创设“复杂性科学与哲学”课程实践探讨

周开发

(重庆交通大学，重庆 400074)

创设“复杂性科学与哲学”课程实践探讨

周开发

(重庆交通大学，重庆 400074)

本文介绍了面向本科生创设的跨学科通识课程“复杂性科学与哲学”，阐述了课程的设计思路、内容结构与教学组织。基于调查问卷、访谈和课堂教学测评量表收集的数据，用 SPSS描述性统计分析评价了基于复杂系统建模与仿真平台的学习模式。结果表明，面向本科生开设该课程是十分必要且成功的；所采用的教学策略切实可行且有效；该课程增强了学生的好奇心，扩大了知识面，实现了一定的文理交融。

本科教育； 跨学科； 通识教育； 复杂性科学； 建模与仿真

一、引言

物理学家霍金曾说过：“21世纪将是复杂性科学的世纪。”20世纪80年代兴起的复杂性科学，不仅引发了自然科学的变革，而且日益渗透到哲学、人文社科的各个领域。

从17世纪到20世纪初，牛顿运动定律和线性叠加原理统治着科学认识和人类思维，渗透到西方世界的各个方面。以至大多数人都没有意识到，他们在思考和说话的时候正使用着机械论的教条观点：所有发生的事情背后有着某种原因；宇宙是有序的，像一部复杂机器那样遵循着令人难以置信的规律；可以通过分解和合成事物的组成要素来了解一切。

进入20世纪，还原论受到了海森堡不确定性原理、爱因斯坦相对论等的严重挑战。可是，还原论仍然根深蒂固，物理学家将物质还原为夸克和胶子，生物学家将生命还原为DNA和遗传密码。然而，到了20世纪50年代，生物学家开始从整体论视角看待生物，认为生物是非常复杂的，不能将生物器官还原为机器，只能将生命理解为复杂系统。1945年贝塔朗菲提出生命组织机体论，并由此建立一般系统论，为复杂系统理论的发展铺平了道路。

20世纪60年代，气象学家洛伦兹提出了著名的混沌理论，指出微小的变化可产生巨大影响，例如巴西一只蝴蝶煽动翅膀这个看似微不足道的现象，可改变大气运动的方式，引发美国德州龙卷风。此现象被称为“蝴蝶效应”。90年代几位诺贝尔获奖者和一群年轻的科学家创建了著名的圣塔菲研究所，组成跨学科研究团队，采用先进的计算机建模，对复杂自适应系统、人工生命、混沌边缘、系统进化等复杂性问题开展了原创性研究。目前，由于受到生命科学、经济学、流行病学、神经科学、模式识别、气候变化、社会科学等领域的全面挑战，复杂性科学正快速发展。

复杂性系统问题不只是一个学术问题，更是一个关于认识论、方法论、世界观的哲学问题，正改变着我们认识世界的心智模式。近年来国内外大学正在探讨如何为本科生提供教育机会，以帮助学生更充分地认识和理解复杂系统。2007年，美国学者David C.Earnest为9名本科生开设了“复杂系统理论”课程，讲授复杂系统的基本概念，训练学生用NetLogo进行建模仿真[1]。在国内，北京大学现代科学与哲学研究中心自1989年开始举办复杂性问题暑期研讨会，并于2007年面向本科生开设“复杂性科学与哲学”课程，由哲学、法学、系统科学、力学、物理、地理、信息科学、人文等专业老师讲授复杂性科学和哲学的历史、理论、方法、技术及应用[2]。

2010年哈佛大学刊登了一篇题为《通识教育鼓励拥抱复杂性》的采访报道，本科教育学院院长Jay Harris强调：“我们希望在哈佛的时间，尤其是课程学习的这段时光里，学生们真正所要掌握的是理解复杂性的能力。”[3]其实，美国不少大学在通识教育要求中明确指出：“通识教育的目的是为了丰富人类经验和积极投身世界而打下基础，而这个基础是建立在对自然、社会和个人的复杂性认知基础之上的。通识教育的目的是向学生介绍这种复杂性的基本维度，并对不同的理解方式和不同的文化反应表现出充分的赏识。”[4]

可见，科学家们已开始放弃牛顿的确定论和还原论，转向整体的、非线性的复杂性思维范式，但是普通人仍然坚持着牛顿的世界观。

目前，面向研究生开设的有关复杂系统理论及其建模仿真的课程很少，面向本科生开设的相应课程更是稀少[5]。课程如此稀少的原因是：复杂性科学本身大范围的跨学科特性令许多教师望而却步；确定性和线性化思维范式占据着课堂教学的绝对地位，师生习惯并偏好于牛顿的还原论；认为本科生数学水平还不够，难以理解复杂性科学的核心概念、思想和方法；认为复杂性科学过于前沿，而本科教学与学术前沿之间有一定的滞后性，没开设该课程是正常的。因此，国内大学对面向本科学生开设这类课程的重视不够，相应的教改行动明显迟缓。

本文阐述“复杂性科学与哲学”的课程设计与课程目标，讨论课程内容结构及教学组织，探讨基于复杂系统建模与仿真平台的学习模式，并综合评价学生的学习效果。

二、课程设计与课程目标

“复杂性科学与哲学”是一门面向本科各年级各专业的全校性通选课，共32学时，每学期开设一次，选修人数控制在60人左右。

课程内容由五部分组成。一是讲解复杂性科学的基本概念，如非线性、混沌、分形、自相似、自组织、自适应、涌现、奇怪吸引子等。二是介绍复杂性科学的各种理论流派和代表人物，反思还原主义与整体主义两种思维范式的争论。三是介绍复杂性科学的研究方法，演示系统动力学建模与仿真、基于多主体复杂系统建模与仿真。四是面向真实情境问题的应用，针对具体的自然/社会复杂性问题进行建模仿真。最后是复杂现象的哲学反思，从认识论和方法论视角探讨复杂性科学的范式革命。

教学方式主要由教师讲授、问题研讨、仿真演示、自主探究活动、学生汇报和课外学术阅读等环节组成。课程考核成绩主要由开卷考试、课程论文和教学参与三部分组成。开卷考试占总成绩的30%，主要考概念题、复杂现象分析与哲学反思题。课程论文占总成绩的30%，要求学生写一篇不少于3000字的学术论文，论文必须符合规范格式且无抄袭现象。教学参与占总成绩的40%，由出勤、课堂提问与发言、PPT汇报、课外自主学习等组成。

课程目标是为学生创建探究性的学习环境，提供探索复杂的自然和社会科学现象的学习机会，培养学生从科学与哲学视角来认识复杂世界的意识，训练学生的深度学习能力、基本学术素养和模型思维习惯，激发学生的好奇心、求知欲和创造力，使得学生从单一的还原论范式转向整体论范式。

作为跨学科通识课程，本课程将培养学生具备如下的知识、能力、态度和世界观：了解复杂性科学的发展历史与动态；从科学与哲学的视角理解复杂性科学的主要概念，如系统与环境、非线性、混沌与分岔、涌现、自相似、分数维等；了解面向过程与面向对象的两种编程思想，能够应用复杂系统建模仿真平台辅助学习；熟悉自然/社会科学中的经典模型，掌握用模型思维解决复杂的自然/社会科学问题的基本步骤与方法；能够有效地查找、批判地评价和合理地应用学术资源，掌握小组合作解决问题的方法与策略，熟悉科学研究的基本过程与方法，学会主动学习与深度学习；能从哲学的高度解释复杂现象，如有序与无序、可逆与不可逆、竞争与合作、随机与混沌、涌现与自组织等等。

开设本课程的最大难题是教材选用。目前几乎没有任何一本书能直接用于教学。因为没有一本书是将复杂性科学理论、复杂系统建模与仿真、复杂问题的哲学反思三项内容整合在一起的。进行教学设计时，只有择优选用相关资料，进行主题整合。同时，给学生提供丰富的课外阅读资料，弥补教材不足。目前，选择《非线性科学与复杂性科学》(李士勇)为理论参考书，《NetLogo4.0.2用户手册》(张发)、《MATLAB科学计算与可视仿真》、《系统思考和系统动力学的理论与实践》(张波等)、《Swarm for Java仿真及编程实现》(刘贞等) 为系统建模与仿真参考书，《哲学视野中的复杂性》(刘劲扬)为复杂问题的哲学反思参考书。

三、课程内容

《复杂性科学与哲学》的内容体系由12个主题构成，并通过12个问题来具体组织和展开教学活动。在教学过程中，结合大量的自然/社会科学中的实例，借助建模仿真平台进行教学演示，另安排12项自主探究活动，以帮助学生充分认识复杂性现象，掌握复杂系统的基本概念和演化规律，养成复杂性思维和模型思维的习惯，学会处理复杂性问题的基本方法与技术。表1是课程的主要教学内容和学习活动安排。

表1 《复杂性科学与哲学》的主要教学内容和自主探究活动

从表1不难看出，“复杂性科学与哲学”涉及自然科学、社会科学、数学、哲学等众多领域，内容丰富，思想新颖，研究方法独特，问题解答有趣而深刻。

四、课程建模仿真软件

要想清晰且深刻地理解复杂系统中的非线性、反馈、混沌、分岔、涌现、自组织等抽象概念，必须借助各种复杂系统建模和仿真软件[6]。依据不同的编程思想，将软件分成两类，即面向过程的建模软件和面向对象的建模软件。

对于许多连续或离散的自然/社会复杂系统问题，例如人口增长、疾病传播、合作与竞争、渔业经济等，可以采用系统动力学方法进行建模仿真，探究变量及其之间的相互关系随时间的变化规律。Vensim和Stella是系统动力学建模仿真的常用工具，建模时无需编写程序且可视化，输入和输出功能较强，容易上手。目前，系统动力学方法在辅助教学中的应用正日益增多。越来越多的教师发现，对于教授系统思维和问题求解技能，它是一个很好的学习工具。为此，一些学校专门创建了系统思考学习实验室，借助系统动力学模型帮助学生改善心智模式，激发创新思维和创新活动，形成科学决策方案。

对于自然/社会系统中的许多大规模复杂离散事件仿真，必须采用基于多主体的仿真平台，如NetLogo、Swarm等。从教学角度考虑，选用NetLogo多主体仿真平台是最合适的，该软件免费、易安装，学生容易上手，编程语言简单灵活，有多种可视化工具，示例很多，功能很强大。借助NetLogo多主体仿真平台，学生容易构建虚拟的自然/社会复杂模型，并通过反复仿真实验来探讨真实情境中难以观察到的各种有趣现象和问题。基于NetLogo多主体建模与仿真，不仅能够激发学生主动学习和科学探索的兴趣，而且能够培养他们的深度学习能力和科学研究技能[1]。

五、教学方法

“复杂性科学与哲学”通识课程始终贯彻“以学生为中心”的教学理念，营造探究性学习环境，将课内讲授、研讨与课外自主探索活动融为一体，通过跨学科教育实现自然科学与社会科学的知识融合，着力培养本科学生的系统思维、科学素养、批判性思维、信息素养、问题解决、学术创新、小组学习、自主学习等核心能力。课程主要采用老师讲授、课堂讨论、多媒体教学、数值模拟与仿真演示、基于IBL的小组学习、自主探索活动等教学方法。下面重点介绍数值模拟与仿真、基于IBL的小组学习与自主探究活动两种教学方法。

(一)数值模拟与仿真

系统动力学模拟和复杂系统多主体仿真越来越成为复杂性科学教学和研究的重要工具，有助于学生加深对非线性、混沌、涌现、自组织等概念的理解，提高学生解决复杂系统问题的能力[7-8]。在教学过程中，选择了一些典型模型(见表2)进行教学演示和自主探索学习。

表2 典型的教学演示模型

(二)基于IBL的小组学习与自主探究活动

探究式学习是以学生为中心的一种教学方法，在大学阶段越来越受到欢迎。首先，将学生分成多个小组，每个小组5～6人，每组选定一个研究主题；采用过的部分研究主题有：圣塔菲研究所的跨学科研究模式与启示、金融危机与多米诺骨牌效应、基于组合交通仿真模型的交通拥堵仿真分析、多主体仿真平台NetLogo的特点与编程、基于NetLogo的课堂学习活动的仿真分析等。然后，小组分工合作,通过查找资料(不少于10篇论文)，小组内部讨论，决定问题的解决策略。之后，指导老师与小组讨论，提供不同程度的学术指导(如编程难点、知识整理、PPT制作等)。最后，小组成员课堂汇报研究成果，并回答质疑。

自主探究活动按照表1所列内容，由学生自主选择仿真项目5个，课余时间自主实践。通过“复杂性科学与哲学”QQ群(291798605)，教师提供及时指导，同学之间进行学术交流。自主探究活动为学生提供了可选择性的学习项目，促进了个性化的学习。

六、教学评价

(一)课堂教学质量评估

课堂教学质量评估量表由学校教务处开发，面向全校所有本科课程进行评价，评价结果与教师考核挂钩。表3是本课程主讲教师2013—2014学年第1学期课堂教学质量评估结果，综合得分为优良。

表3 “复杂性科学与哲学”课堂教学质量评估结果

(二)面对面访谈

选择25个修读本课程的学生进行面对面访谈，访谈时间约30分钟，访谈结果整理如下。

问题1：你认为这门课程有趣吗？92%的同学认为课程内容非常有趣，85%的同学认为拓宽了知识面，了解了很多专业知识以外的东西，特别是生物学的内容。有学生说：“老师讲得很好，很有趣，收获很大。我喜欢演示软件自带的模拟案例。”还有学生说：“我对周老师的课很喜欢，虽然以前没接触过，但上周老师的‘复杂性科学与哲学’之后，我懂得了很多我们生活中很细微的规律和人生规律。”

问题2：你认为这门课程很难吗？83%的学生认为这门课程激发了好奇心与求知欲，老师讲课很有深度、发人深省，很有哲思，感觉收获很大。但也有学生说：“可能是因为以前没接触过这门课，所以学习起来有点吃力。”81%的学生认为自己基本理解了非线性、混沌、自相似、自适应、涌现等概念，89%的学生表示能够用NetLogo、Vensim、Simulink仿真平台演示案例。但仍然有19%的同学认为数学知识太多、太难，哲学讨论不够丰富。

问题3：你愿意为这门课程投入多少时间和精力？多数同学表示，由于这门课有大量有趣的上机演示，愿意课后花更多的时间和精力熟悉建模技巧，并期望能用NetLogo来解决一些专业问题。

问题4：你认为这门课程需要做哪些改进？部分学生希望老师上课时稍微严厉一点，多管理课堂纪律。没有一本统一的教材，学习很不方便。推荐的多本参考书借不到，复印很花钱。学时太少，内容太多。

(三)问卷调查

本通识课程学习体验问卷由作者自主编制，由6个题项组成，按李克特6级计分制，0～5代表从强烈不同意到强烈同意，总分范围是0～30分。本问卷由学生在最后一次课堂填写，需耗时5分钟，调查样本数为73人。调查结果统计如表4：

表4 “复杂性科学与哲学”通识课程学习体验问卷

根据以上三项教学评价分析，可以得出如下结果：虽然课程内容跨越数学、物理、化学、生物、经济、社会等许多领域，但学生喜欢这种跨学科课程；虽然复杂系统问题的解答涉及到非线性微分方程、面向对象的编程原理、Java 语言、Matlab等较难的数学知识和高级编程技术，但采用了Vensim、NetLogo、Simulink等容易上手的复杂系统建模与仿真平台，学生基本能够演示典型模型或解决一些实际问题；课程激发了学生的好奇心与学术探究的欲望，扩大了学生的知识面，实现了一定程度的文理交融；通过仿真演示，学生基本能够理解复杂性科学中的基本思想和核心概念；本课程的教材建设是一项薄弱环节。

七、结语

综合分析课程建设方案和教学评价结果，得出三个结论：“复杂性科学与哲学”跨学科通识课程的开设是必要的，也是成功的，得到了学生的广泛认可；基于复杂系统建模与仿真平台的教学模式是可行且有效的，能帮助学生更充分理解复杂性科学中的各种现象、概念和理论，教会学生解决复杂系统问题的各种学术技能；将复杂性科学融入本科人才培养方案，还有漫长的路要走，相应的教材建设还是空白。

[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] 北京大学.追求二十年的科学前沿：《复杂性科学与哲学》课程[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.

(责任编辑：张 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

教育部人文社会科学研究西部和新疆规划基金项目“基于复杂性科学的大学课程与课堂教学变革研究”(13XJA880008)；重庆市社会科学规划一般项目“云计算时代高等教育变革研究”(2015YBJY061)；重庆市教育科学“十二五”规划重点项目“探究性学习环境下混合教学模式的研究与实践”(2015—GX—022)

周开发(1963—)，男，江西贵溪人，重庆交通大学副教授，研究方向：高等教育哲学、弹塑性力学。

G642.3

A

1674-0297(2017)01-0116-06