系统自组织理论

系统自组织理论概述：它的研究对象主要是复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。它主要有三个部分组成：耗散结构理论、协同学、突变论。它们力图沟通物理学与生物学甚至社会科学，对时间本质问题等的研究有突破性进展，说明了生物及社会领域的有序现象。我们把依靠机体内部自发组织起来，自发调节，并通过外界供给能量来维持的有序结构叫做“自组织”结构。在复杂系统中只有这种自组织结构才能够真正作到有序，而那种依靠外界的力量来直接控制复杂系统的方式是一种无序结构。一个最典型的例子是，我们的计划经济体系，表面上看来非常有序，一切都按我们人为的计划运行。而实际上我们越计划，社会越乱，以至于最后不得不解体。而市场经济，我们几乎不需要宏观计划，而只需要保障经济体系中各个组织健康发展的条件，整个体系就会自动的形成有序运动。正是这种自组织现象将完全改变我们的世界观和认识论。关于自组织现象：一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。自组织现象是系统的构建及演化现象，系统依靠自己内部能压，在相对稳定的状态下，将物质、能量和信息不断向结构化、有序化、多功能方向发展，系统的结构、功能随着变化也将产生自我的改变。复杂的自组织现象是多个子系统之间非线性作用产生的整体现象和整体效应。自组织包含三类过程：1.从混乱的无序状态到有序状态的演化。2.由组织程度低到组织程度高的层次跃升的过程演化。例如，从分子到细胞，从细胞到生命体，形成两个完全不同的组织层次。3.在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。例如，单分子到多分子体系，单细胞到多细胞体系，哺乳动物类从简单哺乳动物到高级哺乳动物的演化，等等。这三个过程呈现出交替作用的情形，形成了组织化的连续统一体。自组织原理：一个系统及系统的能量容量范围内，系统密度越大，有序程度就越高，形成的场就越强，事件的自组织性就越强，效率也越高。在系统能量容量的范围内，一个系统内的有序化是能量的挤压，需要输入能量来完成，而无序是能量扩散形成的；有序化是在能量的扩散与挤压的更替过程中完成的，系统为了降低系统能压、吸收和储备更多的能量，会采用“自组织”手段，对物质结构进行重新排列或组合，最终的自组织的结果是一个能量不断增加的凝结过程。自组织理论与教学：在系统科学中，自组织是系统存在的一种形式，相比他组织，自组织更符合系统的生存机制，是系统一定环境下较易存在、较稳定的状态，因而当前存在一种转变他组织系统使其达到自组织状态的做法，这在生命系统、社会系统中尤为突出。在教育领域，人们也在自觉地利用自组织理论分析教育系统。在教育教学过程中，学习者系统属于自组织系统。它包含了若干的子系统，每个子系统都是包含自组织机制的系统，这些自组织机制根据不同的外界输入协同有序，发生跃迁。在学习的过程中，知识的获取不是靠教师的简单传授，而是学习者自组织的结果。当然这也不是学习者独立能形成的，而是在与外部环境交互的过程中完成的。自组织揭示了有机体的学习过程的特点。教学设计是以帮助学习者的学习为目的，提高教学效率、效果，促进学生的发展是教学设计的根本思想。了解学习者系统的自组织现象，可以使教学设计人员将自组织现象人为的“组织”出来，为学生自组织系统的自我生成和自我发展创造良好的外部条件，以更好地促进教学活动的有效进行。系统科学思想与方法是教学设计的主要的方法论，自组织理论作为系统科学理论的重要组成部分，被引入到教学设计的研究中，可以促使我们对教学设计的诸要素从一个系统的全新的视角来分析和定位。学习发生的条件有内部条件和外部条件，内部条件关涉自组织，教学活动属于外部条件。教学设计就是要设计、安排外部教学事件，促进学习的内部形成。自组织理论应用于教学设计中，更注重学习者的内控度，有助于提高学习者分析问题，解决问题的能力和培养科学思维能力与科学态度，避免了传统的教学设计主要考虑教师对学习进程的外在的调整，有利于以学生为中心的教学工作的实质性开展。运用自组织理论有助于我们理解和分析学习者内部学习机制，可以探讨促进学习者高层次思维活动的教学设计，使教学设计更有针对性，提高教学设计的质量。自组织理论用于教学设计中，要求教学设计应体现空间上的灵活性、学生对活动的选择性、学习材料的丰富性、课程内容的综合性，考虑安排更多的个人自组织或小组合作学习，并且设置学习障碍的难度不应超出学生的“最近发展区”，要设计能促进多种自组织（逆向思维或侧向思维）的教学情境，锻炼学生的思维及意识，使学生自由、自主、自信地构建综合能力体系。在这之中，教师作为学习的引导者，要能从总体上辅导学习者的学习，学习者通过对来自教师、学习环境、学习内容等外界因素在内部系统的作用的自组织，形成全面的知识结构，灵活多变的能力结构与丰满健全的素质结构。耗散结构理论1、耗散结构理论是1969年由比利时物理化学家普利高津在《结构、耗散和生命》一文中提出的，它对远离平衡态的系统演化提出方案。该理论认为，一个远离平衡态的开放系统，不断地与环境交换物质和能量，一旦系统的某个参量达到一定的阈值，通过涨落，系统就可以产生转变，由原来混沌无序的混乱状态转变为一种在时间、空间或功能上的有序状态。他把这种在远离平衡情况下所形成的新的有序结构命名为“耗散结构”。耗散结构是自组织现象中的重要部分。一个开放型的耗散结构系统（如人体系统、经济系统、教学系统等）从外界环境吸收物质和能量而带进“负熵流”的功能特性称为系统的耗散性。2、一个系统由混沌向有序转化形成耗散结构，至少需要以下4个条件：①必须是开放系统。对于一个孤立系统，无论其微观机制如何，如果从宏观上看，它可以被当成是孤立系统，则必然要达到平衡态。耗散结构理论认为，对于孤立系统来说熵是增加的，总过程是从有序到无序；而对于开放系统来说，由于通过与外界交换物质和能量，可以从外界获取负熵用来抵消自身熵的增加，从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。②必须远离平衡态；远离平衡态是系统出现有序结构的必要条件，也是对系统开放的进一步说明。开放系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐变强，将系统逐渐从近平衡区推向远离平衡的非线性区，只有这时，才有可能形成有序结构，否则即使开放，也无济于事。③系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用；组成系统的子系统之间存在着相互作用，一般来讲，这些相互作用是非线性的，不满足叠加原理。正因为这样，由子系统形成系统时，会涌现出新的性质。④涨落导致有序。涨落是指对系统稳定状态的偏离，它是实际存在的一切系统的固有特征。系统内部原因造成的涨落，称为内涨落；系统外部原因造成的涨落，称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落，称为微涨落；处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落，称为巨涨落。涨落的特点是大小、形状、范畴都随机变化。对于远离平衡态的非平衡态系统，随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。系统通过涨落能达到有序，即通过涨落能形成新的结构。（如股票）3、一般说来，开放系统有四种可能的存在方式：(l)平衡态。平衡态是指系统内部的每一点的任何宏观参数都完全一致的状态。由于系统内部与环境之间的作用，如果系统是一个开放系统，那么该系统一定不会成为平衡系统。因此，平衡态出现的一个充分条件是，它必须是一个孤立系统，这就把系统内部的状态与环境联系了起来。平衡态是一个非常重要的概念，它是复杂系统运动的起点，也是经典热力学和耗散结构理论在研究方法上的一个分水岭。(2)准平衡态。假定在环境的作用下，系统内部是按“平均”水平而整体上升或下降的。对这样的状态我们称之为“准平衡态”。比如，烧开水，真实的情况是，锅内的每一点的温度都不一样，但我们假定它内部的温度是“平均”上升的，并且每一点的差别都可以忽略。(3)近平衡态。近平衡态是指系统内部满足线性变化的状态。在开放度比较小的情况下，系统内部的变化也是比较小的，系统内部的状态变化是成线性关系的，而且是稳定的。如果开放度进一步加大，系统就会出现结构的不稳定，最后出现新的结构，这就叫“耗散结构”。（4）远离平衡态。与近平衡态相对应，是指开放度比较大，系统内部的线性变化被破坏的状态。很显然，耗散结构出现的必要条件是系统处于远平衡态。我们所要指出的是，系统处于远平衡态仅仅是耗散结构出现的必要条件，而不是充分条件，即是说远离平衡不一定出现有序结构。这就像生命的出现还必须有很多其它条件同时具备才能出现一样。系统只有在远离平衡的条件下，才有可能向着有秩序、有组织、多功能的方向进化，这就是普利高津提出的“非平衡是有序之源”的著名论断。系统由会耗散的处于远平衡态的相互作用非线性态的子系统自行组织而成4、耗散结构论是近十几年来发展起来的一门研究非平衡态开放系统的结构和特征的新兴学科。它被誉为70年代科学院的“辉煌成就之一”。目前这一理论已被应用于自然和社会研究的许多方面，并且取得了一系列重要成果。耗散结构论与系统论：耗散结构的研究揭示了一种重要的自然现象，是探索耗散结构微观机制的关于非平衡系统行为的理论。系统论所要寻求的也就是这种具有有序性的稳定结构，从这个意义上说，耗散结构论与系统有异曲同工之妙。耗散结构：消耗发散的组织结构耗散结构论十分重视系统的整体性和复杂性，并对复杂系统的研究提出了新的方向，把事物的复杂性和时间的不可逆性联系起来。对造成愈益复杂化和层次性的一系列结构和功能进行探讨，并且了解各层次或水平之间发生转变的方式，同时把各个水平关联起来。耗散结构论提出，客观世界中存在着表现为两类行为的系统，即在某些条件下趋向无序态的行为，而在另外一些条件下趋向相干态的行为。在热力学平衡态附近，有序的破坏占优势，而在远离平衡态时，可能出现有序的创生。在这种情况下，有序的出现伴随着通常行为状态的不稳定性。因此，耗散结构理论在本质上研究的是系统演化的理论，它试图对系统由一种结构向另一种结构的演变问题作出正确的解释。耗散结构理论研究的对象是开放系统，通过对开放系统的研究，阐述了系统科学的有序原理，即：任何系统只有开放、有涨落、远离平衡态，才可能走向有序；或者说，没有开放、没有涨落、处于平衡态的系统，是不可能走向有序的。系统由低级的结构变为较高级的结构，称之为有序。生物进化过程是有序，社会发展过程是有序，教育进步过程也是有序。一个系统要走向有序，其必要条件之一就是系统开放，与外界有物质、能量、信息的交换。要“通过开放的有序”“通过涨落的有序”“通过远离平衡态的有序”，实现系统的新的有序状态。耗散结构理论与教学：教学过程是在一定的环境中沿着一定的教学目标轨迹演化的过程，是教学系统内各要素相互作用、协同发展并与教学环境相关联而不断形成耗散结构的动态过程。教学环境包括社会、家庭、教学集体、教学行政管理和后勤保健等方面，在不同的教学环境中，教学系统内各子系统之间的相互联系和作用的方式不尽相同，因而教学系统的运行结果也有所不同。教学系统从属于社会这个大系统，它从社会环境中输入的主要是待培养教育的学生即招生，同时也要输入物质、能量等信息。通过一段时问的教学作用，学生们各方面的素质得到了一定提高，即认知、情感和动作各领域的活动水平相对上移或发展，教学系统就把业已成才或合格的学生输送给社会即分配到有关对口单位参加实践工作。因此，教学系统是对人才进行加工、培育的开放系统，在与环境发生关系和相互作用过程中必定会产生耗散效应，教学系统是通过耗散过程中的涨落而从无序状态变为有序状态的。耗散结构论对我们开展教学工作具有深刻的含义，那就是教学系统的开放性越大，掌握社会需要