哲學視野下的自動控制原理課協同教學研究

利用協同理念將相關的哲學原理與方法納入自動控制原理課程的內容體系，以此為基礎建構一種“協同教學”活動，并通過這一活動獲取相應的協同教學效應，為課程目標的最佳實現提供最有效的服務。

一協同教學的目的和意義

有關協同的概念有很多種描述。本文作者認為其中內涵比較豐富的定義是：協同是指事物之間的相干能力，表現了事物在整體發展過程中協調與合作的性質。事物之間的協調與合作形成拉動或推動效應，推動事物共同前進。對事物雙方或多方而言，協同的結果使個個獲益，整體加強，共同發展。導致事物間屬性互相增強、向積極方向發展的相干性即為協同性。研究事物的協同性，便形成協同理論。本文作者認為：所謂的協同教學，就是指利用兩種或兩種以上的不同教學資源，在打破教學資源之間的壁壘和邊界的條件下，經深層次上的整合，主次分明、協調一致地共同完成某一教學目標的過程或能力。協同教學追求的是“協同教學效應”，即“1+1>2”的整體教學效果。協同教學可分為外部協同教學與內部協同教學兩種形式。本文把校、院、系、學科、課程之間教學資源的整合與運用稱為外部協同教學；而把上述教學資源內部不同層次、不同環節、不同方面的整合與運用稱為內部協同教學。在哲學與自動控制原理課程之間，開展協同教學研究與探索的目的和意義在于：

第一，有助于拉近哲學與具體自然科學的距離，加強哲學對具體科學的指導作用。講科學教育與人文教育的融合，以實現“1+1>2”的教育成效，在實踐上終歸要落到實處，不能只是一種空洞的理念或口號。哲學作為人文科學的核心內容之一，是科學工作者對其思想意識以及思想成果進行有效梳理和操作的重要工具。素質教育、創新人才培養的本質性基礎之一是科學教育與人文教育的統一實踐。近代工業革命的產生與發展使得兩者被割裂開來并漸行漸遠，從而造成了哲學對科學研究工作的反思、批判與預見的指導作用越來越小。一個科學工作者有了某種創新思想，卻沒有能力對其進行有效的、全方位的梳理和升華，一個科學工作者在取得了階段性創新成果之后，卻沒有能力對其進行深層次的價值判斷與前瞻性的整體預見，在某種程度上，很難說不是我們至今都培養不出世界大師、諾貝爾獎獲得者的重要原因之一。

第二，有助于提高素質教育與創新人才的培養。一種新思想、新觀點、新學說的產生，無論原創者是有意識的或無意識的應用某種認識論與方法論哲學思想于其中，都要受到某種甚至某些哲學思想的支配。“自動控制原理”也毫不例外。整體論、還原論、系統論等認識論原則以及系統論、信息論與控制論，乃至耗散結構論、協同論、突變論等方法論思想與原則都蘊含其中。這些哲學思想與方法正是控制科學與工程及其相關學科開展素質教育與創新人才培養特別需要涵蓋的內容。

第三，哲學與“自動控制原理”課程之間的相關性與緊密程度也決定了適合在這兩者之間開展協同教學研究。作為黑龍江省精品課程，“自動控制原理”的課程性質雖然是以自動控制理論為核心內容的一門關于自動控制規律的公共技術基礎課程，但其認識論與方法論色彩十分濃厚，傳統與主流哲學思想及其方法遍及整個內容體系。因此，對“自動控制原理”的內容、方法和意義進行深層次的哲學分析，并將分析結果與課程內容緊密地聯系起來，不僅有助于形成一種新型的、協同型的教學觀、學習觀與知識觀，而且還為開展協同教學研究提供了第一手材料。

二協同教學的哲學內容

1自動控制原理課程的認識論內涵

學習、掌握和運用自動控制原理有三條認識論路徑。一是整體論認識路徑；二是還原論認識路徑；三是系統論認識路徑。認識論是探討人類認識的本質、結構，認識與客觀實在的關系，認識的前提和基礎，認識發生、發展的過程及其規律，認識的真理標準等問題的哲學學說。又稱知識論。簡單地說，認識論主要解決“怎么看”的問題。

（1）“自動控制原理”的整體論認識路徑

整體論是古代條件下哲學、自然科學共有的一種思維方式和研究方法。該方法的特點是將事物作為一個整體加以觀察和研究，以揭示事物的整體性本質或整體性規律。由于古代生產力水平和科學技術的水平相對低下，人們還沒有足夠的條件和手段把研究對象分解開來，以對其各個部分和細節進行全面的研究。只能從整體（即黑箱）著眼、入手，從整體上進行觀察和研究。這就使得整體論具有籠統、模糊、思辨（由于推理事實不足所進行的猜測）和謬誤（不正確的猜測，不能自圓其說）等局限性。15世紀歐洲文藝復興運動以后逐漸由還原論所取代。在自動控制理論中，系統辨識就是基于整體論認識的一種系統建模方法。

（2）“自動控制原理”的還原論認識路徑

還原論是作為對古代整體論的辯證否定，歐洲文藝復興運動以后基于原子論而產生的一種新型思維方式或研究方法。其特點是從部分了解整體，從微觀了解宏觀，從低級運動了解高級運動。這種把研究對象分解為若干部分，從高到低、由上向下、方向單一的研究思路被稱為還原論。還原論的實質就是分析。在近400年歷史上，還原論作為占統治地位的思維方式貫穿在哲學、自然科學的研究活動中，對于推進認識世界和改造世界發揮了革命性作用，取得了歷史性的巨大成功。雖然還原論的局限性已經開始暴露，但它在自然科學中的主導性地位至今還沒有被取代。在自動控制理論中，機理建模方法、典型環節等概念都是還原論的具體產物。

（3）“自動控制原理”的系統論認識路徑

還原論是對整體論的辯證否定，強調的是分析。系統論又是對還原論的辯證否定，強調的是分析與綜合。本文所指系統論是比“老三論”中的“系統論”內涵更大的一種理論框架，其認識路徑由系統科學中的“老三論”與“新三論”構成。系統論、控制論和信息論是上世紀40年代先后創立并發展的三門系統理論的分支學科，合稱“老三論”。人們摘取了這三論的英文名字的第一個字母，把它們稱之為SCI論。與系統論、控制論和信息論不同，耗散結構論、協同論、突變論是上世紀70年代以來先后確立并發展的三門系統理論新的分支學科，合稱“新三論”，也稱為DSC論。

1）系統論

系統論是研究系統的一般模式、結構和規律的學問，它研究各種系統的共同特征，用數學方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統的原理、原則和數學模型，是具有邏輯和數學性質的一門新興的科學。一般系統論則試圖給出一個能描述各種系統共同特征的一般的系統定義，通常把系統定義為：由若干要素以一定結構形式聯結構成的具有某種功能的有機整體。在這個定義中包括了系統、要素、結構、功能四個概念，表明了要素與要素、要素與系統、系統與環境三方面的關系。系統論認為，整體性、關聯性，等級結構性、動態平衡性、時序性等是所有系統的共同的基本特征。系統論分為狹義系統論與廣義系統論兩個部分。狹義系統論著重對系統本身進行分析研究；廣義系統論則是對一類相關的系統科學內容來進行分析研究。其中包括三個方面的內容：系統科學、數學系統論；系統技術，涉及到控制論、信息論、運籌學和系統工程等領域；系統哲學，包括系統的本體論、認識論、價值論等方面的內容。其創始人是貝塔朗菲（L.Bertalanffy）。

2）控制論

控制論是研究系統各構成部分之間的信息傳遞規律和控制規律的科學。控制論已不再局限于工程控制，而是廣泛應用于所有其他科學領域。其創始人是維納（N.Wiener）。

3）信息論

信息論是研究信息的計量、傳遞、變換和儲存等的科學。通過數學運算可以定量計算出信息傳遞的能力和效率，應用在通訊、生理學和物理學等學科中。其創始人是香農（C.E. Shannon）。

4）耗散結構論

耗散結構論是由比利時科學家伊里亞·普里戈津（I.Prigogine）在1969年首次提出的一種新理論。并于1977年獲得諾貝爾化學獎。

5）協同論

協同論是由聯邦德國理論物理學家哈肯（Haken Hermann）在1969年首次提出的一種新理論。又稱為“協同學”。

6）突變論

突變論創始人是法國數學家雷內托姆(RenéThom)，他于1972年發表的《結構穩定性和形態發生學》一書闡述了突變理論，榮獲國際數學界的最高獎———菲爾茲獎章。

“新三論”的本質是從組織形態角度分別關注了系統的漸變性、協同性與突變性，并包含了以下哲學思想：內部因素與外部相關因素的辯證統一；漸變與突變的辯證關系；確定性與隨機性的內在聯系；質量互變規律的深化發展等。

2“自動控制原理”的方法論內涵

方法論是人們認識世界和改造世界的一般原則和一般方法。有什么樣的世界觀就有什么樣的方法論。世界觀是人們對世界的總體看法和根本觀點。簡單地說，世界觀主要解決世界“是什么”的問題，方法論主要解決“怎么做”的問題。“自動控制原理”所蘊含的方法論體系既是開放的，又是對立統一的。其哲學思想的核心是辯證法，體現在還原論方法和整體論方法的結合；分析方法與綜合方法的結合；定性方法與定量方法的結合；局域方法與整體方法的結合；確定性方法與不確定性方法的結合；靜力學方法與動力學方法的結合，理論方法與經驗方法的結合；精確方法與近似方法的結合；科學理性與藝術直覺的結合等。以下是“自動控制原理”經常使用的一些具體方法。

(1)系統方法

系統方法是將所要研究的對象作為一個系統整體來對待，著重從系統的整體與組成要素、要素與要素、系統與環境之間的相互作用、相互聯系的諸多關系中，雙向（甚至多方向）、綜合地考察對象，以全面、準確地認識對象，并對問題做最佳處理的方法。常用的系統方法有系統工程方法和運籌學方法等。應用系統方法的主要步驟：明確問題。確定問題的性質，根據問題涉及的范圍，確定系統的邊界。邊界劃分必須合適，劃得過寬，分析的因素增多，抓不住重點，劃得過窄，一些重要關系和變量被忽視，不能全面地完整地認識系統；系統分析。確定系統的組成部分和它們之間的相互關系，即確定系統的結構和功能。結構指的是系統內部構成成分之間的各種關聯關系；功能是指系統所發揮的作用。注意功能與性能不同，性能則是系統對外部各種影響的反應；3.建立系統模型。用模型來描述系統各個部分之間的相互關系和相互作用。一個復雜系統，總是含有大量的因素。其中有決定系統本質的主要因素，也有許多次要因素。只有在模型中包括了全部主要因素才能把握整個系統的本質；4.問題求解。在約束條件下，通過對所建模型的求解，獲得答案。

（2）模擬方法

模擬方法是以客觀事物中某些相似方面為基礎，用模型模擬原型的形態、特征和本質的一種方法。模擬方法可分為物質模擬和思想模擬兩大類型。物質模擬是以物質模型來模擬原型的方法。分為物理模擬、醫學模擬、數學模擬、功能模擬等多種類型。物理模擬、醫學模擬和數學模擬僅是認識原型的手段，而功能模擬則既是認識原型的手段又是認識的目的。功能模擬方法建立的思想基礎是在一定條件下，在形式、結構不同的系統中，可以觀察到同樣的行為。而其產生的哲學基礎是行為主義心理學中有關行為概念在方法論中具體引用。該方法的特點是原型關系的類比性、原型結構的替代性以及原型信息的外推性。

（3）黑箱方法

從認識論上講，黑箱方法是以我們對所研究的對象一無所知為出發點，通過認識的不斷深入，即由黑箱-不知、灰箱-有所知、白箱-全知，逐步達到認識對象的目的。認識步驟是確認箱子（黑色、灰色）-考察箱子-說明箱子。

（4）信息方法

就是運用信息的觀點，把某個系統的運動過程當作信息傳遞和轉換的過程，然后通過對信息流程的分析和處理，達到對這一復雜系統的規律或本質的認識。應用信息方法的主要步驟：信息反饋控制，即按規定信息，通過信息反饋、信息比較、信息判斷和信息調整四步實現對實際信息的控制。規定信息是指系統工作的預定目標或參數；實際信息是指系統的實際工作情況或結果。功能模擬，即以功能和行為上的相似為基礎，用模型模擬原型的功能和行為。用信息方法考察復雜系統，不考慮系統的物理性質，僅從信息流程上對系統進行研究，這樣就可以發現有許多不同的系統可以具有相似的行為和功能。

（5）數學方法

形式化方法、定量化方法、最優化方法都屬于數學方法。形式化與形式化語言的應用有直接關系。形式化語言是一種高度抽象和嚴格定義的符號語言。用形式語言構造的系統（如公理化的邏輯系統）稱為形式系統，相應的方法稱為形式化方法。首先，形式化要求反映了自動控制理論的抽象化水平，也體現了學科運用形式化語言統一處理問題的要求；其次，對自動控制理論進行定量化研究的前提是自動控制理論的形式化；最后，對自動控制理論的定量化研究導致了比較與選擇的可能，即最優化問題的產生。而這三者是由自動控制理論運用類比方法探索并確定不同系統相似性的要求所決定的。其實，在自動控制原理中，每當談到數學方法，就有必要談及一下數學方法論體系問題。這是由“自動控制原理”定量化描述的廣泛性要求所決定的。數學方法論體系的具體內容如下：數學賴以產生和發展的基本方法（過去、現在和將來）:第一，歸納法、演繹法、類比法；第二，分析法、綜合法、抽象法（以分析為基礎產生）。建立數學體系的主要方法:極限法（可他用，如解決具體問題）；公理法（僅用于建立數學體系或理論）；模型法（可他用，應用廣泛）。第三，數學處理問題常用的兩個方法:映射法；數學實驗法：思想實驗（如概率論中的隨機實驗）和計算機實驗。

（6）范疇方法

哲學范疇是哲學中概括與抽象程度較高的概念，它們同樣具體很深刻的方法論意義。“自動控制原理”包含的哲學范疇很多，主要有整體與部分、分析與綜合、系統與要素、結構與功能、信息與能量、運動與靜止、必然與偶然、規律與混沌等。例如，作用與反作用、原因與結果可用于在哲學層次上解釋什么是反饋原理；可能性與現實性可用于解釋什么是能控性與能觀測性等。

三協同教學的基本方法

開展“自動控制原理”協同教學的主要步驟有三：首先，對課程內容體系進行科學劃分，找出知識主線、技術方法主線，甚至是教學主線。在此基礎上，確定出需要協同教學的知識和技術；其次，為這些知識和技術配置相關的哲學內容，以形成協同教學內容；最后，利用下述協同方法對上述協同教學內容實施協同教學。協同方法主要有四種：一是歷史方法；二是文獻方法；三是研究式的具體-抽象方法；四是啟發式的抽象-具體方法。例如，對于“自動控制原理”經典部分的內容，我們劃分其知識主線、技術方法主線的具體過程如下：首先，從一個待設計的控制系統出發，將其分析與設計問題分解為三大知識主線：穩定性問題、快速性問題和準確性問題，外加三個知識對應關系：系統結構參數與穩定性問題的對應關系、系統結構參數與快速性問題的對應關系、系統結構參數（外加輸入）與準確性問題的對應關系。技術方法主線有兩個：頻率特性法和根軌跡法。其次，通過對這兩種技術方法主線的選擇與使用來確定或修改上述三個知識對應關系，使之滿足設計要求，進而達到對上述三大知識主線問題的圓滿解決。最后，通過模擬實現或物理實現上述三個知識對應關系，就可以獲得一個理論上或實際上可用的控制系統。實際上，上述劃分過程也是本課程經典部分的最佳教學主線。又例如，我們在緒論中引出穩定性這一需要協同教學問題時，使用了歷史方法與數學方法。首先對各種穩定性理論與方法按時間順序逐一引出，并對各位歷史人物進行了簡要介紹，然后針對這同一問題將他們各自的理論與方法還原到各自的數學應答域（代數域的、幾何域的、時域的、頻域的等）之中，最后通過指出數學應答域的不同，來闡述和點評各自理論與方法的優缺點，并指出了可能的改進方向與路徑。而在介紹具體的穩定性判據時，我們則采用了文獻方法。例如，在講授勞斯（Routh）本人研究歷時九年之久才得以問世的著名的勞斯穩定性判據時，為了弄清楚勞斯判據證明的復雜思路，利用文獻追溯方法，我們根據謝緒愷教授于1982年所撰寫的一篇名為“關于Routh判據的一點注記”的論文中所提供的線索找到了他在1957年全國第一次力學會議上所發表的另一篇名為“研究線性系統穩定性的新方法”的論文。這兩篇論文對于闡明該問題起了非常關鍵的作用。又例如，我們在講授方框圖等效變換一節內容時，我們使用了研究式的具體-抽象方法。首先，我們將方框圖等效變換方法提升到了等價變換理論層次上，并應用這一理論來研究和講解一個具體的發明創造案例；其次，從這個案例中抽象出發明創造的本質特征之一：等價因子的提取與轉換。這樣一來，這一節的內容就變得非常容易掌握了。實踐表明，學生們在這樣的協同教學中既可學到專業知識，又可積累方法論知識。在講授控制系統校正本質問題時，我們使用了模型論和比較方法。首先按設計要求建立一個理想模型，然后與實際模型進行比對，最后通過思考如何消除模型差異進而闡明了校正的本質。一旦掌握了校正的本質，系統校正設計的思路與步驟就容易理解和掌握了，而每一種校正方法的針對性也會一目了然。這一教學難點就是通過這種協同教學而迎刃而解的。在講述自動控制理論發展史時，我們遇到了一個如何判斷自動控制理論發展階段的難題，即關于自動控制理論是否已發展到了第三代的問題。對于這個問題的回答，我們還真得要回到哲學上去才有可能講清楚。按照美國科學哲學家庫恩（Thomas Kuhn）的有關科學發展范式（本體論，方法論，價值觀），判斷一門科學是否發展了，這一范式一定要發生徹底的層次性改變，科學才算是進步的。自動控制理論的發展經歷了由經典范式（本體論1，方法論1，價值觀1）到現代范式（本體論2，方法論2，價值觀2）的徹底的層次性改變，但沒能實現從現代范式到“第三代范式”（本體論3，方法論3，價值觀3）的徹底的層次性改變。按照庫恩的范式，當本體論層面（由基本事實或理論構成）有矛盾或爭議時，通常會到上一層的方法論層面上來解決矛盾或爭議，如果對方法論也有爭議時，就會再上升一個層次，到價值觀層面上來解決爭議，如果對價值觀也存在爭議，那就再也找不到更高的層面來解決爭議了，此時的范式對于解決爭議已經失效，必須要建立新的范式來替代舊的范式，才能解決舊的矛盾或爭議，而這個新的范式就是新一代的科學理論。由于自動控制理論的現代范式與“第三代范式”在本體論，方法論，價值觀三個層面上共同的東西太多，無法將其絕對劃分開來，因此，按照庫恩的范式，所謂的“第三代自動控制理論”一說并不成立。

在“自動控制原理”課程中，需要協同教學的內容非常多。大到一個定理，小到一個基本概念，都有可能需要借助協同教學才能完成知識的正遷移。因此，在哲學與“自動控制原理”課程之間開展協同教學，對教師和學生的哲學修養都提出了一定的要求。最后，需要指出：本文是在作者講授近十年的“自動控制原理”課程中有關《自動控制理論哲學講稿》與《自動控制理論發展史講稿》的基礎上經整理而成的。另外，文中所使用的知識片斷除了能給出文獻出處的以外，由于時間久遠，其他知識片斷都已無法找到原文出處，在此，對這些知識片斷的原創者表示深深的感謝。

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