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教学设计理论基础——系统科学

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