創(chuàng)設(shè)“復(fù)雜性科學與哲學”課程實踐探討

周開發(fā)

(重慶交通大學，重慶 400074)

創(chuàng)設(shè)“復(fù)雜性科學與哲學”課程實踐探討

周開發(fā)

(重慶交通大學，重慶 400074)

本文介紹了面向本科生創(chuàng)設(shè)的跨學科通識課程“復(fù)雜性科學與哲學”，闡述了課程的設(shè)計思路、內(nèi)容結(jié)構(gòu)與教學組織?；谡{(diào)查問卷、訪談和課堂教學測評量表收集的數(shù)據(jù)，用 SPSS描述性統(tǒng)計分析評價了基于復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺的學習模式。結(jié)果表明，面向本科生開設(shè)該課程是十分必要且成功的；所采用的教學策略切實可行且有效；該課程增強了學生的好奇心，擴大了知識面，實現(xiàn)了一定的文理交融。

本科教育； 跨學科； 通識教育； 復(fù)雜性科學； 建模與仿真

一、引言

物理學家霍金曾說過：“21世紀將是復(fù)雜性科學的世紀。”20世紀80年代興起的復(fù)雜性科學，不僅引發(fā)了自然科學的變革，而且日益滲透到哲學、人文社科的各個領(lǐng)域。

從17世紀到20世紀初，牛頓運動定律和線性疊加原理統(tǒng)治著科學認識和人類思維，滲透到西方世界的各個方面。以至大多數(shù)人都沒有意識到，他們在思考和說話的時候正使用著機械論的教條觀點：所有發(fā)生的事情背后有著某種原因；宇宙是有序的，像一部復(fù)雜機器那樣遵循著令人難以置信的規(guī)律；可以通過分解和合成事物的組成要素來了解一切。

進入20世紀，還原論受到了海森堡不確定性原理、愛因斯坦相對論等的嚴重挑戰(zhàn)?？墒?，還原論仍然根深蒂固，物理學家將物質(zhì)還原為夸克和膠子，生物學家將生命還原為DNA和遺傳密碼。然而，到了20世紀50年代，生物學家開始從整體論視角看待生物，認為生物是非常復(fù)雜的，不能將生物器官還原為機器，只能將生命理解為復(fù)雜系統(tǒng)。1945年貝塔朗菲提出生命組織機體論，并由此建立一般系統(tǒng)論，為復(fù)雜系統(tǒng)理論的發(fā)展鋪平了道路。

20世紀60年代，氣象學家洛倫茲提出了著名的混沌理論，指出微小的變化可產(chǎn)生巨大影響，例如巴西一只蝴蝶煽動翅膀這個看似微不足道的現(xiàn)象，可改變大氣運動的方式，引發(fā)美國德州龍卷風。此現(xiàn)象被稱為“蝴蝶效應(yīng)”。90年代幾位諾貝爾獲獎?wù)吆鸵蝗耗贻p的科學家創(chuàng)建了著名的圣塔菲研究所，組成跨學科研究團隊，采用先進的計算機建模，對復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)、人工生命、混沌邊緣、系統(tǒng)進化等復(fù)雜性問題開展了原創(chuàng)性研究。目前，由于受到生命科學、經(jīng)濟學、流行病學、神經(jīng)科學、模式識別、氣候變化、社會科學等領(lǐng)域的全面挑戰(zhàn)，復(fù)雜性科學正快速發(fā)展。

復(fù)雜性系統(tǒng)問題不只是一個學術(shù)問題，更是一個關(guān)于認識論、方法論、世界觀的哲學問題，正改變著我們認識世界的心智模式。近年來國內(nèi)外大學正在探討如何為本科生提供教育機會，以幫助學生更充分地認識和理解復(fù)雜系統(tǒng)。2007年，美國學者David C.Earnest為9名本科生開設(shè)了“復(fù)雜系統(tǒng)理論”課程，講授復(fù)雜系統(tǒng)的基本概念，訓(xùn)練學生用NetLogo進行建模仿真[1]。在國內(nèi)，北京大學現(xiàn)代科學與哲學研究中心自1989年開始舉辦復(fù)雜性問題暑期研討會，并于2007年面向本科生開設(shè)“復(fù)雜性科學與哲學”課程，由哲學、法學、系統(tǒng)科學、力學、物理、地理、信息科學、人文等專業(yè)老師講授復(fù)雜性科學和哲學的歷史、理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用[2]。

2010年哈佛大學刊登了一篇題為《通識教育鼓勵擁抱復(fù)雜性》的采訪報道，本科教育學院院長Jay Harris強調(diào)：“我們希望在哈佛的時間，尤其是課程學習的這段時光里，學生們真正所要掌握的是理解復(fù)雜性的能力?！盵3]其實，美國不少大學在通識教育要求中明確指出：“通識教育的目的是為了豐富人類經(jīng)驗和積極投身世界而打下基礎(chǔ)，而這個基礎(chǔ)是建立在對自然、社會和個人的復(fù)雜性認知基礎(chǔ)之上的。通識教育的目的是向?qū)W生介紹這種復(fù)雜性的基本維度，并對不同的理解方式和不同的文化反應(yīng)表現(xiàn)出充分的賞識?！盵4]

可見，科學家們已開始放棄牛頓的確定論和還原論，轉(zhuǎn)向整體的、非線性的復(fù)雜性思維范式，但是普通人仍然堅持著牛頓的世界觀。

目前，面向研究生開設(shè)的有關(guān)復(fù)雜系統(tǒng)理論及其建模仿真的課程很少，面向本科生開設(shè)的相應(yīng)課程更是稀少[5]。課程如此稀少的原因是：復(fù)雜性科學本身大范圍的跨學科特性令許多教師望而卻步；確定性和線性化思維范式占據(jù)著課堂教學的絕對地位，師生習慣并偏好于牛頓的還原論；認為本科生數(shù)學水平還不夠，難以理解復(fù)雜性科學的核心概念、思想和方法；認為復(fù)雜性科學過于前沿，而本科教學與學術(shù)前沿之間有一定的滯后性，沒開設(shè)該課程是正常的。因此，國內(nèi)大學對面向本科學生開設(shè)這類課程的重視不夠，相應(yīng)的教改行動明顯遲緩。

本文闡述“復(fù)雜性科學與哲學”的課程設(shè)計與課程目標，討論課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)及教學組織，探討基于復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺的學習模式，并綜合評價學生的學習效果。

二、課程設(shè)計與課程目標

“復(fù)雜性科學與哲學”是一門面向本科各年級各專業(yè)的全校性通選課，共32學時，每學期開設(shè)一次，選修人數(shù)控制在60人左右。

課程內(nèi)容由五部分組成。一是講解復(fù)雜性科學的基本概念，如非線性、混沌、分形、自相似、自組織、自適應(yīng)、涌現(xiàn)、奇怪吸引子等。二是介紹復(fù)雜性科學的各種理論流派和代表人物，反思還原主義與整體主義兩種思維范式的爭論。三是介紹復(fù)雜性科學的研究方法，演示系統(tǒng)動力學建模與仿真、基于多主體復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真。四是面向真實情境問題的應(yīng)用，針對具體的自然/社會復(fù)雜性問題進行建模仿真。最后是復(fù)雜現(xiàn)象的哲學反思，從認識論和方法論視角探討復(fù)雜性科學的范式革命。

教學方式主要由教師講授、問題研討、仿真演示、自主探究活動、學生匯報和課外學術(shù)閱讀等環(huán)節(jié)組成。課程考核成績主要由開卷考試、課程論文和教學參與三部分組成。開卷考試占總成績的30%，主要考概念題、復(fù)雜現(xiàn)象分析與哲學反思題。課程論文占總成績的30%，要求學生寫一篇不少于3000字的學術(shù)論文，論文必須符合規(guī)范格式且無抄襲現(xiàn)象。教學參與占總成績的40%，由出勤、課堂提問與發(fā)言、PPT匯報、課外自主學習等組成。

課程目標是為學生創(chuàng)建探究性的學習環(huán)境，提供探索復(fù)雜的自然和社會科學現(xiàn)象的學習機會，培養(yǎng)學生從科學與哲學視角來認識復(fù)雜世界的意識，訓(xùn)練學生的深度學習能力、基本學術(shù)素養(yǎng)和模型思維習慣，激發(fā)學生的好奇心、求知欲和創(chuàng)造力，使得學生從單一的還原論范式轉(zhuǎn)向整體論范式。

作為跨學科通識課程，本課程將培養(yǎng)學生具備如下的知識、能力、態(tài)度和世界觀：了解復(fù)雜性科學的發(fā)展歷史與動態(tài)；從科學與哲學的視角理解復(fù)雜性科學的主要概念，如系統(tǒng)與環(huán)境、非線性、混沌與分岔、涌現(xiàn)、自相似、分數(shù)維等；了解面向過程與面向?qū)ο蟮膬煞N編程思想，能夠應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺輔助學習；熟悉自然/社會科學中的經(jīng)典模型，掌握用模型思維解決復(fù)雜的自然/社會科學問題的基本步驟與方法；能夠有效地查找、批判地評價和合理地應(yīng)用學術(shù)資源，掌握小組合作解決問題的方法與策略，熟悉科學研究的基本過程與方法，學會主動學習與深度學習；能從哲學的高度解釋復(fù)雜現(xiàn)象，如有序與無序、可逆與不可逆、競爭與合作、隨機與混沌、涌現(xiàn)與自組織等等。

開設(shè)本課程的最大難題是教材選用。目前幾乎沒有任何一本書能直接用于教學。因為沒有一本書是將復(fù)雜性科學理論、復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真、復(fù)雜問題的哲學反思三項內(nèi)容整合在一起的。進行教學設(shè)計時，只有擇優(yōu)選用相關(guān)資料，進行主題整合。同時，給學生提供豐富的課外閱讀資料，彌補教材不足。目前，選擇《非線性科學與復(fù)雜性科學》(李士勇)為理論參考書，《NetLogo4.0.2用戶手冊》(張發(fā))、《MATLAB科學計算與可視仿真》、《系統(tǒng)思考和系統(tǒng)動力學的理論與實踐》(張波等)、《Swarm for Java仿真及編程實現(xiàn)》(劉貞等) 為系統(tǒng)建模與仿真參考書，《哲學視野中的復(fù)雜性》(劉勁揚)為復(fù)雜問題的哲學反思參考書。

三、課程內(nèi)容

《復(fù)雜性科學與哲學》的內(nèi)容體系由12個主題構(gòu)成，并通過12個問題來具體組織和展開教學活動。在教學過程中，結(jié)合大量的自然/社會科學中的實例，借助建模仿真平臺進行教學演示，另安排12項自主探究活動，以幫助學生充分認識復(fù)雜性現(xiàn)象，掌握復(fù)雜系統(tǒng)的基本概念和演化規(guī)律，養(yǎng)成復(fù)雜性思維和模型思維的習慣，學會處理復(fù)雜性問題的基本方法與技術(shù)。表1是課程的主要教學內(nèi)容和學習活動安排。

表1 《復(fù)雜性科學與哲學》的主要教學內(nèi)容和自主探究活動

從表1不難看出，“復(fù)雜性科學與哲學”涉及自然科學、社會科學、數(shù)學、哲學等眾多領(lǐng)域，內(nèi)容豐富，思想新穎，研究方法獨特，問題解答有趣而深刻。

四、課程建模仿真軟件

要想清晰且深刻地理解復(fù)雜系統(tǒng)中的非線性、反饋、混沌、分岔、涌現(xiàn)、自組織等抽象概念，必須借助各種復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真軟件[6]。依據(jù)不同的編程思想，將軟件分成兩類，即面向過程的建模軟件和面向?qū)ο蟮慕＼浖?/p>

對于許多連續(xù)或離散的自然/社會復(fù)雜系統(tǒng)問題，例如人口增長、疾病傳播、合作與競爭、漁業(yè)經(jīng)濟等，可以采用系統(tǒng)動力學方法進行建模仿真，探究變量及其之間的相互關(guān)系隨時間的變化規(guī)律。Vensim和Stella是系統(tǒng)動力學建模仿真的常用工具，建模時無需編寫程序且可視化，輸入和輸出功能較強，容易上手。目前，系統(tǒng)動力學方法在輔助教學中的應(yīng)用正日益增多。越來越多的教師發(fā)現(xiàn)，對于教授系統(tǒng)思維和問題求解技能，它是一個很好的學習工具。為此，一些學校專門創(chuàng)建了系統(tǒng)思考學習實驗室，借助系統(tǒng)動力學模型幫助學生改善心智模式，激發(fā)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新活動，形成科學決策方案。

對于自然/社會系統(tǒng)中的許多大規(guī)模復(fù)雜離散事件仿真，必須采用基于多主體的仿真平臺，如NetLogo、Swarm等。從教學角度考慮，選用NetLogo多主體仿真平臺是最合適的，該軟件免費、易安裝，學生容易上手，編程語言簡單靈活，有多種可視化工具，示例很多，功能很強大。借助NetLogo多主體仿真平臺，學生容易構(gòu)建虛擬的自然/社會復(fù)雜模型，并通過反復(fù)仿真實驗來探討真實情境中難以觀察到的各種有趣現(xiàn)象和問題?；贜etLogo多主體建模與仿真，不僅能夠激發(fā)學生主動學習和科學探索的興趣，而且能夠培養(yǎng)他們的深度學習能力和科學研究技能[1]。

五、教學方法

“復(fù)雜性科學與哲學”通識課程始終貫徹“以學生為中心”的教學理念，營造探究性學習環(huán)境，將課內(nèi)講授、研討與課外自主探索活動融為一體，通過跨學科教育實現(xiàn)自然科學與社會科學的知識融合，著力培養(yǎng)本科學生的系統(tǒng)思維、科學素養(yǎng)、批判性思維、信息素養(yǎng)、問題解決、學術(shù)創(chuàng)新、小組學習、自主學習等核心能力。課程主要采用老師講授、課堂討論、多媒體教學、數(shù)值模擬與仿真演示、基于IBL的小組學習、自主探索活動等教學方法。下面重點介紹數(shù)值模擬與仿真、基于IBL的小組學習與自主探究活動兩種教學方法。

(一)數(shù)值模擬與仿真

系統(tǒng)動力學模擬和復(fù)雜系統(tǒng)多主體仿真越來越成為復(fù)雜性科學教學和研究的重要工具，有助于學生加深對非線性、混沌、涌現(xiàn)、自組織等概念的理解，提高學生解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的能力[7-8]。在教學過程中，選擇了一些典型模型(見表2)進行教學演示和自主探索學習。

表2 典型的教學演示模型

(二)基于IBL的小組學習與自主探究活動

探究式學習是以學生為中心的一種教學方法，在大學階段越來越受到歡迎。首先，將學生分成多個小組，每個小組5～6人，每組選定一個研究主題；采用過的部分研究主題有：圣塔菲研究所的跨學科研究模式與啟示、金融危機與多米諾骨牌效應(yīng)、基于組合交通仿真模型的交通擁堵仿真分析、多主體仿真平臺NetLogo的特點與編程、基于NetLogo的課堂學習活動的仿真分析等。然后，小組分工合作,通過查找資料(不少于10篇論文)，小組內(nèi)部討論，決定問題的解決策略。之后，指導(dǎo)老師與小組討論，提供不同程度的學術(shù)指導(dǎo)(如編程難點、知識整理、PPT制作等)。最后，小組成員課堂匯報研究成果，并回答質(zhì)疑。

自主探究活動按照表1所列內(nèi)容，由學生自主選擇仿真項目5個，課余時間自主實踐。通過“復(fù)雜性科學與哲學”QQ群(291798605)，教師提供及時指導(dǎo)，同學之間進行學術(shù)交流。自主探究活動為學生提供了可選擇性的學習項目，促進了個性化的學習。

六、教學評價

(一)課堂教學質(zhì)量評估

課堂教學質(zhì)量評估量表由學校教務(wù)處開發(fā)，面向全校所有本科課程進行評價，評價結(jié)果與教師考核掛鉤。表3是本課程主講教師2013—2014學年第1學期課堂教學質(zhì)量評估結(jié)果，綜合得分為優(yōu)良。

表3 “復(fù)雜性科學與哲學”課堂教學質(zhì)量評估結(jié)果

(二)面對面訪談

選擇25個修讀本課程的學生進行面對面訪談，訪談時間約30分鐘，訪談結(jié)果整理如下。

問題1：你認為這門課程有趣嗎？92%的同學認為課程內(nèi)容非常有趣，85%的同學認為拓寬了知識面，了解了很多專業(yè)知識以外的東西，特別是生物學的內(nèi)容。有學生說：“老師講得很好，很有趣，收獲很大。我喜歡演示軟件自帶的模擬案例。”還有學生說：“我對周老師的課很喜歡，雖然以前沒接觸過，但上周老師的‘復(fù)雜性科學與哲學’之后，我懂得了很多我們生活中很細微的規(guī)律和人生規(guī)律?！?/p>

問題2：你認為這門課程很難嗎？83%的學生認為這門課程激發(fā)了好奇心與求知欲，老師講課很有深度、發(fā)人深省，很有哲思，感覺收獲很大。但也有學生說：“可能是因為以前沒接觸過這門課，所以學習起來有點吃力?！?1%的學生認為自己基本理解了非線性、混沌、自相似、自適應(yīng)、涌現(xiàn)等概念，89%的學生表示能夠用NetLogo、Vensim、Simulink仿真平臺演示案例。但仍然有19%的同學認為數(shù)學知識太多、太難，哲學討論不夠豐富。

問題3：你愿意為這門課程投入多少時間和精力？多數(shù)同學表示，由于這門課有大量有趣的上機演示，愿意課后花更多的時間和精力熟悉建模技巧，并期望能用NetLogo來解決一些專業(yè)問題。

問題4：你認為這門課程需要做哪些改進？部分學生希望老師上課時稍微嚴厲一點，多管理課堂紀律。沒有一本統(tǒng)一的教材，學習很不方便。推薦的多本參考書借不到，復(fù)印很花錢。學時太少，內(nèi)容太多。

(三)問卷調(diào)查

本通識課程學習體驗問卷由作者自主編制，由6個題項組成，按李克特6級計分制，0～5代表從強烈不同意到強烈同意，總分范圍是0～30分。本問卷由學生在最后一次課堂填寫，需耗時5分鐘，調(diào)查樣本數(shù)為73人。調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計如表4：

表4 “復(fù)雜性科學與哲學”通識課程學習體驗問卷

根據(jù)以上三項教學評價分析，可以得出如下結(jié)果：雖然課程內(nèi)容跨越數(shù)學、物理、化學、生物、經(jīng)濟、社會等許多領(lǐng)域，但學生喜歡這種跨學科課程；雖然復(fù)雜系統(tǒng)問題的解答涉及到非線性微分方程、面向?qū)ο蟮木幊淘怼ava 語言、Matlab等較難的數(shù)學知識和高級編程技術(shù)，但采用了Vensim、NetLogo、Simulink等容易上手的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，學生基本能夠演示典型模型或解決一些實際問題；課程激發(fā)了學生的好奇心與學術(shù)探究的欲望，擴大了學生的知識面，實現(xiàn)了一定程度的文理交融；通過仿真演示，學生基本能夠理解復(fù)雜性科學中的基本思想和核心概念；本課程的教材建設(shè)是一項薄弱環(huán)節(jié)。

七、結(jié)語

綜合分析課程建設(shè)方案和教學評價結(jié)果，得出三個結(jié)論：“復(fù)雜性科學與哲學”跨學科通識課程的開設(shè)是必要的，也是成功的，得到了學生的廣泛認可；基于復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺的教學模式是可行且有效的，能幫助學生更充分理解復(fù)雜性科學中的各種現(xiàn)象、概念和理論，教會學生解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的各種學術(shù)技能；將復(fù)雜性科學融入本科人才培養(yǎng)方案，還有漫長的路要走，相應(yīng)的教材建設(shè)還是空白。

[1] EARNEST D C.The butterfly effect in the classroom: teaching undergraduates about complex systems theory[C]// Prepared for the 2008 annual convention of the international studies association. San Francisco, CA，2008.

[2] 北京大學.追求二十年的科學前沿：《復(fù)雜性科學與哲學》課程[EB/OL].[2015-06-23]. http://www.douban.com/event/12580 948/.

[3] HARRIS J. Gen ed encourages embracing complexity[EB/OL].(2010-05-21).[2015-05-21].http://www.college.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k61161&pageid=ic.

[4] General education requirements[EB/OL]. [2015-03-21].http://web.uri.edu/catalog/general-education-requirements-2/.

[5] FIEHTER L S,PYLE E J,WHITMEYER S J.Strategies and rubrics for teaching chaos and complex systems theories as elaborating, self-organizing, and fractionating evolutionary systems[J]. Journal of geoscience education,2010,58(2)：65-85.

[6] MICHAE I S，MARTHA M G. Teaching note：a simpie approach to complexity theory[J]. Journal of social work education,2012,26:369-376.

[7] CHRISTOPHER J M,BURGARD M,ABBASI I.Teaching complexity theory through student construction of a course wiki:the self-organization of a cale-free network. complexity[J].Wiley periodicals,2010,16(3):41-48.

[8] SHIFLET, A B.SHIFLET G W.An introduction to agent-based modeling for undergraduates[J].Procedia computer science,2014,29:1392-1402.

(責任編輯：張 杰)

On “Complex Science and Philosophy” Course Practice

ZHOU Kaifa

(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

：A new created interdisciplinary general education course Complex Science and Philosophy was presented, and the course design, content structure and teaching organization were described. Based on the data collected by questionnaire, interview and classroom teaching evaluation scale, the SPSS descriptive statistical analysis was used to evaluate the effectiveness of the learning model based on complex system modeling and simulation platform. The results indicated that it is very necessary and successful to create the new interdisciplinary general education course Complex Science and Philosophy. The teaching strategy used is practical and effective. This course enhanced the students’ curiosity, extended their knowledge, and achieved some blend of arts and science.

undergraduate education; interdisciplinary; general education; complex science; modeling and simulation

2016-07-22

教育部人文社會科學研究西部和新疆規(guī)劃基金項目“基于復(fù)雜性科學的大學課程與課堂教學變革研究”(13XJA880008)；重慶市社會科學規(guī)劃一般項目“云計算時代高等教育變革研究”(2015YBJY061)；重慶市教育科學“十二五”規(guī)劃重點項目“探究性學習環(huán)境下混合教學模式的研究與實踐”(2015—GX—022)

周開發(fā)(1963—)，男，江西貴溪人，重慶交通大學副教授，研究方向：高等教育哲學、彈塑性力學。

G642.3

A

1674-0297(2017)01-0116-06