基于自组织理论的教学系统演化研究

基于自组织理论的教学系统演化研究［摘要］教学系统的复杂性分析，历来是教学研究者关心的问题。

文章运用系统科学的自组织理论审视了教学系统具有的特性和运行机制，初步建立了演化方程，探讨了教学系统的演化过程，为教学理论的研究提供了新的视角。

［关键词］自组织理论教学系统教学论一、问题的提出自从有了人类，便有了教育。

教育自产生以来，就表现出一种人为的目的性。

它存在于社会、文化之间，发挥着促进人与文化双重建构的历史性作用。

无论是责任主体还是目的主体，它都关乎人，关乎人的存在形态，关乎人的发展。

但教育无论按照什么样的培养目标，采用什么形式，运用什么样的方法，达到什么样的目的，最终都要靠教学去完成。

在教学论中，对教学理论的研究最具代表的是将哲学认识论当做方法论移植到教学中，把教学活动看做是“一种特殊的认识过程”的“认识说”；以追求教育价值目标实现的“价值增殖说”；将本体论运用到教学活动中，整体反映教学的本体性、形成教学过程的“交往说”；把教学当做实践活动来看待教学过程的“实践说”；以心理学和多学科为基础，分析“教学与发展的关系”、论述教学活动中人的发展和知识的习得过程的“发展说”和“学习说”，等等。

上述这些典型的教学理论研究，基本上都是从某一个方面或某一侧面、某一层次或某一深度对教学活动或教学过程进行了阐述，有对教学本质“行而下”的探讨，也有教学本质“行而上”的揭示。

这样，就引出了教学理论的科学基础这一论题。

教学从属于教育，教育从属于社会，教学系统是人为划分的一种系统形式，是“一种存在形态的人与另一种存在形态的、人为的、理想的、为人的目的而共同创造的一种生存方式、一种关系形态、一种活动形式”。

教学系统的人为存在，能够促进人与文化的双重建构，加速文化的有效传承和文化新人的生成，这是教学存在的普遍和基本职能。

这一职能能够实现完成教学的具体任务，也正是由于这一基本职能，教学才能体现出其作为独特的文化历史存在的一般意义。

在教学论中对教学本质的追寻是以相信其存在的信念为前提，把教学过程看成是一种提供系统知识的活动，强调现有知识、理论、假设和原则，并设法在此基础上增加新的内容进行探讨。

但目前的研究忽视对以往研究的总结和理论的构建，缺乏清晰的理论思路，结果只满足于对某些教学现象的描述和解释，忽视了自身的理论发展。

教学是“教与学”的学问，它所要解决的问题是教学究竟是什么的问题。

教学系统是教育系统的一个子系统，它是人为的，是生成的，是生成着的，是演化着的。

它的演化关系到教学的本质属性，关系到教学理论的建构，关系到教学的本质研究。

教学系统是一个复杂系统，具有系统自组织特性。

自组织理论是揭示系统本质、变化发展的基础理论，用自组织理论分析教学系统的演化，研究教学系统的演化规律，能够揭示教学的本质，能有效地指导教学活动，使教学理论与教学实际相结合，对提高有效教学具有十分重要的作用。

二、自组织系统理论（一）自组织理论所谓自组织是指“如果一个体系在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，没有外界的特定干涉，我们便说该体系是自组织的”。

也就是说，自组织是一个系统的要素按照“彼此的相干性、协同性或默契而形成特定结构与功能的过程”。

为了探索这一过程的发生机制，20世纪后半叶，众多科学家进行了多方面的努力，在一般系统理论研究系统的结构、层次和整体效应的基础上，构建了以耗散结构论、协同论、突变论、超循环理论、混沌学为代表的自组织理论。

该理论揭示，如果一个开放的系统，内部各要素之间的相互作用满足非线性关系，并远离平衡态，那么在涨落的诱发下便可能进入自组织状态，使“系统不断结构化、层次化，从无序走向有序”。

（二）发生自组织的条件：结构耗散1.系统必须开放。

在孤立系统中，系统与环境既没有物质交换，也没有能量交换，系统中的物质和能量总是从高能区向低能区转化，直至趋于平衡，而一旦达到平衡态，系统就从原先的有序状态转化为无序的稳定平衡态，即孤立系统总是朝着熵值最大的方向发展。

这就是热力学第二定律的熵增原理。

但在开放条件下，系统与环境既交换能量，又交换物质，系统熵流的变化由两部分构成：第一，系统与外界交换能量和物质所引起的熵流deS；第二，系统内部由于不可逆过程产生的熵增值diS。

因此，dS =deS + diS。

由于deS是系统与外界交换物质和能量引起的熵变，它可正可负；diS是系统内部自发产生的熵变，这个量总是正的。

若外界提供的负熵流deS＜0，且deS＜diS，则dS＞0，外界给系统的负熵流不能完全用来减少系统的总熵，系统演化不完全。

若外界提供足够的负熵流deS＜0，且deS＞diS，则可实现dS＜0，即给系统以足够的负熵流来减少系统的总熵，使系统成为耗散结构。

2.远离平衡态。

开放系统是耗散结构形成的必要条件，但不是充分条件。

只有当开放系统远离平衡态，耗散结构才能出现，系统自组织运行才会发生。

所谓远离平衡态，是指由于系统内部各个区域的物质和能量分布极不平衡、差异较大的不稳定状态。

系统在平衡态和近平衡态的线性区，内部之间的物质和能量分布比较均匀，不依赖外界的能量和物质交换来维持系统的平衡。

稳定状态，是一种静态的稳定“死”结构。

而耗散结构是远离平衡态的非线性区域，是一种动态的“活”结构，它强烈依赖于外部条件，并且只有在系统各元素的相互作用中，才能形成新秩序。

（三）自组织作用机制：协同与竞争自组织系统运行的动力是系统各要素之间的交互作用，这种作用来自开放不平衡系统中大量元素与子系统集体非线性的交互和自发的矛盾运动。

在系统中大量差异化元素的相互作用和正反馈机制，会自发地产生各种寿命长短不一的快变量和慢变量，其中寿命较长的慢变量渐渐演变为系统中占主导地位的元素互动模式，并成为“描述系统整体行为”的规则（序参量）去支配其他元素的运动方式。

在序参量的产生和发展的同时，系统中的各元素或子系统的相互作用之上又有相互作用，从而构成多重作用相互链接耦和超循环模式，形成更复杂和强力的竞争，协同非线性作用机制，推动着系统由一种有序态向新的有序态发展。

（四）自组织运行的路径：临界突变自组织运行的路径从开始的渐变轨迹分叉进入临界区，在受到“临门一脚”的涨落触发下而出现突变，这种“突变选择的结果在一定程度上受瞬间涨落的偶然性所支配”。

此时的系统非线性状态方程具有多重解的可能性，虽不能给出长期的运行结局，但正因如此，我们才拥有一定的选择权和主动性。

由于自组织的运行化格局取决于条件的改变，我们可以“慎终追远”，对外部控制参量进行选择来影响自组织的渐变轨迹，在临界点通过诱导事物突变，来使事物渐趋平稳变化或引导自组织的运行方向。

三、教学系统的演化人们一般把事物内部新质的产生过程看成是由低级向高级递增，或由高级向低级递降的一个由量变到质变的直线过程。

这样把事物从小到大、从简单到复杂、从单一的一个旧质到复杂的一个新质的发展叫做演化，这是对事物演化的一种狭义的理解。

然而，世上存在的事物不是单一的，而是“多”和“一”相统一的。

演化不是由单一到复合，也不是复合物的分化，而是多样性统一的一个具体化到另一个具体化，是一种复杂状态到另一种复杂状态的过渡。

所以演化是事物从一种多样性统一形式转变成为另一种多样性统一形式的具体过程。

一个系统所具有的特征是由系统内部各因素及各因素之间的作用方式决定的。

教学系统是人为划定的开放系统，具备开放、远离平衡态、非线性作用和涨落的特征，能够使教学系统形成耗散结构，实现自组织演化。

（一）教学系统具有的特性1.教学系统是一个开放的系统。

开放是指系统与环境之间既能进行物质交换，又能进行能量和信息交换。

开放的系统与环境作用引入负熵，抵消了系统不可逆过程所引起的熵增加，使得整个系统走向有序。

教学系统是教育系统的一个子系统，教育系统、教学系统及教学子系统三者间存在着包容关系。

教学系统一方面与教育系统进行信息、物质、能量交换，另一方面将实施的结果信息反馈给教育系统，修正教育目的，使培养的人才适应社会发展的要求。

另外，教学系统除了这些显性的交流外，还有教学子系统与教育系统隐性交流。

如社会上的人才观、教育观、价值观等无时不在影响着教师的教学观和学生的学习观，影响着教学活动的开展。

可见，教学系统不仅是一个与外界有着物质交换，而且还有能量和信息交换的开放系统，能够提供足够的负熵流，使教学系统成为耗散结构。

2.教学系统远离平衡态。

平衡态是指系统不随时间变化而变化的一种静止状态，是系统要素最为无序的混乱状态。

系统只有远离平衡态，才可能形成有序结构。

教学系统中所说的平衡态则与热力学中所讲的平衡态有所不同。

它是指在开放条件下，教学系统诸要素按一定规律协调有序地分布并维持的一种状态，与物理学中的稳定态相对应。

教学系统受到的作用非常广泛，有外界社会系统中社会发展对人才的要求、教育系统中教育目标对教学系统的要求、系统内部诸要素的相互作用等，使教学系统各要素之间存在着较大差异，形成一个远离平衡态的系统。

如教师专业知识结构、教学方法、价值观、道德品德、学生的行为习惯、个人爱好、理想抱负、性格特点、身体状况等方面存在的差异，这些差异引起的不平衡，把教学系统推向远离平衡态的非线性区。

3.教学系统具有非线性。

教学活动是有目的、有计划、有组织的教育活动。

如果把教师作为教学的主体，那么学生就是教学的客体，教学信息的流动形式是由教师流向学生。

教学主体与客体之间的教学信息传递应该是成正比的函数关系，教学结果应该是教师教多少，学生就学到多少。

如果把学生作为教学的主体，教师成为教学的客体，教师在教学活动中无法发挥主导作用，教学信息完全由学生自己去搜取。

但实际情况并非如此。

在教学系统中，教师、学生是两个具有高级思维能力和情感的复杂生命体，是人与人之间的关系。

学生获取的信息量由知识的呈现方式、教师的教学水平、学生认知结构、认知因素和非认知因素、教学情境、教学策略、学习策略等多因素决定的。

也就是说，教学系统的效力是由多因素引起的，各元素之间不是线性的关系，而是非线性关系。

4.教学系统能够产生涨落。

涨落是指“系统在某个时刻、某个局部的空间范围内产生对宏观状态的微小偏离”。

涨落能是系统形成有序结构的原始驱动力。

一般说来，线性关系的系统对系统的状态产生的影响不大，涨落都是衰减的。

而非线性关系的系统，内部各构成元素或子系统之间存在着非线性相互作用，当系统处在远离平衡态，某种微小的涨落就会使系统的状态发生微小变化，这种微小变化被系统非线性的反馈机制放大，能使系统跃迁到一个新的稳定有序状态。

在教学系统中，系统与外界不断进行物质、人才、信息间的交流，不可避免地要受到外界各种波动的影响。

这些影响作用到教学系统内部，信息被逐级放大，造成系统内部的涨落，产生意想不到的结果，教学系统就进入到高一级的有序的新状态。