從復雜性科學視野審視科學課程的實施

黃曉 毛長云

摘要：復雜性科學的發展歷程，表現出不同類型的復雜性與多元的研究進路，呈現了復雜性多元理解下的一些基本特性——非線性、多樣性、整體性等?；趶碗s性科學的視野反思科學課程的實施，主要體現于三個方面：一是復雜性科學彰顯的整體論思維與多元研究進路，表現為對綜合科學課程形態的一種價值追求；二是復雜性科學蘊含著多維度的科學本質內涵。三是復雜性科學的開放性、自組織性促使我們對開放的科學課程的關注與追求。

關鍵詞：復雜性科學；科學課程；綜合科學；整體論；開放；科學本質

中圖分類號：G71 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094-C-（2014）03-0009-04

復雜性科學肇始于1928年貝塔朗菲（Von. Bertalanffy）的系統論之研究，是系統科學發展的新階段，也是當代科學發展的前沿領域之一。目前，仍處于形成中的復雜性科學不僅引起了科學界（物理、化學、控制論等）的廣泛關注，基于其帶來的認識論、方法論上的革新，復雜性科學的觸角已延伸到自然、社會、經濟、教育等眾多社會科學領域。基于教育系統的復雜性，越來越多的學者關注于將復雜性科學應用于教育領域的研究，并呈現了兩條進路，一條是從事復雜性研究的科學家與哲學家以特定的視角來認識與考察教育復雜性；另一條是教育領域的研究者學習、借鑒復雜性科學，從理論、哲學、方法論等層面探討學校變革的復雜性[1]與課程的復雜性，特別表現于復雜科學在教育研究方法（論）層面的意義。[2][3]

Brent A.Davis[4]曾基于復雜性科學的視角，以圖像描述了學校在課程內涵方面經歷了線性課程、螺旋課程再到生成式（分形）課程的過程。這種基于學習是一個復雜的系統而提出的生成式課程形態，是視課程為一種復雜調適現象且不斷演化生成的動態發展本質，具有不可預測性與不可控制性。科學課程的實施不僅要體現科學發展前沿，而且要凸顯課程的發展趨向。因而，基于復雜性科學呈現的特點，從復雜性科學視野來探討科學課程實施是極為必要的。

一、復雜性科學的特征

基于深刻哲學背景興趣的復雜性科學，歷經了以“整體、系統、控制、反饋、信息”為關鍵詞的20世紀60年代；以揭示系統演化理論與機制為動機，以“非線性、自組織、突變、混沌、分形、涌現、遺傳算法、元胞自動機”為關鍵詞的20世紀70年代；以計算機仿真與建模為重要方法，以從技術上粗略實現對現實復雜性問題的仿真模擬與未來預測，并彰顯了以“涌現”為關鍵詞與首要目標的20世紀80年代。[5]復雜性科學逐漸走向成熟的同時，凸顯了不同視野下的復雜性特征，即本體論視野下的復雜性核心在于追問存在，思索作為存在的存在，“存在與演化”成為核心詞語；認識論視野下的復雜性需要探討何種意義上的復雜性測度是可能的，理論如何影響我們對復雜性的辨識，呈現了從對立到互動的轉變；方法論視野下的復雜性，表現了對復雜性層級問題的追問，對整體論方法與生成論的探索。[6]盡管復雜性科學在發展歷程中，表現了對復雜性涵義的多樣界定，形成了不同類型的復雜性，[7][8]表現出不同的研究進路，也凸顯了不同學者對復雜性科學特征的多樣認識[9][10]，也顯現出對復雜性科學的一些基本特點，這表現于其復雜系統這一研究對象中，如保羅·西利亞斯（Paul Cilliers）在《復雜性與后現代主義》一書中總結了關于復雜系統的十個方面的特征，即復雜系統由大量要素組成，且這是必要條件而非充分條件；系統間有豐富與復雜的相互作用；開放系統；遠離平衡態；系統隨時間而演化；不可預測性；等等。[11]

二、強調綜合科學的課程形態

整體論是貝塔朗非總結了生命科學的新成就，在批判機械論與活力論的基礎上系統提出的。他以簡明的圖式說明了整體（系統）與一般復合體的區別，即整體不僅是一種靜態的非加和性組合，還可表現為動態關系的不變性——如指數定律、異速生長規律、對數定律等在生物、經濟、社會不同領域的普遍適用性。異速生長規律表明，同一整體中處于相互競爭的部分是以一定穩定關系相對生長的。這種具有可分解性、結構性、共時性等特征的整體性稱為構成性整體，即可視為存在的整體。20世紀80年代，以呈現時間因果關聯（其所形成的復雜圖形，隨著時間的流動，圖形結構有規則地生長著、變換著，即是以空間圖形的形式對時間演化過程的形象化）為特征的元胞自動機，豐富了整體論的內涵，表現出具有時間性、過程性、不可分割性為特征的生成性整體。

從對復雜性的研究來看，自20世紀70年代起呈現了多條進路，表現為多個學者、多個領域對某一特定問題的整體思維與實踐。如混沌學自身領域的研究，及混沌學與幾乎同一時期的分形研究、孤立子研究組成了復雜性研究進路中的非線性科學研究，體現了復雜性現象研究中的學科整體性。此外，元胞自動機的形成、自組織臨界性的發現、報酬遞增的復雜性經濟學等領域的出現，也呈現了整體性的特征。

復雜性科學在研究過程中呈現的多種進路與方法論層面的整體論，運用到課程中則表現為對綜合課程的一種價值追求。對于綜合課程，可以依據其存在的課程形態與聚焦的核心來分類。就課程形態而言，綜合課程分為系統化的綜合課程（也稱廣域課程，圍繞一個特定的核心，將學校教育中所有學科組織成一個能涵蓋整個知識領域的課程體系），如以問題為中心的綜合課程、以人性為中心的綜合課程（香港的通識教育）等、學科化的綜合課程（也稱融合課程、綜合學科課程，指由兩門或兩門以上的有關學科融合而成的新學科，強調打破其融合的各學科知識體系，形成新的知識體系）、模塊化的綜合課程（兩種或兩種以上學科既在一些主題或觀點上相互聯系起來，又保持各學科的相對獨立）。[12]理想的綜合科學課程是綜合課程的一種表現形態（側重于對學科化的綜合課程形態的認同），其本質內涵最終應落實于人的科學素養的達成。綜合科學課程不僅是對分科科學（物理、化學、生物）課程所帶來問題的批判，而且是在認同分科課程合理性存在基礎上的一種超越——它試圖在復雜性整體論思維指導下，超越囿于學科知識結構、獨特特點與特定領域的思維方式，基于學生生活經驗與社會體驗，體現對科學課程與學生人格的統整，以促成學生批判思維能力與綜合運用科學知識解決問題能力的提升。

三、理解科學本質

——復雜性視野下科學課程的目標追求

對“科學是什么”問題的追問是國際科學教育者與科學教師共同關注的問題，也是當前我國新一輪課程改革反思與踐行的話題。從復雜性科學發展歷程及自身研究來看，復雜性科學蘊含著多維度的科學本質內涵，如科學的不可預測性（科學劃界）、科學知識的地方性、科學方法的多元與獨特性等。

（一）科學的不可預測性

區分科學與非科學實則是科學劃界的問題，無論是何種科學哲學觀點關照下的科學劃界，都離不開對幾個問題的追問，即科學與非科學有無劃界標準？如有標準，具體的劃界標準是什么？劃界標準是一元的還是多元的？是確定的還是模糊的？邏輯實證主義基于經驗證實原則，以科學是否能精確符合外部經驗與檢驗來作基本尺度；波普爾基于愛因斯坦相對論的精確預言被驗證提出“可證偽性”標準[13]。基于非線性特征的復雜性科學，如果以一種直面事物本身的復雜性及事物間相互關系的復雜性，運用超越直線式的思維去理解與把握認識對象的思維方式，無法對所有事物的發展作出長期的預測，即顯現了不確定性或不可預測性。這是對傳統科學哲學關于科學本質上具有可預測性的科學劃界之沖擊與突破。

（二）科學方法的多元與獨特性——隱喻、模型與數值的方法相整合

科學哲學中以實證主義的關于科學方法層面的對邏輯、實證的關注，逐步形成了科學哲學方法論說明的霸權主義。隱喻在復雜性研究中的廣泛使用（圣菲研究所將隱喻作為一種科學研究方法而引入復雜性科學中，成為復雜性科學的重要方法），是對傳統科學哲學將隱喻視為一種歷史與文學的說明形式觀點的一種挑戰。隱喻方法的使用主要表現為兩個方面，一方面在對“復雜性”概念自身的描述中，呈現了如蝴蝶效應、奇怪吸引子、涌現、路徑依賴、混沌邊緣等隱喻的界定方法；另一方面在復雜性的產生機制研究中所構建的理論，如CAS理論是霍蘭在發明遺傳算法之時，從生物學的遺傳、變異等現象中得到啟發，通過比喻、類比等隱喻而建構起來的。對于“涌現”的提出，也是霍蘭從數字、游戲、地圖、西洋跳棋、神經網絡等隱喻性概念出發，建立起來顯示涌現現象的不同系統與模型，展示他們之間共同規律與規則的方法，即表明霍蘭將隱喻方法應用于神經網絡的分析中，作為涌現分析的主要方法。

復雜性科學一般都在隱喻類比的基礎上，建立復雜系統模型。復雜性科學只有從隱喻層面上升到模型建構層面，才能真正建立起屬于自己特色的科學模型，也才能真正上升到科學層次。因此，為了探索復雜性，科學家們從不同的角度、不同的途徑建立了大量的復雜系統模型，如CAS理論中“復雜適應系統的回聲模型”、涌現理論中的“生成模型”、自組織臨界性理論中的“沙堆模型”、人工生命研究中的“人工生命模型”（自繁殖元胞自動機、鳥群模型、蟻群模型等）。模型方法作為復雜性科學的重要工具，在應用過程中拓寬了模型方法的范圍——基于復雜性要反映系統的過程性、主體性、動態性、開放性、涌現性等特點，復雜性科學模型超出了傳統的靜態模型，走向過程、動態、關系模型的建構，呈現了數值模型、算法模型、虛擬模型、半定性半定量模型的建構與應用。

復雜性科學的非線性特征表現于對非線性微分方程的求解與研究，需要依靠計算機輔助下的數值實驗方法，才能對理論分析上難處理的復雜問題給出豐富的、系統性的，感性而直觀的啟示。在復雜性科學的發展歷程中，無論是洛侖茲奇怪吸引子的發現、李天巖與約克的混沌現象的認識與三體問題中的混沌軌跡的得出，還是菲根鮑姆對混沌規律的研究，曼德布羅特復雜的分維圖形制作與無窮嵌套的自相似結構的獲得，都是計算機的數值計算結果。

（三）科學知識的地方性與實踐性

地方性知識是一種新型的知識觀念，其“地方性”不僅是在特定的地域意義上說的，而且還涉及在知識的生成與辯護中所形成的特定情境。復雜性科學發展歷程強烈地反映了知識地方性特征，一方面表現于對復雜性概念的極不統一的理解中，諸多的復雜性（如計算復雜性、蘭帕爾—齊夫復雜性、適切景觀等）概念的提出是基于特定的學科背景、個人與方法；另一方面表現于對復雜性科學的研究，不是首先學習復雜性的理論表征內容，然后將其應用于特殊的情境中去，而是將理論模型根植于對典型問題的范例性的解決方案中，如人工生命研究是由一系列關于元胞自動機、遺傳算法的典型范例所建構，混沌理論由蝴蝶效應、洛侖茲吸引子、蟲口方程、菲根鮑姆周期倍分叉等一系列問題組成。分形現象的普遍性源于對曼德布羅特集、康托爾集合、科赫曲線等具體分析。

復雜性科學一方面蘊含著豐富的科學本質內涵，另一方面作為一種科學方法論呈現了還原與整體、微觀與宏觀綜合、定性判斷與定量描述、科學推理與哲學思辨方法的有機結合，因而科學課程實施的目標在于促進學生對科學本質的理解。

四、開放的科學課程

——復雜性科學視野下的過程關注

復雜性科學中的耗散結構理論認為，不與外界交流物質與能量的封閉系統只會走向無序與退化，而只有與外界有物質、能量、信息交換的開放系統，才可能走向有序——“非平衡態已使體系避免了……熱無序，并把環境輸入的一部分能量轉變為一種新型的有序形態……以對稱破缺、多重選擇和長程關聯為特征的一種動態?！盵14]耗散結構理論的核心思想是，遠離平衡態的開放系統通過不斷地與外界交換能量與物質，在外界條件變化達到某一特定的閾值時，在其內部的非線性機制的作用下，就有可能從原來無序狀態轉變為一種時間、空間或功能的有序狀態，形成新的有序結構。它突破了“系統只有平衡才可能穩定”的靜態有序結構觀點，指出“非平衡態的動態有序結構”存在于自然界與生命系統中。從耗散結構形成的過程分析看，系統開放、遠離平衡態、漲落成為必需的條件，它解決了自組織出現的條件環境問題。作為復雜性科學重要的理論來源，由耗散結構理論、協同學、突變論與超循環理論構成的自組織理論，突出了系統自身的主動性，強調系統自身的演化，而開放性成為實現主動性與演化的前提條件。

從系統結構看，學校、課堂是一個多維、多層次與多目標的復雜性系統；從綜合科學的學科特征看，又呈現了區別于分科課程的整體性與綜合性。因而，從復雜性科學的視野審視科學課程實施過程，應呈現開放性——表現為開放的課程內容、開放的教學過程、開放的課程評價等。從課程研制看，課程內容的組織與選擇是關鍵性環節，即科學課程的開放性首先體現在科學課程內容的開放性——向學生社會生活實際的開放、向科學發展的歷史與前沿的開放、向與科學相關學科內容的開放、向技術發展與應用的開放。開放的教學過程是對師生角色的重新定位；是對教材霸權地位的一種突破，不僅需要開發與利用課外的課程資源到科學課堂中，而且需要充分利用課堂生成的課程資源；是對單一教學方法與手段的豐富，實現多元方法的應用與整合。

復雜性科學的提出，不僅把統一性與多樣性綜合起來進行思維，而且把不確定性和確定性、邏輯性和矛盾綜合起來進行思維，它還把觀察者包含到觀察領域中。即研究者（觀察者）不僅要考慮不確定性因素，而且需將自身“包含到觀察領域中”，才能較完整與全面地對復雜事物作出論斷。對于科學課程的評價，其評價的對象不僅只是學生，而是學校、課堂這一復雜系統，需要將評價對象置身于具體的情境中，融入研究者自身的觀察與思考，在多元評價主體的交流、討論中作出完整的評價。因此，綜合科學課程的評價中，不僅需要強調評價主體的多元、評價方式的多樣，關注科學課程實施過程評價，而且需要強調對科學課程實施的具體情境的關注與多元評價主體的交流。

參考文獻：

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[14]【比】尼科里斯·普里高津.探索復雜性[M].羅久里，譯.成都：四川教育出版社，2010.

Reflection on the Implementation of Science Curriculum

from the Perspective of Complexity Science

HUANG Xiao & MAO Chang-yun

（Zhejiang Normal University， Jinhua 321004， Zhejiang Province）

Abstract： The development process of complexity science shows different types of complexity and diverse research approaches with characteristics of nonlinearity， diversity， integrity， and self-organized criticality. The reflection on the implementation of science curriculum from the perspective of complexity science lies in the following three aspects： firstly， the holistic thinking and diverse research approaches which the complexity science reveals manifest the value pursuit of the form of comprehensive science curriculum； secondly， complexity science implies the connotation of multi-dimensional nature of science， such as the unpredictability of science beyond the traditional criterion of demarcation of science， the diversity of scientific methods reflected by the integration of the metaphor， the model and the numerical method， and the generation of scientific knowledge revealed by its geographical expression； thirdly， the openness and self-organization of complexity science prompts us to focus on and pursue the science curriculum.

Key words： complexity science； science curriculum； comprehensive science； holism； openness； the nature of science