǒng)簡(jiǎn)單性的要求。 2. 邏輯與歷史相統(tǒng)一的方法。

54、所謂邏輯與歷史相統(tǒng)一的方法，就是運(yùn)用邏輯的東西與歷史的東西相一致的原則的方法。,歷史的東西是指，客觀事物的歷史發(fā)展過程或人類對(duì)它的認(rèn)識(shí)發(fā)展過程。邏輯的東西是指思維對(duì)上述歷史發(fā)展過程的概括反映，常表現(xiàn)為由概念、判斷、推理等構(gòu)成的體系。 利用邏輯與歷史相統(tǒng)一的方法建立起的科學(xué)理論體系，大體有如下類型： （1）自然型：這是按照邏輯發(fā)展的順序與客觀事物歷史發(fā)展的過程相一致的原則建立的理論體系。即科學(xué)理論體系的邏輯展開順序

55、與所研究對(duì)象的歷史發(fā)展過程相一致的原則而建立的。如，生物學(xué)的理論體系是由單細(xì)胞→多細(xì)胞→簡(jiǎn)單生物→復(fù)雜生物→低等動(dòng)植→高等動(dòng)植物這樣的順序展開的，這與生物進(jìn)化的歷史過程是一致的。,（2）認(rèn)識(shí)型。這是按邏輯發(fā)展的順序與人類對(duì)某一學(xué)科的認(rèn)識(shí)、發(fā)展過程相一致的原則建立的理論體系。即科學(xué)理論體系的邏輯展開順序與人類認(rèn)識(shí)自然的歷史過程相統(tǒng)一的原則而建立起來的。 如幾何學(xué)（點(diǎn)、線、面、平面幾何、立體幾何、解析幾何）。物理學(xué)（從力學(xué)開始，