系统科学概论大纲.pdf

《系统科学概论》大纲

1.课程设计思想

课程目标：这门课程是我院研究生在系统科学方面的入门课程。学生需要通过这个课程来了

解什么是系统科学（系统科学的思想），了解一些研究方法和研究工作的实例，为后续专门

课程以及研究工作做准备。

以下是我按照这个目的和定位所设计的三个模块：什么是科学，系统科学的思想，还有系统

科学的方法。

大多数时候，一个创新的工作是新在：问题上、方法上、结果上，或者对象上。从思想和视

角的层次提出新的问题是最大的创新。有的时候新的方法的提出也是因为思想和视角的原

因。因此，了解系统科学的研究思想，把它变成自己的东西，自己看问题的角度是学习本课

程最重要的目标。这样才能做出来这个方面的真正新的研究工作，或者能够很好地欣赏这样

的研究工作。当然，在我们这个领域里面，我们做或者欣赏的研究工作，首先必须是科学。

因此，我们也需要了解什么是科学，什么是科学研究。最后，除了思想和视角方面的修炼，

我们也需要了解一些方法和技术。

科学是原则上可证伪的，实际上在其适用范围內还没有被证伪的，可以用于理解现实世界的

心智模型。在什么是科学和什么是科学研究的问题上，我们会关注科学的可证伪性、科学的

实用主义哲学、科学与数学和数学模型的关系等几个主题。

系统科学是关于系统的科学——也就是说，我们没有具体的特定的研究对象，任何可以看

作包含相互作用的单元的整体，都可以成为我们的研究对象。但是，任何系统科学的研究有

需要具体系统，而不是研究抽象的一般的系统。

具体一点来说，系统科学的思想典型地包含以下几个方面：

从个体到整体的视角——系统层次的规律可能与个体层次的规律不一样；有些问题只

能在整体的层面来问，而不能在个体的层面来研究；但是，同时我们要看到没有个体的层面

的研究，整体的研究最多是维象的或者是空中楼阁；

涌现性——不同的微观相互作用可能导致类似的整体性质；简单的微观机制可以出现

丰富多样的复杂的整体行为，丰富多样的复杂的行为也可能存在简单的整体特征；

复杂性——很多时候就算微观层次的规律是清楚的，从中计算得到整体层次的性质也

不是一个平庸的问题；

相互作用——存在相互作用的个体的整体性值不是每一个个体行为的简单叠加；

交叉性——用一个学科的方法和思想来研究和解决其他学科的问题；

系统的划分——封闭系统、开放系统等系统的区别，以及演化的视角。

系统科学的方法集中在处理系统

以上关于系统科学的思想和关心的核心科学问题可以发现，

微观个体通过相互作用形成整体性质这一关键问题上。

统计物理学为我们研究微观到宏观的关联提供了一个基本的线路：寻找各微观态出现的概

率，然后做系综平均得到宏观状态。这一线路对系统的平衡态得到了非常好的结果，并被应

用在许多领域的系统分析中。其中，由于相变与临界现象是系统个体之间的相互作用产生宏

观合作效应的典型表现，以及自组织临界对许多实际系统的普适描述，统计物理学特别是其

关于临界现象的研究为系统科学研究提供了重要方法。但现实世界中许多系统都是远离平衡

的开放系统，很难应用平衡态统计物理学方法建立微观与宏观之间的联系，这样以下两种方

法就成为研究系统性质的常用方法。

自顶向下的系统动力学方法。直接从宏观变量以及宏观变量之间的关系入手，建立决定系统

状态演化的宏观动力学方程，并讨论环境等因素对系统演化趋向的影响，通过分支理论等讨

论系统宏观性质的突变。

自底向上的多主体模拟方法。从个体的行为以及个体之间的相互作用关系入手，从基于主体

的模型与模拟入手，考察系统微观行为与宏观性质之间的关系。

已有关于各领域系统性质的研究表明，个体之间的相互作用结构对系统的宏观整体行为有重

要影响，所以，了解系统的相互作用结构性质就成为探讨系统宏观性质的重要基础。而网络

概念是刻画系统结构性质的基本工具，所以，复杂网络也就成为系统科学的重要研究工具。

从科学性的角度来说，物理学——关于物理世界的心智（数学）模型——是迄今为止，所

有自然科学的典范，从思想上、概念上、分析技术上、应用范围上，都还没有其它学科可以

企及。因此，交叉科学的研究必须从物理学中获得以上几个方面的营养。同时，数学，作为

心智模型的最终结构，是所有的自然科学的语言和结构。因此，系统